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Moto Z销量过100万,磁性pogo pin连接助力模块化手机

民族品牌联想是PC领域的一哥,但在智能手机时代似乎并不那样顺遂。

近日,联想 透露 今后旗下将只有Moto手机,这被解读为自家的vibeZUK等行将就木,是为重大战略调整。

今后将把Moto 作为首推品牌。

不过,对于联想来说,在手机方面,Moto的品牌号召力依然是很大的,包括全球影响力。2d9bf12fdd0d042e53b274ee2a9b0e40 继续阅读

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关于连接器/插座测试

 

连接器/插座测试之目的是确认产品的功能是否已达成设计目标以及产品是否能够达到应用要求。测试将作为设计/产品开发阶段的一个延续加以考虑。藉适当的测试选择、排序以及严格的水平,测试具有如下效果:

.评定设计能力

.评定产品对一般的机能失效的敏感度

.显示出本领域中的期望性能

.作为失效模式分析的工具

.避免代价过高的领域更替(避免用于更高价值领域中的产品替换)

为了实现测试的潜在作用(益处),一个意义长远的测试计划的设计与开发要求在整个过程中具有自始至终的细心和逻辑性,如同创作与设计该产品本身一样。

14.1 测试程序的分类

有五种基本的测试程序是常用到的:

.设计校核测试

.验收测试

.质量鉴定测试

.长期性能(质量)鉴定

.可靠性(强度)测试

每个程序都具有不同的目的,并且需要进行复杂程度不同的测试并应用特定的知识背景。

14.1.1 设计校核测试

如其名称所表示的那样,设计校核测试(DVT)通常是用于确认一个产品是否达到了其预期的性能标准。DVT一般不包括顺序测试,它只测试产品是否已达到了所设定的基本功能标准。例如,DVT包括总的电阻测试、耐用周期(或循环测试)及插拔配合力的测试。DVT是在产品开发过程中进行的,而且成为一个广为认同的测试程序中必不可少的一部分。

14.1.2 验收测试

验收测试通常在生产加工过程进行并成为终检的一部分,它包括一个或两个独立的测试,藉这些测试以保证产品之特定属性达到要求的性能质量的水平并符合产品运行要求。它是生产过程的一部份,其使用程度是由最终使用者自己来决定的,并基于品保的目的也可被采购部门加以利用。

14.1.3 质量鉴定

质量鉴定通常结合设计的需要进行一系列连续测试(也就是对电镀类型及镀层厚度,端子材料等的测试),这将使Connector/Socket有条件达到一个特定的规格要求,而这种规格也许来自于产品、最终使用者或工业标准。测试环境的保持时间一般是较短的或适度的(大约是100或240个小时),且其包括对类型广泛的各种特性或运行特征的监测。最普通的质量鉴定测试类型是以军用的规格来要求的。这些测试不需要测定连接器系统的长期运行性能,但要确定是否有严重的问题存在。正常的质量鉴定测试仅仅在于解决已有技术和已知的材料体系问题。

14.1.4 长期性能(质量)鉴定

这种测试涉及以长期暴露方式进行、并且通常集中于对连接器系统的电气稳定性评估方面的一系列连续测试,确定持续暴露时间以确定在该产品或体系的预计寿命内,其是否对与时间有关的失效机理敏感。(测试)持续时间长度的确定即依赖于经验,也依赖于与本领域的测试条件/暴露时间有关的综合因素。

从使用者的角度来看,所选择的测试环境及(测试)持续时间只需要反映出所考虑的特定应用情况下的问题即可。而从制造商的角度来看,尤其对于一个普通意义的产品而言,测试程序必须多样化以能够反映出较大范围的应用条件/要求。这类测试对于新技术,末确定的材料体系,以及全新的设计概念作出了很正规地评估。

14.1.5可靠性测试

在传统的观念中可靠性测试是复杂的,也很少在连接器上进行,这种根据操作环境和应功能需要的测试在应用上是明确的。可靠性测试包括在预计的应用环境中进行的持续一定时间的耐久性测试,以及大尺寸样品的大量数据采集点,而这需要对采集的数据进行深入地统计学上的处理。Mroczkowski and Maynard对这方面进行了更详细的阐述。

只有在考虑到批量和应用的长久性时,可靠性测试在经济上才是可行的。确定了的可靠性仅能应用于最初流程中的相关的设计特征及生产指数上。在确定了一个产品的可靠性级数(或程度)后设计/材料的变化会使可靠性评估毫无效果。在本章中将不对这类测试作详细的讨论。

14.2 测试方案的制定

在过去的几年里,电子工业的概念已在一般观念中广为应用,然而对于连接器的测试和评估,这个概念的使用不再是有效的。(因为)现在“电子工业”(这个学科)中分裂出许多的分支,这些变化使电子产品在性能及应用要求上有较大的不同。(因此)在制定一个测试方案时,认识到这些差别是十分必要的,以配合对连接器预定的市场段或应用段的状况。

在对稍有混乱和重复的测试条件进行分类的尝试中,源于EIA出版物364页的表14.1指导性地详细列举了环境等级的定义和与之有关的一般操作条件。考察了表14.1以后,人们确立了测试方案制定的第一个步骤。一旦环境的等级明确了,基本测试的严格的标准界线就可划定了。

表14.1在下文的的定义和指引中应被灵活对待:

  • 良性环境(等级1)利用一种过滤系统对温度及湿度进行控制。其遮蔽区域是处于正压力(作用)下。这类环境并不是常用的。
  • 表14.1中所限制的温度及湿度界限可认为是其最大上限。而在一定环境等级中的特定应用若要求不同的标准,并且这个标准不如表中所列出的那么严格,那么,若有需要的情况下那些界限也是可以使用的。
  • 一些产品可能会在很大的一个环境类别范围内使用。例如,被用于膝上型计算机的连接器也许会在第一到第七种环境类别内使用。对于这种情况,要求(我们)考虑选择适当的(严格)水平。选择“典型的”或“最恶劣的”环境将会导致不同的测试程序,以及(极有可能的)不同的产品来满足要求。另一方面,应用于主机中之连接器可能只要求达到第一种水平的测试。
  • 特定等级的应用通常由连接器使用者对特殊环境或条件加以考虑才可以决定(支配),对电子工业的分支来说,这种环境或条件是独特的。例如,汽车应用中振动的的要求就比一个所揭示的“典型的”振动要求要高得多。

此外,确定连接器的设计/材料测试组是否能代表习知的或是新的技术也是很重要的。这个问题定义如下:

  习知的技术。采用材料体系及具有较广的经验基础的设计思想(设计出来的)产品(与这些技术)有很大的联系。例子包括:

  • 在接触端厚度为1.25μm到2.5μm的镍底层上镀有0.8μm(或更大)  的金锡(合金)镀层厚度大于3.75μm
  • 尼龙或多元酯(unfilled 或 glass filled)的绝缘本体材料黄铜,磷青铜,以及铜铍合金等弹性材料
  • 大于100g的法向(正交)力
  • 传统几何形状的接触端

当然,以上列表是并不完整的;判断习知技术的标准来自于与材料/设计体系相关的经验基础。

新的技术。即采用新材料及非传统几何形状或结构的产品。在新的应用(情况)中或“非同寻常的”严格标准下采用的习知技术也可看成是新技术。

  • 黄金镀层厚度不超过0.8μm
  • 新的镀层体系或结构
  • 绝缘本体材料中新的添加物或填充物
  • 多头接触端(multiple tine contacts)
  • 小于100g的法向(正交)力

这些考虑将会影响测试方案的复杂性及测试持续时间。对于采用已知的材料和结构(完成的)习知技术的合格条件,测试计划也能够使用“短的”持续时间水平来保证不会存在重大的问题,实质上,由于在本领域中设计/材料已得到证实,(因此)生产制造的过程已得以确认。而新技术则要求采用更长的持续时间和测试方法以确保敏感的或随时间推移而产生的机能失效不会发生。

所有的连接器/插座系统都将会经历特定环境范围的热(thermal)、振动(vibration)、冲击(shock)、潮湿(humidity)、磨损(wear)及裸露于环境中(environmental exposures)等过程。所涉及的严格的测试标准要附从于环境等级,因为产品的设计开发要特别考虑到环境因素。

基于以上所述,一个通常的测试程序可以通过综合几个严格的标准,环境和机械应力的测试,性能测试和附加的考虑因素建立起来。图14.1所示就是这样的测试方案。

每一个测试测试组或顺序的设计都是用以使device under test(DUT)(被测标的)显示出不同类型的破坏模式。

.测试组1:运输过程中的机械应力

机械导致之磨损(mechanically induced fretting)

机械之完整性

对电力不连续性的敏感度

.测试组2,3:潮湿条件下氧化过程

热导致之腐蚀(thermally induced fretting)

塑料绝缘本体退化

.测试组4:腐蚀过程及磨损的影响

.测试组5:干燥条件下氧化过程

接触端弹性之应力松弛(消除)

聚合物之热完整性

.测试组6:此测试组可包含有追加的测试以顺应生产制造过程,或为 产品性能确立参考数据。

图14.1所示之测试方案可作为一个灵活的计划,对其可进行追加、删除、或是扩大范围等修正,但这要视其涉及的实际应用情况而定。举例说,如果其实际应用并不涉及苛刻的环境,那么测试组4则可删减并且其耐用性测试可合并到另外一个测试组中。而对于其它情况,当在具有多种腐蚀因素的环境下应用时,则增加一些附加的测试组是可行的。

14.2.1 测试方案之指导方针

在开发(制定)一个普通的测试方案中,以下(几条)基本的指导方针是非常有用的:

  • 由于经常需要对端子进行监测以测定低标准电路电阻,所以不应将高 电压加到该端子上。因而:

.绝缘电阻(IR)及绝缘体所能承受的电压即耐电压(DWV)测试系在单个样品上或未进行低标准接触电阻(LLCR)测定的部位上进行。

.额定电流下的接触电阻(CRRC)及LLCR的测试应在不同的端子 上进行。

.可能的话,IR及DWV测试应该在未组接的和无端子的的样品上进行。

.推荐这类方法是为避免测试台,导体等影响测试结果。

.破坏性测试(等效于焊接能力测试)系在单个的样品上进行。

  • 应该避免对焊接或可焊性有要求的性能测定以防止对DUT毫无影响的失效形式。
  • 对于耐用性及/或插接-拔出力的测试,五金零件如起重螺丝及其它 附件将被移除以利于进行测试。并采用自动定心技术以避免偏心载荷及由此带来的过早磨损.而对于插接之速度则要认真选择以避免不合适的测试压力值或摩擦热。
  • 在测试方案说明中对以下的项目/步骤(程序)进行适当的描述是很 重要的,藉此以保证DUT得以适当的评估:

.测试台种类及板面(多层测试板应当避免)

.导体尺寸及类型要求

.端子制造技术及/或过程,包括适当的工具制造

.为(测试)电阻值而设置的电压探针

.振动/冲击设备

.样品是以配合状态还是以非配合的状态存在

.将要进行测定的部位数及行业的性质。假如末显示任何样品之尺寸,那么可假定所有的部位都将进行测定。这样的话会导致在高pin数连接器中过多的测试费用。

  • 一旦插接完毕,样品将在不干扰连接器接触接口的方式下进行测试操作,直到最终测试完成以后样品才可以拔出。
  • 在开始运行测试程序之前,很有必要指明连接器系统是否有必要在所谓标准的条件下(as-received condition)进行测试,或者是否允许对其进行清理(cleaning),或者是否有这类的要求。当样品的预处理包括有焊接时,通常建议采用cleaning以清除残余的焊剂。但是,一旦测试开始进行后,是不允许再进行cleaning的。

14.2.2 测试排序考虑(test sequencing considerations)

图14.2a与14.2b列出了用于监测一系列性能的测试排序过程。这种排序可导致(产品)过早的失效,或者可能会掩盖其失效。DWV及IR测试要求采用高电压,而且由于暴露在环境,因而会导致(表面)膜的电性故障或产品腐蚀。对接触层干扰(contact interruptions)的监测也会导致同样的问题。此外,对干扰的监测是通过创建(creating)一系列电路来完成的,而为了完成DWV测试,这一系列电路必须是断开的,而这样则会导致过早的松动(unmating)及/或附加的可焊性/焊接(desoldering/soldering)操作。

图14.3a及图14.3b阐明了如何避免这些问题并制定一个 既节省又有效(cost-effective)的适当的测试程序。采用图14.3a中所列出的测试流程对单个样品的特性(attributes)进行监测。如果单个的样品不能被采用,则一个可接受的选择就是排除任何使用高电压进行测试的电路的电阻测试点。

一旦制定出一个测试方案,需要检验的每一个测试环境及测试性能必将涉及所制定的测试方案,或者必须确定一个测试方法以明了地、精确地阐明这个测试方案是如何完成的。此程序要求能保证测试在一种可控的方式下进行,并且能促进测试实验室之间的可重复性操作(to facilitate repeatability between test laboratories)。

14.2.3样品尺寸

每一个测试程序或测试组对应于每一种测试条件至少需要备有两个连接器。如图14.3所示,两个样品是用于监测电阻,而另外两个附加的样品则是用于测定接触干扰(contact interruptions) 及/或IR与DWV。这种实际操作过程避免了constant wiring和unwiring,以及接触端子(contacts)中非必要的高电压应用。

特性监测(attribute monitoring)(例如LICR,CRRC等等)是在至少25 个端子或25%的接触端子上完成的,无论哪一种更多些。少于25 端子(positions)的连接器则需要测量其所有的端子。而当涉及那些每排均具有不同几何形状的端子的多排连接器(例如直角连接器)时,此样品中每排至少要包括10个端子。需要进行电阻测量的端子则包括端子样品中部及末端的特定位置。

对于要进行其它特性(attribute)测试的样品其尺寸则可能不同,通常随其可察觉到的(perceived)重要性而定,并且在测试说明书中应该有清楚详细的说明。如果没有说明,则将假设其100%的端子都要进行测量,而这会导致较高的测试及/或设备上的花费。这在高pin数连接器中已成为一个十分重要的考虑因素。对所选择的每一个要测定的特性(attributes)参数,推荐采用的样品尺寸如以下所述:

.正压力:五个端子

.IR 与DWV:所有端子的20%

.可焊性(solderability):每种类型10 端子

.接触保持力(contact retention):所有端子的20%

.电容:十对相邻近的端子(ten adjacent pairs)

.阻抗,感应系数(indutance)、串音(crosstalk):每种结构中选择5个测试点

在制定或编制数据文件中,实际的测量操作部位是需要指出的,并且如果需要的话,可对数据变化趋势进行评估,这样还可允许更进一步进行失效分析。

14.3常用的测试环境

在电连接器测试中通常有几种测试环境。通常根据电连接器应用的场合选择适当的测试环境。

14.31潮湿环境中的测试.

湿度是导致和加速腐蚀/氧化薄膜形成进程的三个主要因素之一,其它两个因素是温度及腐蚀性的颗粒或气体微粒。现已形成两种类型在潮湿环境下电连接器测试方法。

1‧稳态潮湿环境下的测试。

2‧温度循环条件下潮湿环境中的测试。

稳态潮湿环境下的测试

稳态潮湿环境下的测试是指在恒温和相对湿度(RH)不变的环境中进行的测试。它通常被认为是一个静态环境下的测试,这种测试所得到的效果是有限的。它主要表现在以下几个方面︰

1‧确定塑料材料对热膨胀,吸湿性以及尺寸稳定性的敏感性;

2‧通过有限的方法,确定电连接器系统在潮湿环境下受氧化进程的影 响程度;

3‧确定塑料housing的表面变质的潜在可能性。

该种测试所常用的两种测试条件为40℃的温度和95%的相对湿度(RH)相结合及85℃的温度和85%的相对湿度(RH)相结合的测试环境。

在温度循环条件下潮湿环境中的测试

在温度循环条件下潮湿环境中的测试是一种动态环境下的测试。它同稳态环境下测试的根本不同点在于它是在高湿度条件下其温度在两个极限之间循环。人们更常用这种测试方法来揭示或探测如下潜在的变质因素。

.确定housing材料对热膨胀,吸湿性以及尺寸稳定性的敏感性。

.通过有限的方法,确定电连接器系统在潮湿环境下受氧化进程的影响程度。

.在热循环环境中接触表面受磨损(因为潮湿的环境能加速氧化进程)腐蚀的影响程度。

.(在潮湿环境中接触用材料及附在其表面上的磨损碎屑或颗粒的氧化进程。

更为严格的电连接器测试所最常用的条件参见表14.2。

表14.2  温度/湿度测试所常用更为严格的测试条件

 

条件1用于测试条件可控的且具有屏蔽的场合下的测试。条件2和3用在其测试条件不可控制但有屏蔽的环境中的测试。循环测试的时间通常是随机的且在高温和低温驻留的时间基本上相等。如果测试过程中所用的设备(DUT)已经确立起对热的反应规律,其循环可能以较快的速度进行。其有限的要求在于在每次循环中DUT能在预计的时间内达到热平衡。

研究用于特殊场合下传统循环由于所使用的实际环境难以符合而所需条件而可能受到限制,因为当温度低于5℃或高于100℃其湿度不存在,所以温度上升的次数可能增加而温度下降的次数将被减少。

根据所进行测试的目的的不同,其耐用性测试的方法可能也有所不同。标准的耐用性测试如下︰

1‧48到96小时︰在稳态潮湿环境中进行测试。

2‧240小时︰在温度循环条件下潮湿环境中测试。

3‧500到1000小时︰在温度循环条件下潮湿环境中测试。

其中,测试条件1用于对塑料的评估,测试条件2用于对塑料的评估及确定是否有重大灾难性的问题存在。测试条件3用来确定所测试的产品是否受因时间的推移其机械性能失效的影响(如在潮湿环境下的氧化和/或磨损腐蚀现象)。如果其耐用时间低于300小时,则被认为在这些温度条件下随着时间的推移可以促进其机能失效。

绝缘电阻(IR)被用来作为塑料housing性能的评估。电阻(CRCR或LLCR)被用来作为接触表面和电性能稳定性的评估。

14.3.2  热的环境

通常有三种基本的热环境需要加以考虑︰

1‧温度条件下的寿命

2‧在热条件下的循环

3‧在热条件下的振动

在温度条件下的寿命.

