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摘要 镀金触点的微动磨损机理与测试 摘要 电子连接大量存在于通信系统及电力传输系统中，电接触的可靠 性对信息传输非常重要。微动是造成电接触不可靠的主要原因之一。 本文研究了接触对双边镀金( 触头和样片均镀金) 情况下的微动 磨损机理。主要涉及材料粘结、擦伤、转移的过程，及其与微动接触 电阻变化的关系。将镀金接触对的微动磨损过程划分成三个阶段。1 金的完全保护阶段：接触电阻值在微动初期呈下降趋势，随后上升， 电阻值不高于初始电阻值，没有磨屑产生。2 金的部分保护阶段：接 触电阻高于初始接触电阻值并缓慢升高，微动区域的磨屑逐渐开始增 多，成份主要为金。3 金的保护失效阶段：包括接触电阻迅速上升和 接触电阻振荡两个阶段。这时接触对中间充斥着大量的氧化物，并出 现大量的磨屑，磨屑主要成份为金属氧化物以及少量的金。 对影响双边镀金触点微动性能的参数进行了研究。首先是接触表 面形貌的影响。样片表面呈现波峰波谷交替的网状结构。通过计算和 a n s y s 模型分析，得出：接触在波谷位置时，接触面积大，接触对 受到的应力小，金不易形成磨屑，而且触头上的金往样片上转移，在 样片上波谷的位置不断堆积，使得样片波谷位置上的金层加厚，大大 延长失效周期数；接触在波峰时，接触对受到应力大，而且磨屑得不 到堆积，所以容易发生失效。其次是位移幅值。位移幅值越小，越不 容易发生失效。第三是样片硬度的影响。在镀金层厚度相同的情况下， 样片的硬度越大，初始接触电阻越大，但会延长镀金层被磨穿的时间。 最后是镀金层厚度的影响。镀金层厚度为0 2 m 时，样片对金触头具 有持续良好的微动性能，并且可以有效节省生产成本。 本文还讨论了接触对单侧镀金的情况，研究对象为镍触头对金样 片。由于镍触头的硬度高于样片镀金层的硬度，所以在微动开始的初 期，样片上的金就粘到触头上。随着微动的进行，一部分金良好的附 着在触头表面，一部分被推出形成磨屑。由于接触区域内有足够金存 在，接触电阻变化趋势比较平稳。 关键词：微动磨损镀金接触电阻表面形貌微动幅值 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no nf r e t t i n gp r i n c i p l eo f t h eg o l dp l a t i n gc o n t a c ta n dt e s t a b s t r a c t t h ee l e c t r i cc o n t a c ti sw i d e l yu s e dmc o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o n i c i n d u s t r y , s oi t sr e l i a b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n t f r e t t i n gi so n eo ft h em a j o r r e a s o n st h a tm a k e se l e c t r i cc o n t a c tu n r e l i a b l e i nt h i sp a p e r , f r e t t i n gp r i n c i p l eo fc o n t a c tp a i r sw i t hd o u b l es i d e s g o l d p l a t e do nt h ec o n t a c t s ( g o l d p l a t e dc o u p o n sw i t hg o l d p l a t e dp r o b e s ) i sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n ga d h e s i v ew e a r , a b r a s i v ew e a ra n dt h et r a n s f e r r i n g p r o c e s s o ft h em a t e r i a l s ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t a c t r e s i s t a n c ea n dt h ef r e t t i n gs t a g e s t h ep r o c e s so ff r e t t i n gc a nb ed i v i d e d i n t ot h r e es t a g e s 1 t h ec o m p l e t ep r o t e c t i o n s t a g eo fg o l d ：c o n t a c t r e s i s t a n c ed e c r e a s e sa tt h ee a r l y s t a g eo ff r e t t i n g ，a n di sl o w e rt h a ni n i t i a l r e s i s t a n c ev a l u e ，a n dn od e b r i sa p p e a r s 2 t h ep a r t i a lp r o t e c t i o ns t a g eo f g o l d ：c o n t a c tr e s i s t a n c ei sh i g h e rt h a ni n i t i a lr e s i s t a n c ea n di n c r e a s e s s l o w l yw e a rd e b r i si n c r e a s e sg r a d u a l l y , a n da ui st h em a i ne l e m e n ti n d e b r i s 3 t h ep r o t e c t i o nf a i l u r es t a g eo fg o l d ：c o n t a c tr e s i s t a n c ei n c r e a s e s r a p i d l yi n as h o r tt i m ea n do s c i l l a t e s al a r g ea m o u n to fo x i d a t i o n a c c u m u l a t e sb e t w e e nt h ec o n t a c tp a i r , a n dm u c hw e a rd e b r i sd i s p e r s e s o x i d ew i t hal i t t l eg o l di st h em a i nc o m p o n e n ti nd e b r i s p a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tf r e t t i n gp e r f o r m a n c eo fg o l d p l a t e dc o n t a c t s a r er e s e a r c h e d f i r s t ，t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fp c bc o u p o n sd i s p l a y s p e a k sw i t hv a l l e y s c a l c u l a t i o na n da n s y sm o d e la n a l y s i ss h o wt h a t ， w h e nc o n t a c tp a i r sa r ec o n t a c t e da tv a l l e y s ，c o n t a c ta r e ai s l a r g e ，a n d s t r e s si ss m a l l ，s ow e a rd e b r i sc a l l tb ee a s i l yf o r m e dd u r i n gf r e t t i n g i n a d d i t i o n ，g o l do nt h ep r o b ei st r a n s f e r r e dt ot h ec o u p o na n da c c u m u l a t e s o nt h ev a l l e y so ft h ec o u p o n ，t h e r e f o r e ，t h eg o l do nt h ec o u p o nb e c o m e s t h ic k e ra n dt h ef r e t t i n gl i f eo ft h ec o n t a c t si sp r o l o n g e d w h e nc o n t a c t a b s t ra c t p a i r sc o n t a c ta tp e a k s ，s t r e s si sl a r g e rt h a nt h ef o r m e r , g o l dw e a rd e b r i s c a r l tb ea c c u m u l a t e da n ds t a yo nf r e t t i n gt r a c k , s oc o n t a c tf a i l u r eo c c u r s e a s i l y s e c o n d ，t h es m a l l e rt h ea m p l i t u d ei s ，t h el o n g e rf r e t t i n gl i f eo ft h e g o l d - p l a t e dc o n t a c t si s 删r d ，i ft h et h i c k n e s so fg o l d p l a t e dl a y e ri st h e s a m e ，t h eh a r d e rt h ec o u p o ni s ，t h el a r g e rt h ei n i t i a lc o n t a c tr e s i s t a n c ei s ， a n dt h el o n