1、微動對電接觸可靠性的影響張義愷北京郵電大學自動化學院,北京 (100876摘要:電接觸是通過機械接觸或連接方式以達到順利的電氣連通的目的。接觸電阻是電連接器的關鍵電氣性能參數之一,它直接影響電子設備的信號傳輸和電氣連接,影響電子設備的性能穩定性、可靠性。微動會導致電連接器觸點的接觸電阻的增大到超出可接受的范圍,這樣就會導致接觸失效,造成信號中斷。所以關注微動的影響就顯得比較重要。關鍵詞:微動,電接觸,可靠性,失效中圖分類號:TM501+.31.引言在通信、計算機、測量、控制及各類電子系統中需要大量電子連接。它們起著各種電子元件電路之間、設備之間乃至系統之間的彼此維系作用。電接觸學是專門研究電子

2、連接的科學,是用來描述兩個組件因帶電接觸而產生的一種狀態。由于這種電子連接大多是通過機械結構來實現的,因此也稱之為機電元件。所有的電接觸完成三類功能,即接通,保持或切斷一個電路,并且在或長或短的時間間隔里重復這些操作。對于電接觸最主要的要求是能夠長時間地保持低且穩定的接觸電阻,連接件材料應當具有良好的導電性能。連接的方式包括永久連接如焊接、壓接等,半永久連接如各類連接器(俗稱接插件、小開關等,電弧連接如繼電器開關、斷路器等。連接器大多暴露于大氣中,大氣污染如塵土、腐蝕性氣體以及接觸界面的材料及其表面形貌、化學與物理特征等對連接可靠性有重要影響。因此電接觸科學是一門以機械摩擦學為基礎并涉及電子學

3、、化學、材料科學等多門學科的一門重要的交叉科學。國際著名學者前阿波羅登月飛船的電接觸顧問Williamson博士曾多次強調指出:“沒有可靠的電子連接,就不可能發展先進電子學”,足見電接觸科學在現代科學發展中的重要位置1。在電接觸現象的研究中,所涉及的領域非常廣泛,包括物理學,化學,微電子學等等,非常復雜。2.微動磨損2.1 微動現象損微動現象是指我們通常所說的處于“靜態接觸”狀態的兩固體接觸表面之間的周期性小振幅(小于200m相對運動。在電接觸領域,微動主要發生在壓接,拴接等多種連接方式的接點表面上2,要考慮的不僅僅是微動磨損問題,更重要的是微動對接觸電阻的影響。其中,首先要提到的是氧化對微動

4、磨損有很重要的影響和作用,常將這種情形下的微動磨損稱為“微動腐蝕”。“微動腐蝕” 現象最早在1911年由Eden,Rose和Cunningham在描述一種疲勞測試機的某一鋼鐵腐蝕部件的腐蝕狀況時談到,并在1939年由Tomlinson, Thorpe和Gough 等人正式提出這一術語。出現微動腐蝕時,表面金屬氧化物的絕緣特性對接觸電阻的影響是令電子工程師十分頭痛的一個問題。此外,當某些金屬,如鈀等被用作接觸材料時,在微動過程中,由于吸附了工作環境中的有機氣氛污染物,因而在接觸表面生成摩擦聚合物,這類絕緣物質也同樣會增大接觸電阻。相比較而言,電子連接器在低電壓、小電流的工作場合,微動過程中接觸表

5、面上的絕緣物質的危害較大,而在大功率電力電路中,絕緣物可能由于電沖擊而被去除,對電路的影響減小。微動現象的起因多種多樣,主要包括:(1環境振動以及環境溫度的改變;(2接觸材料本身的熱膨脹系數不同;(3工作環境中電磁力的變化引起的接點振動,例如接點附近通過交流電的兩平行導體所產生的電磁力,這種情況在某些大功率總線連接技術中出現頻率較高;(4應力松弛。在實際應用場合中,大家都比較熟悉的是汽車連接器的微動現象,這種工作狀況中環境振動、熱沖擊等往往同時存在,因此微動也頻繁發生。2.2 微動磨損機理微動磨損是一種典型的復合式磨損,同時涉及粘著、磨料、氧化和疲勞磨損。兩固體接觸表面上發生周期性小振幅相對運

6、動,就可能出現微動磨損。它包括兩種形式3 4:一種直接發生在表面上,可能導致零件松動、功率損耗或噪聲增大。另一種是間接的,微動磨損表面或亞表面層中產生微裂紋,在反復應力下發展成疲勞斷裂,這種磨損稱為微動疲勞。后者危害性更大,因為即使克服了微動作用,留下的裂紋仍可能繼續擴展。下面分四個方面對微動磨損的情況予以描述。(1粘著的作用微動磨損最開始是粘著磨損5。摩擦副表面接觸首先發生在粗糙凸峰頂,峰頂受載過大接近或超過金屬原子之間的結合力時,峰頂接觸面間便相互粘結在一起。當兩個接觸界面間有相對滑移時,粘結處受到剪力和壓力的聯合作用,微觀峰頂被剪斷,剪斷出現在剪切強度較低的部位,這樣被剪斷的材料或粘結轉

