微动对电接触可靠性的影响_图文

1、微动对电接触可靠性的影响张义恺北京邮电大学自动化学院,北京 (100876摘要:电接触是通过机械接触或连接方式以达到顺利的电气连通的目的。接触电阻是电连接器的关键电气性能参数之一,它直接影响电子设备的信号传输和电气连接,影响电子设备的性能稳定性、可靠性。微动会导致电连接器触点的接触电阻的增大到超出可接受的范围,这样就会导致接触失效,造成信号中断。所以关注微动的影响就显得比较重要。关键词:微动,电接触,可靠性,失效中图分类号:TM501+.31.引言在通信、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

2、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

3、、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Williamson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。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。2.微动磨损2.1 微动现象损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200m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,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

4、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1911年由Eden,Rose和Cunningham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,并在1939年由Tomlinson, Thorpe和Gough 等人正式提出这一术语。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

5、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。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。2.2 微动磨损机理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

6、动,就可能出现微动磨损。它包括两种形式3 4:一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。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5。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

7、移到另一表面上去或成为磨损颗粒而离开接触界面。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。粘着有利有弊,对于微动导致的粘着是有危害的,因为它导致了摩擦和磨损。(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:(转移材料逐步氧化,被推出变成磨屑。(连续转移所形成的氧化膜反复疲劳产生磨屑。(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

8、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CuO;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NiO和少量金属镍;不活泼的贵金属(Au、Pt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

9、损。(3脱层的作用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。Suh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

10、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: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

11、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Cu 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。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65%,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

12、阻的变化。2.3 对接触材料的研究金对金: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。在实验室条件下进行200微米,加载100毫安电流的微动实验,10万周期(1秒/周期以后仍有大部分接触对保持在接触电阻10毫欧以下。 图1 10万周期未失效接触电阻图银对银: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氧化银生成,并且在200时即降解,很容易去除,而且不生成摩擦聚合物。当Ag对Ag本身构成接触对时,电接触性能良好。但是Ag对大气中的硫和氯很敏感,这大大限制了它

13、在连接器上的应用。镍对镍和铜对铜:经过一段时间的微动磨损之后,非贵金属材料将会形成对接触电阻有着较大影响的腐蚀产物。镍对镍、铜对铜磨损属于此类情况。如果接触表面最初带有部分氧化物,那么采用机械方式破坏它,会使触点的接触电阻在开始的10个微动周期内下降,然后就会迅速飙升,不到1000个内就会达到1-10。锡对锡和焊锡(60Sn40Pb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6。 图2 氧化物导致失效示意图这类金属包括四组:铂、钯、铑、钌及其合金。其他金属还

14、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。研究人们也曾试图寻找一些有效的物质来抑制聚合物的生成,但是一般的抑制催化反应的物

15、质对于抑制摩擦聚合过程都不太有效;诸如四乙铅等虽然是对于聚合过程的抑制剂,但有其特定的适用范围,四乙铅只是对于在摩擦过程中形成的接触表面上的铅的氧化物十分有效。这个方面的问题尚待进一步的研究。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,不如表层为金,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。2.4 影响微动的主要因素7这一参数主要影响表面的物化过

16、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就越小;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。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,一般微动幅度越大,微动实验中接触电阻增长来得越快。因此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。接触压力越大,接触电阻越趋于稳定,主要是因为有效的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

17、力也就增大了接触副的保持力,从而有可能使微动的趋势有所减小。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,其磨损碎屑形成的越快。微动循环次数越大,接触越容易失效。3.实验室条件下模拟的一微动失效实例(镀金样片,镀金触头 图3 实验原理图(四点法为P 接触电阻的测试方法为四点法。其测试原理参见图3。恒定电流Ic通过接触点,P。(包含P+点到接触点间的触头体电阻,因此,P +、P-间电压降,接触电阻Rc=P/Ic+点应尽可能靠近接触点。电阻测试装置包括:恒流源,电压采集卡和电路连接。恒流源提供恒定电流,并设定保护电压;数据采集卡采集触点的电压降;为减小外界以及自身相互干扰,电路连线用屏蔽

