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影响非贵金属镀层触点微动特性的参数分析与研究 摘要 微动磨损是造成电触点失效的主要原因之一。本文主要对影响非 贵金属镀层( s n p b 、n i ) 触点微动特性的参数：微动幅值、微动频率 镀层厚度和触点材料进行研究。 微动幅值对接触对的微动特性的影响呈单调趋势，幅值越大，接 触电阻到达设定的失效值所需的微动周数就越少。在微动频率一定 时，幅值越大，则磨损速率越大，产生更多的金属碎屑，在往复微动 过程中，金属碎屑的氧化、碾碎、推开和堆积作用，使磨损滑道及其 两端堆积的氧化物磨屑增多，微动电阻升高越快。在实际中应尽量避 免较大的微动幅值而造成的影响。 微动频率对触点微动特性的影响并不是单调的，存在最易引起失 效的频率。锡铅合金接触对与镍接触对的微动实验均证明微动频率对 微动特性的影响的不单调性，在o o l h z 和o 1 h z 之间存在极值点，使 微动失效最快。这主要是由于，微动频率增高，一方面使可氧化物( 金 属碎屑) 增多，接触电阻增大；另一方面使氧化和堆积程度降低，接 触电阻升高速度减缓。二者的共同作用导致出现触点失效最快的微动 频率。因此，在实际设计和使用中应注意避开此频率段，以提高产品 的可靠性。 不同镀层厚度的镍接触对，其微动失效机理相同，都是由氧化物 的堆积导致接触电阻升高。镍镀层增厚，其微动接触电阻有加快上升 的趋势。 触头单侧镀金时，其接触电阻变化趋势比较平稳，与只有非贵金 属存在时相比，触点材料表层镀金能够对微动失效起到明显的延缓作 用。 关键词：微动磨损接触对接触电阻微动幅值 微动频率 a n a i y s i sa n dd n 慢s t i g a t i o no nf r e t t i n g p a ra 匝t e r sa f f e c t i n gt h ef r e t t i n g c h a ra c t e r i s t i c sf o rn o n n o b l e t a l p l a t e dc o n t a c t s a bs t r a c t f 1 e t t i n gl so n eo f t h em a m r e a s o n st oc a u s et h ef a l l u r eo f 。t h ee l e c t n c a l c o n t a c t s i nt h i sp a p e r ，t h e 行e t t i n gp a r a m e t e r si n n u e n c et h ef k t t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fn o n - n o b l em e t a lp l a t e dc o n t a c t s ( s n p b ，n i ) w e r es t u d i e d ， i n c l u d i n g 仔e t t i n g 锄p l i t u d e ，行e t t i n g 仔e ( 1 u e n c y t h et h i c k n e s so fp l a t i n g a n dc o n t a c t p r o b em a t e r i a l t h ee f f e c to f 舶t t i n ga m p l i t l l d eo n 行e t t i n gb e h a v i o i if o rc o n t a c tp a i r s i sm o n o t o n e m e nt h e仔e t t i n ga m p l i t u d ei si n c r e a s e d ， i tn e e d sl e s s 厅e t t i n gc y c l en u m b e r sf o rr e s i s t a n c et or e a c ht h eg i v e nv a l u e t h e1 0 n g e r t h e 盘e t t i n g 卸叩l i t u d em e a n st h a tt h e 仔e t t i n gv e l o c i t yi sf a s t e ru n d e rt h e c o n d i t i o no f 丘e t t i n g 仔e q u e n c yi sc o n s t a n t ，t h eh i g h e rt h ew e a rr a t e b e c o m e s ，t h em o r ew e a rd e b r i sa r eg e n e r a t e d d u r i n gt h er 印e a t e df e t t i n g m o t i o n ，1 a 唱eq u a n t 时o fo x i d ed e b r i sa r ep r o d u c e di