（机械电子工程专业论文）搭接技术及其对电子系统电磁性能影响的研究.pdf

摘要 减小电磁_ t 扰的基本方法是对电子设备进行电磁隔离。隔离通常需要借助屏蔽、接地和 过滤等技术来实现。在这些技术中，至关重要的是元件之间、组件之间、设备之间或整个复 杂系统之间的搭接( 或电气连接) 。 本课题首先全面阐述了有关搭接的理论及其在电磁兼容领域中的应用，对常见的搭按技 术进行了分类和比较；对影响搭接质量的因素进行了详细的分析( 从搭接电阻的角度分析) ； 对搭接的设计提出j 一些指导性的原则。其次，重点分析了单个搭接条的电气特性和整个搭 接系统在射频下的电磁性能，对一些影响因素进行了重点分析。第三，根据插入损耗原理制 作了一种测量装置，采用该装置可以扫频测量搭接试件在射频下的阻抗( 包括金属之间的接 触阻抗和导体自身的射频阻抗) ，极大地方便了搭接阻抗的测量。此外还可拓宽其用途。其 有较高的应用价值。第四，对搭接系统的有效性提出了一种评定标准搭接效能，并通过 实例测量，发现搭接效能的评定与搭接阻抗的评定是一致的，因此可以用搭接的阻抗特性来 衡量搭接系统的有效性。最后，是应用插入损耗测量装置对常用的丁程材料和不同工艺结构 的搭接试件进行测试，评定优劣，总结规律，供工程设计人员参考。 关键词：e m i ( 电磁干扰) 搭接搭接条搭接效能射频搭接阻抗 a b s t r a c t b o n d i n g ( o re l e c t r i c a lc o n n e c t i n g ) b e t w e e nc o m p o n e n t s ，a s s e m b l i e s ，e q u i p m e n t s ，o re n t i r e c o m p l e x e si s o n eo ft h eb a s i ct e c h n i q u e si n e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c er e d u c t i o n o f t e n ，t h e p r o p e r t e c h n i q u e s a r e e m p l o y e d w i t h o u taf u l l u n d e r s t a n d i n g o ft h er a t i o n a l eb e h i n dt h e t e c h n i q u e s ，a n do f t e nt h et h e o r yi su n d e r s t o o db u ti m p e r f e c t l yp u ti n t op r a c t i c e t h i sp a p e ri st o p r e s e n t ，f r o mt h ev i e w p o i n to fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ec o n t r o l ，as u r v e yo ft h et h e o r i e sa n d t e c h n i q u e sr e l a t i n gt ob o n d i n g t h i sp a p e rc o n s i s t so fs i xm a i np a r t s f i r n l nt h e p a p e rp r e s e n t st h e b a s i ct h e o r i e sa n d t e c h n i q u e sa b o u tb o n d i n g 。s e c o n d l t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep h e n o m e n aa s s o c i a t e dw i t ht w o m e t a l l i cc o n t a c t s ，t h i r d l y , t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fb o n d i n gs t r a p sa n db o n d i n gs y s t e m s t h r o u g ht h ev h pr e g i o na r ed i s c u s s e d f o u r t h l y t h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u eb a s e do ni n s e r t i o n l o s si si n t r o d u c e da n d t w o t y p i c a lm o d e l so fm e a s u r i n gd e v i c e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l f i f t h l y , t h