連接器退化機(jī)理是什么？哪些因數(shù)會(huì)導(dǎo)致連接器失效？

作者：?Dr. Bob Mroczkowski?，編譯：深圳市連接器行業(yè)協(xié)會(huì)李亦平

連接器退化機(jī)理對(duì)連接器性能非常重要，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的性能保證至關(guān)重要。退化機(jī)理是什么？哪些因數(shù)導(dǎo)致連接器失效呢？我們將持續(xù)探討這個(gè)問(wèn)題。

連接器用于兩個(gè)分離系統(tǒng)之間的連接?？煞蛛x性是必要原因有很多，從制造的便利性到性能的提升等。然而，當(dāng)匹配時(shí)，連接器不應(yīng)增加系統(tǒng)之間任何不必要的電阻值。增加電阻值可能使信號(hào)失真或功率損失而引起系統(tǒng)故障。連接器退化機(jī)理之所以重要，是因?yàn)樗鼈兪请娮柙黾拥臐撛趤?lái)源，因此，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)致功能失效。

讓我們先簡(jiǎn)要回顧一下連接器的電阻。圖1展示出了通用信號(hào)連接器的橫截面。圖1中的等式表示連接器內(nèi)的各種電阻源。Ro是連接器的整體電阻，是導(dǎo)體尾端點(diǎn)和PCB連接器腳位焊接點(diǎn)之間的電阻。兩個(gè)永久連接電阻Rp.c是指壓接連接點(diǎn)和相應(yīng)腳位之間的電阻。同樣，兩個(gè)本體電阻（Rbulk）是指后觸點(diǎn)體電阻和連接器兩柱之間的并聯(lián)體電阻；還有一個(gè)接口或分離處的接觸電阻Rc。整體連接器電阻是各個(gè)不變連接電阻、后觸點(diǎn)和腔體連接體電阻和可分離處接觸電阻之和，因?yàn)樗羞@些電阻都是串聯(lián)的。

圖1，連接器電阻的示意圖。

為了便于討論，讓我們假設(shè)測(cè)量到的總電阻值Ro為15毫歐。考慮到這一假設(shè)，我們猜測(cè)下永久連接電阻、體電阻和可分離處接觸電阻對(duì)整個(gè)連接器電阻的相對(duì)影響。

在這個(gè)例子中，這些值是典型的軟殼式連接器的電阻值，體電阻將占總電阻的大部分，接近14毫歐。永久連接電阻為幾百微歐姆，其它為可分離處的接觸電阻。

雖然連接器觸點(diǎn)的體電阻是連接器電阻的最大貢獻(xiàn)者，但它也是最穩(wěn)定的。單個(gè)觸點(diǎn)的體電阻是由觸點(diǎn)的制造材料及其整體幾何形狀決定的。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，考慮導(dǎo)體長(zhǎng)度的電阻，可以由以下公司計(jì)算：Rcond. = r ?l/a.

在該方程中，r是導(dǎo)體的電阻率（也可以是連接器中彈簧材料），“l(fā)”是導(dǎo)體的長(zhǎng)度，而“a”是導(dǎo)體的橫截面積（或連接器中彈簧的幾何形狀）。對(duì)于給定的材料，例如磷青銅和接觸幾何形狀，這些參數(shù)是常數(shù)，因此連接器的整體電阻是恒定的。

永久連接電阻和接口或可分離連接電阻是可變的。這些電阻易受多種退化機(jī)理的影響，這將在后面的文章中討論。需要指出的是，連接器受到的影響很多，比如惡劣環(huán)境、熱、壽命、振動(dòng)等。并且總的連接器電阻可能從原來(lái)的15毫歐變化到例如100毫歐，電阻的變化主要出現(xiàn)在可分離和永久連接電阻中?？煞蛛x的界面電阻是最容易退化的，因?yàn)樵诳煞蛛x處產(chǎn)生力和變形等。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，兩個(gè)主要的可分離的界面要求產(chǎn)生一定的力和變形。連接器的咬合力是第一種也是最明顯的要求。對(duì)于高PIN數(shù)連接器，必須控制單個(gè)PIN位的咬合力，而接觸法向力是受此要求制約的主要參數(shù)之一。例如，可分離的連接接觸力是幾十到幾百克，而絕緣壓接連接，或稱(chēng)IDC，力的數(shù)量級(jí)是幾千克，相應(yīng)的壓入連接中的力也是這樣。這種永久連接中高的力提供了更大的機(jī)械穩(wěn)定性和更低的電阻值，比可分離連接的電阻值要低得多。

