連接器接觸電阻的測試

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233000)

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)互連器件質(zhì)量和可靠性要求越來越高，不論是高頻電連接器，還是低頻電連接器，接觸電阻都是保證電連接器能正?？煽康毓ぷ鞯淖罨镜碾姎鈪?shù)之一。通常在電連接器產(chǎn)品技術(shù)條件的質(zhì)量一致性檢驗(yàn)A、B組常規(guī)交收檢驗(yàn)項(xiàng)目中都列有明確的技術(shù)指標(biāo)要求和試驗(yàn)方法。這個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目也是用戶判別電連接器質(zhì)量和可靠性優(yōu)劣的重要依據(jù)。但是，由于采用的儀器、測試工裝、操作方法、樣品處理和環(huán)境條件等因素的不同，直接影響到檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。為此，本文對(duì)這個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)際操作中存在的問題進(jìn)行一些討論。

2 作用原理

在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面，盡管鍍金層十分光滑，則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會(huì)看到插合的一對(duì)接觸件的接觸，并不是整個(gè)接觸面的接觸，而是散布在接觸面上一些點(diǎn)的接觸。實(shí)際接觸面必然小于理論接觸面。實(shí)際接觸面可分為兩部分：一是真正金屬與金屬直接接觸部分。二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。所以，真正接觸電阻應(yīng)由以下幾部分組成：

2.1 集中電阻

電流通過實(shí)際接觸面時(shí)，由于電流線收縮(或稱集中)顯示出來的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。清潔的接觸對(duì)，其收縮電阻約在10-5～10-3歐姆之間。

收縮電阻估算——接觸表面主要是塑性變形時(shí)，收縮電阻估算為：

式中：ρ——相同金屬表面的電阻率(見表1) Ω·m

H——金屬表面硬度 (見表1)N/m2

F——接觸處的正壓力 N

ε——塑性變形的修正系數(shù)，表示實(shí)際接觸處除塑性變形外還有部分彈性變形，通常ε=0。7，當(dāng)接觸表面清潔，膜層厚度小于5埃時(shí)，接觸電阻可算收縮電阻。

表1 幾種金屬的性能數(shù)據(jù)

2.2 膜層電阻

由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層電阻。從接觸表面狀態(tài)分析;表面污染物膜層可分為較堅(jiān)實(shí)的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。故確切地說，也可把膜層電阻稱為界面電阻。

膜層電阻估算——當(dāng)兩接觸表面間施以電壓，電場強(qiáng)度低于109～1010伏/米時(shí)，兩表面之間的膜層電阻值可大致按下式估算：

式中：ρF——隧道電阻率(其值隨膜層厚度急劇上升，見圖1) Ω·m2

對(duì)于金鍍層，若表面為遭磨損破壞，其化學(xué)性能是穩(wěn)定的，表面氧化層厚度約在5埃左右。

鍍銀表面，對(duì)于空氣中的硫非常敏感。由于硫化氫而造成的硫化銀膜層可按下式近似估算其厚度：

d=22.4nt0.8c0.43

n——與濕度有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)相對(duì)濕度90%以上時(shí)，n=1；80%時(shí) n=1/2；70%時(shí) n=1/3；30%時(shí) n=1/4

c——硫化氫氣體濃度 ppm

t——接插件置于硫化氫氣體中的時(shí)間 h

銅接觸對(duì)的氧化膜厚度可近似按下式計(jì)算：

式中： t——件置于空氣中的時(shí)間，t值應(yīng)至少為1小時(shí)

T——接觸對(duì)周圍空氣溫度 K

膜層能耐受的電場強(qiáng)度約在109伏/米附近，超過此值之后，膜層將被擊穿，電阻迅速下降，但往往由于通過電流的熱效應(yīng)加速了化學(xué)反應(yīng)，對(duì)膜層又作一定“修復(fù)”，這樣，接觸電阻呈現(xiàn)了非線性，見圖2。通過膜層的電流大小不同時(shí)，電阻差異很大，比如弱信號(hào)時(shí)，接觸電阻值很大，強(qiáng)電流時(shí)電阻反而因膜層被擊穿而減小，這種變化隨電流而異，且是不可逆的，因此接觸電阻將變得非常不穩(wěn)定。

圖1 隧道電阻率與膜厚的關(guān)系

圖2 接觸電阻的非線性變化

2.3 導(dǎo)體電阻

實(shí)際測量電連接器接觸件的接觸電阻時(shí)，都是在接點(diǎn)引出端進(jìn)行的，故實(shí)際測得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)線本身的導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能，它與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系可用溫度系數(shù)來表征。

為便于區(qū)分，將集中電阻加上膜層電阻稱為真實(shí)接觸電阻。而將實(shí)際測得包含有導(dǎo)體電阻的稱為總接觸電阻。

3 影響因素

主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響；

3.1 接觸件材料

不同材料和鍍層的接觸件，具有不同的接觸電阻。電連接器技術(shù)條件對(duì)不同材質(zhì)的同規(guī)格插配接觸件，規(guī)定了不同的接觸電阻考核指標(biāo)。如GJB101A-97“小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范”規(guī)定，直徑為1mm的插配鍍金接觸件接觸電阻，銅合金≤5mΩ，鐵合金≤15mΩ。