e p a p e ri n t r o d u c e sa n o t h e rm e t e w a n d - - b o n d i n g e f f e c t i v e n e s st h e p r a c t i c a lt e s t i n gp r o v e st h a tt h e m e a s u r e db o n d i n gi m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sc a l lb eu s e da sam e a s u r eo ft h ee f f e c t i v e n e s so ft h e b o n d i n gn e t w o r k f i n a l l y , u s i n gt h ei n s e r t i o n l o s sd e v i c ew ec a ne v a l u a t et h ee r i e c t i v e n e s so f s o m et y p i c a lb o n d i n gs t r a p sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l sm a dd i f f e r e n td e s i g n st h a ta r eo f t e nu s e di n p r a c t i c e 。 k e y w o r d s ： e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) b o n db o n d i n gs t r a pb o n d i n ge f f e c t i v e n e s s b o n d i n gi m p e d a n c e a tr f 学位论文独仓u 性声明 v g 9 4 , 1 2 9 夺人声明所呈使的学位论文是我个人在导师指导f 进j ? f l , j 研究f 作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i 警盥蒸曰期：盟叼 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括干u 嚣) 授权东南大学研究生院办理。 签名：弋啦导师签名：姆 日期：幽三 1 1 背景知识 第一章绪论 1 1 1 电磁兼容与电磁干扰 电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 简称e m c ，是研究在一定的空间、时间利 频谱资源f ，各种电子设备可以共同工作，并不引起互相干扰的一fj 学科。电磁兼霹性体 现了信号与干扰共存的能力。具体而言，电磁兼容性分两部分内容：一是确保在规定的电 磁环境电平r ，设备、系统不因受电磁干扰而发生故障；二是规定设备、系统本身发射的 电磁能量不能超过极限电平，以保证电磁环境的干净。这两类问题都是针对电磁干扰，前 者是研究如何抗干扰，后者是研究怎样降干扰。 电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) ，简称e m i ，泛指任何造成电子设备性能降级 或故障的电磁能量。电磁干扰现象在生活中是常见的。举一个例子，电视机靠宝内天线正 清晰地播放节目，这时观众中某位人士的手机晌了，电视机画面出现短暂的跳跃平雪花， 等通话之厉，现蒙就不见了，这是因为手机在上作时对电视机产生了干扰。电磁干扰的危 害有轻有重，据美国航空无线电技术委员会记载，曾发生过旅客在飞机上使_ j 调频收音机， 致使导航系统的指示偏离1 0 。，差点引发飞行事故。1 9 7 9 年我国空军某部在e 行训练中， 收到强信号干扰，飞机与地面通讯中断，后经查实，原来是附近医院超短波理疗机工作时 发出的干扰。 此外，电磁辐射对人体健康不利，长期处于高频辐射卜- ，人体会产生许多奇怪的临床 症状。电磁辐射的生物效应是医学界研究的个热点。当然，电磁辐射的强大威力也被军 方用来研制武器。 1 1 2 电磁干扰源与传播途径 干扰源分为自然干扰和人为干扰。前者的典型代表是雷电、太阳黑子活跃时的磁爆。 后者就复杂了随电力工业，电子工业，微电子行业的迅猛发展，能成为干扰源的越来越 多。如可控硅触发电路、电动机调速器、汽车点火系统、无线电发射机等等。 根据干扰源的特性有宽带和窄带之分。窄带干扰顾名思义指单一频率或有限频率的正 弦信号。测窄带干扰电压或场强，一般取有效值或平均值。宽带干扰可以看作+ 系列重复 频率很低的脉冲组成。宽带干扰大多可归纳为两种形式：一是占空k g r d , 的脉冲，特点是 尽管电流或电压的峰值很大，但平均值很小，接近于零。二是占空比很低的脉冲，称作向 噪声，其干扰波的特征是脉冲一个紧接一个，电流或电压的峰值只略大于平均值或有效值。 宽带干扰的危害比窄带严重得多，控制起来也比较麻烦。 干扰源按照其持续时间特征，还分为瞬变、间歇和连续三种。