在温度条件下的寿命测试是指在其温度持续的升高的条件下,通常是指在电连接器(在正常情况下由所使用的诸如塑料,镀层及基本金属等材料确立的)额定温度条件下进行的,用户可以选择在电连接器的额定温度条件下进行或选择电连接器在运行时所观察/预测到的周围环境的温度中进行测试,由于其周围环境的温度总是低于电连接器的额定温度。因而在该种条件下进行测试绝不可能出现超过电连接器额定温度。

另外还要考虑的是该种测试是否要在电连接器负电荷的情况下进行,如果某产品被估计为以信号水平电流的条件下(mA或更少)运行,则电负荷通常对温度没有影响,因而该测试步骤可以被忽略。但在电力应用中,在一定的环境中可能要考虑电负荷这一选项。

在电负荷应用时将导致温度的上升,该的上升温度是额外加给其运行周围环境的。如果该测试环境和电连接器在额定温度测试的环境一样,则在负电荷时的电连接器温度将超过电连接器的额定温度。因而会挠乱电连接器运行时所限定的条件。在这种情况下,测试的温度将归纳为其因电负荷而导致上升的温度加上其运行时周围环境的温度之和不超过电连接器的额定温度。另外,如果其测试温度低于电连接器的额定温度,则电负荷也可能被应用。

在温度条件下的寿命测试主要用来评估如下导致机械性能降格的潜在因素︰

.在干燥条件下的氧化作用机理。

.金属化合物内部的扩散,移动和形成。

.考虑接触保持力及正压力可能损耗的条件下其外力导致塑料发生蠕动的潜在趋势。

.接触应力的松驰,其将导致正压力的损耗及一定时间之后其机能稳定性的丧失。

在测试程序中列出各种不同的测试温度,可以分成如下几类:

.65℃︰设备正常运行时的周围环境温度。

.85℃︰高能量设备运行时的周围环境温度。

.105℃︰不可控制的区域和热点(锡及其合金温度测试的界限)。

.125℃︰不可控制的区域和热点(钴金合成物温度测试的界限)。

.125/200℃︰用于军事用途及进行老化方面的测试。

关于耐用性测试的方法有多种可供选择,它们也被列成具体的操作程序。现推荐两种关于耐用性测试的方法︰

1. 240hr︰该种测试对可能产生大幅度的应力松驰有效。但它对随时间的推移其机械性能失效可能没有效果。

2. 1000hr︰该种测试通常对评估以上所提到的潜在变质因素有效。

可能被监视的属性如下︰

.LLCR︰该种属性用来确定电性能的稳定性同因时间的推移而发生变化的机械性能之间的相互关系。当其耐用性测试时间超过500hr时,推荐采用每隔一段时间测试一次,进而找出它们之间的趋势。

.CRRC︰它仅仅用在其电力应用方面。

.正压力及端子尺寸︰它用来确定应力松驰的幅度。

.非焊锡端末端保持力︰它用来确定蠕动是否对保持力有影响。

.快速旋转︰它也是用来确定蠕动是否对保持力有影响。

这些测试通常是产品在实际应用的场合等周围环境的影响下进行的,在一定的温度下可能也进行其电性能方面的测试。但在这种情况下,由于接触材料电阻率及端子体电阻随着温度的提高而增大,因而需对其电阻作相应的调整。

电连接器通常是以配合的状态出现,以确保其施加的配合力与所应用的环境相符,而且诸如电缆,导体镀层,测试台等测试附件必须要和其所使用的热环境相适应。空气流通炉的使用及工作场所没有被用于如机加工处理等其它目的也是很重要的。因为它可以减少一些无关的杂物污染。

热循环的测试

所谓热循环测试是指在连续的时间内其温度在两个极限点之间不断发生变化而进行的测试。如果在潮湿条件下温度循环的测试在其测试过程中除掉湿度这一因素,则它们的测试效果是一样的。通常这种环境下的测试是用来评估前面所提及到的那些因素以及在温度作用下因磨损而导致质量降格的情况及连接器系统中因发生与热相关的膨胀而导致其非配合状况,如果评估有潜在的腐蚀因素存在,则通常其耐用性测试的时间被延长,因为在这种情况下,能够加速电连接器氧化进程的潮湿这一因素没有起作用。正如前述的温度/湿度条件下的循环一样,在这里也要特别注意确立连续进行测量的次数。并通过电连接器所预计的运行条件来确立其温度极限。

在温度条件下的影响其寿命的同一属性就其测试方法来讲一般都很相近,至今仍没有对这种测试形成一套固定的程序,尽管在同一条件下的温度/湿度测试已经采用了一定的程序。目前,除了通过液态氮来获得意外低的温度不能应用在微处理器控制下的标准炉外,在其它场合下该标准炉都已得到采用。

热振动的测试.

如果热循环测试不在连续时间内进行,则热振动的测试同热循环测试效果完全相同。在两个温度极限内其转变时间越快则热震动测试越受到影响,热震动主要是通过模拟其贮存,运输及应用的极限条件来确定电连接器在极限温度内不停转换时对损坏的忍耐力。这种测试通常用于研究的目的以及探测如下方面︰

.电连接器受磨损腐蚀的的影响.

.SMT焊接点的完整性。

.不同材料的特性及接触用或装配用的材料之间的重要区别。

.IDC,卷曲及相应pin的末端。

这种测试通常是在由设定的程序自动的将环境的温度控制在所期望的温度水平上及预计停留在每个温度极限点多长时间的条件下进行。温度与时间之间的关系图可以用来确定DUT在多长时间内达到具体的温度。那样的知识可能允许减少其循环的时间。具有冷,热两个系统且能瞬时发生冷,热转变的实验室内可以进行两分钟内人工改变其温度高低的测试。

14.3.3严厉环境下的测试

严厉或腐蚀性的环境通常用来确定电连接器系统受如下几个方面的影响︰

.毛孔的腐蚀。

.边缘的蠕动。

.接触表面因沾有小颗粒或污染物而导致的腐蚀。

.非高质量材料系统的腐蚀。

导致变质的关键性环境包括︰

  • 一定温度条件下的环境可以影响干燥条件下的氧化进程)。
  • 一定湿度条件下的环境可以影响潮湿条件下的氧化进程)。
  • 一定腐蚀性气体条件下的环境可以影响电连接器上各部件的有毛孔,边缘蠕动及小颗粒存在的情况)。
  • 具有尘埃条件下的环境如沉积在电连接器表面上的小颗粒)。

常用的气体环境具体是指︰

  • 盐雾环境。
  • 二氧化硫或硫化氢单一气体环境。
  • 二氧化硫与硫化氢混合气体环境。
  • 混合流动气体环境。

盐雾环境:盐雾环境主要是指用在军队及特定的自动化设备及海洋上的电连接器的环境。在正常情况下的盐雾环境是指由5%盐溶液形成的盐雾环境,通常用该环境能有效的评估设备或组件直接暴露在海洋及陆面等盐雾环境中的时间,正常的暴露时间为48小时到96小时之间。

单一腐蚀性气体测试环境︰诸如二氧化硫或硫化氢那样的单一腐蚀性气体环境现已证明对模拟其腐蚀条件并没有多大的效果但因其能方便的测试电连接器及指示器的抗腐蚀能力而仍然被应用。尽管暴露在这样的环境中可以探测到一些问题,但它同实际环境并没有多大的联系。通过在该环境下测试的电连接器系统可能在实际场合并不能应用甚至正好相反。该种测试环境中腐蚀性气体浓度范围为其体积占整个体积的百万分之三到百分之二十。

二氧化硫与硫化氢混合气体环境︰二氧化硫与硫化氢混合气体环境用于上述相同的目的,该种测试方法主要在欧洲使用(IEC测试程序)其测试的时间为4小时到20天之间,美国则没有在那样的混合气体下测试的标准。

混合流动的气体:相对严厉的环境下的最常用的测试环境是混合流动的气体环境,那样的测试环境在过去二十多年里一直被研究,它是以确定在真实的环境中各组件的情况及在相关的环境中产品受到的腐蚀的情况等广泛领域为基础的,在实际测试及以那种环境下的数据为基础实验室中的该种测试之间也有一个加速的因素存在。

在使用的过程中通常有几种混合流动气体的组成,这一点在包括诸如IEC,EIA及ASTM等标准许多文献中已有描述。其特征表现为其温度,湿度可控及其气体主要由氯,二氧化硫,二氧化氮,硫化氢及臭氧等组成,它们所占比例通常为十亿分之几。表14.3列出了混合流动气体的组成成分及各种气体在该气体中所占的比例范围。那样低的浓度当然需要进行严历的控制。所有的诸如温度,湿度,及气体的浓度等测试变量在不同运行的环境下都被详细的进行说明。在一定的温度、湿度环境中用于各种目的的混合气体当组成及浓度即使作微小的变化时其测试方式都是不相同的。

表14.3混合流动气体测试环境中的测试参数(其精确的组成在测试显示剂中将显示出重要的不同)

表格 1

 

当可能涉及在整个寿命期间(例如:插卡的能力)保持着非配合状态的电连接器(尤其那些安装于底板或母机板上的电连接器)的应用时则在混合流动的气体中进行测试特别的有效。在这个例子中,用于插接母机板上的电连接器将被处于一个非配合状态以用于测试其耐用性的一部分,其处于匹配的状态主要用于测试其达到平衡时的情况,典型的非配合状态下的测试时间为5-10天,而处于匹配状态下耐用性测试时间通常为5-20天,其典型的测试顺序参见表14.4。

由于在混合流动的气体中进行测试是非常昂贵的并且也是相当复杂的,最初使用一种所谓的不漏气测试的sanitycheck测试可能被用来评估这种测试与实际情况相符的可能性,该种测试通常将电连接器暴露在真正用于那种测试的气体中。如果电连接器通过了不漏气的测试。则其与实际环境相符的可能性较高(但不能保证),相反也是同样的真实。

灰尘:灰尘测试是最近流行采用的一种测试方法,它主要用来确定电连接器在运行过程中其接触表面沉积的灰尘和\或纤维颗粒对其所造成的影响,通常有五种基本的灰尘环境。

  • “Arizona”路面式的灰尘
  • 滑石粉
  • 砂粒和灰尘
  • 工业灰尘(主动的)
  • 工业灰尘(被动的)

前两种测试是良性的且主要测试小颗粒,这两种测试对于评估电连接器在配合期间去除其接触区域内的这些颗粒的能力来说是必不可少的.

图14.4典型的混合流动气体中的测试顺序

 

沙粒和灰尘中的测试主要是用于模拟在沙漠中或沙粒及灰尘非常盛行的地方进行军事用途的测试。

两种工业灰尘的环境主要是指其用在小颗粒及纤维颗粒结合非常好的混合气体中的环境,其中自动的灰尘主要在工业区出现,非自动的灰尘测试主要是用于轻工业或政府机关的环境中的测试。

工业灰尘测试主要是用于对直接暴露于环境中的电连接器的测试,例如:接插口区域,母机板检测器,选卡机构及没有封装的设备。

灰尘测试主要是用于其速度在某一具体的时间(例如︰1小时)内可以控制的场合下,当速度降低时,由于重力的作用,灰尘将会落下来。DUT处于匹配的状态且其电阻受到监视。该种测试通常是在具有湿度且温度进行循环及处于匹配状态的条件下进行的.通常的测试顺序参见图14.5。

这种测试顺序对于其评估开路设计是极其有效的(卡缘式电连接器,DIP插座,标准组件电连接器),温度/湿度环境和腐蚀性的灰尘颗粒相互作用能够大大的降低其电性能运行情况。目前,该种测试对于前述场合下的电连接器的测试受到限制,在当代仍没有一个工业标准,尽管关于EIA已研究出一个用于特定目的的测试程序.

图14.5典型的灰尘测试顺序

 

14.3.4 机械力的测试

  电连接器/插座(socket)可能暴露三种基本的具有机械力环境中,每种环境都被设计成用来确定对电连接器关于特定的基本机能失效的影响程度:通常机械力的测试包括︰振动、机械冲击、耐用性的循环测试。

振动:振动测试主要用于:

.确立电连接器的机械完整性。

.确定是否有电力不连续性存在。

.确立电气稳定性的影响。

.确定电连接器系统对因受磨损而导致其质量降格(即可以是磨损损坏又可以是磨损腐蚀)的影响程度,这种情况可能由机械方式而引起。

振动测试在三个坐标轴方向进行,如图14.6所示,其中特别感兴趣的两个坐标轴方向为Y坐标轴和Z坐标轴方向,Y坐标轴方向与电连接器的长度方向垂直,在一定类型的设备或电连接器中,它能引起其相配合的两半之间发生晃动,因而导致磨损而使其机能降格,它也能在一定场合下根据其设备的结构施以最大程度的影响。Z坐标轴方向是指上下移动方向。如果在电连接器两半之间的进行移动其结果也将造成该方向的机械磨损,特别是在外力很低的系统内。

如果电连接器/插座(socket)系统没有发生共振或作相对的移动,则该系统将不会受到上述潜在机能失效的影响,在一定的应用场合下,如果系统的共振频率和电连接器的共振频率相当的话,则将会有机能失效产生。从某种意义上来说,如果出现共振频率不相当的情况,则其机能失效也是不可能的,在许多例子中,在可能引起共振的应用场合中塑料housing将被除去。

通常有三种振动测试方法可供选择,具体如下︰

正弦振动︰该种类型的振动是指通过在给定的幅度及预定的频率下预定的时间内所作的上、下波动。

随机振动︰在这种振动主要表现为在一个给定的频率范围其产生的,其频率的大小及振动的幅度是随机的。

振动扫描︰振动扫描主要是用来确定其发生共振的频率,被测试的部件在特定的时间内以共振的频率相振动。

正弦振动是最常用的一种测试方法,然而,它和现实世界中的振动条件并没有多大的关联。另一方面,在一定的场合下产生的随机振动则更具有代表性。振动扫描及共振条件下的振动测试则是当在运行时振动之间的影响具有一定的关联时进行的,尤其是在其运行的条件不知道的情况下进行。

通常振动的环境最难恰当的定义,众所周知,系统的振动通常以较低的幅度进行(少于5G)。然而,由于各种封装概念的存在,其振动的水平至始至终可能要遵守其系统振动的水平,其中包括系统其它部分相当高的振动水平及置于这些区域的(100次以上)组件。那么,为了建立有效的振动测试就不得不考虑以下几种情况︰

.严格水平下的振动测试(频率和振幅)

.耐用性测试

.监视的属性

.定义的固定物

标准严格的测试水平可以从已存在的正弦及随机振动关系图中选取,以系统的要求为基础,用户扫描测试也可能被研究。

就其在正弦振动条件下测试其耐用性推荐采用沿各坐标轴方向的时间不少于4小时,根据系统的需要及工程判断可能建立起随机振动测试的时间,如果该振动产生了,则其所表现出来的微观移动将具有共振的功能。因为正弦振动是在预定的时间跨度内,特定的频率范围进行的振动,且由于发生共振的时间很短,因而要求其在因微观运动而导致其磨损腐蚀条件下,仍具有一个较长的使用寿命并不是一个很困难的问题,另外还要考虑的是在正弦振动条件下产生的共振不可能存在于现实中。选择适当的随机振动以同设备设计适当的相结合,也许能够纠正这一点不足并能真正的评估在某种应用场合下电连接器的相关情况。时下,随机振动为更受人喜欢应用的一种测试方法。

电连接器在运行的过程中其振动的效果通过两种不同的方法来监视︰找出其电阻的断点或监视其接触电阻较微小变化的幅度,也可能两种类型的接触断点都被监视。

1. 0us:这是过去常用的监视属性。对于探测接触时产生的响声来说,它是必不可少的,因为对于孔数少于100pos规格的电连接器来说,所有的这些pos都可能在一系列的电路上通过一条干线相连接,对于其孔数大于100pos规格的电连接器来说将需要多条干线。

低于十亿分之一秒的观测(LNSE):该项技术用于观测诸如因数字式逻辑触发器早发而导致电压发生变化之类的微妙问题.该项技术趋向于观测因其高电阻的失效或在极短的时间内其能量爆破时其对数据位的损失的影响程度,Dunwood、Bock及Sofia对该种测试方法提供了介绍,对突发事件测试的时间间隔通常为2.0、5.0、10.0、20.0及50.0ns。

LNSE所要求的水平通常通过在一个给定的时间跨度内形成的允收电阻变化幅度(例如:在10ns内其电阻变化的幅度为10奥姆)来说明,其测试电流在正常情况下设定为100mA,如果DUT没有使用高速度逻辑触发器,则LNSE将不被使用,通常只使用1.0us的标准测试.