n s i d ea n do nt h e e n d so ft h et r a c kd u et om eo x i d a t i o n ，c 1 1 l s h ，p u s ha w a ya n da c c u m u l a t i o n o fm e t a ld e b r i s t h e r e f o r e ，t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ei n c r e a s e sq u i c k l y t h e i i n p a c to ft h el a 玛e r 仃e t t i n g 锄p l i t u d es h o u l db ea v o i d e di n t h e a p p l i c a t i o n t h ee 虢c to f 仔e t t i n g 骶q u e n c yo nt h e 舶t t i n gc h a r a c t e r i s t i c si sn o t m o n o t o n e ，t h e r ee x i s t st h ef - r e q u e n c ye a s i e s tt oc a u s ef a i l u r e t h i sr e s u l t i sp r o v e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n to ft i n l e a da l l o yc o n t a c tp a i r sa n dn i c k e l p l a t e dc o n t a c tp a i r s ，t h e 舶q u e n c yb e t w e e no o1 h za n do 1 h zi sf a s t e s tt o c a u s ef a i l u r e 0 nt h eo n eh a n d ，a s6 e t t i n gf - r e q u e n c yi n c r e a s e s ，m e t a l d e b r i st h a tc a nb eo x i d i z e di n c r e a s e s c o n t a c tr e s i s t a n c er i s e s o nt h e o t h e rh a n d ，h i g h e rf 记q u e n c yr e d u c e st h eo x i d a t i o na n dt h ea c c u m u l a t i o n o fo x i d e ，w h i c hc a u s e sc o n t a c tr e s i s t a n c er i s e ss l o w l y t h e 铆oe f j i e c t s t o g e t h e rp r o d u c et h eh a n n 凡l 仃e t t i n gf 诧q u e n c yt h a tc a u s e st h ef a s t e s t f a i l u r e s o ，i nt h ea c t u a ld e s i g n ，w es h o u l dp a ya t t e m i o nt oa v o i dt h i s 1 j r e q u e n c yb a n dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp r o d u c t f o rm ed i f r e r e n tt h i c k n e s so fn i c k e lp l a t i n g ，t h e 仔e t t i n gf a i l u r e m e c h a n i s mi ss a m e ，t h ea c c u m u l a t i o no fo x i d ed e b r i sc a u s e sc o n t a c t r e s i s t a n c ei n c r e a s e s a st h ep l a t i n gt l l i c k n e s si n c r e a s e s ，t h ec o n t a c t r e s i s t a n c er i s e s t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ec h a n g e st ob es t a b l ei ft h ep r o b ei sg o l dp l a t e d ， w h i c hc a nd e l a yt h e 行e t t i n gf a i l u r eo fc o n t a c t sc o m p a r et ot h en o n - n o b l e m e t a l k e yw o i t d s ：6 e t t i n gw e a r e e t t i n ga m p l i m d e c o n t a c tp a i r sc o n t a c tr e s i s t a n c e f k t t i n g 行e q u e n c y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：童姿盘日期： 塑! ：垒：l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：主亟! 