18、线。表1 实验条件频率(往复一次的时间,S幅度(um 压力(g次数接触电流(mA所需时间(小时1 200150100001002.8表2 接触电阻值(单位:毫欧最大值2143.6最小值 2.9平均值400.7实验模拟条件如表1所示,实验结束后的接触电阻值如表2所示,接触电阻曲线见图3。 图4 接触电阻图(接触已失效 图5 样片光学照片图6 触头光学照片从图5可以看出样片的表层金已经被磨穿,露出中间层。触头磨损后形貌见图6。 图7 样片三维形貌(3D图8样片三维形貌(2D图7和图8为样片微动后的三维形貌,可以看出磨屑在微动区域的周围有堆积现象。具体成分见后面能谱分析。 图9 样片扫描电子显微镜图

19、表3 样片微动滑道内区域1-5元素原子含量百分比表4 样片微动滑道内区域6-7元素原子含量百分比及已经区域1-7元素原子含量百分比平均值元素区域6 区域7 平均值Au-(Ma 5.1708 4.2613 4.71605表5 样片非微动区域8-10元素原子含量百分比及已经区域8-10元素原子含量百分比平均值元素区域8 区域9 区域10 平均值C-(Ka 0.5675 2.2156 2.5873 1.790133O-(Ka 1.6782 1.8187 1.9970 1.8313 图10 触头扫描电子显微镜图表6 触头微动滑道内区域1-7元素原子含量百分比及已经区域1-7元素原子含量百分比平均值样片

20、的电镜观测和能谱分析:区域1,2,3,4,5在微动磨损区域,其金含量相当低,可视为在这区域内金的保护已经不复存在。氧的大量存在,说明样片表面已经主要被氧化物覆盖。区域6,7为微动磨损区域边缘,金含量也比较低,同时氧含量较高表明在这区域内已经堆积了大量的氧化物覆盖于金磨屑之上。通过对原子百分比的分析得出氧化物主要成分为氧化镍和氧化铜。区域8,9,10为非微动磨损区域(作为对比区域,金含量较高,氧含量为几乎为0。触头的电镜观测和能谱分析:区域1至7在微动磨损区域,其金含量相当低,平均值只有2.002586%,氧含量很高,达到49.72521%。可视为在这区域内金的保护已经不复存在,氧化物主要成分为

21、氧化镍。通过对电阻曲线观测:在实验中段,电阻有了明显提升,并几乎稳定在一个极大值。通过对样片和触头的电镜观测和能谱分析可知,氧化物已经大量充斥在样片和电阻之间(如图2所示,可视为金已经完全不起保护作用。4.总结本文给出了微动的磨损机理,并讨论了接触材料对微动的影响以及微动的一些主要影响参数。通过具体实例给出了微动使得接触电阻升高到2欧姆以上,造成接触不可靠。参考文献1 章继高.大力发展电接触科学J.中国机械工程,1999,10(9:966-968.2 李映平.微动损伤机理的研究J.淮海工学院学报,2001,10:9-11.3 周仲荣.关于微动磨损与微动疲劳的研究J.中国机械工程,2002,11

22、(10:1146-1150.4 周仲荣,Leo Vincent.微动磨损M,北京:科学出版社,2002年.5 Bharat Bhushan.摩擦学导论M.葛世荣.北京:机械工业出版社,2007.6 Antler M.Survey of contact fretting in electrical connectorsA.Thirtieth IEEE Holm Conference on Electrical ContactsC.1984.3-22.7 陶峰,张险峰,尹明德,等.微动损伤的研究综述J.南京航天航空大学学报,1999,31:545-550.The effect of fretting on the electrical contact reliabilityZhang YikaiAutoma