LNSE没有特殊的处理及特别的考虑的要求。

  • 它不可能监视许多端子/干线情况(随着时间及电压的变化,其监视的数目从2到10不等)。
  • 经过特殊屏蔽的设备及要求不同不相配合的触发器相连接的电缆。
  • 校准绘图尽寸以论证其仪器的能力及在适当的位置可以测试其样品中相关的属性.
  • 如果干线的数量受到一定的限制,被监测的pos则要仔细的进行选择(例如:选择其末端及中间位置的pos.)。

其次需要被监视的重要属性为LLCR,该种属性对因磨损而导致其质量降低及由于电阻发生较大的变化(可能有50多毫欧的变化幅度)具有敏感性。如果在小功率电路电阻观测其中的pos情况,则要么从这一系列监视的接触断点的电路中删除要么在附加的样品中运行,这对防止高电压出现在其接触表面上是必要的,尽管该高电压可能消除氧化膜及二氧化物的产生。在沿每个发生振动的坐标轴方向都要考虑监视其LLCR这一因素,通常的测试方法为在其测试结束时优先使用LLCR测试。这种方法可能测试不到其潜在的问题,因为在每个坐标轴方向振动的动态效果是不同的且和在每个坐标轴方向的测试顺序相关。如果在沿每个坐标轴方向其LLCR测试的结果不切合实际的话,那么在振动测试时首先进行X坐标轴方向测试,然后根据其已经存在的关系进行Z和X坐标轴方向测试或进行Y和Z坐标轴方向测试。

如何固定其样品是一个极其重要的因素,但在测试条件中一般很少被规定出来。模拟的固定情况与其实际应用的场合尽可能的相近。设备可能须被评估以确保其自身不会产生导致其测试失败的共振及具有足够的粗糙度以支撑其所使用的严格水平。在一些例子中,如DIP插座(socket),PGA插座(socket)式电连接器等,这些相配合的设备必须毫无保留的留下来,其它的一些元素,如果它们是这些相配合的设备构成整体的一个部件,可能也不得不被使用(例如:PGAs插座式电连接器的加热槽)。

总之,当详细说明振动测试时则下列的参数将必须作规定

  • 振动的频率和幅度(或来自适当测试程序的测试条件)。
  • 测试其耐用性。
  • 固定情况的规定。
  • 需要测试的属性。
  • 接触的中断时间(1.0,10.0ns)。
  • LNSE观测(2.0,5.0,10.0或20.0ns)。
  • LLCR测试。
  • 物理损坏。
  • 其它要求进行测试的属性。

机械冲击:机械冲击用于模拟交通运输的条件及对于说明其设计的机械特征必不可少的。根据其具体的耐用时间,其振动的水平可在30G到300G之间选择。因为该种测试是用于模拟其交通运输的条件,同其它振动(可操作测试中进一步的测试)测试相比较,该种测试将优先采用而不是在其后才用。用于振动测试的固定物也有可能用于该种测试,其中被监视的属性可能与振动这一节中所讨论的相同.

配合的耐用性.耐用性测试主要用来预料电连接器在其预期寿命内其镀层正常磨损情况的测试,该种测试通常在速度可以进行控制调节及具有计数系统的自动循环设备中进行。自我校正特征将被用来评估其早期磨损的原因.在使用自动循环测试技术中,jackscrewst和其它一些特征将不得不从电连接器中去掉。而根据其电连接器的类型(例如:零插入力类型及具有耦合nut的环形电连接器)或如果人工循环在成本上具有更高的有效利用,则人工循环也可能被需要.

为防止磨擦生热其循环的速率(包括人工循环和自动循环)必须被控制,每小时不超过500次循环的速率将对该种测试有效,进行该种测试所需要的循环次数至今仍有争论,在90%的应用场合下,有两种基本的循环测试次数:25次和>1000次。其中,循环次数为25次的测试用于仿真工厂系统核查及许多服务性领域的循环测试,循环次数超过1000次主要是用于诸如计算器输出端互联络体或一定的可编程序的应用场合中,为了确立起设计的界限,其循环的实际数量有可能增加。

在其测试的过程中,有两个基本的属性被监视着,第一次/最后一次循环中的配合力/非配合力,测试结束时将进行LLCR或CRRC的测试。它将确定:

  • 外力是否符合规定。
  • 电性能稳定性的保持情况。
  • 机械的整体性保持的情况。
  • 磨损是否构成一个问题。
  • 是否存在由于探针经常的探测而使接触力过大的问题。

耐用性测试就其本身来说并不是很有效的一项测试。它通常在调节前按一定顺序暴露在特定的环境里(例如:暴露在潮湿的环境中,混合流动的气体环境中等等)。继在该类环境中使用之后,可以确立磨损是否是影响其耐用性的因素之一及其对于薄镀层厚度是否是一个需要重要的考虑因素或对于其新的及仍没有被证明的接触材料来说是否一个需要考虑的因素。

该种测试本身就可确定主要镀层在何时被破坏以露出其镀层以下的金属或基本金属。在这种情况下,根据材料体系的情况,可能使用到化学补救措施或光学检查。其中的一些列举如下:

  • 电子显微镜的扫描分析。
  • Dimethylglioxemespot测试。
  • 暴露在SO2中的测试。
  • 酸碱中和反应测试。

由于对这些作说明的评估报告稍微略显主观因而要求受过训练的人进行仔细的测试。

14.4末端测试

根据可分离的接触表面的情况通常有四种末端不得不被测试,它们分别是:卷曲(crimped),弃皮(insulationdisplacement),相应的pin头及焊接连接情况.在许多例子中,其末端测试都被作为电连接器质量评估程序中一个重要的组成部分.在这类情况下,为完成测试则不得不制定一些规则。

卷曲连接测试

电连接器末端基本的功能特性为其抗卷曲性,通过使用LLCR或CRRC测试程序可以获得该特性的情况。当评估其卷末端的情况时,其测试系统将确立预防或最低限度的降低作用到末端机械力而应采取的措施。图14.7说明了一项典型的使系统稳定的技术。

对于其电阻性测试,通常用四线技术来测试,并尽可能利用最低的开路电压(最好在毫伏范围内)来进行测试.引线从导体的卷曲处开始在导体上焊接至少长达75mm的长度,当使用一束线缆时,应特别注意操作以确保焊接剂完全分布在导体的周围,电压的一根引线可以不受其卷曲接触表面的干扰而与线缆相接触。

另一根电压引线将形成一探针并与卷曲接触表面的另一面相接触,该引线没有被焊接在接触表面上是为了不改变导体/卷曲末端(尤其是以锡合金作为其主要的镀层金属)的情况。

质量测试包括当使用马鞍形设计时测试其卷曲高度在最小,正常及最大的情况下它们对卷曲连接的影响。在机械拉伸测试中,另一个有用的属性是卷曲张力.该张力必须根据其电线的规格及有关文件中的详细说明来获得。其截面部分用于评估导体在卷曲连接时自身的扭曲变形情况。基本的卷曲连接评估测试顺序见图14.8。

在电连接器质量评估期间,如果其卷曲连接令人怀疑,则可能还要采用一个简单的摆动测试,即电连接器作简单的东/西/南/北方向移动。如果电压下降或电阻发生了重大的改变,则表明其可能不稳定并有待于进一步的评估。

IDC末端测试.

IDC末端测试的基本属性是LLCR,因为IDC各种不同的设计及IDC末端接触到测试探针的情况不同,每种产品就其如何测试都需要分别的加以考虑,当不考虑其体积的大小及接触电阻对测试有影响时,对IDC末端的评估将在非配合的状态下进行,其基本的测试程序概要的列在图14.9中。

弯曲测试通过固定电连接器并将其中的一部分重量(0.5到1.01b)加到电缆的自由端来进行,承受了重量的电缆通过在预定数量的循环次数下进行包括直角在内一定角度的弯折情形下来进行,在该测试程序期间,其电连续性或LLCR可能都被监视,该种测试程序主要用来评估其末端的机械完整性。

特别推荐进行截面部分测试以用于两种目的。就其多股线束的导体而言,其末端截面图将呈现出多股线束的形状,由于多束线的校直使其呈现出更多的椭圆形形状,这样其潜在问题存在的可能性则大大增加了。对于高pin数的电连接器来说,其截面形状则表明所有的导体(尤其是终端的pos)在它们的IDC位置中是否合适,这是检查关于其带状电缆同接触区域处于非配合条件下其可能承受的能力。

14.4.3相应pin的末端测试

相应pin的末端对于使用在具有多层线通过底板(厚度大于0.125)的应用场合下或其焊接性在实际中不能应用的情况下正变的日益重要,其较为普遍的测试方式为根据与它们相配合的housing来评估相应的pin,机械力(插入力和保持力)及相应pin的电阻是最主要的测试因素,典型的测试方案概要参见图14.10。

对插入力作规定以确保不会因过大的外力而干涉其装配操作过程。对保持力作规定以确立相应区域的机械完整性及确定是否有因在机械外力或环境外力的作用下而导致接触正压力产生任何不可接受的或重大的损失。

相应的电阻测试以确立其末端电性能的完整性,小功率电路电阻参数在这里将被使用到,图14.11概要的列出了典型的探针测试安排顺序。

小孔调节主要用于模拟具有镀层的通孔重复使用时潜在的相互联系及接触区域的取代问题。其中以上顺序进行的变化测试包括没有小孔调节的情况。PTH的完整性通过主机板的水平截面部分及底板垂直的截面部分来评估.进行该种测试主要用来确定其损坏的程度,对PTH来说,如果有诸如小孔变形等情况发生,则通常认为多层线路板内部已损坏或垫板发生升高等情况。在表14.12中列出了其概要的图例。在整个小孔调节期间,如果考虑到端子的方位则对其将会有所描述。

用于测试相应pin的测试台通常以最少三层线厚度及在外层最少有一环形扣的形态出现,且内层通常对所有的测试孔来说是通用的.

焊接连接情况测试。

通常用来评估其焊接末端的焊接性的测试主要是沾-看测试(Mil-Std-202,Method208)。该种测试通常在蒸汽老化(8小时)的条件下进行。尽管沾-看测试仍然很流行,但其到底具有多大的效用现在仍在争义之中,因为其与当今所使用到的焊接制程并没有直接的相互关联。经验已经表明通过该种测试的组件并不一定具有在一定环境下所必需的焊接性,甚至实际情况和所测试的结果正好相反。这种不一致性是由于在各种不同的焊接制程中不同的动态情况所造成的。表14.4则表明了这些典型的不同点。

因而,目前较受人喜欢的测试方式为测试其在焊接过程中使用到的组件。然而,由于特定设备所应用的不同,该种测试所获得的结果可能不切合实际。在这个例子中,沾和看测试通过改变如下程序来使用︰

  • 焊接过程中的所需的温度.
  • 调整相应的驻留时间.
  • 采用适当的方式进行预热.
  • 在焊接过程中使用助焊剂.

蒸汽老化过程通常为用来测试其铁壳的寿命。这听起来是乎是不可能的,因为我们不能获得足够多的数据。然而,通过它确能确定其镀层是否受可能干涉其焊接过程的附件或(和)末端的约束,它通常是一个非常有用的进行预调的环境(8小时就足够了)。

通常也在完全负荷的情况下对连接器进行测试。但当其端子的数量超过大约100之后,这也有一个潜在的问题存在。随着高pin数电连接器的出现,经过沾焊的金属末端可能产生热汇的影响。由于要求焊接的时间为一定的(5秒),当末端在一定的温度下不能保持足够的时间时,则有可能使它们自身处在一定的湿度环境中,进而影响其焊接的质量。为避免这种情况的出现,推荐在装配之前即对其端子进行单独测试的方法。

14.5 测试过程中所需观测/测试的属性

在电连接器的质量测试期间,需要测试/观测许多的属性。在这一节里只仅仅讨论比较常用的一些特性测试程序。在随后的一节里将引证文献中记载的详细测试程序。这一节里主要讨论为确保获得相同的测试结果和/或引起最小的争议所必须采取的一系列预防措施。通常所观测的属性主要有︰

  • 电阻
  • 配合力和非配合力
  • 端子的插拔力

14.5.1 电阻

相配合接触表面的总电阻包括︰

  • 端子材料体电阻
  • 末端电阻(例如︰卷曲、IDC等情形下的电阻)
  • 可分离的接触表面电阻

端子材料体电阻由所使用的材料及端子的几何形状来决定。该电阻占信号端子中所测试的总电阻中的85%到90%,但其在设计用作通高电流的端子中则其体电阻较前述体电阻所占总电阻中的百分率要低的多,如果端子材料自身或与电阻相关的温度(因为随着温度的升高,其端子材料的电阻率将发生变化进而导致其端子材料的体电阻发生变化)不发生变化,则其总电阻中的一部分将不发生变化。

末端电阻为所使用到的末端质量及类型的函数属性。从测试的角度来看,尤其当测试可分离式的电连接器时,其末端必需要进行特别注意以确保能观测到适当的电阻。通常永久性连接接触界面的稳定性比可分离式连接要大的多且永久性连接电阻的变化幅度通常都少于1mΩ。在绝大多数情况下,可分离式电连接器端子的电阻变化幅度比永久式电连接电连接器的电阻变化幅度要大得多,当进行破坏性的实验时,永久性的连接其稳定性将需要进一步的进行验证。并在该种情况下,永久性连接的电阻也单独的进行验证。另外,永久性连接的稳定性在其质量测试程序中有可能被详细的说明。如果是那样的话,则永久性连接的电阻也必定被单独地测试。为避免额外的影响,下列的测试情况应被考虑到。

对于卷曲末端测试来说,需要校验卷曲工具、卷曲末端及导体规格的兼容性。正如第九章所讨论的那样,检查其卷曲末端主要是为了验证线缆与导体与筒状卷曲及其高度相适应。

对于相应的端子末端测试来说,其中有关钻孔的情况将被组件制造厂商详细的说明及通孔(PTH)的直径将会被确认,相应的截面尺寸也同样需被确认。如果有插入工具停在端子上,则在插入过程后,应避免其和通孔相接触。

对IDC末端测试来说,应确认电线的连接是否与相关的组件制造厂商所作的说明相符合。

对于焊接末端测试来说,将需要检查其焊接点的情况及观测助焊剂是否被剔除。

在这点上关于样品预备所附加的几点说明是其测试的顺序。

  • PWB板电连接器将被安装到相应的主机板上进行测试,并验证测试台的质量/适用性。
  • 如果没有作特殊说明的话,电缆夹持部、使产生的应力松驰的装置及其它的附件都将会被应用。
  • 一旦处于配合状态,则处于该状态下电连接器通常以不干扰界面的形式进行。因为即使小于0.001in(0.025mm)的扰乱也会带来很大的变化。在一个具体的诸如耐用性测试,或当进行失效模式分析等测试中如果没有对其作特别的要求时,则处于配合状态电连接器在连续的测试中应该保持配合的状态,

在这几点说明之后,所讨论的话题就又转到电阻测试上了。通常进行两种类型的电阻测试︰用于信号传输的LLCR及用于电力应用的CRRC。

小功率电路电阻(LLCR):LLCR的测试是在所谓的“干电路”测试条件下进行,其所使用电压和电流不会使与氧化进程及薄膜相关的物理接触界面改变,这些氧化进程及薄膜会降低电稳定性。所用的测试条件如下︰

  • 开路电压:50mV或20mV(常用的开路电压)。
  • 测试电流:100mA。

其中开路电压是影响LLCR的关键性的因素,应对其进行控制。所使用的电流的大小则并不是很重要。电压探针将被置于靠近端子处以符合实际要求,例如将其置于靠近端子0。06in(1.5mm)的范围以内,对于安装在电路板上电连接器来说,可能使用特殊的测试线路,在每个测试点均引出两条两条线路(其中的一条用于控制其电压,另一条用于控制其电流).图14.13列出了典型的测试探针的布置位置.在所有情况下,外电路、导体等所具有的体电阻在电路中不管其本身长度为多少均忽略不计.在数据一览表中,具有相同设计结构的所有端子都被分成若干组,列如在直角型端子中,每一排将有相互分离的锉刀。因为随着引线长度的不同其体电阻发生变化。在该种情况下所获得的数据可能略显主观,因而需要进行如下的测试程序。

  • 对有问题的位置重新进行测试。
  • 用不同的探针重新测试有问题的位置。
  • 检查其探针是否损坏。
  • 检查其探针所放置的位置以确保其接触表面干净(只要其接触表面不发生扰乱即可)。

额定电流下的接触电阻(CCRC):除了在将端子的额定电流作为其测试电流的情况外,CCRC正如小功率电路电阻那样以相同的方式进行测试是必不可少的,然而其所应用的电压也将被说明。

在如下附加的考虑情况下,同样的规则适用于LLCR:

  • 在热稳定性获得之后,应制定出相应的测试程序,在一定的电流水平下,温度将会增加。反过来,这也将导致其电阻的增加。在早期的测试中其所产生的电阻比达到平衡进要低。
  • 如果CCRC在同LLRC相同的测试程序中进行测量,则该测试所对端子测试获得的测试情况将不同于LLCR中的测试情况,如果这是不可能的话,则将在测试的开始程序中及测试结束时的程序中进行测试。它将从来不在LLCR所采用的测试条件或所暴露的环境之前进行测试,其相应的测试程序为CRRC,LLCR,调节/暴露在特定的环境,LLCR,CRRC。

对于LLCR及CRRC,正如前面所述的电压探针之间的距离将会被减小的最短,则其探针将被置于端子接触表面尽可能近的距离,在一些例子中,这可能不可能,这将会产生高电阻(例如:线缆总成,PWB板的电路等)。在那样的情况下,可能产生极度体电阻,由于温度的补偿可能要求使数据正常化,其中温度补偿的例子参见表14.5。

实验室环境中的例子表明在最初的显示器表明温度为20℃而在最后的测试中,则其温度所显示的数据为26℃,这表明因温度的不同将会有2.4%的误差存在。最终的将会补偿到20℃时的情况,因而该数据将会正常化。

配合/非配合状态下测试.