盘 导师签名：拉丝 日期：遮! 三! 型 第一幸绪论 第一章绪论弟一早殖化 1 1 电接触可靠性的重要性及其影响因素 电接触学是一门边缘科学i l j ，电接触技术在电力系统、自动控制系统和信息 传递系统等领域的应用日益广泛。近年来，随着电气化、信息化、智能化的逐步 发展，机电、计算机、通信等设备领域不断扩大，相应的连接器市场也蓬勃发展。 并且连接器正朝着高密度、高速率、高可靠性、微小型化的方向发展。连接器的 电接触失效问题也越来越受到广泛的重视。 随着现代科学技术的飞速发展，各种各样的电子设备得到了越来越广泛的应 用，同时对电子设备或系统( 无论是通信系统、控制系统还是检测系统) 的可靠 性和稳定性也提出了越来越高的要求。不良的触点可能影响信号的有效传输，在 各种各样的电子设备或系统中，最容易出现故障导致系统不能正常工作的就是连 接器的电接触对。 在通信、计算机、测量、控制及各类电子系统中需要大量电子连接。它们起 着各种电子元件电路之间、设备之间乃至系统之间的彼此维系作用。电接触学是 专门研究电子连接的科学，是用来描述两个组件因带电接触而产生的一种状态。 由于这种电子连接大多是通过机械结构来实现的，因此也称之为机电元件。所有 的电接触完成三类功能，即接通，保持或切断一个电路，并且在或长或短的时间 间隔罩重复这些操作。对于电接触最主要的要求是能够长时间地保持低且稳定的 接触电阻，连接件材料应当具有良好的导电性能。连接的方式包括永久连接如焊 接、压接等，半永久连接如各类连接器( 俗称接插件) 、小开关等，电弧连接如 继电器开关、断路器等。连接器大多暴露于大气中，大气污染如尘土、腐蚀性气 体以及接触界面的材料及其表面形貌、化学与物理特征等对连接可靠性有重要影 响。因此电接触科学是一门涉及机械、电子、物理、化学、材料科学等多门学科 的交叉科学。国际著名学者前阿波罗登月飞船的电接触顾问w _ i l l i a m s o n 博士曾多 次强调指出：“没有可靠的电子连接，就不可能发展先进电子学 ，足见电接触科 学在现代科学发展中的重要位置1 2 】。 在电接触现象的研究中，所涉及的领域非常广泛，包括物理学，化学，微电子 学等，非常复杂。影响电接触可靠性的主要因素列于图1 1 中，显然，接触行为受 到许多参数的影响和控制。电接触研究的主要目的就是找出导致接触失效的主要 第l 页 北京邮电人学硕士研究生学位论文 因素，并且找到解决这些问题的办法。 图l - 1 影响电接触可靠性的因素 要解决电接触问题，对触点的失效机理进行分析是非常必要的。国际上许多 科学家都对影响电接触可靠性和造成失效的原因进行不断地分析和总结，主要集 中在以下几个方面： ( 1 ) 材料的研究。材料研究对于电接触性能非常关键，各种接触材料的性 能随时间而变化，受物理应力、电流和环境变化等多种因素的影响，因此选择高 性能的材料对保证连接器长期可靠性是非常重要的。 ( 2 ) 加工制造方面的研究。目前在国内生产的连接器所出现的问题中，很 大一部分集中在加工制造方面。如冲压成形后电镀的元件，由于应力释放造成电 镀表面的微孔率和缺陷的增加。另外，如果电镀工艺和环境不完善，则会使连接 器表面镀层质量不高，表面粗糙不平、微孔率高、抗磨性能差，往往不能起到应 有的防腐降磨作用。 ( 3 ) 环境对电接触的影响方面的研究。接触故障中，由环境因素导致的占 了很大一部分。在潮湿环境中，空气中的腐蚀气体溶于水形成电解液会引发原电 池反应，如镀金表面的微孔腐蚀，最终造成电接触故障。 ( 4 ) 磨损对电接触的影响方面的研究。随着连接器在实际工作环境中的工 作，由于工作环境中存在的振动因素以及连接器安装时公差配合的影响，连接器 第2 页 第一章绪论 接触对之间存在着相对位移而发生磨损。如镀金表面贵金属被磨损，中间层镍外 露而氧化，而且由于腐蚀的发生，连接器接触电阻很容易快速升高而造成电接触 故障。 在众多影响电接触可靠性的因素中，微动磨损是造成连接器接触电阻上升， 导致连接器失效的主要原因之一，其造成的接触故障频繁发生1 3 l 。因此考虑以其 为代表进行相关参数对微动特性的影响的一些研究，从而能够减少接触故障的发 生，提高产品的可靠性，不仅具有理论价值，而且具有实际应用意义。 1 2 微动失效简介 1 2 1 微动现象 微动现象是指通常所说的处于“静态接触”状态的两固体接触表面之间的周 期性小振幅( 小于2 0 吮m ) 的相对运动。 