g e rt h el i f eo ft h eg o l d p l a t e dc o n t a c t si s f i n a l l y , w h e nt h e t h i c k n e s so fg o l d - p l a t e dl a y e rr e a c h e s0 2 1 a m ，c o u p o nw i t hg o l d p l a t e d p r o b eh a sg o o df r e t t i n gp e r f o r m a n c ea n dc a ns a v er e d u c ep r o d u c t i o n c o s t se f f e c t i v e l y t h i sp a p e rg i v e sd i s c u s s i o no nt h ef r e t t i n gp r i n c i p l eo fc o n t a c tp a i r s w i t hn i c k e l - p l a t e dp r o b e sa n dg o l d p l a t e dc o u p o n s t h ep r o b ei sh a r d e r t h a nt h ec o u p o n ，s ot h eg o l do nt h ec o u p o nt r a n s f e r st ot h ep r o b ei nt h e i n i t i a ls t a g eo ff r e t t i n g p a r to fg o l da d h e r e st op r o b es t a b l y , a n dp a r to f g o l db e c o m e sw e a rd e b r i sa n di sp u s h e do u to ff r e t t i n ga r e aw i t ht h e p r o c e s s i n go ff r e t t i n g t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ei ss t a b l eb e c a u s eo fe n o u g h g o l da c c u m u l a t i n gi nt h ec o n t a c ta r e a k e y w o r d s ：f r e t t i n gw e a rg o l d - p l a t e d c o n t a c tr e s i s t a n c e s u r f a c et o p o g r a p h y f r e t t i n ga m p l i t u d e 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：主抵塞j 出 日期：幺艘盘! 主! 主里 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间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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。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。 、，l ， 本人签名：兰坠殴吼日期：丕匹涩：至：主2 导师签名：壶隘区 日期：趁趟：主：主! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电接触可靠性的重要性及影响因素 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 间隔里重复这些操作。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以机械摩擦学为基础并涉及电子学、化学、材料科学 等多门学科的一门重要的交叉科学。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【i 】。 ，： 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发现导致接触失效的 主要因素，并且找到解决这些问题的办法。 北京邮电人学工学硕士学位论文 1 2 微动简介 1 2 1 微动现象 图1 - 1影响电接触可靠性的因素 微动现象是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( 小于2 0 0 i lm ) 相对运动。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点表面上【2 1 ，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 。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 第一章绪论 被去除，对电路的影响减小。 