在质量测试期间,除了早期所提及的机械方面的测试外,也经常要求进行其配合力/非配合力测试。这些外力是指那些电连接器在装配完毕之后要求其处于配合/非配合时的外力,并在电连接器在相关的线缆或端子被组入时进行测试。而诸如Jackscrew这样的硬件将被剔除.且其插入的速度将被控制(0.1in/min,max)。且在设备上设置一些辅助设施以使其自身具有自我定心作用以防止不重合的现象发生,该种情况主要是由相关的测试固定物而引起的。除了这些电连接器外力作了规定外,关于单个端子相似的信息也作了相应的限定。

对电连接器来说,其插拔力与配合力/非配合力都是相对应的术语。测试插入力从本质上来说是无意义的,然而测试其配合力则通常有意义的多,单独的插入力通常不考虑端子插入塑料外壳时其端子孔所能承受的能力,其将导致该插入力将发生25%的上升。

分离力测试是指将公端子从母端子中拔出时的滑动磨擦力测试。有时它也作为端子正压力的测试的依据。然而,这样对分离力进行阐释由于几个原因而令人怀疑,虽然分离力确实由产品端子的正压力及磨擦力系数来给出,但是这里存在磨擦力系数要么不知道,要么是如此多变以致产生相关问题的问题,尤其是在低压力系统中。如果产生总变化的话,则分离力可能也是端子应力松驰的指示器。在测试有问题的情况下,将采用deadweight这项技术。该方法将一特定的重量加到一需测试端子上。承受了重量的端子在没有滑离母端子之前应提升一定的距离。

所测试的分离力为下列因素的函数︰

  • 表面粗糙度。
  • 相关表面的洁净程度。
  • 正压力。
  • 设备的精度。
  • 操作者的熟练程度。
  • 退出的速度。
  • 端子的几何形状。
  • 接触区域。

进行这些测试采用何种方法通常要进行如下的考虑︰

.速度控制︰1.0in/min,maximum。

.距离控制︰防止其从底部露出。

.是否具有自我定心/校直特性。

.控制尺寸精度在大约0.0001in(0.0025mm)之间。

.控制其表面镀层厚度在4-8uin之间。

.压力转换器。

测试的端子或刃部每进行5-10次测试后将用异丙基酒精或端子可以适用的其它溶液清洗一次,这对去掉测试样本表面的脏物来说是必不可少的。

14.6有关连接器测试方面的文献与测试报告的撰写

正如本章至始至终所提到的那样,现在已出现关于测试程序方面的文献以供参考。这些文献详细地描述了这些复杂的测试程序。如果在测试说明中适当的参考这些文献,则其细节部分不必反复重复。其中许多的测试程序都有不同严格标准的测试条件规定。但在这些测试程序中都没有对其作具体规定。这是因为如果它成为制造厂商、用户及工业组织所依据的标准时,这些不同的质量检验机构所选择的测试条件便不相同。

如果其应用场合要求采用下表所列的文献所规定之标准的其它标准进行测试的话,则这些文献即不推荐采用更为严格的测试标准也不要求采用参考的测试标准。通常在美国所使用的文献有:

.MIL-LTD-202(主要规定了有关组件测试方面的标准)

.MIL-STD-1344(主要规定了有关连接器/插座测试的标准)

.EIA364(主要规定了有关连接器/插座测试的标准)

.EIC期刊512(主要规定了有关连接器/插座测试的标准)

.EIC期刊68(主要规定了关于连接器测试的环境方面的标准)

当然美国的其它一些用于军事或国家方面的相似标准在其它国家也被使用。

MIL文献及EIA364文献包括常用的测试程序,尤其对镜象测试来说是必不可少的。其中EIA364是所有文献中最具综合性的文献。关于连接器测试方面它就有67个测试程序而在研发阶段则具有更多的测试程序。这些程序至始至终都被考察以符合时代的变化。

IEC文献是国际通用的标准。在一些情形下,在这些文献中关于MIL与EIA测试程序有很大的不同,这反映在最初制定这些标准的几个不同的国家里。在电连接器测试程序中通常交叉参考表14.6所列出的IEC,MIL及EIA测试程序。

在测试说明准备过程中最后一步是确保所有的相关的细节都包括到。下面列出了实现该目的的清单:

1. 测试之排序已列出了吗?

2. 在应用段中对测试过程进行详细说明了吗(例如EIA,TP28)?

3. 测试的标准与/或条件指明了吗?

4. 每组的测试样品数指明了吗?

5. 如下各种性能测试的测试数据点数目指明了吗?

a.  LLCR,CRRC,阻抗等。

b.  IR、DWV、电容等性能测试的测试位置数。

c.  插拔力测试的测试位置数。

d. 接触中断(contactinterruptions)或低于十亿分之一秒(low-nanosecondevents)实验所需测试的位置数。

e.  用于焊接、产生正压力、形成多孔及具有接触保持力等的样品(端子)数目。

6. 用于测定电阻的电压探针的位置描述了吗及概要的表示出来了吗?

7. 在T-rise测试中,电热偶的位置描述了吗,其中包括电源是供一个端子还是更多的端子的电力应用?

8. 在振动/冲击测试中的固定物被定义清楚了吗?

9. 连接器是以配合的状态还是以非配合的状态暴露在环境中?

10. (对于电力应用及接触电阻类型测试,)电流之大小规定了吗?

11. 对于具有焊接端的连接器,测试板用到了吗?如果用到,则对于需要进行电镀的一定大小的孔径相对应的孔洞形状作规定了吗?相应的测试板也作了规定吗(如测试板的厚度、材料等)?

12. 对于卷曲及IDC末端测试,是否应当在断开(terminated)状态下完成测试?如果是那样的话,对所使用的导体(例如,AWG尺寸,焊接情况(sold),线缆(strsnded),导体镀层,导体长度)进行说明了吗?

13. 对于相应(compliantpin)的端子测试来说,测试板使用到了吗?如果用到的话,对测试板作规定了吗?(板的层数,如果对孔洞作要求的话,还应规定出孔洞的形状、钻孔及需要进行电镀的孔径、厚度、材料等)?

测试报告除了包括测试结果外,还应包括有足够的信息以使质量检验机构能充分理解在各种特定条件或准备状态下如何进行测试。如果测试过程所用的详细数据与既有的工业标准相一致,则这些数据无需再作重复报告(例如,MIL,EIA,IEC)。以下是列出了在测试报告中应当包括哪些信息(内容)︰

1. 测试范围(scope).

2. 所应用的相关文献.

3. 样品配备,其中包括使用到的测试板、清洁(清洗)技术、端子生产过程及材料等

4. 数据归纳总结.

5. 每个测试过程应该照如下内容(信息)分别的加以报告︰

a. 样品尺寸︰样品及测试数据点的数目.

b.(进行测试的)技术员的(姓名).

c.(测试)开始与完成日期.

d.(测试)空间周围的温度与湿度.

e. 所使用的设备,其中包括校准信息.

f. 所使用的测试程序包括在该测试过程中严格等级的概述、测试所进行的时间、进行插接的速度及其它特殊的条件等.

g. 说明内容所参考的文献(包括参考的段落及进行说明的数据).

h. 测试时相关的规定.

i. 测试结果包括可适当的数据窗体.

j. 如果可应用的话,则应对其特殊的草图及图片或特殊的设置及设备进行说明。

对于报告的表格可能被指明采用一定形式的表格也可能自由的选择表格的形式,但其至少应包括以上所列出的那些信息。

连接器概述

连接器概述

定义一个连接器至少有两种方法:从功能上和从结构上。
第一种描述连接器的方法是就其应该达到和必须达到的要求而言的。这样的定义集中在连接器所应用的功能性和操作的环境。第二种描述连接器的方法集中在连接器本身,及它的设计方法和制造材料。由于连接器的应用、操作环境及功能性要求直接影响连接器的设计,本文就从连接器的功能性定义开始。

1.1 连接器功能
连接器的应用范围十分广泛,本手册的重点将会放在电连接器上,其主要应用于3C产品。从这个重点可以提出电连接器的功能性定义是:
电连接器是一种电机系统,其可提供可分离的界面用以连接两个次电子系统,并且对于系统的运作不会产生不可接受的作用。
定义中关键词是”电机系统”,”可分离的”和”不可接受的作用”。
连接器是一种电机系统是因为,它是通过机械方法产生的电性连接。如将要讨论到的,机械式弹簧的偏向会在配合的两部分间产生一个力量,这就使得接口配合面之间产生金属性接触。应用连接器在首要地方的原因是配合接口具有可分离性。可分离性的需要性具有很多的原因。它可以使得独立地制造部份或子系统而最后装配可在一个主要的地方进行。可分离性也可以使得零件或子系统的维护或升级不必修改整体个系统。可分离性得以应用的另一个原因是可携带性和支持外围设备的扩展。
另一方面,定义中的可分离性引入了一个额外的子系统间的界面,此界面不能引入任何”不可接受的作用”,尤其是在系统的特性上不能受电讯的影响,这些影响包括如不可接受的扭曲变形和系统间的信号退化,或者是通过连接器的电源损失,以毫伏损失计算的电源损失,将会成为功能性的主要设计标准,因此主机板的电力需求也将增加。
可分离性的需求和”不可接受性”的限度要由连接器的应用而定。可分离性包括配合周期的数目,配合周期是指连接器在不影响其性能必须提供的,以及与另一连接器相配合所必需的作用力。典型的配合周期需求其范围从内部连接器的几十个周期到外围设备的几千个周期,比如PCMCIA型连接器。由于电路或功能的数量以及连接器互相连接的增加,配合力量的需求变得更加的重要。为了提供更多的功能性,连接器上端子的位置也必须要增加,这样就导致了更高的连接器配合力量。由连接器的使用和功能而定,其端子数从几十到上千不等。可分离性和配合力量需求将会详细地在1.5.1部分中论述,同时归类连接器的互相连接的技术水准也将加以描述。
现在我们将要考虑的转向第二种定义连接器的方法-结构性的或者说设计/材料上的定义。

1.2 连接器结构
一个基本的连接器包括四个部分:
接触界面
接触涂层
接触弹性组件
连接器塑料本体

1.2.1接触界面
事实上必须考虑到有两种不同的接触界面:可分离界面和固定(永久性)界面。可分离界面(图1.1, 插图A)由于在首要的地方使用连接器而已经被明确的提到。固定(永久性)界面是当两个子系统相连接时在连接器功能性定义中被提到。这些界面被称为固定(永久性)界面是因为,一般说来它们只制造一次而固定使用。固定连接的例子包括位于图1.1左边的卷曲型连接和位于图1.1右边的压力型。在可分离性界面和固定连接之间存在很多的不同点,包括结构上和需求上的,它们在基本组件上具有共同之处.在两种情况下,产生和维护金属接触界面需要达到我们所期望的电力要求。此外,在两种情况下,金属性界面的产生是通过机械方法。
可分离界面是在每次连接器配合时建立的。界面的结构主要是由接触端的几何形状、端子之间的作用力以及接触涂层而定。可分离界面包括有微小的连接部,位于微观下的粗糙表面在常力的接触之下。可分离界面形态学将会在第二章中加以详细描述‧从这个意义上讲,足以陈述接触界面的形态学将决定三个重要的连接器功能性参数:接触阻力,连接器配合力以及连接器耐用性(例如:配合周期将仍然支持其性能而不会退化)。
很多固定式连接分属于两种基本类别:治金式和机械式。治金式如焊接,它要由连接器和子系统之间接触界面的结构而定。低温焊接是主要的治金式连接,高温焊接同样也被应用,并且在较小的线缆中应用得越来越多。低温焊接连接在制造印刷线路板装配上尤其重要。而许多零组件要被焊接在印刷线路板,连接器就是其中最大的零组件之一。两种主要的焊接技术:穿孔焊接和表面焊接.
机械式的固定连接有卷曲型,insulation displacement,压力型,遮蔽型。机械式的固定连接的图解如图1.2所示。卷曲型和insulation displacement型连接主要用在线缆上,压力型连接主要用于通孔镀金的印刷线路板上,遮蔽型连接是用在插入式印刷线路板。

1.2.2 接触涂层
接触涂层两个重要的功能:
.避免接触弹簧基部金属腐蚀
.优化接触界面的结构
第一个功能非常简单仅仅需要接触弹簧组件一般为铜合金,完全被涂层覆盖,并且涂层自身能防腐蚀和能像薄膜一样覆盖在表面。而第二个功能就要复杂得多。
优化接触界面的方法,其实质就是对出现在接触界面上的薄膜的规划管理。如前所述,一个稳定且较小的接触阻力由一不含薄膜的金属界面产生。两种主要的接触涂层,贵重金属(金,钯以及由它们组成的合金)和非贵重金属(如锡),它们的不同主要是指在接触界面上的薄膜类型。对贵重金属(尤其是金)来说,接触涂层是惰性的,维护接触界面的完整性需要保护防止外部涂层的薄膜形成,主要是防止铜的接触弹簧。对锡这种最常用的非贵重金属来说,存在其表面的氧化问题是主要被考虑的。这些不同的腐蚀过程将被反映到连接器的设计标准和性能上。接触涂层的性质和选择的标准将会在第3章中加以讨论。我们曾经考虑过可分离式和固定式接触界面。事实上一些不同的涂层被用于可分离式和固定式连接接触末端。此类接触与双向电镀相关。最普通的双向接触电镀包括一个金-镍合金可分离式界面和镀锡固定式界面。
贵金属镀层.贵金属镀层实际上是一个复合层,它是指在前面第1.1图A中所述的接触弹片基材上覆盖一层镍,然后在镍的表面上再覆盖一层贵金属。常见的贵金属表面镀层是纯金,但现在也有用钯或者钯合金代替纯金的,而且这种做法还在呈上升趋势。在许多情况下,钯或钯合金层与纯金层接合使用以防止来于比纯金抗腐蚀能力差的镀层被腐蚀的影响。典型的贵金属层是在1至2.5微米厚的镍层上覆盖0.4至0.8微米厚的贵金属层。在钯或钯合金表面的纯金层只有0.1微米厚。下面两种钯合金最常用:80%的钯与20%的镍和60%的钯与40%的银。
镍底层在几个方面提高了接触性能。这几点将在第三章进行详细说明,下面仅列出来供参考。
․减少孔隙腐蚀
․提供转移腐蚀对象的覆盖层
․限制基材成分的分布
․提高镀层的耐久性
普通金属镀层.锡是最常用的普通金属镀层,锡镀层的厚度介于2.5到5微米之间。现在越来越多地用锡作镀层,因为,即使锡被氧化,在插拔过程中,锡氧化物也会很轻易地脱落,从而不影响导电性能。然而,表面层再氧化会以磨损的方式降低锡接合面的机械性能。磨损来源于几微米到几十微米的微小滑移。由于在磨损过程中,部分镍被再次氧化,从而使得镀层的电阻增加。对于用锡作为镀层的连接器来说,预防磨损是最重要的工作。较大的接触压力和使用合适的润滑济是两种能有效地降低磨损的途径。这一点将在第三章详述。其它的普通金属镀层,包括镍和银,也将在第三章详述。
总之,对贵金属镀层来说,保护贵金属层是首要目的;对锡镀层来说,防止磨损是首要目的。这些考虑方向的不同将直接影响连接器的设计参数。例如,正常压力大小、接触处几何形状、绝缘本体设计以及诸如插拔力和耐久性等的结构特性等都将受到影响。这些都将在第三章叙述。

1.2.3接触弹片
接触弹片在连接器上具有以下3个作用:
․在组件之间提供一条导通电讯的路径
․产生形成并维持接触弹片接触面的压力
․形成稳固的接触
第一个作用,只要使用常用的铜或者铜合金材料就可轻易达到令人满意的效果。铜合金的导电率虽然不是很低,只有铜导电率的10%到30%,但是,对大多数连接器来说,这个导电率已经足够了。然而材料的导电率在用作高电流或能量分配的连接器中的确起着越来越重要的作用,因为,在这种连接器中,由尔热和微电压降引起的规定温升要求更低的阻抗。
其它两个作用就要复杂的多,并且涉及到材料特性和设计参数之间的相互作用。接触弹片包括两种基本类型:插座弹片,通常是弹性的;插头弹片,通常是刚性的,它使插座弹片产生弹性变形,从而产生固持力。图1.3显示了插头弹片的外形图,图1.4显示了插座弹片的外形图。图1.3显示了带有插入插座弹片的金手指的打印电路板和导柱/端子插头的几何外形。导柱与端子的外形不一样,导柱是方的,而端子是圆的。图1.4显示了几种连接器的设计,所有这些都要与接触弹片对接。事实上,所有的这些设计都显示了尤其与一种称为25方的接触弹片对接,该接触弹片呈正方形,边长为0.025英寸。
我们必须综合考虑材料的各种性能,并力求达到均衡。对于可分离式接触界面,接触弹片弹性的主要功用是提供介于两插接面的对接力。材料特性指杨氏模数和屈服极限。这些性质严重地影响着弹性偏移性能和弹性偏移量。屈服极限也很重要,因为它可降低插拔力。然而弹性强度必须与制造和卷曲性能对应。例如,用于提供在对接面产生弹性对接力的机械强度(用屈服极限来衡量)是与成型性能和锻造性能相互对立的。以下各章将陆续对此进行讨论。