如机械式高压开关是瞬 变干扰源，家用电吹风可看作间歇干扰源，开关稳压电源是连续干扰源。 干扰源发出的电磁能量通过传导和辐射两种传播方式到达感受器，感受器泛指一切“受 害者”。 传导干扰通过电源线、信号线、公共地线等线缆进行传输；辐射干扰通过空问传播， 辐射干扰源周嗣的空问分两部分，距离小于x 2 r 【的为感应场区，距离大于l 2 1 t 的是辐射场 区( x 是辐射波的波长) 。在感应场i 爻= 有电容耦台与电感耦台两种形式。最常见电感耦合： 两条挨得很近的导线，由丁互感产生电感耦台一条线上的电流发生变化，会影响另一根线 上的电流。电容耦合的形式如：一个电位较高的物体通过分布电容使其周1 胡的物体电位升高。 东南人学琐i j 论义 1 1 3 抑制干扰的途经 为了解决电磁干扰问题，人们想出诸多办法，早期的研究局限于抗干扰，被动地进行防 范和补救，这种亡羊补牢式的做法不仅难以达到效果而且费用大。发展至今日，电磁兼容进 入了主动预测分析、主动进行设计、主动采取措施的新阶段。实现电磁兼容的思路分兰个方 向：控制干扰源的电磁发射切断电磁能量的传橘途经，增强敏感殴备的抗干扰能力。具体 的手段有： ( 】) 高瞻的统筹布局 对一个工程，台理的规划是成功的基础，电磁兼容也不例外。合理布局的目的是使各屯 路单元间、各模块间、各系统间的潜在的干扰通道降低到最少。基本原则有干扰源雨i 敏感设 备尽量远离、输入输出端口妥善分隔、高电平电缆及脉冲引线同低电平电缆分开敷设。 ( 2 ) 优化线路自身设计 尽量设计和选用自身发射小，抗干扰能力强的电子线路。这是从根本上解决问题的办法， 但也是技术要求最高的。 ( 3 ) 屏蔽 屏蔽是用导电性好的材料将干扰源封闭起米，使干扰无法外泄：也可把敏感设备封闭起 来，使干扰无法进入。屏蔽技术能有效地抑制近场或远场的辐射干扰，但它的致命缺点是与 电子设备的热设计相矛盾，阻碍通风散热，而且不便拆卸维修。加之体积、重量都骤然增大， 笨重不美观。所以设计时要权衡考虑。而且，光靠屏蔽往往是解决不了问题的。 ( d ) 滤波 滤波是遏制传导干扰的有效手段。在信号频谱中，将传导干扰信号以大的损耗衰减掉， 对有用信号以小的损耗保存下来。滤波的概念较易理解，普通的滤波要求其电路实现不难， 但电磁兼容领域常常会遇到滤波要求较高，抑制频率范围宽。抑制元件固有电谐振特性对滤 波器电路的整体性能制约严重，难以设计山将于扰信号滤干净的电路。 ( 5 ) 接地 为电源和信号电流提供回流和基准电位的线路称地线。通常说的接地指接地线，对大型 的电子设备或系统，所有的地线最后汇总一点，然后接大地，使地线与大地等电位。接地是 有效抑制环境噪声的措施。接地也是有效防止雷击的措施。接地的原刚仅是简单的几句话t 但在现实工程中，接地要根据具体情况作具体的分析、统筹、安排。这样才能将措施、成本、 效果统一起来。 4 东南大学颂 i 论义 1 2 研究搭接的目的与意义 1 2 1 搭接的定义 搭接( b o n d i n g ) 是指在两金属物体之间建立一个供电流流动的低阻抗通路，以形成一个 电气t 的整体，避免在构架或设餐出现电位差，因为龟饪差的存在易引起电磁干扰。搭接方 法一般是通过机械或化学方法把金属物体进行结构固定。 1 2 ，2 搭接的目的 在任何的电子系统中，无论是一台设备还是一套设旋，都必须在备金属物体之间进行互 相搭接，以便减小屯击危险、提供雷电保护、建立电子信号参考点等等。理想情况下，这些 互连以适当方式完成以后，通路的机械和电气性能仅取决丁搭接件而不取决丁互连的搭接 点。此外，搭接点必须在长时期内保持性能稳定，以免搭接性能质量逐步衰退。搭接必须按 有关的方法和程序进行，以获得足够的机械强度及金属物体之间的低阻抗互连，并保证由此 建立的通路不致因腐蚀或机械松动而失效损坏。 搭接必须达到下列各项目的： 1保护设备和人身安全，防止雷电放电的危害； 2建立故障电流的同流通路： 3 建立信号电流单一而稳定的通路； 4 降低机柜和壳体上射频电位； 5保护人身安全，防止电源偶然接地时发生电击危害； 6防止静电电荷的积聚。 1 2 3 研究搭接的意义 搭接在电子系统的电磁兼容性结构设计中常常见到，并起着很关键的作用。搭接质量的 好坏直接关系到整个系统的电磁性能。 在正确设计和实旄的情况f ，搭接可以减小电子系统的故障保护网络、信号参考网络、 屏蔽网络和雷电保护网络内各点之间的电位差。但是不良的搭接则会引起各种干扰和危险。 例如，信号线路中的松动或高阻抗接点会扰乱信号的正常状态( 降低信号幅度或增大噪声电 平) 。雷电保护网络中的不良接点将会特别危险。一次雷电放电的强人电流可以在一个不良 的接点上产生几千伏的电压。由此产生的电弧可以造成火灾和爆炸的危害，并对设备产生干 扰。接点上所形成的附加电压，还会增加该接点对放电通路邻近物体发生e 弧的可能性。 高噪声电平引起系统性能的下降，往往是由于电路回流的信号参考网络上不良的接点引 起的。参考网络对潜在的不相容信号提供了低阻抗通路。参考网络各元竹间的不良连接，会 增加电流通路的电阻。电流流过这些电阻所形成的电压可使电路或设备信号参考点的电位出 现差异。当这些电路和设备互连时，上述电位差将形成系统内不需要的信号。 