微动现象的起因多种多样，主要包括：( 1 ) 环境振动以及环境温度的改变： ( 2 ) 接触材料本身的热膨胀系数不同；( 3 ) 工作环境中电磁力的变化引起的接 点振动，例如接点附近通过交流电的两平行导体所产生的电磁力，这种情况在某 些大功率总线连接技术中出现频率较高：( 4 ) 应力松弛。在实际应用场合中，比 较常见的是汽车连接器的微动现象，这种工作状况中环境振动、热冲击等往往同 时存在，因此微动也频繁发生。 1 2 2 微动磨损机理 磨损是指摩擦副( 接触对) 表面相对运动时，由于机械作用或化学作用等的 发生所导致的表面材料的脱落现象【4 j 。在对黑色金属表面的微动现象进行研究 后，人们对于微动磨损的一些主要机理形成了比较一致的认识。 微动磨损是一种典型的复合式磨损，同时涉及粘着、磨料、氧化和疲劳磨损。 两固体接触表面上发生周期性小振幅的相对运动，就可能出现微动磨损。它包括 两种形式：一种直接发生在表面上，可能导致零件松动、功率损耗或噪声增大。 另一种是间接的，微动磨损表面或亚表面层中产生微裂纹，在反复应力下发展成 疲劳断裂，这种磨损称为微动疲劳。后者危害性更大，因为即使克服了微动作用， 留下的裂纹仍可能继续扩展。 工业中愈来愈发现微动磨损的普遍性。除了在常规机械( 汽车工业、航空工 业以及机械电子工业) 中，在一些尖端技术如原子反应堆、航天技术、计算机硬 第3 页 北京邮电人学硕十研究生学位论文 件、喷气发动机、大功率涡轮机等中都存在许多微动磨损问题。目前的研究已扩 展到高温、高压、真空、辐射、各种气氛、液体介质等，研究的材料除工业上常 用的碳钢、合金钢，还涉及到各种高温合金、有色金属、非金属、各种涂层以及 复合材料等【5 1 。 微动磨损的发生过程如下：接触压力使接合面上实际承载峰顶塑性变形，产 生粘着。小幅振动将粘着结点剪切脱落，露出金属表面。这些脱落颗粒和新生表 面又和大气中的氧继续反应，生成氧化磨屑，它们滞留在接合面上起着磨料作用， 如此循环不止。 如果接触压力足够大，微动磨损点的疲劳裂纹会继续发展；微动的损坏特征 是摩擦表面有较集中的凹坑，磨损产物往往是氧化物颗粒，所以有时也称为微动 腐蚀或微动疲劳。 下面分三个方面对微动磨损的情况予以描述。 ( 1 ) 粘着的作用 微动磨损最开始是粘着磨损。摩擦副表面接触首先发生在粗糙凸峰顶，峰顶 受载过大接近或超过金属原子之间的结合力时，峰顶接触面间便相互粘结在一 起。当两个接触界面间有相对滑移时，粘结处受到剪力和压力的联合作用，微观 峰顶被剪断，剪断出现在剪切强度较低的部位，这样被剪断的材料或粘结转移到 另一表面上去或成为磨损颗粒而离开接触界面。 通常用粘着系数( a d h e s i o nc o e f i c i e n t ) 和粘着功w a b ( 、舳r ko fa d h e s i o n ) 表示 材料粘着行为。 w r a b = m + r b r a b 式( 1 1 ) 式中，r a 和r b 分别为材料a 和b 单位面积上的表面自由能，r a b 为a b 界面 自由能( 即介面上吸收的能量) 。 一般来说，同种金属相接触，两表面磨损相同；不同金属相接触，磨损主要 发生在较软的金属上。 ( 2 ) 磨屑的作用 在微动的初始阶段，粘着材料可能转移到另一表面上，又可能转移回来。不 同材料接触，一般是材料从低强度低硬度表面转移到高的表面。全过程中有几种 磨屑形成：( i ) 转移材料逐步氧化，被推出变成磨屑。( i i ) 连续转移所形成的 氧化膜反复疲劳产生磨屑。( i i i ) 表面凸峰微切削作用产生磨屑。磨屑在脱离母 体时一般颗粒较大。然后在随后的微动磨损中变得愈来愈细，并吸收了大量机械 能，使磨屑具有极大的化学活性，只要接触到氧，便迅速氧化，少数未受到再次 微动的粒子仍可能以原始状态逸出。 各种金属在空气中产生的氧化物磨屑都是它的最终氧化状态。铜的最终微动 第4 页 第一章绪论 磨屑为黑色的c u o ；铝和铝合金的磨屑主要是黑色的氧化铝( 带少量金属铝) ； 镍的磨屑是n i o 和少量金属镍：不活泼的贵金属( a u 、p t ) 的磨屑则是纯金属 粉末磨屑。 微动磨损与滑动磨损不同，微动磨损界面上有氧化物磨屑在起磨料磨损作 用，构成磨屑、接触对三体磨损。当粒子硬度至少是被擦伤面的1 2 倍时，起到 微切削作用。氧化物和金属硬度比对微动损伤有影响，硬度比愈大损伤愈严重。 到微动后期，磨屑增多，将表面分开直至完全隔开，此刻粘着已减少很多。 氧化磨损对表面微动的影响是多重性的，不应简单认为只产生磨料磨损。 ( 3 ) 脱层的作用 1 9 7 3 年n p s u h 提出的脱层理论( t l l e o r vo f d e l a m i n a t i o n ) 。当接触的两表面 相对运动时，硬表面的峰顶滑过软表面时，软表面上每点都经受一次循环载荷。 由于产生塑性变形，金属表面出现大量位错，但是最外表层的位错( 大约有几十 个微米厚度) 由于映像力的作用而消失，靠近表面的位错密度常小于内部，所以 表层金属能够经受更大的塑性变形。表层低位错密度区的厚度决定于金属表面能 和作用在位错上正应力的大小。