1.2.4连接器本体部分
连接器本体部分具有如下作用:
․使各接触弹片相互隔离,不能电性导通
․固定各接触弹片
․对各接触弹片进行机械保护
․对各接触弹片进行工作环境遮蔽保护
最后一个作用—环境遮蔽,与连接器本体的设计有关,尤其与连接器本体的封闭程度有关。这种遮蔽效果在恶劣的环境中显得尤其重要。图1.5显示了一个有关环境遮蔽的直观例子。该图显示的试件是镀银的,并且是在被暴露于模拟工业环境的情况下插到图示的连接器的卡边。环境中的硫腐蚀了金属外表。然而,当试样插入本体后,腐蚀便停止了。虽然卡边还有一条卡边缘槽,但是,遮蔽效果还是相当理想的。更为重要的是,这种影响可以从暴露于这种环境的连接器的接触弹片阻值变化看出来。
图1.6显示了仿真工业环境和暴露时间对接触弹片阻值的影响。实验环境中包括硫氢化物、氮氧化物和氧化物,浓度为十亿分之几十到几百就足够了。数据对插接的和未插接的连接器都适用。样品也获得了一些抵抗环境的性能。在暴露了数十小时后,没有本体的接触弹片,其接触阻值明显地增加了,有本体的接触弹片,其接触阻值却很少变化,这样的接触弹片在工业环境中可以使用10年。这些数据说明了绝缘本体的遮蔽效果。
上述列举的其它一些连接器本体作用与连接器本体的材料特性有关。电子特性包括电阻系数和击穿电压。这些特性影响接触弹片在连接器本体的绝缘性能。重要的机械性能包括弯曲强度和蠕变强度,因为这些性能影响接触弹片在本体上的牢固程度。与温度有关的特性包括连续使用和加热使聚合体变形的温度值。使用温度和设计温度是相互关联的。在许多情况下,尤其在表面组接中,温度起着非常重要的作用。
考虑化学和温度对绝缘本体尺寸稳定的影响也是很重要的。维持连接器中心线的间距、直线度、平滑度以及曲度对连接器的装配性能和插接性能都是很关键的。这些特性,除了与聚合体的基本特性有关外,还与成型过程有关。接触弹片具有材料单一而设计式样千变万化的特点,而绝缘本体却具有与之相反的特点。绝缘本体的设计一般都具有许多相同的特征和要求,但其材料却不尽相同。绝缘本体的材料是由各种需要决定的。绝缘本体的材料不但要适应使用环境,而且还要和装配相对应。在许多情况下,正是装配过程决定了使用何种材料。连接器的材料和设计内容将在第五章进行讨论。

1.2.5连接器结构的归纳
本节将对连接器结构进行简单的回顾,其目的是提供一些以后将讨论的有关连接器材料和设计标准等的内容。前面已提及的一些参数,例如:插拔力、孔数以及绝缘性能等,将在后续章节进行讨论。然而,在结束本节之前,还要谈谈连接器的又一个重要性能。

1.3 电连接器阻抗
除了侧重点不一样外基本相似,突出装入系统内连接器组件的电阻。包括三种:
‧可分离可分离接触面电阻
‧接触弹片电阻
‧固定连接电阻
如果测出电连接器A,B两端所有的电阻,其阻值大概为10-20微欧级,可根据下面等式确定:
R0=Rpc+Rb+Ri (1.1)
其中, R0:总电阻
Rpc:固定连接电阻
Rb:接触弹片电阻
Ri:可分离可分离接触面电阻
对典型信号端子而言,接触弹片电阻占总电阻的绝大部分。与此相反,固定连接电阻可从几十到几百微欧。可分离接触面电阻,在100克力作用下,为微欧级。故该电阻只占总电阻的很小部分。但是后二者的重要性在于,它们的电阻是可变的。当电连接器电阻变化时,可能是因为一个或二个可分离接触面电阻的增加。这就是电连接器设计/原料的标准围绕为确保这些接触稳定而变化的原因。

1.4 固定连接介质
前面已经指出固定连接是与被连接电路直接连接,有两种主要通过这些电连接器连接起来的媒体:(a)导线或线缆与(b)印制电路板(PWBS)。

1.4.1线与线缆
本节将对导线和线缆作简要概述,而在第八章作详细讨论。导线由一个导体或,如果有的话,若干导体及其绝缘体组成。
绝缘体有两个功能:它使电导体绝缘并保护其不受机械损伤。哪种功能更为重要一些,依靠导线所用何处,根据导线的运用(尤其是导线上将要承受的温度和电压)和运用环境的机械强度来决定。聚氯乙烯(PVC),聚乙烯,以及聚丙烯是其中为通常运用目的而采用的最普通的绝缘材料,硅树脂橡胶和其它的抗磨性聚合体在有机械环境要求时常用作被覆材料。
铜是最普通的导电材料,不管其是否镀锡或镀银。选择电镀是基于它的运用,锡是通常运用的电镀金属而在高频率运用中则要求镀银。导线通常可分为两种:实心与多芯。实心导线由单一导体构成,而多芯导线由若干导体构成。多芯导线在芯线数及其位置或缠绕方式上有所不同,实心导线在导电能力上较有利,但多芯导线对振荡有重要的适应性及抵抗性。
线缆存在于各种各样的构造中,以满足一定运用范围的需要,其与单纯导线倍加在一有被覆的导线不同,可提供机械保护,同时可减少为确保在高频传输中隔离防护处理的必要性电阻。
导线/线缆结构对机械固定式连接最重要的影响是:单股/多股电连接器的不同及导线/线缆结束制程去除或处理屏蔽层或绝缘体的必要性。

1.4.2 印制电路板
PWB技术已经从50层单面板发展到带接地平面的复合式的神经网络板与可控阻抗网络板。PWB制造工艺及运用要求将在第十章讨论。本节仅讨论有关固定连接本身。
运用在PWB上比较成熟的机械连接技术为压印,及更优的适应性压印连接。在该技术中与压印相关的端子脚插入PWB中的通孔。其连接的稳定性依赖于插入时形成的相应完全接触面残余的弹性力。PWB通孔电镀材料采用铜或锡/铜合金。
在PWB应用程序中比较流行的治金技术是焊接。有两种焊接方式常被运用,穿孔技术(THT)与表面粘贴技术(SMT)。穿孔技术(THT)利用穿孔及波峰焊程序。而表面粘接技术(SMT)更依赖于表面衬垫,或平台,及不同的焊接过程。与通过波峰焊的THT技术相对的是,表面粘接技术(SMT)是一个回流过程,在该程序前必须先通过大量技术处理贴好焊剂。SMT程序包括波峰,汽洗,红外加热,对流,及这些程序的组合。SMT因为零部件的高密度与PWB所含功能其应用迅速提高。SMT允许减小平台间隔以提高零部件密度,同时通过消减穿孔数目提高板的配线路径。
与可分连接的两个例子一样,图1.9提供了几种PWB固定连接的图示说明:卡边缘式电连接器及两件式电连接器。二者的具体运用将在第十三章讨论。

1.4.3 小结
关于电连接器的材料/设计及连接媒体的讨论已经涉及到许多电连接器具体特性的要求,因此,接下来本文将对电连接器作简要的说明。

1.5 电连接器应用
电连接器的运用可以从两方面来考虑:电连接器用在何处,例如它装在设备上的位置,以及如何运用,例如电连接器的功能是信号传输还是配电,其中电连接器用在何处应优先考虑。

1.5.1 相互连接的层次
通常描述电连接器用在何处的方法是根据电连接器的连接层次(LOI)。许多描述采用这种方式,而本手册通常采用Granitz所述方法。LOI是指两个连接的电路板,而非指相互连接的程序及其种类。大量连接程序与连接/连接器种类可用在给定层次的连接上。图1‧10说明了与电子底板连接的连接层次。
第1级‧第1级连接是芯片外部的热压焊衬垫与其外壳或所安装主电路板间的连接。导线粘接及各种不同的焊接技术基本上属于第1级连接,这些连接方式大多倾向于固定连接。
第2级‧第2级连接是外壳与印制电路板(PWB)的连接。DIP与PGA插座是第2级连接的两个基本例子。然多芯片模块(MCMS)使该定义有点复杂,但,通常,为了本论题讨论(MCM)可被看作一外壳,第2级连接为典型的固定连接,但为了修复与升级的目的,插座是由可插入的若干零部件组成。
第3级‧第3级连接是PWB之间的连接。插座(第2级)已经包含了电连接器的基本组件,正是在第3级将会出现更多电连接器的惯用概念。有两种基本的PWB电连接器:卡边缘式电连接器与两件式电连接器。正如其名称所暗示的,卡边缘式电连接器的一半(即插头或插座)为PWB的边缘。而两件式电连接器,其插头及插座构成金属接触。随PWB尺寸及安装接脚需求的增加,为缩小容许公差量及减少几何形状的限制,两件式电连接器的运用比边缘式电连接器占有优势。
第4级‧第4级连接是系统组件间的连接。系统组件可能是单个的PWB或分离的单元例如硬盘驱动器或电源。典型的第4级连接根据连接组件的种类,可包括两件式电连接器与线缆装配。
第5级‧第5级连接是系统组件与系统输入/输出间的连接。系统组件与系统输入/输出间的连接可以是直接安装在板上的电连接器或通过一线缆。
第6级‧第6 级连接是系统与接口设备或系统间的连接。这些连接典型的是线缆装配。
附:上述几节对电连接器电阻的构成、导线及线缆的区别、电连接器与PWB的两种连结技术及电连接器的连接层次作了简要的介绍。电连接器的总电阻由固定连接电阻、接触弹片电阻、可分离接触面电阻三部分组成,其中接触弹片电阻占总电阻的绝大部分。线缆与导线除了结构有所不同外,更主要是在其应用及抗干扰功能上的不同。电连接器与PWB有穿孔技术及SMT技术,穿孔技术穿孔技术(THT)利用在PWB上穿孔及波峰焊程序,SMT已有介绍。电连接器的连接可基本分为六级层次,即:芯片与外壳或主电路板,外壳与PWB,PWB之间,系统组件间,系统组件与输入/输出,系统间或系统与其外设间。关于级别六,是有关系统与外围设备或者系统与系统之间的相互连接,最典型的便是用相连装配方式来连接。
在与连接器的设计、选用方面,目前所用的连接器其相互连接的级别是从以下几点考虑:
1.可分离性及耐久性的需要(可提供方便的插拔效果)
2.标准性(具有通用的标准,可互换)
可分离性及耐久性:
早期规定,级别1和级别2所定的相互接合专指持久性。级别3是最先将相互连接的可分离性作为考虑因素而提出的,尤其是对于那些插拔次数较多的连接器,对其持久性的考虑将不是摆在最重要的位置,而对插拔力大小的考虑,随着端子数的增多而显出越来越重要的地位。低插入力和零插入力连接器是目前人们致力开发的对象。当然,随着芯片和MCMs上的端子数的增多,该等低插入力连接器或者零插入力连接器在设计时也会注重其端子耐久性的考虑以满足连接级别2的要求。级别4和级别5着重强调连接器要满足其不断增加的插拔次数的需要。按这样的标准制出的连接器其端子插拔力较为适当,实际上,该等连接器即使其端子数为几十乃至几百,其插拔力仍会小于级别3连接器的插拔力。级别6所提供的连接器在保持原有插拔力不变的基础上,使端子有效插拔次数大幅度提高。某些与外围设备相连的诸如电子卡连接器的端子连接,其要求插拔次数不低于数千次,这就需要在可分离之界面严格地控制其设计及选材等各种因素,尤其要提高小型化连接器之结构紧密度。
标准性:
标准性是指各种不同的连接方式之间具有通用的标准,级别1和级别2所指的连接器其包装和插装的标准是很重要的。其生产和组装过程会涉及到一部分该标准性以满足第3、第4级别之要求,而第5、第6级别的连接器其相干性及兼容性则显得更加重要。
这一观点主要是针对各种级别的连接步骤作出简要说明,指出各级别连接方式之间具有相互交迭性,而且同一连接器或连接器类型可用在不同的连接级别当中。了解该等相互交迭性质,将会有助于了解以后所介绍的各类连接器的功能,以作为对各种连接级别的补充说明。

1.5.2 连接器分类
这一章里,连接器将被特殊地看作是固定连接介质而不当作是连接系统来分类。按这种分类方案连接器将有三类最基本的类型即线对线、线对板及板对板。图1.11所示为三种类型连接器的结构。我们再次强调,这三种类型的连接方式并非截然不同。以下两个原因可说明这样的类型交迭状况。首先,同一种连接器的设计方案只需经过在连接方式上稍作改变后再重新定义,即变成可适用于另一种类型连接方式的新的设计方案;其次,一条线缆在装配时可于其一端装上线对线连接器而于另一端装上线对板连接器,例如:I/O连接器5级产品的外形便是其中最常见的例子。若避开这种连接形式的类别模糊性而不谈,该等连接形式正好提供了连接器分类的有效依据。
.线对线连接.
线对线连接同样也包括了线对线缆或者线缆对线缆的形式,其定义特征是两根单线个体或者是两条线缆中的对应导线相互永久性连接。该等永久性连接更多地常见于固定连接中线对线连接以及IDC连接。卷曲连接常见于不连续的线连接器中,IDC因其在与导线相关及线束末端处理上具有优越性而常用于支配线缆连接器,线对线连接器具有各种各样几何形状的塑料支撑件如直角和圆形聚合形体的塑料件,还有许多不同形体之组合形状的塑料件及金属屏蔽壳体,主要在军事上得以应用。
板对板连接
前面已提到过两种类型的板对板连接器,如插图1.12所示,一种是单片连接器或成为卡缘,另一种是双片连接器。第一种板对板连接器设置于电路板边缘故称卡缘,其发展至最终将会变成双片连接器,因为印刷电路板技术性能及其尺寸在不断增长,当板的尺寸增加,其结果将导致连接器的容量增大,从而端子数增多,连接器插拔力增大,电路板印刷电路的容量增大将导致线路密度过大,单片连接器很难满足其要求,所以,其最终将发展成双片连接器。
.线或线缆对板连接.
在线对板连接中,有一半连接器是与线或线缆相连,也有与印刷电路板相连,与前述线连接一样,板连接亦是如此,只不过需要压入或焊接两片连接器,许多卡缘式的连接器依然在应用,其端子配合界面适合可分离的连接性,线对线连接器也是大同小异,它们均是出自同一家制造厂。线对板连接器还具有很多其它的用途,其发展方向是线缆对板连接器,或是利用前述IDC的优越性进行线缆装配。

.总结.
这种形式当然不是给连接器分类的唯一方法,但这种方法确实能很好地实现比较各种连接器的目的。每一类型的连接器将在第13章里作细致地讨论,在这一章里还将讨论一些附加类型的连接器如:同轴连接器、遮蔽连接器、过泸连接器及可控阻抗连接器等。