搭接，还关系到其他干扰控制措施性能的好坏，例如，连接器壳体与设备机箱的正确搭 接，对保持电缆屏蔽的完整性和维持电缆的低损耗传输特性，都是必不可少的。在电磁屏蔽 中，要获得较高的屏敞效能，就要对接缝和接头进行仔细的搭接。为了获得最佳性能，还必 须对抑制干扰的元悄二和器件进行良好的搭接。 要是在电流通路上的某一个接点没有可靠接触，或由于振动使接点松动，这种接点就起 着一组间歇式触点的作用。即使通过此接点的电流为直流或工频交流，在此接点上所产生的 火花仍可能会产生频率高达儿百兆赫的干扰信号。 在高电平射频电磁场中出现不良的搭接，可能会产生更复杂的干扰。当存在两个或两个 以上高电平信号发射时，不良接点上会产生交叉调制和其它混频分量。某些金属氧化物本身 东南大学坝l 。论文 就是二# 导体，具有1 线性器仲的特性。冈此，它能使这些信号之间产生混频作用，由此而产 生的干扰信号往往可能被耦合至邻近的敏感设备。此外，驻波效应、接地通路谐振、咀及导 体的固有电感和杂散电容都会对搭接效能起着制约作_ l _ f j ，从而使系统的电磁性能急剧下降。 可见，研究搭接可以指导电子系统的结构设计，对提高整个系统的电磁性能，增强抗干 扰能力，具有重人而深远的意义。 1 2 4 本课题研究的主要内容 本次课题研究的目标是尽可能地搜集国内外有关搭接方面的背景资料，进行总结分类， 全面地阐述有关搭接的理论与技术，为上程设计人员佧参考。， ：针对某些复杂现象，进行深 入研究，找寻规律。比如在射频频段，搭接的有效性不仅取决于能测量的直流阻抗，还要考 虑射频阻抗。如何改进设计，降低射频阻抗，避免系统工作在谐振频率点附近，等等，是提 高搭接效能( b o n d i n ge f f e c t i v e n e s s ) 的关键与难点。 本次课题研究的内容主要包括： 1 搭接方法的分类及其特点分析； 2 影响搭接质量的网素分析( 从搭接电阻的角度分析) ； 3 搭接条与搭接系统的射频特性分析与研究及搭接条的结构_ t 艺设计； 4 射频频段内的搭接阻抗的测最( 基于插入损耗原理) 及测试装置的制作； 5 部分搭接试件的射频阻抗的测试及其特性比较； 6 措接的有效性评定( 搭接条的搭接效能之测试与比较) ； 7 理论总结。 东南人学顺i 一论殳 第二章搭接的常用方法 实现搭接有很多方法，但总体上可归纳为直接搭接和阳】接搭接两类。其中直接搭接义川 分为熔接、硬钎焊、软钎焊、螺栓连接、铆接、导电粘接等儿炎。f 面分别加以叙述。 2 1 直接搭接 2 1 1 直接搭接 直接搭接是在互连元件2 间不使用辅助导体而建立一条有效的电气通路：把互连部分放 置一起使它们直接接触，再通过熔焊或钎焊在其接合处建立起种熔接的金属桥接，或者利 用螺栓、铆钉夹箍使配接表面之间保持强大的压力，以获得电气的连续性。直接搭接的例f 有：母线条带之间的叠接；雷电引下导体与大地电极分系统间的连接；设备前面板与设备机 架的配接仪及连接器壳体在设备面板上的安装等等。 正确的直接搭接，直流电阻很低，并能获得一个低至搭接部份结构所允许的射频阻抗。 直接搭接往往是晟好的连接方式，但是只有当两个互连元件能够连接在起，弗且没有相对 运动时，才能使用直接搭接。对丁_ 在空间上必须分离的接点、缝隙、铰链或固定物体，为了 建立电气的连续性，就需要采用金属条带、搭接片或其它辅助导体进行间接搭接。 通过直接搭接两个构件的电流路径如图2 1 所示。搭接处两边导体通路的电阻尼由r 式给出： r 。= 譬 ( 2 ，) 式中：p 导体材料的电陋率： 电流流过导体的通路总长度： s 导体的横截面面积( 设备处的截面面积等) 。 连接处的任何搭接电阻麻，都会增加通路的总电阻屉。因此搭接的目的是要降低鼐，使 佩的量值与届相比可以忽略，从而使尼只取决于届。 焊接( 如熔焊或银焊) 可以保证获得极低的搭接电阻盈。焊接型接头的电阻取决于熔焊 质量及填充金属的电阻率，因此熔焊或填充金属的电阻接近被连接金属的电阻率。 导体2 。 一 导体l l， 一 l 导体2 ( a ) 对接( b ) 叠接 图2 1 流过直接搭接处的电流 由于经济、日后的可维修性或功能方面的要求，金属焊接并非总是最恰当的搭接方法。 例如，可以把配接的表面叠在一起后在高压下形成连接。通常采用辅助紧同什，如螺栓，螺 钉，铆钉或夹箍等在配接的表面上施加并保持一定的压力。这种连接的搭接电阻，取决于相 关的金属种类、配接面内的表面状态、配接面的面积以及配接面上的接触压力。 2 1 2 直接搭接的方法 直接搭接可能是永久性的或半永久性的。永久性搭接是指在装置的预期寿命中可保持 安装何馘1 i 变，进行检态、维修或系改建刚不需要拆卸的那些连接。剥) j | 5 些_ ：容易接近的搭 救i 、庸进行永久搭接并采敷适当的措施儡护接点以防损上 、。 人多数搭接应采删可拆式搭接，爿保证拆卸时小损纠、缄显并地改变搭接；0 f l 。埘j _ 系 统改建、网络的噪声测量、电阻测擐，或丁其它原w 可能需要断丌的圳。些接头，小j 、t ”1 水 久性搭接。另外，许多接头由j + 成本的缘故不【，能进行永久性连接。所订这螳不能进行永久 陆搭接的点就被称为、 ，永久性措接点。