（机械电子工程专业论文）微动电接触可靠性研究.pdf

略尔泞理t 大学t 学颂卜学位论文 微动电接触可靠性研究 摘要 电接触学是一门边缘学科，其应用十分广泛。电接触的可靠性在很大程 度上影响电子设备的可靠性。电器连接的可靠性经常出现在电子设备上，尤 其是计算机和通讯设备，在商业和日常生活中也变得越来越重要。连接器的 可靠性依靠两个因素：首先是连接器的应用，它取决于连接器的应用环境和 功能需要，连接器必须要满足环境和功能的需求。其次，连接器的设计和材 料，它对于连接器的蜕变机理有影响。 造成微动电接触故障的原因足接触表面上各式各样的绝缘的膜层，或是 因其膜层过厚，或是因其碎粒堆积，由于微动范围很小，这些绝缘物堆积在 接触处，很难除去，因此接触电阻过高，造成故障。由此可见，研究各式各 样的膜层特性及其形成辞粒的原因是一个非常重要的方向，但迄今为止大多 数科学家只研究了电接触现象，以研究污染膜层的电器特性和化学特性为 主，很少有人较全面地考虑其机械特性、物理特性、而后者在微动过程中的 动态特性往往是接触电阻变化的关键所在。这里的微动是指接触对之间微小 的相对移动，相对移动是由外界的振动、冲击、热胀冷缩等引起的。在微动 期间暴露出新的金属，随着每一次的微动新的金属氧化，氧化磨粒的堆积认 为是这种腐蚀的主要机理。 本文主要从以下面几方面对微动现象和电接触可靠性进行研究：微动腐 蚀过程，研究在什么样的条件下容易产生微动腐蚀，微动腐蚀具体过程是怎 样的；接触参数对微动腐蚀的影响，经过大量的试验，阐明各种接触参数对 微动腐蚀影响的程度，在以往的研究中还没有给出接触参数对微动腐蚀的具 体影响程度；大气环境对微动腐蚀的影响，我国仍然在大量的使用银和铜等 容易被硫化气体腐蚀的金属作为电接触材料，因此含硫气体对微动腐蚀的主 要影响是我们研究的主要对象；电器性能对微动腐蚀的影响，本文主要研究 小功率、弱电流的影响；润滑剂p d 一9 1 0 的作用，润滑剂可以明显的改善 接触电阻；有限元分析，对微动电接触进行数学模拟是一项非常复杂的过 程，它与单纯的机械式微动有很大的区别。有限元可以全面的分析膜层及其 基底材料电接触行为。 关键词电接触；微动；可靠性；腐蚀 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学慢论文 i n v e s t i g a t i o no fr e l i a b i l i t yo nf r e t t i n gi n i e l e c t r i c a lc o n t a c t a b s t r a c t s c i e n c e o fe l e c t r i c a lc o n t a c t si sam a r g i n a lb r a n c hw i t hav e r yw i d e a p p l i c a t i o n 1 1 1 er e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ca p p l i a n c ei sg r e a t l ya s s o c i a t e dw i t ht h a t o fi t se l e c t r i c a lc o n t a c t c o n n e c t o rr e l i a b i l i t yw h i c hh a s t a k e no nn e w s i g n i f i c a n c ea se l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa n dc o m p u t e r s ，b e c o m em o r ei m p o r t a n ti n b o t hb u s i n e s sa n de v e r y d a yl i f e 1 1 1 er e l i a b i l i t yo fac o n n e c t o rd e p e n d so nt w o f a c t o r s f i r s t ，t h ea p p l i c a t i o nd e t e r m i n e st h er e q u i r e m e n t se n v i r o n m e n t a l l ya n d f u n c t i o n a l l y , w h i c ht h ec o n n e c t o rm u s tm e e t a n ds e c o n d ，t h ed e s i g n a n d m a t e r i a lo fm a n u f a c t u r eo ft h ec o n n e c t o r , w h i c hd e t e r m i n et h ed e g r a d a t i o n m e c h a n i s m w ek n o wt h a tf r e t t i n ge l e c t r i c a lc o n t a c tf a i l u r ei sb r o u g h tb yt h ee x c e s s i v e h i g l lr e s i s t a n c eo fv a r i o u