同樣的情形，相對(duì)于可分離連接，較高的永久連接力允許接觸表面更大的變形。壓接連接是最明顯的例子，比如壓接端子的顯著變形，以及單個(gè)導(dǎo)體的明顯變形等。壓接連接的力和相應(yīng)的PIN腳都允許更大的變形接觸表面。與較高的力一樣，與可分離的接觸電阻相比，永久連接的較大表面變形降低了它們的電阻。

可分離連接面的變形也受到另一種可分離界面要求的限制：配合耐久性。高的表面變形通常導(dǎo)致高的表面磨損，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致接觸涂層的損失，例如在接觸表面上的金或錫。這種涂層的損失將增加接觸表面的腐蝕敏感性，這將在以后的文章中討論。

與永久連接相比，可分離的接口咬合力和咬合耐久性的結(jié)合限制了可分離界面的變形和機(jī)械穩(wěn)定性，也是可分離界面的較低電穩(wěn)定性的原因。

一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)表面之間的接觸面積越大，界面的電阻就越低。實(shí)際上，對(duì)于導(dǎo)體長(zhǎng)度的電阻，兩個(gè)表面之間的接觸面積類(lèi)似于方程Rcond. = r l/a。由于可分離連接的接觸面積比永久連接低，所以它們具有較高的電阻。

總之，與永久連接相比，可分離連接的力降低導(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定性降低，接觸面積減小導(dǎo)致更高的電阻。

這些問(wèn)題，即接觸力的減小和接觸面積的減小，直接影響了可分離接觸界面的退化敏感性。圖2顯示了可分離接觸界面的放大示意圖。圖中顯示說(shuō)明，在這種接觸界面的微觀(guān)尺度上，所有表面都是粗糙的。這意味著接觸界面本身將由一個(gè)稱(chēng)為a點(diǎn)或凹凸不平的接觸點(diǎn)的分布組成，而不是一個(gè)完整的區(qū)域接觸。這種凹凸不平的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致接觸界面電阻增大的原因。減少的接觸面積，包括a點(diǎn)在某一幾何區(qū)域上的分布，取決于接觸表面的幾何形狀。一種稱(chēng)為收縮電阻的電阻，是由于電流被擠壓到流過(guò)單個(gè)a點(diǎn)而產(chǎn)生的。通過(guò)各種方法增加接觸面積可以降低收縮電阻，但消除不了。因此，連接器總是會(huì)給電氣系統(tǒng)增加一些電阻值。從這個(gè)角度出發(fā)，連接器設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是控制電阻的大小和穩(wěn)定性。

圖2：從微觀(guān)上看接觸界面的固有表面粗糙度。

如前所述，界面電阻的大小取決于當(dāng)插頭和插座觸點(diǎn)相互接觸時(shí)產(chǎn)生的接觸區(qū)域。影響接觸電阻穩(wěn)定性的主要因素有兩種：接觸界面的擾動(dòng)和a點(diǎn)的腐蝕。這些因數(shù)如何影響連接器退化機(jī)理將在以后討論?？傊@些機(jī)理包括：

1 ，在接觸界面及其周?chē)l(fā)生腐蝕，從而減少接觸面積。有兩種腐蝕機(jī)理： 表面腐蝕，直接影響接觸面積；誘導(dǎo)或微動(dòng)，這可以提高接觸界面對(duì)腐蝕的敏感性。

2，由于電鍍不足或電鍍磨損而喪失接觸電鍍的完整性，從而增加了腐蝕的敏感性。大多數(shù)連接器觸點(diǎn)都是鍍有貴金屬的表面層，如黃金；或普通電鍍表面，一般是錫。這些鍍層的主要目的之一是保護(hù)接觸基體（通常是銅合金)免受腐蝕。貴金屬和非貴金屬的腐蝕敏感性是不同的，后面將分別討論.

3，接觸力損失，導(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定性降低，接觸界面易受微動(dòng)影響。導(dǎo)致連接器接觸力降低的主要機(jī)理是接觸應(yīng)力過(guò)大和應(yīng)力松弛。由于時(shí)間/溫度的影響，應(yīng)力松弛是指接觸力隨時(shí)間變化而損失.