、r 永久性接点包括那些利i t 螺钊、铆引、夹箍或其它 辅助零什紧例的接点。 1 、熔接 就电气性能析高，熔接是理想的搭接力法。熔接所产。生的强人热始( 超过2 2 0 0 “c ) ，足 以气化污染的薄膜和外界物质，在结合处形成一种接近丁搭接元件本身电导率的金属桥踏。 这种搭接的纯电阻实际上为零，冈为桥路相对i 连接元什的i ! 乏度短得多。熔接搭接的机械强 度是i 高的，可以接近或超过搭接元件本身的机械强度。由丁潮气帛l 杂物不能透入熔接的接 点f ，所以熔接义减少了接点的腐蚀。金属桥跆的风化率可以与基体元什的风化率相比拟， 所以接点的寿命亦与搭接元件的寿命一样长。 对丁永久性的搭接接点凡有可能时都麻采用熔接。虽然熔接可能是费州较高的搭接方 法，但对丁那些一经完成绍装就不容易接近的接点米说，由j 二熔接接点的- ，j _ 靠性高还足常 被采川。在一般搭接结构中所碰到的大多数金属，可以利j j 诸如气焊、l 乜弧蚪、氦弧焊干放 热焊等。 常规的熔焊只能由经过适当训l 练并取得资格的人员进行。在许多情况r ，熔焊要比利删 睛如螺栓或铆钉等紧同安装的速度慢得多。熔焊成本的增加，迫使人们采h j 其它可行的熔接 方法。 一种有效的熔接方法是放热熔接l 艺。在这种工艺中，利用1 一个彳i 墨模把销、氧化铜羽i 其它粉求的混合物盛装在接点周围。把上述混合物引燃，燃烧所产生的热量( 超过2 2 0 0 。c ) 可把氧化铜分解，从而在连接点周围产生荤质的铜膜。由化学反应产生的高温，u t 使钢材料 与钏或铁进行搭接，亦u j 与其它铜材料搭接。 放热埠特别适用于电缆与电缆熔接、电缆与钢棒熔接、电缆与i ：字钢或o o 其它结构件的 熔接。特别是不便使j _ ；| 常规熔接方法，或者没有熟练的熔接_ l 时，对r 接地电缆与接地棒的 搭接，放热熔接r 艺特别令人瞩目。每种不同的搭接结构，都需要一个单独的l i 墨模f ，当 进行儿个相同结构的搭接时，放热焊r 艺更为经济。 采j _ j 放热焊时，应严格遵守操作l 艺。筷子应是干燥的或按照规定予以烘干。特别是当 模f 已隔，好儿个小时没有使用可能已吸潮时，尤其需烘烤。应把要措接金属表面的灰尘和 碎腾清除，并把多余的水份擦t 。水分、灰尘或其它外界杂质会在熔接中造成孔隙，这孔隙 就可能降低熔接强度或增火搭接电阻。另一个要求是模子的尺寸必须与电缆或导体的横截面 相仂，调，否则熔融的金属将会分散到搭接区域之外。 2 、硬钎焊 蚀钎焊时，戍把措接表面温度加热至4 5 0 。c 以上，但要低丁搭接元f t 。的熔点。对受加热 的元什麻施加填充金属和适应的焊剂浸润待接表面，以保证钎焊焊料与搭接表面之间的紧密 接触。象高温熔焊一样，硬钉焊接点的电阻基本为零。但是由h 厦钎焊往往使j t 2 0 原搭接 元什不同的金属，所以必须采取附加措施来保护接点免受腐蚀损蜘：。 0 、软钎烨 软钎焊是一种常用的搭接【艺，常用丁儿种高电导率金属( 如铜、锡或镉) 的快速搭接。 其描接的电阻l 乎和熔焊或钎焊的电阻一样低。但是由 二软钎焊的熔点低，所以，在可能 现人1 乜流的场合不府把软钎焊川作主要的搭接手段。j i ：由丁二其熔点低，不允许将软钎焊川竹 故障保护接地通路的搭接上也不允许在雷电保护网络的元件之间采j t i 软钎焊迎。除了温 东南人学倾i 。论业 度限制外，软钎焊的机械强度亦低，如果在焊料冷却过程中连接元件相对移动，势必造成结 晶裂纹。特别戍注意的是焊锡的冷脆现象更为有害。冈此，如果接点必须承受机械载荷时， 不应使用软钎焊。当采用软钎焊时，必须考虑到结晶裂纹的趋向并采取适当的预防措施。 但是，软钎焊可以在许多场合有效地使用。例如在组装中便有助于控制腐蚀。软钎焊还 可以用来有效地连接屏蔽的缝接，或者把电路元件连结在一起后接至与电路有关的信号参考 平面。软钎焊还经常配合机械紧周件使h j 。常用的做法是把接点加热到足以熔化焊料的温度 弭以低电阻焊料填充金属，使其渗入配接表面的阻挡层。 4 、螺栓连接 在许多场合不希望采用永久性搭接。例如，当设备需要从外壳中取出或转移到其它位簧 时，这就要求把接地连接和其它连接断开。为便于调整和修理，设备的盖板也必须是可拆卸 的。在这种情况下，永久性搭接显然是不适当的。非永久性搭接除有较大的灵活性之外在 工艺上也比较简单，不需要对操作人员进行专门培训，也不需要专用器具。 撮普通的半永久搭接是螺栓连接( 或者是利用螺钉或其它螺纹紧固件的连接) ，因为这 种形式的搭接可提供所需要的灵活性和易接近性。螺栓( 或螺钥) 仅用作紧崮件，在措接面 之间提供必要的紧固力，般为8 1 0 b i p a 。事实t ，除了提供必要的金属抗拉强度之外， 紧【刮件并不一定要求导电。虽然螺栓和螺钉可以对流过接点的电流提供一条辅助通路，但电 流的主要通路应通过金属界面来建立。由于自攻螺钉螺纹连接的可靠性差，闳此绝不能用其 进行搭接。 紧同仲的尺寸、数量和间隔应满足整个搭接面上压强的要求。螺栓所形成的压力集中在 紧靠螺栓头部的区域。在螺栓头部下面放置一个人的刚性垫圈，可增加有效的接触面积。由 丁压力扩大了分布面积，所以应通过加人力矩来增加螺栓的拉伸压力。可以利用图2 2 的图 表来估算所需要的螺栓规格和力矩。