si n s u l a t i n gf i l ml a y e r so nc o n t a c ts u r f a c e ，b e c a u s et h e f i l ml a y e r sa r et o ot h i c k ，o rt h ed e b r i sa c c u m u l a t e do nt h ec o n t a c ts p o tc a l lh a r d l y b er e m o v e df r o mt h ev e r ys m a l lf r e t t i n gs c o p e t h u si ti sa v e r yi m p o r t a n ts u b j e c t t oi n v e s t i g a t eo i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sf i l ml a y e r sa n dt h ec a u s e so f f o r m i n gd e b r i s h o w e v e r , m o s ts c i e n t i s t so n l ys t u d i e do nt h ee l e c t r i c a lc o n t a c t p h e n o m e n o n , a n d f o c u s e do nt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r e t t e df i l ml a y e r ；v e r yf e wp e o p l eh a v ec o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r e di t sm e c h a n i c a la n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c ha r et h ek e yf a c t o r s t ot h er e s i s t a n c ef l u c t u a t i o nd u r i n gt h ep e r i o do ff r e t t i n g t h er e l a t i v em o v e m e n t c a nd u et om e c h a n i c a lv i b r a t i o n , s h o c la n dd i f f e r e n t i a lt h e r m a le x p a n s i o na n d c o n t r a c t i o n 1 1 1 er e p e t i t i v ee x p o s u r eo ff r e s hm e t a la n di t ss u b s e q u e n to x i d a t i o n w i t he a c hm o v e m e n ta n dt h ea c c u m u l a t i o no fo x i d i z e dw e a rd e b r i sa r eb e l i e v e d t ob et h em a i nm e c h a n i s m sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o r r o s i o no ft h e s ec o n t a c t s t 1 l i s p a p e rw i l li n v e s t i g a t ef r e n i n gp h e n o m e n aa n dt h er e l i a b i l i q o f e l e c t r i c a lc o n t a c t sf r o ms e v e r a lf a c t o r s ：t h ep r o c e s so ff r e t t i n gc o r r o s i o n ，w e s t u d yt h ec o n d i t i o no fo c c u r r i n gh i g hf r e q u e n c yt of r e t t i n gc o r r o s i o na n dt h e i i 竺尘堡矍三查耋三兰窒：兰竺墼塞 d e t a i l p r o c e d u r eo ff r e t t i n gc o r r o s i o n ；t h ei n f l u e n c eo fp r a c t i c a lc o n t a c t p a r a m e t e r so nf r e t t i n gc o r r o s i o n , w eh a v ed o n ea l lk i n d so fe x p e r i m e n t a t i o no n f r e t t i n g c o r r o s i o nt o e x p l a i nh o wt oe f f e c tf r e t t i n gc o r r o s i o no fc o n t