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，大 家都比较熟悉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 国内外对微动磨损的研究情况 国外对微动的研究可以追溯到二十世纪初期，1 9 1 1 年e n d e n , r o s e 和 c u n n i n g h a m 3 1 ，在其疲劳试验机夹具与钢试件配合处观察到了红棕色氧化磨屑， 首次观察到微动和疲劳的联系，直至1 j 1 9 2 7 年t o m l i n s o n 4 】认为腐蚀是次要因素，并 提出了一种微动机理，并在其研究报告中首次出现“f r e t t i n g 一一词。1 9 4 9 年 m i n d l i n t 5 】首次将接触力学引入微动领域，为微动力学分析奠定了基础；1 9 5 0 年， 在美国p h n a d e l p l l i a 召开的首届微动摩擦学会议对一些微动现象如摩擦氧化、摩擦 腐蚀进行了描述：接着是1 9 5 3 年和1 9 5 4 年分别由f 矿埽n u h i g h t 7 】提出了化学机械 论和磨损速率变化理论。1 9 6 4 年，b o w d e n 和t a b o r 发表了经典专著( t h ef d o d o n a n dl u b r i c a t i o no f s o l i d s 的第二部分。1 9 6 9 年n i s h i o k a 等【3 】，提出了一种微动疲 劳模型，预测了试件的微动疲劳寿命；1 9 7 2 年w a t e r h o u s e t 9 】在总结前人研究的基 础上发表了首部有关微动的专著f r e t t i n gc o r r o s i o n 。1 9 8 8 年，b e r t h i e r v i n c e n t 和g o d e t t o 】提出了速度调节理论，g o d e t 1 1 】i 提出了微动磨损的三体理论。在这一 阶段，关于微动现象的研究才算真正的开始，有关微动损伤的研究论文数量大大 增加，对微动损伤机理的研究更加系统和深入，出现了一些微动理论。 我国对微动磨损的研究工作起步较晚，有关的文献报道始于八十年代初期， 之后逐渐得到发展。1 9 9 7 年1 1 月，我国举办的首届国际微动摩擦学专题会议在 中国成都举行，会议集中了众多国内外著名微动摩擦学专家，使国内同行及时了 解了国际新动态，促进了我国该领域的发展。近年来我国开展微动摩擦学试验研 究的单位已有三十多个，主要是对材料学和摩擦学具有研究实力的高等院校和科 研院所，以及对开展微动损伤研究有迫切要求的机构和企业。但至今，在疲劳寿 命设计，可靠性设计及强度标准中，仍没有把微动损伤的影响考虑进去，在故障 分析中也没有这个概念。而微动摩擦学是一门快速发展的新型交叉学科，微动损 伤在高科技领域如航天航空、核工业、高速运输等等己成为一个失效破坏的主要 原因。因此积极开展该学科的研究，缩小与先进国家研究的差距，将有助于我国 高科技技术的发展。 北京邮电大学工学硕士学位论文 1 2 3 微动磨损机理 磨损是指摩擦副( 接触对) 表面作相对运动时，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 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相对运动，就可能出现微动磨损。它包括两 种形式【1 2 , 1 3 】：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 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。必须指出在绝大多数情况下应该避免微动的发生。 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，露出基体金属表面。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。 下面分四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。两个相互接触的固体表面会发生粘着，这时 需要一定的法向拉力才能使它们分开，这个拉力被称为粘着力【1 4 】。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外一表面上去或成为磨损颗粒而离开接触界 面【1 5 1 。 粘着有利有弊。欲把两个表面粘接在一起就需要强烈的粘着作用。然而，对 第一章绪论 于工程中的许多微动和滑动表面而言，粘着是有害的，它导致摩擦和磨损。 通常用粘着系数( a d h e s i o nc o e f f i c i e n t ) 和粘着功w a b ( w o r ko f a d h e s i o n ) 表 示材料粘着行为。 粘着系数= 形吸式( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，彤表示分离两个表面的拉力( 一般作为粘着力) ，表示所 施加的载荷。 