当峰顶在表面上继续运动时，表面下的有限距离 内将出现位错堆积，并将导致形成空位。在金属中有夹杂物的地方，更容易形成 位错堆积，所以往往是裂纹核形成的位置。每当峰顶滑过一次，裂纹受一次循环 载荷，就在同样深度处向前扩展一个短距离，扩展到一定的临界长度时，裂纹与 表面之间的材料由于切应变而以薄片的形式剥落下来。s u h 的理论比较完整，不 仅能解释接触疲劳磨损，也能解释很多其它磨损现象。当然，这一理论还存在一 些问题，要做进一步研究，才能对一些机理做更令人满意地说明。特别是不同的 表面膜层，机械特性、物理特性都各不相同，所形成的微动磨粒形貌多种多样， 有可能不是薄片。 1 2 3 微动腐蚀 在电接触领域，微动主要发生在压接、拴接等多种连接方式的接触点表面上， 要考虑的不仅仅是微动磨损问题，更重要的是微动对接触电阻的影响。其中，首 先要提到的是氧化对微动磨损有很重要的影响和作用，常将这种情形下的微动磨 损称为“微动腐蚀。“微动腐蚀”现象最早在1 9 1 1 年由e d e n ，r o s e 和c u n n i n g l l a m 在描述一种疲劳测试机的某一钢铁腐蚀部件的腐蚀状况时谈到【6 j ，并在1 9 3 9 年 由t 0 m l i n s o n ，t h o r p e 和g 0 u g h 等人正式提出这一术语【7 】。出现微动腐蚀时，表面 金属氧化物的绝缘特性对接触电阻的影响是令电子工程师十分头痛的一个问题。 此外，当某些金属，如钯等被用作接触材料时，在微动过程中，由于吸附了工作 环境中的有机气氛污染物，因而在接触表面生成摩擦聚合物，这类绝缘物质也同 第5 页 北京邮电大学硕上研究生学位论文 样会增大接触电阻。 相比较而言，电子连接器在低电压、小电流的工作场合，微动过程中接触表 面上的绝缘物质的危害较大，而在大功率电力电路中，绝缘物可能由于电冲击而 被去除，对电路的影响减小。 评价微动中出现微动腐蚀的一大指标就是接触电阻。微动接触电阻又分为静 态接触电阻和动态接触电阻。在微动过程中，动态接触电阻的值将达到很高值， 有时会达到几纳秒甚至更长时间的开路状态，这取决于微动速度，周期，触点材 料，绝缘层的物理状态和厚度。在数字电路中，接触电阻变化的实际结果是在信 号传输中产生误码。在电力连接器中静态接触电阻的升高将导致由焦耳热产生的 连接故障。微动腐蚀造成接触电阻变化的机理如下： ( 1 ) 粗糙度模型：当金属接触点和金属磨屑转变成氧化物时，不管氧化物 是分层的、粘结的、松散的或是颗粒的，都将导致真实接触面积的连续下降。从 金属到氧化物，也有一个体积的增大，这更有助于分开两接触面。接触面积的减 少将使接触电阻增加，在有微动存在的情况下，最终会导致接触斑点的瞬时损失， 随后将建立其它微观峰项的重新接触。不过，对c u 触点的接触电阻变化的持续 时间和微动速度之间的关系的研究表明，接触电阻变化非常短暂而无法用粗糙度 模型进行解释。 ( 2 ) 颗粒界面模型：微动碎屑是由金属颗粒、表面是氧化物的磨屑及完全 被氧化的材料所组成。当存在金属接触或氧化物非常薄而发生电子隧道效应时， 颗粒之间就会发生导电，但是这种导电是由金属和绝缘颗粒形成的“颗粒金属 的导电。若临界金属体积浓度为6 5 ，金属含量的细微变化会使这种混合物的 电阻率差几个数量级。相当小的位移将会改变通过触点的电流路径，而引起了短 时问的接触电阻的变化。 在电接触领域中，有许多国际知名专家学者曾对微动及其相关现象作过专门 研究，其中比较有影响的主要有d f - m a n t l e r ，d r m b r a u n o v i c 和d r j h w h i i l e y 等。d lm a m t l e r 的主要研究对象是弱电领域中接触表面贵金属材料在大约1 h z 的微动频率下的接触电阻特性和微观表面的摩擦磨损现象【引，( 他采用的微动实 验机是用步进电机驱动的) 他对微动现象有比较全面和详细地阐述。d r m b r a u n o v i c 则着眼于电力连接器在微动环境中电阻的变化情况，他的微动设备 是利用驱动部件的热胀冷缩推动实验台微动，并且设计了循环水冷装置来实现微 位移的反馈控制【纠。d r j h w l l i t l e y 是美国a m p 公司著名科学家，他较多地对实 际应用的各类镀锡连接器进行了微动研究，并提出一些避免微动腐蚀的建议【1 0 】。 a m p 公司的j o c h e rh o m 等人也曾从设计角度提出避免微动腐蚀的措施，比如在 插槽插座式连接中( p c b ) ，通过在插槽上增加一个弹簧设计来减少微动发生的 第6 页 第一章绪论 可能性【1 1 l 。章继高教授是国内首位对电接触领域的微动现象进行研究的学者，他 提出当粉尘颗粒在微动区域停留时，将有“陷阱效应”发生，所采用的微动装置 是用压电陶瓷作为驱动，以涡流传感器作为微位移反馈控制单元，微动频率较低， 主要模拟低频微动环境中电子连接器的状况1 1 2 。日本的著名科学家k m a n o 教授 也曾指导他的m a n o 研究所的研究人员进行微动研究，所用的微动台类似振动实 验台，主要用来研究高频微动条件下的电接触可靠性，对实验中的微动特性和电 阻特性都进行了有效的观察、记录和分析l l 引。 