a c t p a r a m e t e r s ，w h i c hp e o p l ed i d n ti n v e s t i g a t ei ti nt h ep a s t n i ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n t so nf r e t t i n gc o r r o s i o n ，a tp r e s e n t ，o u rc o u n t r ys t i l lu s et h es i l v e ra n d c o p p e rw i t hc o n t a c tm a t e r i a l ，w h i c ht h e ya r ee a s yt ov u l c a n i z e t h u si ti sav e r y i m p o r t a n tt a r g e t t o i n v e s t i g a t e o nt h ec h a r a c t e r i s t i c si n e f f e c t i n gf r e t t i n g c o r r o s i o no fs u l f u rg a s ；t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so n 舶n i n g c o r r o s i o n , t h i st e x ts t u d ym a i n l yd r yc i r c u i tt oe f f e c t f r e t t i n gc o r r o s i o n ；t h e l u b r i c a n to fp d 9 1 0a c t i o n ，w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ec o n t a c t r e s i s t a n c eb e h a v i o ro ff r e t t i n ge l e c t r i c a lc o n t a c t s ；f i n i r ee l e m e n tm e t h o d i ti s v e r yc o m p l e x i t yp r o c e s st oa n a l y z em a t h e m a t i c sm o d e lf o rf r e t t i n gc o r r o s i o n i t i sv e r yd i f f e r e n c ef r o ms i m p l i c i t ym e c h a n i s mm o v e m e n t f i n i t ee l e m e n tm e t h o d c a l lc o m p r e h e n s i v ea n a l y z ef i l ma n dt m d e r p l a t em a t e d a l s k e y w o r d se l e c t r i cc o n t a c t ；f r e t t i n g ；r e l i a b i l i t y ；c o r r o s i o n 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑藿声明：此处所提交的硕士学位论文微动电接触可靠性研究，是 本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取 得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研 究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。 本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：之芑韦乍日期：刍卯犀弓月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 微动电接触可靠性研究系本人在哈尔滨理工大学攻渎硕士学位期间在导 师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论 文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保 存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允 许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 弓4 ；幸唯 ) 乏搦 日强：扣4 每j 其b 日期：泸伊歹, e l7 f t 略尔滨理t 夫学t 学硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 微动电接触可靠性理论课题背景 电接触是一门研究电子可靠连接的科学。是指两个组件因带电接触而产生 的一种状态，这两个组件本身称为接触件。在电子或电力系统中，不仅元件之 间、电路之间、设各之间乃至元件内部都需要可靠的电子连接。