当配接的表面非常大，以致需要很高的力矩时，应饺_ l j 两个以上的螺栓。对大的配接面积应使_ 日j 刚性垫圈以便螺栓的压力分布到整个面积。 细牙螺纹粗牙螺纹拧紧力矩t ( n 1 _ _ ) _ l 。亨1 0 删 一 4 a f 1 ，0 0 0 懑；土o o r “5 一# ，o 卜。n 8 童1 12 5丰 j ”6 。1j _ j 1 剪应力f ( n m 1 ) 拉伸应力o - ( n m 2 ) 图2 - 2 螺栓力矩的计算诺膜图 9 东南大学硕 ：论史 5 、铆接 铆接不如螺栓或州焊接工艺所形成的桥接连接。铆接缺乏螺栓连接的灵活性，也没有象 熔接、钎焊所具备的搭接表面防腐蚀保护性能。铆接的主要优点是可以利用自动上具快速而 一致地进行连接。 由铆钉所建立起来的搭接通路如图2 3 所示。通过铆钉的电流通路，理论上要穿过措接 元件和铆钉体之间的界面。试验表明。铆钉与搭接元件之间的配台状态比搭接元件之间配接 表面的状态更为重要，因此，铆钉孔的尺寸必须保证在装配之后与铆钉形成紧配台。存搭接 元件上铆钉孔的周围边缘必须无油漆、腐蚀物质或其它非导电材料。 屏蔽体中铆接接点的最大间隔推荐值为2 c m 或更小。比较薄的金属板料，铆接时可能 会引起铆钥。之间金属板料的翘曲，如图2 _ 4 所示。在翘曲区域，金属与金属的接触可能很差 甚至不接触。这些不接触区域所造成的射频能量泄漏，可能是引起射频屏蔽性能不良的主要 因素。缩小铆钉的间隔，弯曲或翘曲就会减小。为了获得晟大的射频屏蔽。应在接合处村上 金属丝编织网，或用导电的环氧树脂把缝隙填塞。 ，+ 一、 ，、l = = ! 一 ， l 。| l |、 。一 1 镕钉a 径十# 琏接“- 0 t 螗镕自a 自流镕 图2 3由铆钉所建立的搭接通路图2 4 不正常的铆接缝隙 6 、导电粘接剂 导电粘合剂是一种添加有银粉的双组分环氧树脂，当这种环氧树脂固化后，就成为一种 导电材料，这种导电的环氧树脂可以用在配接表面2 间，以便产生低电阻的搭接。它的特点 在于它不象焊接工艺那样要施加热量才能获得直接的搭接，而在许多地方，熔焊及钎焊连接 所需的热量可能会造成火灾或爆炸的危险。在螺栓搭接中采用导电粘合剂时，粘合剂提供了 一种有效的金属桥路，此连接桥路既具有很高的防腐能力、又具有很高的机械强度。在固化 状态，粘合剂的电阻将随时间的推延而增加。固化之后，这种粘合剂必然会牢固地与配接表 面粘合，因此，环氧树脂加螺栓搭接比简单的螺栓搭接更难拆卸。在某些应用中，导电粘合 剂的优点是主要的，难以拆卸的缺点是次要的。 7 、搭接方法的计权比较 表2 1 列出了几种常用搭接方法的计权比较。在此表中，对于每种方法的每个性能参量 的指标定为o 1 0 。计权为1 0 意味着该方法在表中最左边一栏所列的特性参数最佳。较低 的计权值意味着该方法不太合适。计权为0 ，说明该方法不宜选择，而一短划线则表示该方 法不得采用。 某种方法在计权表上百分之百地符合所列参数是不可能的，因为任何给定的方法在1 i 艺 上可能有很大的变化。精心操作，一个低计权值的方法可以比粗劣实施的高计权值的方法效 果好得多。制订该表时，假设所有的方法都是同等精心实施的。 2 2 间接搭接 优选的搭接方法是直接搭接，即不用外加的导体就把物体搭接在一起。但由于操作的要 求或设备的位置关系往往不便于进行直接搭接。当一个综合设备的各部分之间，或者综合 设备与其参考平面之问必须在结构上分离时，就必须引入辅助导体作为搭接条。安装防震冲 设备时，通常用这种搭接条把设备搭接至结构的按地参考系统上。同样，还可用这种搭接条 1 0 东南人学硕1 一论文 旁路某些结构元制，如配电箱盖板或设备盖板上的饺链，以防l j ：这些元什在受到强电磁场照 射或通过高电平电流时产生宽带噪声。同样也可用搭接条带或电缆来防止静电电荷的聚集， 或用它们把金属物体搭接至防雷引f 导体，以防飞弧的出现。 间接搭接的电阻等于搭接导体的固有电阻和每个搭接头上金属与金属间接触电阻的总 和。采用中介导体显然要在连接系统中带来额外的电阻、电感弄分布电容，会影响到整个连 接系统的电阻抗，特别是高频特性。 措接条的电阻由所用材料的电阻率和搭接条的尺寸来确定。使用典型搭接条时，其蠢流 电阻是很小的。搭接条两端的连接直流电阻与其自身电阻相加就是间接搭接电阻。采用铝、 铜或黄铜搭接条时，在正确措接的情况下，间接搭接电阻应小t - o 1m q 。但是若需要采用 长搭接条时，搭接条的电阻可能是比较大的。 对于间接搭接，其紧圊的手段依然是：螺栓、铆钉、熔焊或钎焊。在搭接时保证金属与 金属的接触对正常_ _ l = 作是必不可少的，任何危及这一接触要求的腐蚀都是不容许的。 螂电 删赣 l 中嚣f 螂掣 l t 蛙 li i 霹 罪 蟹 螂 i 蟹掣 赛 蜊 制 矗 嚣 趟 崮 瑚 赣 扑 舞l基 趾 咂 趾 崔蛙 懈啦 拉景 辐；f 曾 啦 靠 髫 啦 虹 群 壁 世例 掣嚣 制捌岛舞昆磐随 刮 釜嚣逝袖r制 b曲 舞搬 二窘 旨 榷堂 掣童d堪妊鹱世 o 芒 曲是 璃癌亢髂君鼍 武翊蠼剧 甘 鲁手删掣慧俄蜷珏埘 坦些聪罄舳一hr每 一一 圹掣警掣 莓蓍 挥 堑 篓慕 普球墨彝 醢 蜂 g 琳辎士蜞椒蝼辍旺捌：琳 东南大学硕 论文 第三章影晌搭接质量的因素分析 3 1 衡量搭接质量的主要指标搭接电阻 搭接的基本要求是在两个被连接的物体之间确立一条低电阻的通路。