1.5.3  连接器的功能应用

随着连接器应用范围的不断扩展,它们可根据其两大基本功能而分成:信号传输及电传输两类。在电子应用领域这两类连接器的显著特点在于其端子上一定带有电流,在其它的应用当中,端子所提供的电压将同样作为很重要的考虑对象,虽然同一种端子的设计可同时作为信号和电量传输两种功用,但在多种相类似的接触方式的应用上来看,许多电传输连接器在端子设计时仅仅把电量传输的需要作为唯一目的。
.信号传送.
信号传送可分为两类:仿真信号传送及数字信号传送。这种分类是基于很多共同特征来描述的,在这部分的介绍当中我们对其并不作详尽的讨论,数据信号以及与其相关的连接器将在第12章中讨论。
不论仿真或数字信号连接器,其所需功能主要应能保护所传送的电压脉冲信号的完整性,该完整性应包括脉冲信号的波形以及其振幅。数据信号在脉冲频率上与仿真信号有所区别,其脉冲传递速度决定了所保护的脉冲的最大频率,数据脉冲的传递速度比一些典型的仿真信号要快得多,有的脉冲在连接器中的传递速度已接近千亿分之一秒的范围,在当今微电子技术领域中,通常把连接器当作一导线看待,因为与增长如此之快的频率相关的波长能比得上连接器的尺寸。
当连接器或是一互相连络系统诸如一线缆装配被运用于高速数据信号传输中,相应的对连接器性能的描述也就改变了。代替了电阻的特征阻抗以及互相连络系统中的串音变得尤为重要。控制连接器的特征阻抗成为一大意识潮流,在线缆中便是对串音进行控制。特征阻抗在连接器中之所以具有如此重要的地位,是因为电阻的几何外形很难做到完全统一,加之连接器尺寸又很小,必须将串音的可能性最小化。在线缆中,几何形状的控制较易实现,其特征阻抗也易控制,但是线缆的长度将有可能引起潜在的串音。
在连接器中控制特征阻抗是围绕这个理由而进行的,在典型的开放式端子区域,连接器阻抗(和串音)是通过控制端子以合理的分布方式而达到的。于此类信号而言,接地比率是这种分布的一种反映,接地比率减少了。当然,这样的结果就会减少可用于传送信号的端子数目。与信号端子相关的理由位置是很重要的考虑因素。为了避免接地端子的减少,具有整体的接地平面的连接器系统已经得到了中发展。前文中已经介绍过了微条和条线的几何形状。整体的接地平面允许用于传递信号端子的使用,且能提高连接器所有传递信号的密度。图1.13展示了一个开放端子区域和接地平面连接器的结构。
.电力应用.
如前所述,在上下文提到的电连接器是必须传递电力的。通常其电压很低。通常用到的是如下两种电力传递方法:(1)专用于高水平的当前电力接触传递(2)和并行多笾信号接触。它们每一种方法都有优有劣。
电力传输与信号传输相比有两点不同之处。第一点,也是最明显的,是用于传递较高电流。信号传递的电流通常不超过1安培,最多也不会超过几安培,而电力传输的电流可达到几十乃至几百安培。第二点是由于电流导致的焦耳热而产生的温度升高。信号接触过程产生的焦耳热与周围的温度相差不多。相反地,电力传输的比率又是基于温度的升高,温度的升高,又产生相应的比率电流。一次30度的温度的升高通常作为一个电流比率的标准。
因此,为满足电流额定值及性能的稳定性要求,控制焦耳热是很有必要的,这就需要在设计当中考虑信号传递的同时也要考虑电量的传输。尤其对电阻大的端子,焦耳热是一重要因素,必须将其减小到最低程度,而且,接触面的电阻也必须减小到最低程度,使其产生的热量最小化。从选材的角度来说,当然是选择高导电率或是横截面积较大的端子以减小电阻,另外,增高传输电压或增加接触面积亦可减小接触部分的电阻。
图1.13关于开放端子领域(a图)和接地平面连接器(b图)的例子。(AMP公司许可)

更高的交叉部分、多余的接触端子,都暗示提高接触压力下连接器的尺寸。也就是说,实际上,有一个限制在贡献电接触上,包括接触媒体和接触的尺寸。在使用贡献电接触上,电力线缆的路径,线缆大电力接触的终点及电接触的尺寸会成为限制因素。
随着在连接器设计上提倡附加的限制,并行多讯号接触允许更多传统的连接器被用来分配电能。这些限制首先直接针对保证通过接触的电流的分配,同时,它们的热环境尽可能一致。其中以下三个因素是主要的﹕
1.电路应是平行的电子流;也就是说,如果可能的话,经过所有的接触电压降应该是相同的。如果不同的电压降对用途来说是根本性的,则这些电路将被区别对待。
2.如果可能的话,接触时的热效应会被减至最低,尤其指一大束的电流接触将被避免。
3.接触的阻抗或是在全部讯号分配里一起计算的任意偏差必须相同。例如,依靠在接触时存在的排列方式,在适当角度连接器独立接触的巨大阻抗会有差异。在设计分配的接触时,这些差异应当被考虑。
认识到所有考虑的结果是一个明确的关于接触的电流的影响能力的讨论。降低到50%可能会被意识到。换句话说,为分配100A的讯号到PWB,如以1A的电流接触速率,那么合适的接触应当是接近200A而不是100A,这表明,大量接触是相当依赖于单位接触电流速率。
.概述.
大体上,由于受终点、路线和尺寸考虑的限制,电流分配经由贡献高电流能力是明显的。考虑到大范围接触和连接器的用途,多数电流分配的讯号接触的用途需要更多的详细分析,这些分析关于连接器要求和它们在本体中位置的接触分配。

1.6 连接器测试
讨论到这个程度,也就牵涉到自身在连接器设计及材料、用途的考虑。现在把注意力转向如何测试性能;也就是说,连接器测试可从两个方面来评估﹕即做什么和如何做,为什么测试。

1.6.1 连接器测试的类型
首先考虑做什么测试和如何做测试。在本书中的一些叙述中,一项连接器测试包括露天条件和设定条件的操作,由此也将定义这类操作,接下来是测试手段。例如,暴露在腐蚀性环境下的接触阻抗测试一般被认为是一种环境测试。以上这些牵涉到做什么和如何做,这表明选择和如何定义这些条件,测试哪些性能和如何做测试。至少有三类测试和测试手段﹕环境测试、机械性能测试、电气性能测试。实例见表1.1。
通过介绍测试术语,接下来考虑测试原因。

1.6.2 连接器测试的原因
连接器测试的基本原因是鉴定连接器性能。除设计鉴定测试外,原型或试验型产品做测试可使连接器设计有充分依据,大部分连接器测试被引入每一个特定或合格测试程序用来鉴定产品性能。对于本次讨论目标,特定的或合格测试不同于那种特殊的由连接器生产厂商定义的作为每一个检测项目的测试。就条件测试而言,它是由消费者、产业界、国家的、国际标准来共同定义每一测试程序。在每个例子里,测试程序将包括大量测试项目﹕环境测试、机械性能测试、电气性能测试。测试项目和测试手段及认可的判断标准都与连接器设计必须满足的使用或市场要求有关。通常,这种露天条件和测试手段判断标准是有一些一般代表性,在种意义上覆盖了一个市场或一个使用范围而不是针对某一个特殊使用。
当一项特别使用成为测试程序项目时,测试可能被指定为性能鉴定测试。在这样的一个例子里,暴露条件常常是更特别的。根据环境和暴露时间
表1.1 连接器测试类型
类型    暴露条件     测试手段
环境测试  混合的流动性气体 渗水性
温度/湿度    温度升高
热老化性     潮气吸收
机械性能  热振动      抗拉强度
测试    振动       摩擦系数
耐久周期     适配力
电气性能  过载电流     接触阻抗
测试    电流循环     转换阻抗

长度可更适当地反映对条件及特殊使用的需求。这同样是一个真实的测试手段及认可的判断标准。这样的测试是一个介于条件与性能测试的中间环节。
可靠性测试伴随着一个相似于用在别的合格或性能测试上的测试表。然而有两个主要区别。首先,可靠性测试要求在暴露测试和操作环境间存在一个比合格测试更严格的已知的联系,换句话说,测试可靠性必须在测试与使用上有一个加速因素是已知的。这也就是说,暴露在测试A中X天要等同于在使用B中Y年。这种要求通常无法满足,并限制了做可靠性测试的。第二点不同在重要程度和统计处理上的认可判断标准。条件测试认可判断标准,例如暴露条件中阻抗的最大变化是一般性的,所以它们的价值在于,通过广泛使用,提供可接受的性能。考虑到使用,可靠性认可判断标准将反映特殊要求,这将在很多案例中明显超过合格价值。但可靠性认可判断标准还将被运用去满足更严格的统计要求——在特定的相同尺寸和数据分析——超过那些用在合格测试程序中的要求。

1.7 结论
本节叙述的目的是介绍术语,并对于每个将在以下章节所提到的更详尽的主题讨论提供一个上下文背景。

pogo pin与智能电子产品防水性能探讨

1

pogo pin与智能电子产品防水性能探讨

 

 

 

2

基于国家的三防技术标准,结合市场和客户的实际需求,将三防等级定义为三个等级标准,即初级,中级和高级(专业级)。三个等级定义如下:

初级三防标准:IP56――5级防尘等级,6级防水等级,1.5M跌落,常规振动。

中级三防标准:IP57――5级防尘等级,7级防水等级,3M跌落,常规振动。

高级(专业级)三防标准:IP68――6级防尘等级,8级防水等级,5M跌落,常规振动。

3

外置橡胶套及橡胶塞封堵:

户外活动类型与军用的三防终端,这类终端外形一般不会很美观,看上去比较强悍,功能比较简单,主要用户是户外冒险人员,驴友,军人。

内置橡胶垫,外置橡胶塞

能有效防水、防尘,在传统消费类终端中应用普遍,但是由于外置橡胶塞的加入使得外观与产品结构上做出许多妥协,并且外置橡胶塞使用太繁琐,小部件易丢失,实际使用中并不可靠。

改良I/O接口 去掉橡胶塞

防水功能是终端日常比较需要的功能,而限制终端防水密封性的关键点除了拼合盖子的缝隙之外就是一些外露的I/O接口了。如果I/O接口本身防水就不需增加橡胶盖了。

 

4副本

华为荣耀手环

手环上pogo pin公母座结构

5副本

O-band智能手环

手环充电器上的pogo pin金属触点

6副本

pogo pin在sony三防手机上的应用

索尼这款三防手机所有外置接口中,除pogo pin接口外全部设置有橡胶塞保护防水,不做任何保护的pogo pin连接器是如何做到防水的效果呢?

机身左侧上方是扩展卡槽以及micro usb槽,分别采用防护胶塞的保护方式。机身中间就是索尼一贯的专用pogo pin触点,两个金属触点中间是一块磁铁,用来与公头或者底座配合使用。

7

结构上pogo pin实现防水的改良

采用molding注塑出来的pogo pin组件配合防水垫圈使用

8

    结构上实现了pogo pin接口处的密封性,又怎么保证在水下各pin针触点相互之间短路产生过电流呢?

 

9

华为工程师提供的简单方法(供参考)

浸泡在水中的产品,外露的金属触点都会与水充分接触,由于水的导电性使得各触点之间短接起来。在电的应用中,短路可是非常致命的问题。

但是如果被短路的各触点之间,不让它们有电流泄漏出来,是不是短路的情况就不会产生过电流的问题了?!

一位华为研发的朋友介绍了一种简单的方法,利用二极管的正向导通和反向截止的功能阻断电流泄漏!

10

二极管在电路中应用

二极管:(英语:Diode),电子元件当中,一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过

正向偏置:二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,当正向电压大于阀值电压以后,PN结内电场被克服,二极管正向导通。其阀值电压硅管约为0.7V,锗管约为0.3V。硅二极管的正向导通压降约为0.6~0.8V,锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V。

反向偏置:二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态。加在二极管两端的反向电压高到一定值时,会将管子击穿,失去单向导电能力。为了保证使用安全,规定了最高反向工作电压值。例如,IN4001反向耐压为50V,IN4007反向耐压为1000V。

 

11

根据描述给出的示意图

12

联立通- pogo pin连接器

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品质目标:产品合格率大于99.994%

 

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详述可分离式连接器

连接器功能性定义:电子连接器是指一种能够为电子系统两个子系统之间提供可分离式接触界面的电子装置。
可分离式接触界面本身具有一些要求,其中包括耐久性,结合力及机械稳定性。耐久性指连接器可正常工作的结合周期。一个连接器所需要的结合周期取决于其具体应用。当制造工艺比耐久性重要时,这个数值可以较低,大约为10。至于便携式计算机(如办公室或家庭用的笔记本计算机)时,就需要数千周期。耐久性主要涉及接触面涂层消耗的可能性,其导致第三章中提到的腐蚀保护及界面最佳化的丧失。
结合力(连结连接器之插头与插座所需的力)对于高级端子计数连接器尤为重要,这种连接器由于其结合力较大导致须以工具辅助装设否则将被破坏。机械稳定性指连接器承受应用载荷如震动、冲击及热循环的能力,其可能导致接触面干扰。这种干扰也可能产生如第三章所述的电镀层脱落。
影响这些操作性能的主要的连接器设计及物料因素是接触面涂层、正常接触力及接触面形状。本书第二章、第三章曾就接触面涂层对摩擦、损耗及受此影响的耐久性、结合力的重要性和影响进行说明。
本章将讨论正常接触力和几何形状对操作性能的影响,其中正常接触力是重点,尤其是它的产生、大小及其稳定性的维持。

6.1 引言
为方便起见,将前述连接器横载面图1.1再现为图6.1。在连接器中各种各样的可分离的接触面接触之设计拓展了在不同环境的要求下应用的连接器的范围。可分离式连接器一般具有两部分。大体上,连接器的一端(通常插座)是弹性部分,而另一端(插头)之固体接触部为post,pins,或者PWB。分类上,这些装置可归入post/插座,pin/插座,及卡边连接器。

6.1.1 posts,pins及PWBs
图6.2是典型的插头接触端之实例。 PWB(图6.2.a)就是三级和一些四级连接器装置的一部分。posts和pins的主要差别在它们的几何形不同。posts为方形或其它规则形,而pins则为圆形。
图6.2.b所示的一侧边为0.025 in(0.635mm)的25 针方形post是目前最常见的几何形状,尽管小一点的post (如15针方形和0.5mm)的应用越来越多。贵重金属涂层应用于高操作性能之领域,而锡涂层则用于电子和商业产品上。在3、4级产品中,post依据工作环境不同可以直接插入板上或收容于连接器端部,其可以被遮敝,也可以不遮蔽。
Pins在四级产品中应用不多,其主要应用在于五级与六级产品中。根据不同情况其可应于很多尺寸。常用的两种型号为如图6.2c所示的加工螺杆及图6.2d所示的层迭式。二者主要区别在于加工螺杆的pin上没有接口缝,且不易于控制其尺寸。因此,其通常被认为具有优良的性能而同金接触涂层一起应用于军事和高性能系统。层迭式则用于电子及商业领域并可应用于贵重金属及锡涂层上。

6.1.2 母端子
大多数母端子都设计成悬臂梁形状,当然也可以看到混合接缝.一些最常见的形状如图6.3至6.5所示.
最简单的母端子设计成悬臂梁,如具有卡片状边缘的端子(图6.3a),尽管有一部分端子呈现出如图6.3b所示的混合悬臂设计一样的复合形状.
对于插杆\插座系统,有多种的端子接缝在应用,如图6.4a到6.4e所示的敞开或盒子形状.除了图6.4e外,在这些例子中,两个悬臂梁使端子正对插杆的一面.敞开的双端子由于价格低廉而在商业利用上压制了盒子状端子.有四种形状的双端子比较常见;通俗地讲,他们指的是﹕秸叉(图6.4a),扭杆(图6.4b),单悬臂(图6.4c)和卷盒(图6.4d)。他们在实际制造和悬臂梁设计时有很大的不同,这些都影响到制造成本及工作性能.如图6.4a的平压端子是基本的设计。此外成形操作还带来一些附加的特征,图6.4d所示的设计对插杆的不平直度作了一些保护,而且对端子接缝的反超限应力也起了一定的保护作用,这是因为卷盒向里伸展。
这些系统提供了太过长的端子,它们都应用了贵重金属而且末端镀有锡,最后的25平方母端子设计图是有四条接缝的卷盒端子,是为了适应贵重金属末端的要求,而主要应用了高性能和多插脚。
正如同对端子的决定一样,为了相同的市场公端子还应用于可机加工螺旋和冲压成型的类型。图6.5a和图6.5b分别所示的是可机加工螺旋和冲压成形的公端子。可机加工螺旋的端子常常镀金,而冲压成形的端子常常被发现在末端有贵重金属和锡。

6.1.3总结
在应用中还有许多其它的母端子,都是为了适应耐久性配合力,成本的要求.上述有提及到,母端子弹性的一个重要功能是产生正常接触力。

6.2 接触正压力
由于接触正压力对于以下性能特性之影响,使其成为连接器设计中一个主要参数。
* 配合力
* 磨损
* 接触弹性部上之压力
* 连接器壳体上之压力
* 接触电阻
增加之正压力对以上前四项产生不利影响,而只对一项产生缓和之因素。如在第二章所讨论的,一样之接触面结构,即冷焊后之粗糙结合部,引起了磨擦及磨损。增加之正压力提高了磨擦力,也增大了配合力及磨损率。缓和之因素是增加之磨擦力同样提高了端子接触部之机械稳定性。这是一个有利的因素,因为它减少了接触面之潜在不稳定性,降低了它受在端子接触面或其附近出现之腐蚀性产品或污浊影响的敏感程度。
如将要被讨论的,增加之正压力使得在端子弹性部上之压力变大,这样反过来也对连接器壳体产生一个更高之压力,因为在大多数连接器设计中,端子是被壳体在某些点所固持的。在端子弹性部上的更高压力对弹性物质产生的强度和其可成形性间之权衡关系有更高之要求。在连接器壳体上之高压力导致壳体更易发生变形,这样可能影响弹性部之固持位置,进而影响正压力。从这一点来看,显示出增加之正压力总的来讲对连接性能产生不利之影响。
然而增加之正压力却可以抵销这些不利影响,如在第二章所讨论的,接触电阻随着正压力之增加而减少,正如公式(2.9)所显示出的,为方便叙述重复于公式(6.1)中。
Rc=接触阻力
K=一个包括表面粗糙程度,接触方式和弹性或塑性变形影响之系数
ρ=电阻系数
H=硬度
Fn=接触正压力
增加的正压力对接触电阻大小之必然影响是,接触面积增加,则接触电阻减小。另外,接触阻力的稳定性同样通过两种影响随着正压力之增加而增加。首先,增加之磨擦力提高了接触面的机械稳定性,以及随之产生的对抗端子接触面不稳定之阻力。其次,如将在6.7.1节进行讨论的,在端子区域里的这种增加同样提高了接触面之抗腐蚀能力。
从以上之阐述可以看出,正如Whitley和Mroczkowski所论述那样,一个连接器的“最优化〞正压力来自于较高正压力对机械性能所带来的不利影响与端子磨擦力有利影响间之权衡。在大多数例子中,“最优化”被译成“最小化”以着眼于使不利之影响最小化。要理解这种权衡需要考虑对接触阻力之影响。两个因素必须加以考虑,正压力需要建立接触面,并且需要保持接触面之稳定性。建立接触面需要产生一个足够的金属接触区,——如果必要,通过破坏或移走表面之氧化膜或污物。在通过要求数量之配合周期后仍保持表面保护层之完整性之前提下,接触面之稳定性来源于通过增加磨擦力而保证之机械稳定性。
来自于Whitley和Mroczkowski二人之图6.6显示,对于镀金之接触表面保护层,10g之正压力已足够产生3Ω之接触电阻,这对于实际中任何电讯装置都能满足需要。然而,这种“金属”或贵金属的最小力并不能解释氧化膜被破坏或移走之原因。常规知识解释说,对一个连接器“最小的”正压力是100g。这种常规知识之来源不为人所知,但可以追溯到一篇1970年贝尔实验室中的文章。不考虑这个来源,最小量也总是阐述成10g以上。所得到之结论是(如在参考1和2中所讨论的),最小正压力之剩余必须能够保证氧化膜之破坏和端子接触面在不同应用环境下之稳定性。
简单说来,但不是简单量化,正压力之要求由在连接器操作环境中的机械及热条件下保持端子接触面完整性之要求所决定。
如果在一个连接器中,理想的情况是将正压力“最小化〞,那么产生正压力之机械就会变得令人感兴趣。除此之外,对于在连接器应用过程和使用寿命中保证正压力稳定性有重要作用之设计因素,是值得讨论的。这些影响稳定性之因素将会进行一些细节讨论,但为了做这项工作,必须对在连接器中正压力是如何产生的进行讨论。