传统上，称这 门科学叫电接触学( s c i e n c eo fe l e c t r i cc o n m c t s ) 。近年来，也有不少人称之为 电子连接与内部连接系统的科学( s c i e n c eo fe l e c t r o n i ca n di n t e r c o n n e c t i o n s y s t e m ) 。应用该科学理论及科研成果所制造的元件如连接器( c o n n e c t o r ) 、继 电器( r e l a y ) 、开关( s w i t c h ) 、键盘( k e y b o a r d ) 、电位器( p o t e n t i a lm e t e r ) ， 电刷与导电环( b r u s h s l i pr i n g ) 等称之为机电元件( e l e e t r o m e c h a n i c a l c o m p o n e n t ) ，取这个名字的原意是指通过机械连接装置以达到电子连接的目的 1 1 1 。对于电接触最主要的要求是能长时问地保持低且稳定的接触电阻。接触件 的材料应当具有良好的导电性能，这是一项最基本的指标。 电接触的可靠性在很大程度上影响到电子设备的可靠性。从7 0 年代后期 开始，人们发现电连接器或电器连接端子处于静止、不插拔的状态时，经过一 段时间的通电工作之后，也常会发生电接触故障；对电接触表面进行微观分析 之后发现有极短距离( 多为微米级) 的磨损痕迹，在接触滑痕上或其周围有绝 缘的污染膜层或堆积的绝缘膜层碎粒，这种故障称之为微动( f r e t t i n g ) 电接触 故障，被认为是一种常见而且危险的电接触故障。很多科学家对各种会属上的 电接触进行研究t 2 1 。例如，m a n t l e r 对金镀层、钯镀层等贵金属及其合金表面 进行在微动条件下的电接触性能进行研究。金镀层问题，一旦金镀层被磨穿， 由于金的电极电位很高，而基层材料( 多为铜合金) 电极电位很低，因而在潮 湿的气氛中金与基底材料问将形成微电池，结果基底材料被腐蚀，产生大量的 腐蚀物1 3 1 ；另外，暴露出束的基底材料本身也容易与环境中的腐蚀性气体发生 反应，产生大量的腐蚀物。许多研究工作表明腐蚀产物覆盖在接触表面i - 将会 使其接触电阻过高，造成电接触故障。钯镀层的主要问题是在有机气氛中接触 表面容易产生绝缘的摩擦聚合物，导致电接触故障。m b r a u n o v i c 则主要研究 了应用于电力连接器上的铝，铜及其合金表面在微动条件下的电接触性能，发 现微动时绝缘的氧化膜层碎粒将造成电接触故障。j h w h i t l e y 着重研究了常用 哈尔演理丁大学t 学硕十学付论文 于电连接器上的各种镀锡表面在微动条件下的电接触性能，发现微动时绝缘的 氧化膜层碎粒堆积在接触部位，将导致严重的电接触故障。k m a n o 对镀锡表 面的微动腐蚀现象进行验证，确认了绝缘氧化的膜层碎粒的堆积在微动接触部 位造成电接触故障 4 1 。 在过去的工作中，曾经使用过特制的润滑剂，利用它对磨粒的漂浮作用来 帮助实现减轻乃至消除电接触故障的目的，这一点在镀锡表面上的滑动与微动 实验中尤为明显【5 l ：本文主要使用m o l y k o t ep d - - 9 1 0 润滑剂，它有效的解 决微动腐蚀的问题，尤其是锡铅微动腐蚀问题。提高锡铅连接器的使用寿命， 从而提高使用该类型的连接器产品的寿命i 6 1 。 1 2 国内外研究状况 西方早在上个世纪5 0 年代就开始研究电接触科学，6 0 年代投入大量财 力，人力进行研究，大多数整机公司如美国通用电气( g e ) ，通用汽车 ( g m ) ，西屋( w e s t i n g h o u s e ) ，通用电话电子( g t e ) ，a r & t ，国际商用电 器( i b m ) ，日本的松下( n a t i o n a l ) ，立时( o m r o n ) ，德国西门子( s i e m e n s ) 等公司 都设有机电元件研究所以及工厂。专门化的公司更是如此，如荚国的a m p ， b e r g ，m o l e x 等公司号门研究生产连接器，日本冲电器( o k i ) 等生产干簧继电 器( r e e dr e l a y ) 。竞争也十分激烈。西方的学术活动也十分活跃。上个世纪5 0 年代在美国成立h o l m 电接触年会，上个世纪8 0 年代由i e e e 第一技术委员会 t c l 管理，现已历4 4 届，1 9 6 4 年开始成立国际电接触委员会( i n t e r n a t i o n a l a d v i s o r yg r o u po ne l e c t r i cc o n t a c t ) 负责每两年一次的国际电接触会议 ( i c e c ) ，目前已经达到1 9 届。日本原由东北大学倡导后由真野国夫教授领 导的日本机电元件研究会每月召开一次学术会议1 1 l 。 前苏联与东欧国家由于军备竞赛原因，自上个世纪7 0 年代后大力发展这 门科学，现也达到很高水平。不论西方或前苏联系统的国家，电接触科学在各 国高等教育和科研中都得到很积极反应，以日本高等学校为例，大约有十几所 大学的教授从事电接触科研和教学。电接触科学尽管是- - 1 3 交叉学科但却是一 门独立学科。它有独立的理论和特殊的研究方法，有独自的工业和研究、教育 体系，以及独立的学术组织。