粘着功w a b = r a + r b r a b式( 1 - 2 ) 式( 1 2 ) 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) 。 粘着不仅发生在接触固体之中，固体之间存在液体或两个粘性体接触时也会 发生粘着。如果固体表面非常洁净，表面的化学膜和吸附膜都被清除掉，那么表 面之间将发生剧烈的粘着。在许多情况下，表面污染物和薄膜将减小粘着，但也 有相反的情况。即使润滑良好的表面也会发生轻微粘着。一般来说，同种金属相 接触，两表面粘着磨损相同；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 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 e s u h 【1 6 】提出的脱层理论( t h e o r yo 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。 北京邮电大学工学硕士学位论文 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( 来源于表面或界面的吸引) 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 项滑过一次，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，也能解释很多其他磨损现 象。当然，这一理论还存在一些问题，要做进一步研究，才能对一些机理作更令 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。 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， 随后将建立其他微观峰顶的重新接触。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 间的接触电阻的变化。 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 r 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 t l e y 等。d r m a n t l e r 的主要研究对象是弱电领域中接触表面为贵金属材 第一章绪论 料的接触电阻特性和微观表面的摩擦磨损现象【l 7 1 。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【l 引。d r j h w h 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，并提出了一些避免微动腐蚀的建议【1 9 1 。a m p 公司的j o c h e r h o r n 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可能性【2 0 】。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“陷阱效应一发生，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【2 l 】。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【2 2 1 。 1 2 4 对接触材料的研究 ( 1 ) 相对较稳定的贵金属 金对金：金是相当稳定的金属材料。虽然在苯蒸汽中或浸入油中的微动条件 下金的表面形成聚合物，但由于其量少因而基本上对连接器的接触电阻基本上不 造成太大危害。 银对银：微动条件下银是比较稳定的金属，磨损率较低，氧化程度也低( 在 室温下只有在臭氧存在时才有a 9 2 0 生成，并且在2 0 0 ( 2 时即降解，很容易去除) ， 而且不生成摩擦聚合物。当a g 对a g 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，这大大限制了它在连接器上的应用。 ( 2 ) 非贵金属 铝以及铝铜和金【2 3 】 这一类电接触材料受到微动腐蚀的影响很严重；在微动实验的初始阶段，在 室温下自然生成的薄层氧化物以机械破坏形式被除去，电阻略有降低，但是随着 微动周期的增长，接触电阻骤然升高。 锡对锡和焊锡【2 4 】 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。这种场合中，微动造成的接触 故障频繁发生，主要是由于氧化物在接触表面的堆积。 ( 3 ) 在微动中形成摩擦聚合物的金属 北京邮电大学工学硕士学位论文 这类金属包括四组：铂、钯、铑、钌及其合金。其他金属还有像在苯蒸汽中 微动时会产生聚合物的钽、钼和铬等。聚合物的存在使得接触电阻明显升高，钯 对钯的接触最后结果很糟，因为所生成的聚合物是绝缘的。在电信行业中的继电 器及连接器中经常大量的使用钯银合金来代替钯，甚至用银作为接触物之一，从 而降低了成本，更重要的是这种情况下生成聚合物的可能性明显减少，提高了电 接触可靠性。 