7、移到另一表面上去或成為磨損顆粒而離開接觸界面。一般來說,同種金屬相接觸,兩表面磨損相同;不同金屬相接觸,磨損主要發生在較軟的金屬上。粘著有利有弊,對于微動導致的粘著是有危害的,因為它導致了摩擦和磨損。(2磨屑的作用在微動的初始階段,粘著材料可能轉移到另一表面上,又可能轉移回來。不同材料接觸,一般是材料從低強度低硬度表面轉移到高的表面。全過程中有幾種磨屑形成:(轉移材料逐步氧化,被推出變成磨屑。(連續轉移所形成的氧化膜反復疲勞產生磨屑。(表面凸峰微切削作用產生磨屑。磨屑在脫離母體時一般顆粒較大。然后在隨后的微動磨損中變得愈來愈細,并吸收了大量機械能,使磨屑具有極大的化學活性,只要接觸到氧便迅速氧

8、化;少數未受到再次微動的粒子仍可能以原始狀態逸出。各種金屬在空氣中產生的氧化物磨屑都是它的最終氧化狀態。銅的最終微動磨屑為黑色的CuO;鋁和鋁合金的磨屑主要是黑色的氧化鋁(帶少量金屬鋁;鎳的磨屑是NiO和少量金屬鎳;不活潑的貴金屬(Au、Pt的磨屑則是純金屬粉末磨屑。微動磨損與滑動磨損不同,微動磨損界面上有氧化物磨屑在起磨料磨損作用,構成磨屑、接觸對三體磨損。當粒子硬度至少是被擦傷面的1.2倍時,起到微切削作用。氧化物和金屬硬度比對微動損傷有影響,硬度比愈大損傷愈嚴重。到微動后期,磨屑增多,將表面分開直至完全隔開,此刻粘著已減少很多。氧化磨損對表面微動的影響是多重性的,不應簡單認為只產生磨料磨

9、損。(3脫層的作用位錯密度區的厚度決定于金屬表面能和作用在位錯上正應力的大小。當峰頂在表面上繼續運動時,表面下的有限距離內將出現位錯堆積,并將導致形成空位。在金屬中有夾雜物的地方,更容易形成位錯堆積,所以往往是裂紋核形成的位置。每當峰頂滑過一次,裂紋受一次循環載荷,就在同樣深度處向前擴展一個短距離,擴展到一定的臨界長度時,裂紋與表面之間的材料由于切應變而以薄片的形式剝落下來。Suh的理論比較完整,不僅能解釋接觸疲勞磨損,也能解釋很多其他磨損現象。當然,這一理論還存在一些問題,要做進一步研究,才能對一些機理作更令人滿意地說明。特別是不同的表面膜層,機械特性、物理特性都各不相同,所形成的微動磨粒形

10、貌多種多樣,有可能不是薄片。評價微動中出現微動腐蝕的一大指標就是接觸電阻。微動接觸電阻又分為靜態接觸電阻和動態接觸電阻。在微動過程中,動態接觸電阻的值將達到很高值,有時會達到幾納秒甚至更長時間的開路狀態,這取決于微動速度,周期,觸點材料,絕緣層的物理狀態和厚度。在數字電路中,接觸電阻變化的實際結果是在信號傳輸中產生誤碼。在電力連接器中靜態接觸電阻的升高將導致由焦耳熱產生的連接故障。微動腐蝕造成接觸電阻變化的機理如下:粗糙度模型:當金屬接觸點和金屬磨屑轉變成氧化物時,不管氧化物是分層的、粘結的、松散的或是顆粒的,都將導致真實接觸面積的連續下降。從金屬到氧化物,也有一個體積的增大,這更有助于分開兩

11、接觸面。接觸面積的減少將使接觸電阻增加,在有微動存在的情況下,最終會導致接觸斑點的瞬時損失,隨后將建立其他微觀峰頂的重新接觸。不過,對Cu 觸點的接觸電阻變化的持續時間和微動速度之間的關系的研究表明,接觸電阻變化非常短暫而無法用粗糙度模型進行解釋。顆粒界面模型:微動碎屑是由金屬顆粒、表面是氧化物的磨屑及完全被氧化的材料所組成。當存在金屬接觸或氧化物非常薄而發生電子隧道效應時,顆粒之間就會發生導電,但是這種導電是由金屬和絕緣顆粒形成的“顆粒金屬”的導電。若臨界金屬體積濃度為65%,金屬含量的細微變化會使這種混合物的電阻率差幾個數量級。相當小的位移將會改變通過觸點的電流路徑,而引起了短時間的接觸電