电接触科学是随电子学的发展而发展的。它一直 是电气和电子工程师协会( i e e e ) 中最活跃的分支学科之一f i 】。 哈尔演理t 大学t 学硕卜学位论文 1 3 本课题的目的和意义 本课题是根据华为公司的h o n e t 产品镀锡铅欧式连接器在网时出现时通 时断现象而立项，这种现象在其它的很多产品中也经常出现，很难复现出这种 问题的根源，这种难以复现的现象称之为“故障不重现”。参考很多国内外文 献初步定位这种问题是微动腐蚀造成。为了解决和验证这一类的问题，特此立 一个项目来做研究。如果解决此类产品的问题，则可以提高连接器的使用寿命 及其类似微动腐蚀带来的问题，从而大大降低该产品的成本，提高效益。 1 4 本课题的研究内容 本课题主要研究重点和较新颖之处有以下几个方面： 1 微动腐蚀现象和机理研究在什么样的条件下容易产生微动腐蚀，微动 腐蚀具体过程是怎样的； 2 接触参数对微动腐蚀的影响的研究经过大量的试验，阐明各种接触参 数对微动腐蚀影响的程度，在以往的研究中还没有给出接触参数对微动腐蚀的 具体影响程度； 3 大气环境对微动腐蚀影响的研究从我国的一些大城市室内暴露的各种 镀层表面腐蚀现象来看，含硫气体危害很大，但是到目前为止我国仍然未能找 到有效的控制硫化气体排放造成的后果，而且，与西方国家不同，我国仍然在 大量的使用银和铜等容易被硫化气体腐蚀的金属作为电接触材料。因此含硫气 体对微动腐蚀的主要影响是我们研究的主要对象： 4 电器性能对微动腐蚀影响的研究在电器性能方面主要研究小功率、弱 电流的影响，此处分成四种不同情况分别进行介绍； 5 润滑剂p d 9 1 0 的作用润滑剂p d 一9 1 0 可以深入膜层，并使膜层剥离， 但是润滑剂并不是万能的，它并不能解决所有的微动腐蚀问题，而p d 9 1 0 润 滑剂可以有效的解决h o n e t 产品镀锡铅的微动腐蚀问题； 6 有限元分析对微动电接触进行数学模拟是一项非常复杂的过程，它与 单纯的机械式微动有很大的区别。有限元可以全面的分析膜层及其基底材料电 接触行为。 哈尔泞理t 大学t 学硕卜学位论文 第2 章微动电接触可靠性腐蚀现象 2 1 微动电接触可靠性基本描述 微动现象足指我们通常所说的处于“静态接触”状态的两固体接触表面之 间的周期性小振幅相对运动。在金属与金属、软木与钢铁乃至玻璃与钢铁等多 种接触表面上都有可能出现微动现象。在接触领域，微动主要发生在压接、栓 接等多种连接方式的结点表面七；在这一领域中，我们要考虑的不仅仅足微动 磨损问题，更重要的是微动对接触电阻的影响。首先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之为“微动腐蚀”。“微 动腐蚀”现象早在1 9 1 1 年由e d e n 、r o s e 和c u n 血g h a m 在描述一种疲劳测试 机的某一钢铁部件腐蚀谈到，并在1 9 3 9 年由t o m l i n s o n 、t h o r p e 和g o u g h 等 人正式提出这一术语。出现微动腐蚀时，表面会属氧化物的绝缘特性对接触电 阻的影响是令电子工程师头痛的问题。此外，当某些金属，如钯等被用做接触 材料时，在微动过程中，由于吸附了工作环境中有机气氛污染物，因而在接触 表面生成摩擦聚合物，这类绝缘物也同样会增大接触电阻 7 1 。 相对比较而占，在低电压、小电流的工作场合，例如电子连接器和内部连 接封装件等，微动过程中接触表面上的绝缘物质的危害就更大，而在大功率电 力电路中，绝缘物质可能由于电冲击而被去除，对电路的影响减少。 微动现象引起的原因各种各样，主要包括：( 1 ) 环境震动以及环境温度的改 变；( 2 ) 接触副支撑件或接触材料本身的热膨胀系数不同；( 3 ) i 作环境中电磁 力的变化引起的结点振动，例如结点附近通过交流电的两平行导体所产生的电 磁力，这些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，大家都比较熟悉的是汽车连接器的微动现象，这种工作状态 中环境振动、热冲击等往往同时存在，因此微动也频繁发生i s 。 2 2 微动过程机理及以往电接触领域的研究成果 当力很低时，基层金属接触，像锡和铜，容易受到微动腐蚀。这种腐蚀机 理见图2 1 所示。这咀微动腐蚀足指在接触面之间微小的相对运动。这些相对 运动是由于振动、冲击和不同的热涨冷缩等引起的，所有的这些可能出现在普 哈尔演理t 大学t 学顾卜学位论文 通办公环境中。这些莺复暴露出新的金属，结果随着每一次运动新出现的金属 氧化，氧化物在接触面堆积认为足基层舍属腐蚀的主要机理。正如图2 1 中的 ( b ) 所示，当触头向右移动时，左侧的金属暴露在空气中，与大气中的氧接 触而氧化，从而形成了新的氧化膜层；当触头移动到左侧的时候见图2 1 中的 ( c ) ，右侧的金属暴露在大气中而氧化；同时由于受到力或热胀冷缩作用氧化 膜层破裂，磨粒堆积，结果导致接触电阻增大，最终导致开路。 2 2 1 微动磨损机理 图2 - 1 微动腐蚀机理 f i g 2 1f r e t t i n gc o r r o s i o no f m e c h a n i s m 磨损是指摩擦副表面做相对运动时，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。