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表面，在微动过程中由于某些金属的“催化 作用而生成 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。 ( 4 ) 接触对采用不同的金属材料 这种情况下冷焊和金属转移是最主要的问题。 人们早已发现在实际应用中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；而金或金银合金比钯软，这样金属转移 物主要出现在钯的表面上，从而使接触完全转化为金或金银合金的接触，改善了 接触性能。相反，如果用一种较硬材料( 如7 5 a u 2 5 c u ) 与钯接触，则金属转移 的方向是从钯转向比它硬的材料，从而使接触对完全变为钯对钯，这将导致摩擦 聚合的产生。 由于微动腐蚀的作用，镍对镍和铜对铜的接触电阻都不很稳定，不过，将其 中一接触材料改为金后，情况大为改观，由于金比较软，金属转移几乎纯粹是从 金转向镍或铜，使接触成为金对金的接触。 同样是采用不同的接触材料，同样是微动腐蚀在最终起作用，金对6 0 s n 4 0 p b 焊锡的接触结果就与金对镍的接触不大相同了，由于焊锡比金软得多，金属转移 自然是从锡到金，使得接触成为锡对锡，锡的氧化物在接触表面的堆积将最终导 致接触失效。 ( 5 ) 磨损现象的危害 微动磨损会使得薄的镀层材料在局部完全损失，暴露出底层金属来，可能的 危害主要有三个方面：a 底层金属的微动腐蚀，亦即诸如氧化物之类的绝缘物的 堆积造成接触失效；b 底层金属在微动中形成摩擦聚合物，诸如钯等；c 由于底 层金属和镀层金属电极电位的不同，如表层为金，底层为铜，当大气中的水分( 含 离子溶液) 积留于磨损区域中时，形成微电池，导致底层金属的进一步损失。 1 2 5 参数的研究 ( 1 ) 机械参数【2 5 】 第一章绪论 a 、微动一个周期的时间频率 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，接触电阻从低值升到高值所用的周期数就越少；通常用氧化的机制来解释 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。 b 、微动幅度 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。微动幅度越大，接触电阻增加越快。 这是一个相当重要的结论，因为以适当的措施降低微动幅度可以有效的改善这种 情况下的电接触性能。 c 、接触压力 接触压力大，一方面，材料转移加剧，磨损加快，金的保护作用减弱，金容 易被磨穿，而且，接触面积增大，磨屑增多，电阻升高。另一方面，接触压力增 大，对绝缘氧化物的刺穿作用加强，电阻降低。 d 、触头尺寸 触头尺寸越小，接触电阻越不稳定，主要是因为触头尺寸越小，实际接触面 积越小，在相同载荷作用下所受应力越大，表层金属变成磨屑的速度越快，这样 中间层金属就会暴露并被氧化，氧化物使得接触电阻不稳定。 ( 2 ) 环境的影响 首先，有机气氛显然对摩擦聚合物的生成有很大影响：大多数的有机物都在 此列，实用中电子元器件的封装结构中以塑料为材料的部件在一定条件下释放出 的有机气体，其危害相当大。 温湿度与微动中接触状况之间的关系还没有过深入地分析研究。不过已有人 发现铝铜双金属焊点在加热加速实验中在铝与铜之间会产生明显的金属间化合 物，使得焊点上的接触电阻变大；而且随着受热时间的延长，铝铜金属间化合物 厚度增加，焊点上的接触电阻会变得越来越大，同时造成的影响还包括力学结构 方面，因为这种金属间化合物很脆，很容易产生裂纹。另外，铜上镀锡的接触表 面在受热情况下会在镀层与基底之间形成金属间化合物。 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；表面热效应的影响也是多方面的，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；加大扩散速度，使底层金属向表面扩 散；加快表面非金属膜层的形成；加速金属间化合物的生长等。因此，适当控制 触点的温升十分必要。 北京邮电大学工学硕士学位论文 1 3 课题来源、内容及意义 1 3 1 课题来源 移动终端内部的接触对一般采用底层为锡磷青铜，中间为镀镍层，表面镀金 的镀层体系。从上面我们知道金是一种很好的电接触材料，具有良好的抗腐蚀性， 并且和基底材料，如：铜及其合金、镍等都有良好的附着性，因此，移动终端内 部的接触对几乎全部使用金作为表层材料。然而造成移动终端触点失效的原因有 很多。通过对失效移动终端内部触点的大量研究，失效移动终端触点表面有一层 黑色的污染膜层，同时有灰尘聚集在触点的周围，还有划痕产生。可以推断，微 动是移动终端内部触点失效的主要原因之一。因此，必须对移动终端内部使用的 表面镀层：镀金层的微动机理进行探究，并分析影响其微动性能的主要参数，如： 位移幅值，硬度等，从而以达到延长接触对使用寿命的目的。 1 3 2 课题主要研究内容 手持终端内部的触点接触对通常由两部分组成：接触簧片和p c b 板。