1 2 4 影响微动特性的参数简介 ( 1 ) 材料性质：摩擦副材料配对是影响微动磨损的重要因素，抗粘着性能 好的材料也具有良好的抗磨损性能【8 l 。微动的摩擦力动念变化过程与微动测试材 料的特性密切相关。一方面，由于材料的弹性模量、硬度、强度等性能的差异较 大，因此接触切向刚度的差别较大，从而微动初期就表现出不同的摩擦力变化特 性，并影响微动区域：另一方面，在微动过程中，接触表面在擦伤磨损等破坏之 前，必然发生表层的弹性和塑性变形，局部地区甚至发生强烈的加工硬化。因此， 微动行为与材料的力学性能关系密切1 1 4 1 。另外，有关镀层厚度的影响，对于中间 层相同的镀层材料，表层镀金层越厚，其稳定电阻的能力越强，在相同条件下， 其接触电阻升高的越慢。 ( 2 ) 微动幅值：微动幅值越大，达到稳态接触电阻所需的微动周期数越少。 每个微动周期中较长的滑移会暴露出更多的接触面尖峰，使每个微动周期形成更 多的腐蚀产物【1 5 】。而微动幅值决定降级，滑道越长，接触电阻的降级所需的周数 越少【剐。许多专家和学者曾对影响微动特性的参数如微动幅值和微动频率对接触 电阻的影响的进行过一些研究，图1 2 是a n t l e r 等人已研究的微动幅值大小对微 动接触电阻的影响趋势。 c y c l e s t o a n a i n s t a t e d r c 图1 2 不同幅值对微动特性的影响趋势【1 6 t1 7 1 8 】 第7 页 北京邮电人学硕上研究生学位论文 从图1 2 中曲线可以看出，随着微动幅值的增大，到达同一接触电阻所需要 的微动周期数越少。在微动过程中，微动幅值f ，速度v 和微动频率，关系如下： 毯一v | f 式( 1 2 ) 当微动幅值变化时，从式( 1 2 ) 可以看出，微动幅值是和速度联系在一起 的，且微动幅值和速度呈现正比关系。通过图1 2 我们可以看到不同材料对微动 腐蚀速度影响的趋势是不同的，其中有单调性和曲线形的趋势，这和具体材料有 关。 ( 3 ) 微动频率：微动频率越低，接触表面的尖峰暴露受腐蚀冲击时间越长， 氧化物的厚度越大，接触电阻升高就越快【引。 图1 3 是a m t l e r 和c a s t e l 等人研究的微动频率对微动接触电阻的影响趋势。 c v c l 髂 t o a t t a l n s c a l e d r c f r e n i n gf e q 峨眦“h z ) 图1 3 铜对铜【1 9 刎、铝对锡口1 1 在不同频率下达到预定电阻所需要的微动周期数 从图1 3 中可知，在微动磨损的情况下，当微动频率越低，即一周期的时间 越长时，接触电阻从低值升到高值所用的周期数就越少。h e 册a n c e 和e g 锄曾经 做过钯对钯的实验以证明频率对聚合物生成速度的影响，其结果和氧化微动机理 趋势是一致的。需要说明的是，在钯对钯这一类贵金属的接触中，当环境中有机 气氛的浓度增大到某一程度后，微动频率的改变不会影响接触电阻的变化。c a s t e l 曾指出微动频率低于5 0 h z 时，微动频率对接触电阻的影响就会变得很小。但是 a m t l e r 在o 0 4 h z 时对铜接触对的研究，表明微动频率在较低时仍然对接触电阻 有很大的影响1 2 2 。 ( 4 ) 接触压力：由于真实接触面积不易测量，所以一般不用接触压强，而 用接触压力作为参数。一般地，接触压力大，磨损加剧，但刺穿和推开腐蚀物的 能力加强，更易于去除接触表面上的腐蚀产物或摩擦聚合物，使接触电阻越小且 稳定。压力增大使接触面积增大，也能减少微动降级率吲。但对滑动连接器来说， 第8 页 第一章绪论 接触压力不能设计的过大，否则，会产生过大的插拔力和磨损。 ( 5 ) 温度：若触点材料的物理特性随温度改变或接触表面涂覆有润滑剂时， 温度将对微动腐蚀的程度有影响。此外，温度的升高，将使氧化速率和别的膜层 形成速率增加，也将影响触点性能1 2 4 j 。 ( 6 ) 接触面几何形貌：接触面积内有塑性变形也有弹性变形，塑性变形只 与材料压强、硬度有关，与触头尺寸无关，而弹性变形与触头尺寸有关。 ( 7 ) 材料的硬度、触头与样片的相对硬度：从材料的硬度考虑，硬度较大 的材料的耐磨性高于较软材料的磨损性。原因是随着硬度的增加，将减少真实接 触面积，真实接触面积对所有的磨损过程起着重要的作用【2 5 1 。因此，当触点是有 多层金属通过电镀或包覆而形成时，增加中间层材料的硬度是有好处的，特别是 当表面镀层很薄时。若触头与样片所用的材料不同，但两者的硬度相差并不悬殊 ( 3 倍以内) ，则它们的磨损情况与相同的材料作为触头材料的结果相类似。 ( 8 ) 电流( 电压) ：电流( 电压) 升高，所产生的焦耳热增加，金属容易软 化，而且也更容易被氧化，导致微动磨损以及颗粒氧化加剧，所以，电流和电压 升高会使接触电阻升高加快。 此外，有关由于材料的加工工艺、化学沉积等因素造成的材料性能的不同， 可以将其归为材料的硬度因素。 