在对黑色金属表面的微动现象进行研究之后，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的磨损，同时涉及粘着、磨料、氧化和疲劳 磨损。微动腐蚀表面或在亚表面层中产生微裂纹，在反复的作用力下将发展成 疲劳断裂，这种磨损称为微动疲劳，其危害性很大，因为即使克服了微动作 用，留下的裂纹仍有可能继续扩展。 哈尔演理t 大学t 学碜卜学位论文 工业中愈来愈多地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、以及机械电子工业等) 中，在一些尖端技术如原子反应堆、航天技 术、计算机硬件、喷气发动机、大功率涡轮机等部存在微动磨损问题。目前的 研究已经扩展到高温、高压、真空、辐射、各种气体、液体介质等，研究材料 除了工业上常用的碳钢、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。微动磨损的一般过程可以这样表述：接触压力使 结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， 露出基体金属表面。这些脱落颗粒和新产生表面又和大气中氧继续反应，生成 氧化磨屑，他们滞留在结合面上起着磨料作用，如此循环不止如果接触应力 足够大，微动磨损点形成应力源，疲劳裂纹继续发展；微动的损坏特征是摩擦 表面较集中的凹坑，磨损产物往往是氧化物的颗粒，所以有时也称为微动腐蚀 或微动疲劳 9 1 。 2 21l 粘着作用微动始于粘着。工程表面接触首先发生在凸峰顶，表面敷有 氧化膜或其它吸附物质。表面载荷不大时，凸峰接触的应力虽末达到材料的弹 性极限，但是微动摩擦副伴有小幅振动，两表面上受到切向力，只要表面氧化 膜层被破坏就会生成冷焊结点，在垂直力和横向力联合作用下，经过多次反复 便会在表面下诱发疲劳裂纹。 2 212 磨屑作用在微动的初始阶段，粘着材料可能转移到对磨面上，有可能 转移回来。不同材料配副，一般是材料低强度低硬度表面转移到高的表面。全 过程中有几点磨屑形成。 1 转移材料逐步氧化，被逐出变成磨屑； 2 连续转移所形成的氧化膜反复疲劳产生磨屑； 3 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。然后在二次微动中变得愈来愈细，并吸 收大量的机械能，使磨屑具有极大的化学活性，只要接触到氧变迅速氧化；少 数未受n - 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的磨屑部是它的最终状态。铜的最终微动 磨屑为黑色的氧化铜；铝和铝合金的磨屑主要是黑色的氧化铝( 带有少量的金 属铝) ；镍的磨羁是n i o 和少量的金属镍；不活泼的贵金属( 金、铂) 的磨屑 则是纯金属粉末磨屑。 微动磨损与滑动磨损不同，界面上有氧化物磨屑在起磨料磨损作用。构成 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，硬度比愈大时，损伤愈严重。 哈尔泞理t 大学t 学磅卜学位论文 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影响是多重性的，不应简单认为只产生磨料磨损。 2 2 1 3 脱层作用微动磨损材料损失大部分发生在稳态阶段。n e s u h 提出的 脱层理论能很好地说明稳态阶段材料流失过程。他认为当接触的两表面相对运 动时，硬表面的峰顶滑过软表面时，软表面上每一点都经受一次循环载荷。由 于产生塑性变形，金属表面出现大量的位错，但是最外表层的位错( 大约有几 十个微米厚度) 由于影响力的作用而消失，靠近表面的位错密度常常小于内 部，所以表层金属能够承受更大的塑性变形。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 下的有限位移内将出现位错堆积，并将导致形成空位。在金属中有夹杂物或存 在第二相质点的地方，更容易形成位错堆积或是发生基体围绕质点的塑性流 动，所以往往是裂纹形成的位置。每当峰顶滑过一次，裂纹受一次循环载荷， 就在同样的深度处向前扩展一个短距离，扩展到一定临界长度时，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 t r i a 的理论比较完整不仅能 够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的说明。特别是不同的表面膜层、机械特 性、物理特性都各不相同，所以形成微动磨粒的形貌多种多样，有可能不是薄 片i l o l 。 2 214 徽动疲劳在微动应力和交变应力作用下，材料疲劳强度显著降低，一 般降低3 0 - 5 0 ，甚至一个数量级。氧化对微动磨粒的影响i j 面已经提及，不 再赘述。 2 2 2 电接触领域的研究成果 在电接触领域中对微动已经做过的研究主要有以下几个方面。 2 2 2 i 接触材料的研究从以下几个方面对材料进行研究： 1 相对较稳定的金属( 1 ) 金对金：金是相对较稳定的金属材料。虽然在苯 蒸汽中或浸入油中的微动条件下金的表面也形成聚合物，但是由于其最少因而 基本上对连接器的接触电阻不造成太大的危害。( 2 ) 银对银：微动条件下银是比 较稳定金属，磨损率较低，氧化程度也低，而且不生成摩擦聚合物，当银对银 本身构成接触副时，电接触性能良好。