在模 拟实验中，这两部分可以简化为触头和样片两部分。通常的触点材料是a u n i c u 这种多镀层组合的形式。 ( 1 ) 双边镀金触点微动磨损的阶段划分及各个阶段特点 先进行l o 万周期的实验，对不同种类电路板( p c b ) 样片的实验数据进行 整理归纳，将镀金接触对微动磨损过程划分成3 个阶段。分别进行1 0 0 周，5 0 0 周，1 0 0 0 0 周的实验，进行电阻数据拆分，并通过扫描电子显微镜和x 射线能谱 仪进行分析，得到其各个阶段的电阻，微动区域，磨屑的特点。 ( 2 ) 分析样片表面形貌对镀金触点微动磨损的影响 在用相同尺寸的触头对同一电路板( p c b ) 样片的不同区域进行幅值为2 0 0 微米的微动实验时，发现其电阻出现了很大的变化。通过三维形貌仪进行观察， 发现电阻增高的微动区域大部分是触头接触到了样片微观形貌相对凸起( 波峰) 的地方，而电阻很平稳的微动区域大部分是触头接触到了样片微观形貌相对下凹 ( 波谷) 的地方。通过计算和a n s y s 建模分析接触区所受应力情况，给出样片 表面形貌对镀金触点微动磨损性能影响的机理。 ( 3 ) 分析位移幅值对镀金触点微动性能的影响。 选取位移幅值( 1 0 0 微米，1 5 0 微米，2 0 0 微米) ，其他主要影响参数：频率， 施加的载荷都不变，用相同尺寸触头对相同样片( 金对金) 进行微动实验，用电 第一章绪论 子扫描显微镜观察其微动区域以及磨屑分布情况，得到位移幅值对镀金触点微动 接触电阻的影响。 ( 4 ) 分析样片硬度对镀金触点微动磨损的影响 对于硬度不同，其他参数相同的样片进行实验分析，得到硬度对镀金触点微 动接触电阻的影响。 ( 5 ) 分析样片镀金层厚度对镀金触点微动磨损的影响 对镀金层厚度不同的样片进行分析，得到样片镀金层厚对镀金触点微动接触 电阻的影响，并给出最优镀金层厚度。 ( 6 ) 分析接触失效时电阻值的特点 进行数据剥离与分析，给出接触失效时电阻值的合理表示。 1 3 3 课题实验条件 1 实验前，将样片和触头用水进行超声波清洗1 0 分钟，然后用酒精清洗 2 0 分钟，再用棉球擦干表面，以确保表面洁净。 2 选择载荷恒定为1 5 0 9 力，恒流源输出1 0 0 m a ，微动频率为i h z ( 往复 一次的时间为l s ) 。 3 在使用x 射线能谱仪进行分析时，考虑到加速电压应为样品中主要元素 的特征x 射线的临界激发电压的2 3 倍以上，故采用2 0 k v 的加速电压，并保 证了能谱梨形区域深度的适合。 1 3 4 课题主要研究对象 研究对象为镀金电路板样品和镀金金属样品两类。镀金电路板样品分为3 种，分别是p c b a ，p c b b 和p c b c 。表1 1 列出了它们的基本参数，包括镀 层厚度和样品硬度。3 种镀金金属样品均为金镍铜三层结构的样片，表层镀金厚 度有差异，分别为0 2 1 u n ，0 5 9 i n ，1 0 1 u n ，中间层镍的厚度相同，为1 5 1 u n 。触 头直径为l m m ，镀金层厚度为0 5 1 沮m 。 表1 - 1 镀金电路板样品参数 样品名称 镀层厚度样品硬度h v 。 p c b a ( 金镍铜三层结构，镍 a u ：0 0 5 1 u a 2 3 4 层加入磷元素) n i ：3 5 9 i a a p c b b ( 金铜二层结构) a u ：0 0 6 1 u a 1 0 9 a u ：0 0 6 p m p c b ( 金镍铜三层结构) 2 0 8 n i ：2 3 8 p m 北京邮电大学工学硕士学位论文 1 3 5 课题意义 在电子产品中，手持通信终端寿命一直是一个非常棘手的问题，经分析故障 原因主要是由连接不可靠造成的。本文根据实际情况中手持终端的微动条件，选 择与之相似的实验条件，研究了手持终端内部常用表面镀层材料金的磨损机理以 及影响其微动性能的一些主要因素，也为实际使用中材料的选择提供了参考。 第二章实验设备 第二章实验设备 2 1 微动实验系统简介 2 1 1 系统功能 对镀金样品的微动实验是在电接触科研室自主研发的微动实验系统上进行 的。实验台采用压电陶瓷原理形成微动。 系统以触头和样片在一定接触压力的作用下相对运动来模拟微动现象，用四 点法测试微动过程中触头与样片的接触电阻，并实时的绘出电压或电阻的曲线。 系统由两套微动台组成，微动台由压电陶瓷驱动，通过驱动控制器可分别设定微 动模式，微动行程、频率、波形以及运行周期数。两套微动台可同时进行8 路实 验。 2 1 2 系统组成 图2 - 1 微动实验系统组成示意图 系统主要由以下几部分构成： ( 1 ) 微动平台及驱动控制器，包括微动台、机械配合部分，及控制部分等。 ( 2 ) 加力机构。 ( 3 ) 接触电阻测试部分，包括恒流源、及必要的电路与连线。 ( 4 ) 计算机控制及处理。 北京邮电火学工学硕士学位论文 2 1 3 接触电阻测试方法 接触电阻的测试方法为四点法。其测试原理参见图2 2 。恒定电流i c 通过接 触点，a p 为p + 、p 一间电压降，接触电阻r c = a p i c 。( 包含p + 点到接触点间 的触头体电阻，因此，p + 点应尽可能靠近接触点。) 图2 - 2 四点法测试原理图 电阻测试装置包括：恒流源，电压采