3.2 正壓力

接觸件的壓力是指彼此接觸的表面產(chǎn)生垂直于接觸表面的力。隨正壓力增加，接觸微點(diǎn)數(shù)量及面積也逐漸增加，同時(shí)接觸微點(diǎn)從彈性變形過渡到塑性變形。由于集中電阻逐漸減小，而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。熱處理工藝是否合理，直接影響材料的穩(wěn)定性尤其是接觸壓力的穩(wěn)定。正壓力受磨損和壽命、微振腐蝕、機(jī)械力、溫度和鍍層等因素影響。正壓力大小可由理論計(jì)算求得。取一個(gè)基本懸臂梁，其正壓力公式為：

FN=(D*E*W*t3)/L3

式中：FN——正壓力；

D——撓曲量；

E——材料彈性模量；

W——懸臂梁寬度；

t——懸臂梁厚度；

L——懸臂梁長度；

3.3 表面狀態(tài)

接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接觸點(diǎn)表面機(jī)械附著沉積形成的較松散的表膜，這層表膜由于帶有微粒物質(zhì)極易嵌藏在接觸表面的微觀凹坑處，使接觸面積縮小，接觸電阻增大，且極不穩(wěn)定。二是由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，對(duì)金屬表面主要是化學(xué)吸附，它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產(chǎn)生及必要的結(jié)構(gòu)密封措施，使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環(huán)境條件。

接觸件表面粗糙度和鍍層質(zhì)量等表面狀態(tài)將影響膜層電阻大小。接觸件表面由于物理吸附引起化學(xué)氧化吸附產(chǎn)生氧化物，以致使插合的一對(duì)接觸件界面，即使在凸起處也被隔離開了。氧化物是不良導(dǎo)體，如果按接觸界面存在足夠大的電壓，則氧化表膜就會(huì)電擊穿。一旦擊穿，電子就自由流通。但是在許多弱電路使用時(shí)，電壓是很低的(如開路電壓小于50mv)，就不能擊穿很薄的氧化膜。故對(duì)一些高可靠性要求的軍用電連接器一般都采用鍍金接觸件。因?yàn)?，鍍金層?duì)氧幾乎不吸附。電連接器接觸件表面鍍金是防止腐蝕導(dǎo)致接觸電阻升高的重要保證。高質(zhì)量的鍍金層不僅取決于厚度，還取決于鍍層是否具有牢固的與基體材料的結(jié)合力、耐磨損和低的孔隙率。

3.4 使用電壓

使用電壓達(dá)到一定閥值，會(huì)使接觸件膜層被擊穿，而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應(yīng)加速了膜層附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)膜層有一定的修復(fù)作用。于是阻值呈現(xiàn)非線性。

當(dāng)電流超過一定值時(shí)，接觸件界面微小點(diǎn)處通電后產(chǎn)生的焦耳熱(I2R)作用而使金屬軟化或熔化，會(huì)對(duì)集中電阻11111電流產(chǎn)生影響，隨之降低接觸電阻。

4 測試方法

測量接觸電阻除用毫歐計(jì)外，也可用伏-安法，安培-電位法等。

在連接微弱信號(hào)電路中，設(shè)定的測試參數(shù)條件對(duì)接觸電阻檢測結(jié)果有一定影響。因?yàn)榻佑|表面會(huì)附有氧化層，油污或其他污染物，兩接觸件表面會(huì)產(chǎn)生膜層電阻。由于膜層為不良導(dǎo)體，隨膜層厚度增加，接觸電阻會(huì)迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會(huì)機(jī)械擊穿，或在高電壓、大電流下會(huì)發(fā)生電擊穿。但對(duì)某些小型連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力很小，工作電流電壓僅為mA和mV級(jí)，膜層電阻不易被擊穿，接觸電阻增大可能影響電信號(hào)的傳輸。

在GB5095“電子設(shè)備用機(jī)電元件基本試驗(yàn)規(guī)程及測量方法”中的接觸電阻測試方法之一，“接觸電阻-毫伏法”規(guī)定，為防止接觸件上膜層被擊穿，測試回路交流或直流的開路峰值電壓應(yīng)不大于20mV，交流或直流的測試中電流應(yīng)不大于100mA。

在GJB1217-91“電連接器試驗(yàn)方法”中規(guī)定有“低電平接觸電阻”和“接觸電阻”兩種試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)方法基本內(nèi)容與上述GB5095中的接觸電阻-毫伏相同。目的是評(píng)定接觸件在加上不改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA。在這一電平下的性能足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)方法目的是測量通過規(guī)定電流的一對(duì)插合接觸件兩端或接觸件與測量規(guī)之間的電阻。通常采用這一試驗(yàn)方法施加的規(guī)定電流要比前一種試驗(yàn)方法大得多。如國軍標(biāo)GJB101A-97“小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范”中規(guī)定；測量時(shí)電流為1A ，接觸對(duì)串聯(lián)后，測量每隊(duì)接觸對(duì)的電壓降，取其平均值換算成接觸電阻值。

5 測試分析

在實(shí)際測量接觸電阻時(shí)，常使用按開爾文電橋四端子法原理設(shè)計(jì)的接觸電阻測試儀(毫歐計(jì))，其專用夾具夾在被測接觸件部位兩端，故實(shí)際測量的總接觸電阻R由以下三部分組成，可由下式表示：

R=RC+RF+RP

式中：RC——集中電阻；RF——膜層電阻；RP——導(dǎo)體電阻。

接觸電阻檢驗(yàn)?zāi)康氖谴_定電流流經(jīng)接觸件的接觸表面的電觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電阻。如果有大電流通過高阻觸電時(shí)，就可能產(chǎn)生過分的能量消耗，并使觸點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過熱現(xiàn)象。在很多應(yīng)用中要求接觸電阻低且穩(wěn)定，以使觸點(diǎn)上的電壓降不致影響電路狀況的精度。