1 3 课题来源、内容及意义 1 3 1 现有的相关研究及课题的来源 在众多电子产品中，手持通信终端质量一直是一个棘手的问题，经分析故 障原因主要是由连接不可靠造成的。而通过统计，在这种手持通信终端中弹性 簧片连接器与印制电路板连接形式占9 2 7 以上。因此为解决手持通信终端质量 问题，研究这种手持通信终端中电触点失效即弹性簧片连接器与印制电路板之 间触点失效问题具有十分重要的意义。 本科研室通过对大量手持终端的故障电连接器研究表明，触点界面微动磨 损是引起连接器失效的主要原因之一。电触点之间的微动磨损使贵金属磨穿， 中间层非贵金属暴露在空气中，产生氧化腐蚀及电化学腐蚀，绝缘腐蚀产物累 积导致接触电阻升高，从而使连接器失效。 根据以上提出的多种微动参数对连接器失效的影响来分析手持终端电触 点的失效影响因素。 从电流因素考虑，电流通过接触处产生热量，在热平衡后，触点处的温度为： 第9 页 北京邮电人学硕 = 研究生学位论文 丁= 以常用便携式通信终端为例，从其工作电流中可知，便携式通信终端开机电 流为7 5 0 m a 左右，待机电流为2 5 m a 左右，通话时的工作电流为3 0 0 m a 左右。 假设接触电阻1 0 0 m o ，此时接触电流选为最大情况时的值为7 5 0 m a ，l = 2 4 丰1 0 8 ( v k ) 2 ，环境温度为2 9 3 k ，则由计算知，电流加热后触点处的温度为3 8 0 0 5 6 2 k ， 可见，电流对接触点处的温升作用可以略去不计。已有的相关研究也表明，在这 种手持通信终端的工作电流的范围内，电流的变化不会对这种手持通信终端中电 触点的磨损产生明显的影响，因此，本论文不再对此因素做具体探讨。另外，触 头尺寸与弹、塑性变形有关，因此可以将其归在接触压力因素中考虑。对接触压 力的分析，还可以借助a n s y s 软件进行分析。而这方面本科研室已在进行研究， 因此，为避免重复劳动，本论文不再对此因素做具体探讨。因此，本论文主要对 微动幅值、微动频率、镀层厚度和触点材料这几个参数对微动特性的影响进行讨 论分析。 1 3 2 论文的主要任务 一般常见的通讯产品中的接触对采用基底层为锡磷青铜，中间为镀镍层，表 面镀金的镀层系统，然而金的价格昂贵，在延长产品内部触点的使用寿命的同时， 还要减少产品的生产成本。近年来，随着需求的不断变化，市场竞争更加激烈， 产品更新换代趋势加快，市场不再单纯的需要某个部件的可靠性较高，而对整个 系统的合理性又提出了新的要求。各生产厂商为了获取更大的经济效益，便努力 降低成本，因此，在保证系统合理性的前提下，在一些场合，出现了用非贵金属 代替贵金属的趋势，以求达到较高的性价比。因此，对非贵金属镀层触点微动特 性的研究不仅具有理论价值，而且有实际经济价值。 锡铅合金，这一类材料被广泛应用于物美价廉的消费类电子产品中，在双列 直插式集成电路及其插座和一些计算机产品中也被大量使用。在这些应用场合 中，微动造成的接触故障频繁发生，这主要是由于触点之间的相对运动使得非贵 金属暴露在空气中，产生氧化腐蚀。这些绝缘腐蚀产物的堆积导致接触电阻升高， 从而使连接器失效。因此以其为代表进行研究微动频率和微动幅值对微动特性的 影响，从而能够减少接触故障的发生，提高产品的可靠性，增加产品的使用寿命。 另外，为了解决由于微动造成的弹性簧片连接器与印制电路板之间触点失效 问题，对中间层材料的微动特性的研究就具有十分重要的意义。由于中间层材料 一般为镍，从而以其为代表来进行研究微动频率和镀层厚度对微动特性的影响。 第1 0 页 第一章绪论 并进一步研究触点材料对微动特性的影响。 因此，本论文主要完成以下任务： 一、对微动幅值对微动特性的影响的研究，以非贵金属镀层触点材料锡铅合 金为代表，分析微动幅值对触点微动特性的影响，主要分析其接触电阻变化趋势 和磨损特征。 二、以非贵金属镀层触点材料锡铅合金为代表，讨论微动频率对微动特性的 影响，主要研究其磨损特征和接触电阻变化规律。 三、研究非贵金属镀层触点材料镍微动频率对其微动特性的影响，同时可以 对己研究出的非贵金属镀层触点材料锡铅合金微动频率对其微动特性的影响的 结论进行验证。 四、对镀层厚度的研究，主要分析相同的镍触头与不同镍镀层厚度的样片微 动时的微动特性，研究其变化规律。 五、对触点材料对微动特性的影响的研究，以触头单侧镀金来进行研究。进 一步分析有贵金属存在时，相同的会触头和不同镍镀层厚度的样片的微动特性， 以与非贵金属镀层触点进行比较。 1 3 3 论文的意义 本论文主要以非贵金属镀层触点材料锡铅合金为代表研究微动频率和微动 幅值对微动特性的影响，给出微动频率和微动幅值影响的具体规律及易发生故障 的使用范围，从而能够避开容易发生故障的使用条件，减少接触故障的发生，为 提高产品的可靠性和延缓产品的使用寿命提供依据。选用非贵金属触点材料镍， 以其为代表来进行研究微动频率和镀层厚度对微动特性的影响，为解决手持通信 终端中电触点失效即弹性簧片连接器与印制电路板之间触点失效问题给出依据。 并进一步讨论了触点表面镀金对延长其使用寿命的作用。不仅具有理论价值，而 且还具有实际应用意义。 