6.3 端子正常作用力及端子设计
在连接器里,端子正常作用力主要来自于两连接器插接时插座之端子梁因与插头配合产生的位移,该位移产生的弹性恢复力就是端子正常作用力。

6.3.1 材料性能和端子正常作用力
材料性能是决定端子正常作用力的基础,其性能指针是伸长(或称弹性)系数和弹性极限或屈服强度。为方便起见,图6.7根据应力与应变曲线指出这几个性能指针,伸长系数是应力与应变曲线线性部分或称弹性变形区的斜率,因此其亦称弹性系数;弹性极限强度是指某一临界点,于该点之前应力与应变停止线性关系,而此时塑性变形即将开始;屈服强度是使塑性变形进行到某一定程度时之作用力,在绝大多数情况下,屈服强度被指定为产生0.2%或其它定值之残余变形所需的作用力。下面我们将要讨论的是已知端子梁之几何形状如何将应力与应变曲线转换成力与位移曲线。
假如把端子近似视为一悬壁梁,遵循图6.8之注释,可得出有关端子正常作用力和梁设计参数之等式
F=(D/4)*E*[W*(T/L)3] ,            (6.2)
其中  D==梁位移量
E==材料弹性系数
W==端子起拱处宽度
T==端子起拱处厚度
L==端子起拱处长度
该等式包括三个要素﹕梁位移(设计选择)、弹性系数(材料参数)和端子拱起处之几何形状(亦为设计选择),其中每个要素都是独立的,且据不同之考虑导出。
由Lowenthal et al.报告的将上述等式运用于工程中,为端子承受正常作用力之连接器设计或材料选择提供了理论依据,该研究中端子之几何形状与图6.4d所示相似,其具有两个独立端子梁,其中每一个端子梁可视为简单的悬壁梁,如6.2式所述。
图6.9摘自参考3,其为铜合金之选择提供了端子正常作用力和梁位移之关系(如6.2式所述)。以下讨论将只限于下面三种材料﹕C51000(磷青铜)、C72500(铜镍锡合金,725合金)和C17200(铍铜)。这些合金的材料特性如图6.9和图6.10所示,其它合金材料特性均罗列于参考3。
梁之弹性率和正常作用力与位移之比例由下式可看出
F/D=(E/4)*W*(T/L)3  (6.3)
该弹性率对应于图6.9所示的正常作用力与位移曲线之初始斜率,且该斜率的变化趋势与材料弹性系数的计算结果相类似,这就是早期将形状一定的端子的作用力与应变曲线转变成力与位移曲线的依据,此三种合金的斜率数725合金最大,铍铜次之,磷青铜最小。
端子之工作范围设计应包括位移从0.0025英寸至0.05英寸(0.0635毫米至0.127毫米)之范围内,如6.2式所示,与其它两种材料相比,磷青铜端子所受的最小正常作用力(最小位移对应的力)较小,这主要取决于其较低的弹性系数,根据6.2式,端子梁的位移一定,如果要得到较大的正常作用力,可通过改变端子梁的几何形状而获得,正常作用力与梁宽度呈线性关系,而与梁长度和厚度则呈立方关系,为提高正常作用力可改变上述每一个参数。
提高梁宽度会有一负面影响,即难以保证连接器端子间间隔大小;而减小端子长度会使得端子柱的接触长度变小,这也是一个潜在的消极影响;另一方面,提高端子梁厚度可减小整个端子的几何变形,但对于相同的正常作用力,其却受到最大的冲击,比如在其它条件相同的情况下,梁厚度为0.0105英寸(0.2667毫米)的磷青铜端子将能弥补弹性系数的差距,而达成与梁厚度为0.010英寸(0.254毫米)的725和铍铜端子相同的正常作用力和弹性率。

6.3.2弹性变形之极限
公式6.2仅适用于端子梁之弹性变形。从图6.9之数据中可以清楚地看到,情况不总是例证之端子那样,725合金之变形量随力的变化曲线关偏离了线性方向,并且图6.10表明了725合金在变形到达最大变形量0.005英寸(0.127毫米)之前就存在永久变形。铍铜与磷青铜保持”弹性”。725合金之屈服强度较其它两种材料稍微低一点,但其弹性极限比其它两种低得多。因此,它在少量变形情况下就呈现塑性,在此设计中,其在未达到设计变形量0.005英寸(0.127mm)之前就已产生了一永久变形。
端子变形量超出其弹性变形量范围,会对主应力产生两方面之影响。在连接器首次装配过程中(最初之弹性变形),如果端子梁开始塑性变形,则主应力与变形量关系曲线将为非线性。换言之,有效之弹性系数将下降,并且在一定塑性变形情况下之主应力要比在弹性变形下之主应力低得多。
另外,在随之进行的装配中,端子梁会产生永久变形,主应力也会因此减小。永久变形之结果是使端子梁之设计变形量减小。例如,图6.10表明从连接器首次装配到产生最大之梁变形过程中,725合金将产生0.001英寸(0.0635mm)。这个变形意味着端子之变形范围将减小0.001英寸。因此能产生最小主应力之最小变形量为0.0025英寸(0.0635mm),因此主应力会减小40%。在最大变形量为0.005英寸(0.127mm)时,主应力将减小20%,这仍是一个可观之数字。在设计时如果假定为弹性变形,不考虑永久变形,则主应力之实际值较期望值低20-40%。
图6.11中表明在首次装配后,永久变形将继续增长。由于变形过程中之端子弹性部硬化,永久变形将趋向于某一定值,这使得端子之屈服极限增大,如此则端子弹性部开始变形发生在其扩大了的弹性极限内。

6.3.3 应力松弛和正压力
公式6.4叙述了悬臂梁上的正压力Fn与悬臂梁的尺寸及悬臂梁上的应力σ间的联系,它是有关表明端子之所受正压力与其设计/材料参数间关系的第二个等式:
Fn=(σ/6 )*( WT/L2)       (6.4)
公式(6.4)表明了任何的应力减少都会导致正压力的减少。虽然应力松弛在第四章讨论过,但在这还是有必要复述其定义。
应力松弛是指应力在常应变的情况下会随着时间的延续而减弱。
就连接器而言,对公式6.4,我们可以更确切地定义为在连接器使用期间,随着时间的延续,正压力会以一持续的偏差而削减。换句话说,仅仅是由于端子悬臂梁受到了因其配合偏移而产生的应力,而其所受正压力的削减可看作是时间和温度双重作用和结果。当连接器的工作温度升高,此时应力松弛就更为重要了。图6.12论证了其关系。当悬臂梁位于其最大偏差0.005英寸(0.127mm)时,在96小时内,正压力会随着温度的升高而减小。在连接器处于其一种更为典型的工作条件即恒温的时候,时间对正压力的作用类似于温度对正压力的作用。图6.13出示了三种被选择材料在25℃到105℃之间其应力松弛的数据。在室温条件下,应力松弛对任何材料均只是稍微有影响,拿磷青铜的最糟糕的情形来说,在经过100,000小时(11.4年)后,其应力变化小于10%。然而在105℃的时候,可以看出应力会有很大损失,因而正压力会急剧减小。
图6.14是以又一种不同方式即永久性变形随温度的变化关系来表示应力松弛引起的结果。
在应力松弛的过程中,该应力是来源于有助于加工硬化的弹性变形和允许尺度变化的塑性变形间的转换。这种转换的结果如图6.14所示。很明显的,这种永久性变形随着时间变化而变化的趋势类似于正压力的损失随着时间变化而变化的趋势。由应力松弛而引起的永久性变形同样对正压力有影响,如较早以前讨论过的机械永久性变形﹕梁的可用偏差减小,正压力伴随着减小。
由于温度应用的要求增加,如何控制永久性变形也变得更加重要了.虽然,正如附注4和附注5中所讨论的,设计因素对永久性变形也会有影响,但是控制永久性变形的办法主要还是通过对材料的选择.第四章给出了一些供许多铜合金参考的永久性变形的数据。
.总结.
这种典型悬臂梁端子的特性反映了因端子所受正压力而产生的梁的偏移和应力松弛的重要性。由机械加载或应力松弛所引起的永久性变形,其减小了梁的可用偏差,降低了正压力。这使得我们更希望弹簧能一直在其伸缩范围内工作,直到正压力达到最大并还原。应力松弛可以靠操作的温度对长期的正压力产生重要的影响。正如第四章、附注4和附注5中所讨论的,在处理应力松弛时,材料的选择是主要的。
附图说明﹕
图6.11表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其端子永久性变形大小与其配合周期数的关系图。其由AMP公司提供。
图6.12表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其端子所受正压力大小与其放置96小时之后所受温度的关系图。其由AMP公司提供。
图6.13表示的是磷青铜、合金725、镀金铜三种材料在25℃到105℃间其永久性变形大小与时间的关系图。其由Olin公司提供。
图6.14表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其永久性变形大小与其放置96小时之后所受温度的关系图。其由AMP公司提供。

6.4 正常作用力和结合力学
如果说具有可分离性是我们使用连接器的主要原因,那么很有必要了解结合力学及其如何影响结合点的寿命和结合力大小。结合力学中有三个主要因素,即端子正常作用力,端子几何形状和摩擦系数。
图6.15所示是一条结合力与插入深度曲线,其将端子结合的两阶段里插柱在插座的位置反映出来。
在第一阶段里,当端子正常作用力施加于插柱时,插入作用力快速增加,在该段曲线里端子梁不断发生偏移,此时曲线的斜率由结合的插柱或插座的表面几何形状、摩擦系数和端子梁的伸长率决定,亦即梁的位移与施加的作用力的比例;在第二阶段,正常作用力达到最大值,端子梁的位移亦达到最大值,且插座之端子梁沿插柱滑动,并因此产生一个摩擦力,该摩擦力大小由摩擦系数和端子正常作用力决定,而最大插入力是最重要的参数,因为它决定了施加多大的力可与连接器结合。下面分别对这两阶段作一讨论。

6.4.1 第一阶段﹕插入阶段
当插柱开始进入结合区,插座的端子梁产生位移并承受端子正常作用力,同时,插柱开始顶着端子梁进行滑动,相对的会产生摩擦力,由于摩擦力的方向与运动的方向相反,因此使得插入力增大,故最大插入力主要取决于摩擦力的大小和方向,而摩擦力的大小取决于摩擦系数μ和端子结合接触面的几何形状,所以,对一定的正常作用力,最大插入力取决于端子结合接触面的几何形状和摩擦系数μ的原因是这些参数决定了摩擦力的大小和方向。
下面最大插入力的等式是将其简化成施加于两夹角为α的平面上,这条件与图6.15所述的结合面几何形状类似,但这是忽略端子梁位移而不是正常作用力。
Fi(max)=2Fn(max)[(sinα+μcosα)/(cosα-μsinα)]     (6.5)
其中 Fi==插入力
μ==摩擦系数
α==结合面的夹角,如图6.15所示
在插柱插入过程中,结合面的角度随着插座与插柱的几何形状变化而发生变化。
如图6.16所示,对于100克的端子作用力和一定结合面夹角α,不同的摩擦系数对应于不同的最大结合力。在未加润滑的情况下,镀金端子末端的摩擦系数的公称值是0.3。图6.16表明﹕在这个简单的模型里,当结合面夹角由15°变至30°将使得结合力增加75%。

6.4.2 第二阶段﹕滑移阶段
一旦端子梁位移达到最大,亦即插柱已达到相对插座端子插柱表面的滑移点,此时插入力可简单视为摩擦力,如6.6式所述
Fi=μFn  (6.6)
其中 μ==摩擦系数
Fn==端子正常作用力

.总结.
最大端子结合或插入力取决于结合面端子的几何形状、端子的正常作用力和摩擦系数,且这其中每一个变量都是独立的。可通过使用端子润滑剂减小摩擦系数,从而大大减小结合力。另外,有关结合力学的研讨可参阅参考6和7。
显然,连接器结合力不是简单的各个端子结合力的累加。另外,如果在结合过程中发生端子不重合或对准不良,端子松动以及插头与插干涉都会大大增加连接器的结合力,故当连接器的针数增加,端子插入力和结合力应重点设计。6.5 端子擦拭接触效力
如第一和第二章所讨论的,建立一个金属接触面对于低稳定接触电阻来讲是极其重要的要求。视接触镀层和应用环境而定,可能需要清除各类膜层、污浊以确保金属接触。擦拭接触效力与在连接器配合过程中移走膜层、污浊之效率有关。
有关于连接配合的两个术语经常被交换使用﹕接合长度与擦拭接触。接合长度特别是指公端子插入母端子的全部距离。擦拭接触通常指的是端子表面相对于另一面之运动。接合长度与擦拭接触在大多数例子中从几何学角度来讲是一样的,它们的功用却明显不同。接合长度之要求是需要保证端子在任何容许条件下进行配合;例如,壳体之形变部分导致连接器沿其长度方向弯曲。这种要求与特殊的端子尺寸有关。典型之接合长度可以是100 mis 或更多。在另一方面,擦拭接触效力要求保证有效转移表面膜层与污浊,这些表面膜层与污浊产生于明显少于100 mils之距离上。
擦拭接触效力由接触几何形状,接触正压力,擦拭接触长度以及必须要被破坏或移走之该种污浊。在这一节将讨论擦拭接触效力中关于确保移走在电路板上灰尘上的最小必要擦拭接触距离的内容。这一节之内容是总结于Brockman, Sieber, 和Mroczkowski的两篇论文。
有两种擦拭接触方式被考虑过了。在第一种方式中,施加了全部的正压力,这样擦拭接触动作就发生了。这种方式模拟典型的连接器配合条件,在这种条件里,为了进行配合接触梁在一定之距离完全偏转。在第二种方式中,擦拭接触只在施加了正压力的时候才发生,这种方式是要模拟在零角度力连接器中的动作。这里的讨论将限于第一种更典型之方式。第二种方式的结果在本质上一样的。
三个几何形状与两个正压力值作为独立变量在擦拭接触距离被用到。这些几何形状在图6.17中进行阐述。这些几何形状分别被描述成半球形H,椭圆形E,圆柱形C。半球形的半径只有很小的0.060 in(1.524mm),半球的长轴与短轴是0.040 和0.020 in (1.016 和0.508mm),圆柱形的半径也只有很小的0.035 in (0.889 mm)。圆柱形与椭圆形在几何形状上是近似的,但在相对于端子长轴运动方向上有所区别。椭圆形之长轴平行于运动方向,而它对于圆柱形的长轴则是垂直的。所有的端子在镍层上都镀上了50μin(1.27μm)金。
全部50或120g的正压力施加于端子上,擦拭接触运动由于在X-Y工作平台上之运动面产生。在所有的情况中擦拭接触长度为0.025in(0.635mm)。
控制表面要模拟一种严重到不合实际状况的污浊。在表面50μin(1.27μm)的镍上镀有50μin的磷铜试样金上,为保持灰尘而涂有油脂,其上被覆一层看的见的灰尘。其它的试样在一个清洁及清洁涂油处理过的条件下进行评侧,发现没有擦拭接触的现象,最初的电阻是较低的,在擦拭接触过程中没有改变。
主要结果总结于图6.18与图6.19中。这些图在曲线开始平直部分表示实施接触受力。50g接触受力线分为接触受力区及擦拭接触区还有最后的由九个不同擦拭接触部分组成的稳定状态。接着擦拭接触开始,接触电阻的下降用以作为擦拭接触效力的衡量。接触电阻的稳定状态指示在接触几何形状、正压力等因素组合下,灰尘覆盖表面上之有效力的擦拭接触。
首先考虑50g接触受力量(图6.18)。半球形状的情况没有显示仅仅是实施接触受力就足够擦拭掉灰尘。当擦拭接触开始后,大多数样品的电阻经过几mil的擦拭接触后会迅速降至稳定状态。椭圆形的状况在转移灰尘方面没有如此有效力。擦拭接触的效力是边际性的,只有一些样品达到了一个稳定的电阻值。对这个有点奇怪的结果,一个可能的解释是,椭圆形在擦拭接触方向上的长度导致在端运动过程中,端子在灰尘上有上有下的滑动。圆柱形显示出很差的擦拭接触效力。
在50g的接触受力上,半球的擦拭接触效力看起来是很好的,在擦拭接触区域的0.010范围里达到一个稳定状态。椭圆形的擦拭接触的效力是边际性的,圆柱形是没有效力的。
如预计的一样,120g接触受力可以观察到同样的趋势(图6.19),但性能有所改进。椭圆形的性能也有所提高。事实上,在120g接触受力的几个样品中半球不用擦拭接触动作就移走灰尘。在所有的例子中,擦拭接触的开端导致接触电阻实际上迅速下降到一个低稳定电阻值。椭圆形的性能同样也得到了提高,在许多样品中在擦拭接触时电阻固执地有所变化。圆柱形也改善了,但仍然在边际的情况最好。