这条通路的电阻必 须在长期使用中始终保持很低的数值。对一个具体的接点而言，其电阻的极限值与流过该通 路( 实际的或预料的) 电流有关。例如，在仅用来防止静电电荷的场合，等丁或大丁5 0 k q 的电阻值仍然是允许的。但是，在涉及到雷电放电或强大故障电流的接点处，则其通路的电 阻必须非常低，以降低其热效应。 为尽量降低噪声，则要求获得低于5 0 m e 2 的通路电阻。如果仅为了噪声的控制，则极少 要求电阻低至故障电流和雷电电流所要求的数值。以降低噪声为目的时，确定搭接电阻需要 下列数据：一是存在多大的电压幅值会构成干扰威胁；二是有多大的电流流过接点处。对不 同的对象，这两个因素将有所区别。 1m q 的搭接电阻属于高质量的接点。实践表明，如果两个配接表面真正清洁并在两 个配接表面之间能保持适当的压力，这l m n 的电阻相当容易获得。电阻越低对大电流提供 的保护越好。 容许的电阻值较大，必定会放宽搭接的准备工作和组装要求。这些要求应与保持长期可 靠性联系起来考虑。如果一定要求达到低至1 m q 的搭接电阻，就必须保证清除表面杂质， 并保证提供足够的接触面积，使曰后由于腐蚀而导致搭接性能衰退的程度减至最小。 在一个接地参考平面或网络上，任何相隔很远的两点之间都具有相似的低电阻时，就意 味着整个接地参考平面或网络上的导体数量已足够，而且各导体结合部的制作是良好的。在 这种情况下，阻性电压降就会减小，有利于噪声的控制。另外，电阻值低，必定会采用尺寸 相当大的导体，从而有助于减小通路的电感。 应当承认，在高频时，搭接直流电阻低并不是评价搭接性能好坏的唯一指标。驻波效应、 接地通路谐振、以及导体的固有电感和杂散电容都对搭接阻抗起制约作用。闲此在射频搭接 中，考虑直流电阻的同时必须考虑这些因素。 3 2 关于搭接导体固有阻抗的计算 搭接电阻一般包括两部分：搭接导体的 i 占l 有电阻和金属一金属间的接触电阻。搭接电阻 值等丁- 搭接导体的固有电阻值和每个搭接头上金属与金属间接触电阻值的总和。搭接条的电 阻由所用材料的电阻率和搭接条的尺寸来确定。使用典型搭接条时，其直流电阻是很小的。 例如用电阻率为1 ，7 2 1 0 。6 a 2 - c m 的铜导体制成宽2 5 c m ，厚l m m ，长为0 3 m 的搭接条， 其电阻为02 m e 2 。搭接条两端的连接直流电阻与其自身电阻相加就是总的搭接电阻。采刚 铝、铜或黄铜搭接条时，在正确搭接的情况下，搭接电阻值应小于0 1m n 。但是若需要采 用长搭接条时，搭接条的电阻可能是比较大的。 3 2 1 直流电阻 一般均匀横截面导体的电阻r d c ，止比于导体的长度，而反比于导体的横截面面积，即： 东南大学硕士论_ 盘： = 等 ( 3 1 ) o 式中：p 导体材料的电阻率，n m ： 卜电流流动方向的导体长度，m ： s 一导体的横截面面积，m 2 。 在直流时，导体的电阻是决定因素。除了非常特殊的情况外( 例如，肖所处理的信号幅 值很小或者相连接的各设备相距很远时) ，通常采用低电阻率的材料，如铜和铝，阻相等经 济的方式就可实现直流的充分接地，但是，大多数系统并不采用直流信号，所以导体与频率 相关特性是重要的。 3 2 2 交流阻抗 导体的交流阻抗包括交流电阻和电抗。由于集肤效应的影响，导体的交流电i 俎及电抗， 都会随着频率的变化而变化。 3 2 2 1 集肤效应 尽管直流电流在导体的整个横截面上是均匀分布的，但是交流电流却趋向于集中在导体 的表面附近。频率愈高，电流愈集中在表面这种物理现象被称为集肤效应。电流渗入导体的 程度由集肤程度d 来衡量。j 定义为电流密度衰减至导体表面电流密度的l i e ( 即0 3 7 ) 时 的渗入深度。集肤程度也可以解释为空心导体的等效厚度，即此空心导体的整个横截面上载 以均匀分布的电流，其外形与实际导体的外形相同，而它的直流电阻则与导体的交流电阻相 同。 对于厚度至少为3 倍集肤深度的导体来说，这种集肤深度由卜式给山： j = 6 6 2 伽，仃， ( 3 2 ) 式中： 占集肤深度，m m ； ，频率，h z ； 盯，材料相对电导率； ，材料的相对磁导率。 表3 1 中给出了几种金属的集肤深度。注意，在5 0 h z 时，铜的集肤深度为93 3 m m ，但 到1 h a h z 时，集肤深度仅有o 0 6 6 m m 。 表3 - 1常用金属的集肤深度和表面电阻关系式 材料 盯。占( r a m )r s ( n ) 银1 0 58 t6 46 25 2 1 0 。 铜10 06 = 6 62 0 f26 1x 1 0 4 ， 铝06 l j = 8 4 7 4 f3 2 6 1 0 7 , 7 黄铜 o2 66 = 1 2 98 5 0 1x l o 。7 焊料 0 1 26 ：1 9 1i 74 8x 1 0 。， 3 , 2 2 2 交流电阻 任何形状的导体，如果它的厚度和曲率半径远大于集肤深度，而且其曲率半径沿着导体 周界的变化并不太人，则它的交流电阻可由集肤深度来确定。