第1 1 页 北京邮电大学硕+ l 二研究生学位论文 第二章实验设备介绍 本论文中涉及到的设备较多，本章主要对实验中常用的设备和仪器，对其工 作原理做一些说明。 2 1 微动台系统 本论文中的微动实验，由该系统完成。系统可用来测量静态或微动过程中的 接触电阻。微动台系统的微动的幅度和周期可变，具有8 路通道，微动台由压电 陶瓷进行驱动，砝码施加接触压力，电接触对是触头和样片，接触电阻的测试采 用数据采集卡。微动系统具有以下特性：能够提高实验的效率和方便实验数据的 比较；更快速精确的电阻测试以反应微动过程的细节。微动接触电阻测试系统由 硬件和测试软件构成。硬件主要由以下几部分构成：微动平台及控制驱动器，包 括微动台，机械配合部分，及控制部分等；电接触对的力的加载机构，通过砝码 和直线轴承实现；微动接触电阻测试部分，包括恒流源、数据采集卡，以及必要 的电路与连线：控制计算机。微动台系统如图2 1 所示，系统结构参见图2 2 。 图2 1 微动台系统外观图 第1 2 页 第二章实验设备介绍 微动台驱动与控制器 图2 - 2 微动台系统结构组成示意图 系统测试软件按功能可以分为仪器的控制模块、接触电阻测试模块和数据处 理模块三部分。测试软件其主要负责微动和测试参数设置，微动控制、接触电阻 测试和数据处理。 微动接触电阻测试系统的参数： 微动行程：o 2 0 毗m ；重定位精度 心 c - ( k a )o 一( k a )n i 一( 1 ( a )c u - ( k a ) n i 0 触头 区域1 6 0 50 0 09 3 1 50 8 0 区域2 5 8 40 0 09 4 0 60 1 0 区域38 1 0 1 3 9 57 6 4 81 4 7 5 4 8 区域4 9 1 02 8 8 9 6 0 8 41 1 72 1 1 区域55 6 6 2 6 2 46 7 0 71 0 3 2 5 6 区域6 7 5 11 0 3 28 1 2 90 8 97 8 8 样片 区域1 3 9 90 0 09 3 1 32 8 9 区域2 4 1 40 0 09 3 3 02 5 6 区域3 3 6 34 7 1 94 8 7 90 9 11 0 3 区域4 6 5 23 7 7 05 4 8 60 9 11 4 6 区域5 3 2 83 5 3 15 9 8 11 6 01 6 9 区域6 3 2 13 2 6 76 1 6 22 5 01 8 9 区域7 3 4 63 3 4 66 1 6 41 4 41 8 4 区域8 3 0 73 5 6 46 0 5 80 7 11 7 0 区域94 5 4 2 7 5 06 5 3 52 6 12 3 8 区域1 04 5 1 2 4 6 46 8 9 31 9 32 8 0 图5 2 为样片镍镀层厚度为0 弘m 、微动幅值为2 0 陬m 、微动频率为1 h z 、 接触压力为1 4 7 n 时触头和样片上微动磨损区能谱照片，其上所标数据表示该区 域对应的能谱数据编号。由图5 2 可知，此时触头上有划痕，样片上微动磨损区 端部堆积有碎屑。 第5 6 页 墨 矿 墨出，_n ；， 。_ 冒j。麓霉j篓椭愚_ 6。 一打- 第五章镀层厚度对微动特性的影响 表5 1 为图5 2 中触头和样片上所标数据对应区域的能谱数据，由触头和样 片能谱数据可知，基底金属铜并未暴露，说明氧化层在表层，而样片上非微动磨 损区表面几乎没有氧元素存在，样片上微动磨损区域6 8 的n i o 平均值约为1 8 ， 接触电阻已经开路，从而说明滑道上氧化物的堆积是造成接触电阻升高的主要原 因。 5 3 2 镍触头与镍镀层厚度为岫的样片电镜照片和雏谱分析 ( a ) 触头上微动磨损区能谱照片( b 坩片上微动磨损区能谱照片 图5 - 3o 即m 镍镀层微动磨损区能谱照片 第5 7 页 北京邮电大学硕一l ：研究生学位论文 表5 2 能谱数据 百 元 一 c 一( k a )o - ( k a )n i 一( 1 ( a )c u 一( k a ) n i o 触头 | 又：域1 1 9 7 0 0 09 5 6 12 4 2 区域24 2 10 0 09 2 4 23 3 7 区域32 5 32 2 9 57 2 8 21 7 03 1 7 区域4 3 5 52 2 6 77 1 6 9 2 0 93 1 6 区域5 4 5 42 2 6 2 7 0 8 61 9 82 1 3 区域6 3 7 9 3 1 4 16 3 5 11 2 92 0 2 样片 区域16 2 70 0 09 0 3 03 4 4 区域23 5 00 5 69 3 2 92 6 41 6 5 8 3 区域34 0 67 5 38 5 4 82 9 21 1 3 5 区域4 3 2 02 1 7 57 2 9 12 1 3 3 3 5 区域5 2 4 92 6 7 3 6 9 0 61 7 22 5 8 区域6 2 1 13 3 1 4 6 3 1 01 6 51 9 0 区域71 6 24 0 1 65 6 4 21 8 01 4 0 区域83 4 63 6 6 75 8 0 81 7 91 5 8 区域91 7