12、阻的變化。2.3 對接觸材料的研究金對金:金是相當穩定的金屬材料。雖然在苯蒸汽中或浸入油中的微動條件下金的表面形成聚合物,但由于其量少因而基本上對連接器的接觸電阻基本上不造成太大危害。在實驗室條件下進行200微米,加載100毫安電流的微動實驗,10萬周期(1秒/周期以后仍有大部分接觸對保持在接觸電阻10毫歐以下。 圖1 10萬周期未失效接觸電阻圖銀對銀:微動條件下銀是比較穩定的金屬,磨損率較低,氧化程度也低(在室溫下只有在臭氧存在時才有氧化銀生成,并且在200時即降解,很容易去除,而且不生成摩擦聚合物。當Ag對Ag本身構成接觸對時,電接觸性能良好。但是Ag對大氣中的硫和氯很敏感,這大大限制了它

13、在連接器上的應用。鎳對鎳和銅對銅:經過一段時間的微動磨損之后,非貴金屬材料將會形成對接觸電阻有著較大影響的腐蝕產物。鎳對鎳、銅對銅磨損屬于此類情況。如果接觸表面最初帶有部分氧化物,那么采用機械方式破壞它,會使觸點的接觸電阻在開始的10個微動周期內下降,然后就會迅速飆升,不到1000個內就會達到1-10。錫對錫和焊錫(60Sn40Pb這一類材料被廣泛應用于物美價廉的消費類電子產品中,在雙列直插式集成電路及其插座和一些計算機產品中也被大量使用。這種場合中,微動造成的接觸故障頻繁發生,主要是由于氧化物在接觸表面的堆積6。 圖2 氧化物導致失效示意圖這類金屬包括四組:鉑、鈀、銠、釕及其合金。其他金屬還

14、有像在苯蒸汽中微動時會產生聚合物的鉭、鉬和鉻等。聚合物的存在使得接觸電阻明顯升高,鈀對鈀的接觸最后結果很糟,因為所生成的聚合物是絕緣的。在電信行業中的繼電器及連接器中經常大量的使用鈀銀合金來代替鈀,甚至用銀作為接觸物之一,從而降低了成本,更重要的是這種情況下生成聚合物的可能性明顯減少,提高了電接觸可靠性。摩擦聚合物的形成機理還在進一步的研究中。一般認為是工作環境中的有機化合物強烈吸附在接觸表面,在微動過程中由于某些金屬的“催化”作用而生成大分子的固態物質。由于聚合物在接觸表面的堆積,越來越厚,最終導致接觸電阻升高。研究人們也曾試圖尋找一些有效的物質來抑制聚合物的生成,但是一般的抑制催化反應的物

15、質對于抑制摩擦聚合過程都不太有效;諸如四乙鉛等雖然是對于聚合過程的抑制劑,但有其特定的適用范圍,四乙鉛只是對于在摩擦過程中形成的接觸表面上的鉛的氧化物十分有效。這個方面的問題尚待進一步的研究。微動磨損會使得薄的鍍層材料在局部完全損失,暴露出底層金屬來,可能的危害主要有三個方面:a.底層金屬的微動腐蝕,亦即諸如氧化物之類的絕緣物的堆積造成接觸失效;b.底層金屬在微動中形成摩擦聚合物,諸如鈀等;c.由于底層金屬和鍍層金屬電極電位的不同,不如表層為金,底層為銅,當大氣中的水分(含離子溶液積留于磨損區域中時,形成微電池,導致底層金屬的進一步損失。2.4 影響微動的主要因素7這一參數主要影響表面的物化過

16、程。當微動的頻率越低,即一周期的時間越長時,接觸電阻從低值升到高值所用的周期就越小;通常用氧化的機制來解釋這一點,微動頻率較低時,氧化物有比較充分的時間在兩次微動之間繼續生長。另外一種情況是在鈀對鈀這一類接觸中,當環境中有機氣氛的濃度增大到某一程度后,微動頻率的改變不再影響接觸電阻的變化。微動幅度的大小對氧化物或者摩擦聚合物的形成與存在都有比較明顯的影響,一般微動幅度越大,微動實驗中接觸電阻增長來得越快。因此以適當的措施降低微動幅度可以有效的改善這種情況下的電接觸性能。接觸壓力越大,接觸電阻越趨于穩定,主要是因為有效的去除了接觸表面上微動腐蝕的產物或者摩擦聚合物等。在實際的連接器中,增大接觸壓