对于符合上述条件的导体来说， 单位长度的交流电阻为： r 。，：卫 ( 3 3 ) “ 61 一1 4 一 东南大学硕1 论殳 或 如：拿 ( 3 4 ) z 。 式中： 心。一一单位长度的交流电阻，q m ： t 一导体的圆周长度，n q ； 凡导体的表面电阻，q 口。 表面电阻定义为一个等长度和等宽度的表面所具有的交流电阻，并由下式计算： 凡2 詈= 1 9 8 7 1 0 。4 厮 ( 3 5 ) 各种利料的表面电阻亦在表3 - 1 中给出。 交流电阻与直流电阻之比称为导体的电阻比。集肤效应使电阻比人于1 。对j 二直的圆导 线来说，其电阻比在图3 - 1 中利用参数x 来给出，x 定义为： ( 3 6 ) 式中：。导体的相对磁导率： ，频率，h z ： 足i 。k1 c m 的圆导体直流电阻，q 。 戍注意：式( 3 3 ) 及式( 3 4 ) 仅适用于上面的限定条件f ，而式( 3 6 ) 却适 j 丁所有 频率。在铜导线的情况f ，式( 3 6 ) 成为： x c 。= 1 0 7 1 0 。d 4 i ( 3 7 ) 式中：d 铜导线的直径，m m 。 斟3 - 1 孤奇厕导线的电阻比闰3 - 2 确定集肤效戍修正系数的计算图表 3 2 2 3 电抗 导体的电抗通常是感性的，并且由角频率“和导体自感的乘积确定。导体的自感反映 了导体抑制其内部电流流向变化的特性。由于高频集肤效应改变了导体内的电流分布。所以 导体的电感量亦随着频率的变化而变化。 东南人学硕士论文 一根直的圆导体的自感，由f 式给山： ， l = o 0 0 2 1 ( 2 3 0 3 1 9 孑一l + ，k ) ( 3 8 ) “ 式中：电感，州； l 导线长度，c i t i ； d 导线直径，c m ； 世集肤效应的修正系数，由图3 - 2 来确定( 对于铜来说) 。 除铜以外的其它材料，k 也可以从圈3 - 2 获得，此时利用- 厂代替实际的频率，即可。 厂= f ( p 。p ) 式中：p 材料的电阻率，q m p 。铜的电阻率，q * m 。 ( 3 9 ) 对于低频，可以假定电流在整个导体的横截面内流动。一根长度为，直径为d ，相对 磁导率为，的直圆导体，其电感量为( 若周围是空气时) ： 上= o 0 0 2 心3 0 3 l g 了4 i 一1 + 等) ( s 。) 式中尺寸单何为c m 。 当频率增高时，电感m 的极限值近似为： 上：0 0 0 2 1 ( 2 3 0 3 l g _ 4 1 一1 ) ( 3 11 ) a 图3 - 3 示出了直径为8 3 m m 的实心圆形铜导线的l f 随长度变化的曲线，图3 4 给山了 随导线长度和直径变化的h f 值。 宝 o 辘 掣 舞 崔 交褫氟戮瞩蓦簿萎 。纛曩i ；i 。；菠。囊鬃- 。 i j = “ i 黟 鬈j f 曩薯。 瑟。| j | ； 一 e f 曩1 i 一辫謦辫 ) 1 9 一黛8 。一瀚- v i 黔， i 誉罐蒜 _ i ；j 图3 - 3 低频自感量与导线跃度的关系 图3 - 4 直圆导体的高频自感量 对于矩形导体，当频率高至使集肤效应变得很明显时，宽厚比超过2 ：1 的扁平矩形导体 的电阻比远小于具有相同截面积实心圆形导体的电阻比。几种非磁性材料( 胁2 1 ) 矩形导体 的电阻比见图3 - 5 。 6 东南大学硕士论文 图3 - 5 矩形导体的电阻比 矩形导体在低频时的电感为： l l f = o 毗，( 2 3 0 3 z g 熹+ 0 5 + 0 2 3 3 5 字) 式中：三l f 电感，h ； l 导线长度，c m ； b 导线宽度，c m ； t 导体厚度，c m 。 如果l 大于5 0 ( 6 + 0 ，则等式中最后一项可咀忽略。 在矩形导体上，其锋利的边缘势必把能最辐射至空间，扁平导体可能变成一根有效的天 线。为了降低这种天线效应并减小能量辐射，可以把矩形导体的边缘修圆，使导体变成椭圆 形。 3 3 金属一金属间电气接触的微观分析 电气接触的现象不仅是机械的问题，而且也是化学和表面效应的问题。 电气接触问题看起来很简单，其实在两种金属表面之间包含了复杂的电气、化学和机械 问题。k 期以来电子t 业部门注重于采用机械切削、磨擦等工艺来使接触表面保持可靠的电 气接触。这样的磨削过程不仅可以破坏掉结合处的氧化物或污染物粘膜，而且还可以有效地 去除掉粘附在接触面上的异物。 采用擦拭工艺可能会有效地获得令人满意的良好的电气接触性能，但是，同时要清楚由 滑动所带来的机械摩擦和磨损必然会减小接触面的使用寿命。这样的话，就该选用合适的润 滑剂了。 通过对两金属接触结合面处的研究分析，发现影响电气接触性能的重要因素很多。在这 些因素中，杂质粘膜、异物颗粒、阻抗、熔化物和烧结物会产生非常复杂的相互影响，有时 会产生意想不到的结果。由此可以想象得到两个相互运动的接触的复杂性。 本节主要考察静态接触的电气现象，以及接触电阻和热效应等问题。由于动态接触的复 杂性，本文不作考虑。 3 3 1 固定的电气接触1 9 1 虽然电气接触通常被认为是光滑的平面通过机械力压在一起的，但实际上，金属表面并 不是绝对光滑