但是a g 对大气中的硫和氯很敏感，这 大大的限制了它在连接器上的应用。 2 非贵重金属铝及铝铜合金：这类电接触受到微动腐蚀影响相当严重； 呛尔泞珲t 大学t 学碜十学位论文 在微动实验的初始阶段，在室温下自然生成的膜层氧化物以机械破坏的形式被 除去，电阻略有降低，但是随着周期增长，接触电阻骤然升高。 3 在微动中形成的摩擦聚合物的金属这类金属包括四组：铂、钯、钌、 铑及其合金。其它金属还有像在苯蒸汽中微动时会产生聚合物的钽、钼、铬 等。聚合物的存在使得接触电阻明显升高，钯对钯接触最后的结果很糟糕，因 为所生成的聚合物是绝缘的。在电信行业中的连接器和继电器经常大量的使用 钯银合金来替代钯，甚至用银作为接触物之一，从而降低成本，更重要的是这 种情况下生成聚合物的可能性明显减少，提高电接触可靠性。 4 接触对采用不同的材料这种情况下冷焊和金属转移是主要问题。( 1 ) 金属对的转移，人们早已发现在实际应用中的金或金银合金对钯的接触要比完 全是钯的接触效果要好，因为后者会形成摩擦聚合物：而金或者金银合金比钯 软，这样金属转移主要出现在钯的表面上，从而使接触完全转化为金或金合金 的接触，改善了接触性能。相反，如果用一种较硬的材料( 如7 5 a u 2 5 c u ) 与 钯接触，则金的转移方向是从钯转移到比它更硬的金属，从而使接触对变成完 全是钯对钯，这将导致摩擦聚合物的产生。不过，在这里也应该提到的是当接 触对的材料的硬度相差l o 或者更小时，金属转移将是双向的。( 2 ) 微动腐蚀 影响，由于微动腐蚀的作用，镍对镍和铜对铜的接触电阻都很不稳定，不过， 将其中的一接触对改成金后，情况大为改观，由于金是比较软的金属，所以转 移几乎是从金转移到镍或者铜上，使接触对成为金对金的接触。采用不同的接 触材料，同样足微动腐蚀在最终起作用，金对焊锡的接触结果和金对镍的结果 大不相同，由于焊锡比会软的多了，金属转移自然从焊锡转移到金，使得接触 对成为锡对锡，锡的氧化物在表面堆积最终导致接触失效。( 3 ) 磨损现象的危 害，微动磨损使得薄的镀层材料在局部完全损失，暴露出底层来，可能的危害 有三个方面：( a ) 底层金属的微动腐蚀，亦即诸如氧化物之类的绝缘物的堆积 造成的接触失效；( b ) 底层金属在微动中形成的摩擦聚合物，诸如钯等：( c ) 由于底层金属与镀层金属的电极电位的不同，比如表层为金，底层为铜，当大 气中的水分( 含离子溶液) 积留在磨损区域中时，形成微电池，导致底层金属 进一步损失。 摩擦聚合物的形成机理还在进一步的研究中。一般认为是工作环境中的有 机化合物强烈吸附在接触衷面，在微动过程中由于某些金属的“催化”作用而 大分子的固态物质。由于聚合物在接触表面的堆积，越来越厚，最终导致接触 电阻升高。研究人员们也曾经寻找有效的物质来抑止聚合物的形成，但是一般 的抑止催化发应的物质对于抑止摩擦聚合物都不太有效。 竺! ：鎏堡三奎耋三兰矍：! 兰竺丝兰 2 2 2 2 参数研究从以下几个方面来研究接触参数： 1 机械参数( 1 ) 微动一个周期的时间一频率，这一参数主要影响表面的 物化过程。当微动的频率越低，即一周期的时间越长时，接触电阻从低值升高 到高值所用的周期就越小；通常用氧化的机理来解释这一点，微动频率较低 时，氧化物有比较充分的时间在两次微动之间继续生长。另外一种情况就是在 钯对钯这一类接触中，当环境中有机气氛的浓度增大到某一程度后，微动频率 的改变不再影响接触电阻的变化。( 2 ) 微动振幅，在焊锡对焊锡和钯对钯的接 触实验中，发现微动幅度的大小对氧化物或者摩擦聚合物的形成与存在都有比 较明显的影响，一般微动振幅越大，微动实验中的接触电阻增长来得越快，这 是一个相当重要的结论，因为以适当的措施降低微动腐蚀幅度可以有效的改善 这种情况下的电接触性能。( 3 ) 接触压力，接触压力越大，接触电阻越趋于稳 定，主要是因为有效地去除了接触表面上微动腐蚀的产物或者摩擦聚合物等。 在实际的连接器中，增大接触压力也就是增大了接触副的保持力，从而有可能 使微动的趋势有所减少。 2 环境影响首先，有机气氛显然对摩擦聚合物的生成有很大的影响；大 多数的都在此列，使用电子元器件的封装结构以塑料为材料的部件在一定条件 下释放出有机气体，其危害相当大。温度和有机气体污染物在微动中对接触电 阻的影响尚无系统和全面的研究。曾有人尝试锡合金置于0 2 s 0 2 气体后再 进行微动腐蚀实验，结果发现与室内大气环境没有明显大的区别。实际接触表 面热效应的出现原因较复杂，诸如电流效应或者扩散区域位移密度的增加等； 表面热效应的也是很多方面的，包括：接触表面金属界面熔结。金属相互转 移，磨损加剧；表面氧化加速：若结点紧靠( 塑料) 封装部件，会促使有机物 分解的发生，结果使接点环境中充满有机气氛；加大扩散速度，使底层金属向 表面扩散；加快表面推金属的形成；加速金属间化合物的生长等。因此，适当 的控制接触点的温升是十分必要。 3 润滑效应润滑剂能够有效地改善微动条件下的电接触性能。润滑剂的 使用主要取决于接触材料本身及其接触特性。一般来说，液态润滑剂以及润滑 脂是比较有用的，而固态润滑剂，很容易被从接触区域推走，而且回复能力较 差，所以在微动状况中没有明显的利用价值。( 1 ) 降低磨损率，微动过程中产生 的磨损颗粒很容易氧化，所以若能降低磨损率，就可以保持稳定的接触电阻。 