17、力也就增大了接觸副的保持力,從而有可能使微動的趨勢有所減小。觸頭尺寸越小,接觸電阻越不穩定,主要是因為觸頭尺寸越小,其磨損碎屑形成的越快。微動循環次數越大,接觸越容易失效。3.實驗室條件下模擬的一微動失效實例(鍍金樣片,鍍金觸頭 圖3 實驗原理圖(四點法為P 接觸電阻的測試方法為四點法。其測試原理參見圖3。恒定電流Ic通過接觸點,P。(包含P+點到接觸點間的觸頭體電阻,因此,P +、P-間電壓降,接觸電阻Rc=P/Ic+點應盡可能靠近接觸點。電阻測試裝置包括:恒流源,電壓采集卡和電路連接。恒流源提供恒定電流,并設定保護電壓;數據采集卡采集觸點的電壓降;為減小外界以及自身相互干擾,電路連線用屏蔽

18、線。表1 實驗條件頻率(往復一次的時間,S幅度(um 壓力(g次數接觸電流(mA所需時間(小時1 200150100001002.8表2 接觸電阻值(單位:毫歐最大值2143.6最小值 2.9平均值400.7實驗模擬條件如表1所示,實驗結束后的接觸電阻值如表2所示,接觸電阻曲線見圖3。 圖4 接觸電阻圖(接觸已失效 圖5 樣片光學照片圖6 觸頭光學照片從圖5可以看出樣片的表層金已經被磨穿,露出中間層。觸頭磨損后形貌見圖6。 圖7 樣片三維形貌(3D圖8樣片三維形貌(2D圖7和圖8為樣片微動后的三維形貌,可以看出磨屑在微動區域的周圍有堆積現象。具體成分見后面能譜分析。 圖9 樣片掃描電子顯微鏡圖

19、表3 樣片微動滑道內區域1-5元素原子含量百分比表4 樣片微動滑道內區域6-7元素原子含量百分比及已經區域1-7元素原子含量百分比平均值元素區域6 區域7 平均值Au-(Ma 5.1708 4.2613 4.71605表5 樣片非微動區域8-10元素原子含量百分比及已經區域8-10元素原子含量百分比平均值元素區域8 區域9 區域10 平均值C-(Ka 0.5675 2.2156 2.5873 1.790133O-(Ka 1.6782 1.8187 1.9970 1.8313 圖10 觸頭掃描電子顯微鏡圖表6 觸頭微動滑道內區域1-7元素原子含量百分比及已經區域1-7元素原子含量百分比平均值樣片

20、的電鏡觀測和能譜分析:區域1,2,3,4,5在微動磨損區域,其金含量相當低,可視為在這區域內金的保護已經不復存在。氧的大量存在,說明樣片表面已經主要被氧化物覆蓋。區域6,7為微動磨損區域邊緣,金含量也比較低,同時氧含量較高表明在這區域內已經堆積了大量的氧化物覆蓋于金磨屑之上。通過對原子百分比的分析得出氧化物主要成分為氧化鎳和氧化銅。區域8,9,10為非微動磨損區域(作為對比區域,金含量較高,氧含量為幾乎為0。觸頭的電鏡觀測和能譜分析:區域1至7在微動磨損區域,其金含量相當低,平均值只有2.002586%,氧含量很高,達到49.72521%。可視為在這區域內金的保護已經不復存在,氧化物主要成分為

21、氧化鎳。通過對電阻曲線觀測:在實驗中段,電阻有了明顯提升,并幾乎穩定在一個極大值。通過對樣片和觸頭的電鏡觀測和能譜分析可知,氧化物已經大量充斥在樣片和電阻之間(如圖2所示,可視為金已經完全不起保護作用。4.總結本文給出了微動的磨損機理,并討論了接觸材料對微動的影響以及微動的一些主要影響參數。通過具體實例給出了微動使得接觸電阻升高到2歐姆以上,造成接觸不可靠。參考文獻1 章繼高.大力發展電接觸科學J.中國機械工程,1999,10(9:966-968.2 李映平.微動損傷機理的研究J.淮海工學院學報,2001,10:9-11.3 周仲榮.關于微動磨損與微動疲勞的研究J.中國機械工程,2002,11

22、(10:1146-1150.4 周仲榮,Leo Vincent.微動磨損M,北京:科學出版社,2002年.5 Bharat Bhushan.摩擦學導論M.葛世榮.北京:機械工業出版社,2007.6 Antler M.Survey of contact fretting in electrical connectorsA.Thirtieth IEEE Holm Conference on Electrical ContactsC.1984.3-22.7 陶峰,張險峰,尹明德,等.微動損傷的研究綜述J.南京航天航空大學學報,1999,31:545-550.The effect of fretting on the electrical contact reliabilityZhang YikaiAutoma