如果表面是镀金的，那么减少磨损足很有经济意义的。常用在贵金属表面的润 滑剂是聚苯醚，所用的溶剂是三氧化烷，溶剂很快挥发到大气中，表面留下一 层润滑剂层。( 2 ) 与摩擦聚合物的关系，钯对钯之类的接触在微动过程中极易产 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学伊论文 生摩擦聚合物，使得接触电阻升高，使用润滑剂后的情况有所改观，接触电阻 最大值明显降低。当钯表面镀一薄层金时，润滑表面比起来润滑表面接触电阻 开始上升的时间大大延迟了，这是因为润滑表面的磨损大为减轻。( 3 ) 减轻微 动腐蚀，润滑剂可以有效的减轻微动腐蚀。最明显的例子就是s nv ss n 的接 触。无论是焊锡还是锡铅合金，微动接触后，未润滑的表面都出现了明显的黑 斑，这种颜色是氧化的结果，而润滑剂的表面比较光亮，电阻状况也大为改 善，并且由于润滑剂覆盖接触表面，隔绝其与大气接触，阻隔了氧化的发生 【l l 】f 。 2 3 本章小结 本节主要介绍微动电接触的失效机理：接触对之间的微小的相对运动，在 相对运动的过程中暴露出来新的末氧化的金属，新的未氧化的金属与大气接 触，立即氧化，在微动情况下，未氧化的金属开始氧化，随着微动次数的增 多，氧化磨粒堆积，导致电接触故障。同时本小节还介绍了过去电接触领域的 研究成果。 望：篓塞二查兰三兰竺兰竺丝兰 第3 章各种参数对微动腐蚀的影响 3 1 接触力对微动腐蚀的影响 增加力对于电接触影响可以知道：认为主要影响就是提高微动腐蚀产物和 摩擦聚合物的穿透力。图3 1 就是s n p bv ss n p b ( 锡铅镀层与锡铅镀层构成的 接触对，以下类同) 接触对在振幅为2 0 9 m 分别获得o 1 q 、l q 和1 0 q 情况 下，力与获得稳定接触电阻的关系。尽管接触力比较分散，在力较大时，接触 电阻逐渐稳定，但是在3 n 时s n p bv ss n p b 不理想。 o 0 5l1 522 53 力 ( n ) 图3 1 锡铅合金微动接触电阻与载荷的关系 f i g 3 - lt h er e l a t i o n s h i pb g 帅v g g nf r e t t i n gc o n t a c tr e s i s t a n c ea n dl o a d 在实际连接器中提高正压力，可以提高保持力，微动趋势降低，这就是为 什么在力大的情况下底层金属可以满足电接触，当压力出现时可能引起微动。 然而，大的正压力通常涉及不到微动腐蚀，这是因为增大力就提高磨损的结 彻 卿 枷 | 耋 猢 啪 接触电阻q ， 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 果。摩擦聚合物穿透电阻要比来自6 0 s n 4 0 p b ( 焊锡) 氧化物小的多了，尤其 当焊锡镀层产生很大变形，这样促使外部膜层分裂。 下面以a uv ss n p b 接触对为例说明接触力对微动腐蚀的接触电阻、镀层 磨损以及簧片磨损的影响。 3 1 1 实验参数 温度 摩擦距离 振动频率 微动次数 大气环境 3 1 2 实验仪器 2 3o c 4 0 9 i n 4 h z 分别为1 0 0 0 n 、5 0 0 0 n 、1 0 0 0 0 n 一般空调办公室环境 主要采用i n s t r o n 插拔力测试实验仪器，如图3 2 所示，该仪器能实现微米 距离、高频率的振动。这里i n s 仃d n 仪器周期都是预先设置为固定的值，在整个 微动的过程中微动率都为4 h z 。 在微动过程中为了对接触电阻的变化进行实时监控，使用t a g i l e n t 数据 采集仪器( 见图3 3 ) ，这种数据采集仪器特点：当i n s t r o n 振动频率为4 h z 时， a g i l e m 采集通道为4 个通道时，a g i l e n t 和i n s t r o n 几乎同步，即频率一样的。当 数据采集通道大于4 个时，a g i l e n t 数据采集小于i n s t r o n 仪器实际周期数，数据 采集通道数越多，a g i l e n t 采集到的周期就越少。也就是采集到周期数与在同一 个实验中的i n s t r o n 预先设置的周期数差别越大。但是当数据采集的通道小于4 个时，数据采集量( 周期数) 大于i n s t r o n 预先设置固定的周期数。这两台机器 在工作时候互不干扰，他们之间通过数据传输线连接起来。i n s t r o n 仪器主要足 对微动的频率和周期进行控制。同时还可以检测整个过程中连接器的插拔力。 而a g i l e n t 只是微动过程中的接触电阻进行检测。 竺尘兰矍：叁兰二耋至：兰竺丝圣 3 1 3 接触电阻变化情况 图3 - 2 英斯触测试仪器 f i g 3 - 2l n s t r o na p p a r a t u s 图3 - 3 安捷伦测试仪器 f i g 3 3a g i l e na p p a r a t u s 图3 - 4 是微动周期为1 0 0 0 n ，摩擦距离为4 0 岫，频率为4 h z 情况下接触 电阻和扫描周期的关系，其中接触力处于正常欧式连接器的接触状态。图3 5 是在图3 - 4 情况下稍微增加力的接触电阻变化和微动周期的关系。图3 - 6 是增 加更大接触力下的接触电阻变化和微动周期的关系。 哈尔演理t 大学t 学砷卜学