6.5.1 总结
这些数字核实了这样的预测,即擦拭接触依赖于接触力各接触几何形状。增加了的力和较尖锐较有穿透性的几何形状产生较高的擦拭接触效力。然而由于较尖锐几何形状而提高之改善必须与由于磨损痕迹的位置而产生的损耗之可能性来平衡。另外,如Antler 所述,接触几何形状对产生和保持接触面之稳定性能有不同的影响,尤其是对在锡镀层而言。

6.6 耐久性
在第二章中我们曾讨论过接触正压力与耐久性的关系,其可简要概述为接触正压力决定接触区域及与此相关的表面损耗程度。大体上,随着接触正压力的升高,耐久性将下降。正压力的逐渐增加将使磨损机理发生变化。在应力较小时,摩擦损耗占主要地位。当正压力较大时,就会出现稠密的磨损,并且磨损速度将明显变快。机械磨损速度的加快与接触区域的增大和冷焊点的强度增加均有关。在Bowde和Tabor11中曾经介绍过,载荷变大将导致冷焊区域变大,强度增加,结果使其强度大于基体强度。在这种情况下,物料块的内部会出现问题,将出现更大的磨损块,这将使损耗过程加快。机构从摩擦到磨损的转换的载荷取决于表面的润滑状态,随润滑效果好而增加。
必须指出影响耐久性的其它接触设计原因。例如,接触区域的分布取决于接触面的形状,并且因此而产生固定的磨损痕迹。结合过程中预设的接触长度也会影响耐久性。接触正压力和耐久性这种相互依赖使得难以准确给出二者的关系。所有的接触面形状和接触动力对于确立耐久性能都很关键。
摘自Mreczkowski12的一个例子阐明了接触正应力和接触面几何形状的相互作用关系。该研究中所采用的物料系统是由不锈钢球轴承组成,这些轴承具有0.75μCo-Al及超过1.25μNi的镀层。图6.20和6.21为一些研究结果,图6.20为接触面形状不变时不同正压力之情况,而图6.21为正压力不变时改变几何形状之情况。
在讨论结果之前,先依次简要说明一下实验程序。图6.20中,每个磨损痕迹均由经过大量不同磨损周期的片段组成。获得具有大量磨损周期的单个痕迹的方法是在一定的周期数目给定之后改变磨损痕迹的长度。换句话说,250个周期后的磨损痕迹长度要比前一个250个周期的要短,而再过500个周期就更短。这样做仅仅是估测,长度的变化影响结果并非很可信。
由图6.20可知接触面形状不变时,磨损随正压力增加而加剧。50克和100克正压力的磨损痕迹很浅,200克和400克正压力的磨损痕迹随时间的增加从较浅的区域开始而转变为较宽较稠密的磨损痕迹,,这种转变是由循环压力、循环疲劳应力累积所产生的,这些应力最终导致镀层的破坏并改变磨损机理。在600克压力(这个数目对于金镀层是相当高的)下,稠密的磨损痕迹在第一个250周期就可以观察到,随之而来的是在更长磨损时间里的一系列的破坏。这当然是意料之中。当正压力增加时从磨擦转变为磨损。
图6.21与上类似,但产生的原因不同。这时,载荷及由此产生的摩擦是通过改变不锈钢球的直径而得到的不同结果。现在回顾一下第二章,增加正压力的结果是引起接触区域和冷焊的增加。在几何形状上集中载荷也会取得相似的结果,因为总的接触区域取决于应用载荷。正如Willamson 和Greenwood 13 所述的集中载荷分布会得到少数但较大较牢固的斑点。图6.21则示出了较尖利的几何形状将会加剧稠密的磨损。
图6.20和图6.21所示也说明了接触正压力与接触几何形状的相互作用关系。这种相互关系使人想到运用接触压力,该方案将在下一节中讲到。

6.7 赫兹应力与连接器性能
1989年,Kantner与Hobgood根据业界经验提出赫兹应力可以提供一与连接器性能有关的参数。Mroczkowski与Fluss提交了对此提议的鉴定。为理解此提议与鉴定,有必要作一简单的总结。

6.7.1赫兹应力
1881年,赫兹提出了用于计算两接触物体接触面上应力的模型。此模型假定有如下特征﹕
* 光滑平面内的点接触
* 与表面尺寸相比,接触面可近似认为一点
* 弹性变形
* 无摩擦
在这些假定条件下,赫兹推导出许多计算接触应力的公式,适用于多种几何形状接触表面。一简化的球面对平面公式就可满足本节讨论的需要。
σH=[Fn*(E/D)2]1/3     (6.7)
在这里,σH==赫兹应力
Fn==为所施加的外力
E==杨氏弹性模量
D==接触区域半径
此公式包括材料性能参数E、接触区大小参数D及接触力大小的设定参数F,上述几项都是独立变化项。

6.7.2赫兹应力的理论”有效性”
赫兹公式用于分析弹簧的性能,并且上述的假定与此项应用有一定的关联。但对于连接器插接,情况大不相同。如第二章所述,端子接触面可以被认为是宏观接触区域的许多小的接触点。假定此描述成立的说,则假定1不成立,但接触的宏观尺寸可以满足假定2。因为独立的接触点很小,它们在标准法向力情况下就产生塑性变形,因此假定3不成立。假定4也是不成立的。出现这么多理论上的间题,赫兹公式看起来好像不适用于连接器。抛开理论上的难题,只考虑其基本思想是否可以提供某些指导。
Kantner与Hobgood介绍对于复数柱状端子所采用的最小赫兹应力值为150,000psi(磅/平方英寸),此情况下,外力、连接器的典型尺寸及典型连接器材料的屈服极限都被赋予很高的值。对于高值赫兹外力(的产生)的理解存在两个方面的限制﹕较小的外力与凹凸不平的接触面几何形状,较大的外力与较平缓的接触面几何形状。考虑这两个极限是如何影响连接器的三个重要特性参数——接触抗力、疲劳强度及抗腐蚀能力。
.赫兹应力与接触抗力
假定端子接触面宏观尺寸可以被认为一独立点,则接触抗力的Holm公式可以表示为﹕
Rcontact=ρ/d       (6.8)
这里, Rcontact==接触抗力
ρ==材料抗力
d==接触区半径
从赫兹应力观点看,d是重要的参数。用较小的外力与凹凸不平的接触面将产生”高”的接触抗力,因为接触面积相对于较小的外力会很小,同样直径相对于较小的半径会很小。相反由较大的外力对较大的接触面积将提供高应力和高应力分布区。换句话说,对于给定值的赫兹应力所产生的接触抗力的大小依靠如何得到此赫兹应力。
.赫兹应力与疲劳强度
从参考文献12中选取的图6.22对于接触疲劳强度同样适用。每一疲劳轨迹曲线都显示了相同的计算赫兹应力—115000 psi,一个比最小推荐值小得多的值。很清楚,如6.5节所讨论的,疲劳行为也依赖于接触法向力与接触面积对赫兹应力交叉影响。
.赫兹应力与接触腐蚀
接触面腐蚀之接触抗力的理论分析是基于从参考文献12中选取的图6.23。图中所示两接触面处于相同的赫兹应力下,图6.23a为较小的外力与凹凸不平的触面几何形状的情形,图6.23b为较大的外力与较大的接触面积。原则上,由于两个原因,图6.23a中所示的接触面较图6.23b中所示的接触面更容易腐蚀。第一,腐蚀性气体必须经过一段较小的距离到达接触区域。第二,金属接触区域更小并且流动的更快。从上述可以看出,接触面对于腐蚀的敏感性与通过何种方式达到定值赫兹应力有关。
.总结.
兹应前述的讨论揭示了赫兹应力并不是连接器性能的良好体现者,因为认识到虽然定值的赫力对于连接器的三个主要特性–接触抗力、疲劳强度及抗腐蚀能力有着显著的影响。连接器特性对于设计变量的敏感性已经在上一节的实验研究中被着重强调了。

6.8 关于连接器设计/材料与连接器性能的实验性研究
1990年Eammons等人提出了一种饶有趣味的、称之为“微型系统连接器接头稳定性测试”的研究。在此研究中,种种商用的微型系统连接器,其重要的样品尺寸,会受到其所处环境即预先模拟成的工业应用环境中的那种混合流动气体的制约。在其影响下的端子阻抗的变化被作为一连接器稳定性的衡量尺度,10mΩ的变化量习惯上作为是失稳的标准。此研究涉及到许多传统设计/材料的变化及它们对连接器性能的影响这些要考虑的方面。这其中的有些资料在下面的部分会有概括。

6.8.1 孔隙率
如第三章中所讨论的,孔隙率是端子老化的潜在因素,这是由于在无遮蔽的底层金属上,其气孔处会受到气体的腐蚀。在前面研究所提及的环境下,其应该会促使气体的腐蚀就象腐蚀的迁移或蔓延那样。图6.24和6.25(说明书18中的图16和17)从两个角度表示了孔隙率和性能之间的关系。在图6.24中,孔隙率是用外观上至少含有一个气孔的样品的百分率来确定的。例如,那些图中突出显示的数据点给出的是关于孔隙率的测试,进行测试的连接器样品,将其暴露于氯蒸汽中,结果其80%的端子外观部位上至少有一气孔。关于其稳定性,连接器样品经验定显示近99%的端子其阻抗的变化小于10mΩ。这里要注意的是﹕随着孔隙率百分比的增加,稳定性会趋于减弱。一些高孔隙率百分比的样品显示,其阻抗变化均没有高出前面所说的10mΩ。此结论强调了前面关于孔隙率是一潜在的引起机构性能降低的因素的阐述。
以在每一端子上的气孔数这个角度来考虑孔隙率(如图6.25),正如我们预期的那样,其结论更是否定的。然而仍有一些多气孔的端子样品,将其暴露于混合流动气体中,其经针对于孔隙率所谓“降低”作用的严格测试,仍显示其具有良好的性能。
为什么孔隙率不像预期的那样被认为是有害的,图6.2(说明书18中的图13)中的数据给出了其一个原因。这些数据图解说明了用连接器的绝缘本体作端子接触面的屏蔽的有效性,这正如第1章所说的。关于暴露于上述测试环境中的相配合的连接器组及连接器对的半边连接器的测试数据也在此给出来了。暴露的插头其受影响下降最大,正如预期的那样,因为在多数情况下端子区域会直接地暴露于该环境中。暴露的插座其受到的影响较少,这只是由于端子深入在绝缘本体内,屏蔽效果成熟。而相配合的连接器组其具有良好的性能。换句话说,绝缘本体的设计对处于腐蚀性环境中的连接器的稳定性有重要的影响。

6.8.2 端子常态力和赫兹应力
在这篇研究中,认为端子常态力与赫兹应力是设计变量.图6.27和图6.28(Ref.18的图18和图19)对这一注意很感兴趣.当力或赫兹应力获得高的结果时,所有的参数显示性能得到了提高.不管是100g 的力还是150.000psi赫兹应力在辐照下的保护特性,但是数据并没有显示每个参数的临界结果.当认为高压力和高赫兹应力对耐久性及配合力有反面效果时,权衡和最适宜的重要性与设计参数的临界结果相比就得显而易见.这正是Ref.18结论所揭示的.

6.8.3 研究结论
引自Ref. 18,研究的结果获自于商业连接器系统的显著变化.它们不能显示性能,材料性能的传统测量与机械设计参数之间的明确关系.这不应被解释为说明,当前规范或设计操作应当修改.就是说,它的解释意味着变量之间的联系是非常复杂.挽句话说,理想上它应该是有差别的设计准则.连接器所面对的应用环境与性能要求的变化支配着设计/材料选项的独特评估与既定申请的权衡.

6.9 总结
这一章从几个独立的方面评价了一些主要的设计思绪,重点是端子常态力和形状以及它们对连接器的重要工作性能的影响,如机械稳定性、配合力、耐久性及端子保持力.有关对连接器设计的讨论及对连接器性能的实验室评估阐明了端子力、端子形状和应用要求是高度地互相影响的自然状态.连接器设计/选择要求考虑许多复杂的相互作用,对材料和设计的选择,对连接器重要工作性能如机械稳定性配合力耐久性端子保持力的权衡.这样的思绪以及对端子最小常态力要求的考虑,从而得出的网状结果可以通过重复先前的陈述作一个总结.
简单地描述,并不是简单地量化.连接器在机加工以及操作环境高温条件下,常态力要求是被保持端子接触面平直要求所决定的。
相似的注释同赫兹应力或实际上任何最适宜的端子设计/材料参数是有关系的。连接器的应用环境以及所发挥的功能会区分性能要求、设计/材料选项的重要影响、权衡特定应用的最适宜性的优先次序。

关于连接器镀层的分析

大多数电连接器使用接触镀层的原因有两个。首先保护接触弹片的基材金属不受腐蚀,其次是优化接触界面的性质,尤其是连接器的机械和电气性能。
首先应考虑腐蚀防护。大多数电连接器接触弹片是由铜合金制成,而铜合金在典型的电连接器工作环境中容易受到腐蚀,如氧化和硫化。实际上,接触镀层是用来封闭接触弹片与工作环境隔开以防止铜的腐蚀。当然,镀层材料在其工作环境里必须不被损害(至少在有害的范围内)。作为腐蚀防护重要功能的同时,优化界面是选择合适的接触镀层材料的考虑因素。
与机械性能有关的参数主要是影响镀层的耐久性、或磨损,以及配合力的因素。正如第二章所提到的,事实上这些要考虑的因素,是在相同基本效果下的两种不同的看法,即多点接触界面在相对运动过程中冷焊连接的分离。最重要的机械性能包括硬度,延展性和镀层材料的摩擦系数。所有这些性质要依镀层材料的内在性质及其所运用的工作过程而定。
电气性能的优化可从如下方面考虑,即对已经存在和即将形成的位于接触镀层表面薄膜的控制。如第一章讨论的,电连接器电气性能的一个主要需求是建立和维持稳定的连接器阻抗。为达到这个目的,需要一个金属接触界面以提供这样的固有稳定性。建立这样的接触界面需要表面薄膜能在接触配合的时候避开或分裂。这两种不同的选择明确了贵金属或稀有金属和普通金属之间的区别。
在不同程度上,贵金属镀层(如金,钯以及它们的合金)其本质对表面薄膜来说是游离的。对这些镀层来说产生界面的金属接触相对较简单,因为它仅仅需要接触表面的伴随物在配合时的移动。通常这很容易实现。为维持接触界面阻抗的稳定性,连接器设计要求应注意保持接触表面贵金属性以防止外在因素如污染物、基材金属的扩散以及接触磨损的影响。以上每个因素都将加以详细讨论。
普通金属镀层—特别是是锡或锡合金—其表面都自然覆盖有一层氧化薄膜。锡接触镀层的利用,是因为这层氧化物容易在配合时候被破坏,这样金属接触就容易被建立起来。电连接器设计的需求是能保证氧化膜在连接器配合时破裂,而在电连接器的有效期内确保接触界面不再被氧化。再氧化腐蚀,在磨损腐蚀中,是锡接触镀层最主要的性能退化机理。银接触镀层最好被当作是普通金属镀层,因为该镀层容易受到硫化物和氯化物的腐蚀。由于氧化物的形成通常也把镍镀层当作是普通金属。
本章将讨论接触镀层材料和电连接器的选择标准。在讨论材料之前先按次序讨论一下采用接触镀层的主要方法。

3.1镀层方法
有几种方法在接触镀层中得以运用。主要有三种技术:
.电镀(electrodeposition)
.喷镀(cladding)
.热浸(hot dipping)

3.1.1电镀
电镀是在连接器制造中,在接触弹片上加以镀层有最为广泛的使用方法。这里仅对其基本过程作一简要描述。更为详细的讨论可见于Durney和 Reid以及 Goldie的论述中。
典型的电镀单元如图3.1所描述。电镀是电镀液中的金属离子沉积到阴极(本图中是接触弹片),其中金属离子可来自电镀液中的可溶性阳极,以补充沉积到阴极上的金属离子。在这个简单的单元中,沉积电镀过程主要是由溶液的化学作用和阴极表面的电流分布来控制。
原则上电镀过程的现象描述是非常简单的。镀层材料如金,沉积在底层基本金属不同的点上并且在电镀过程中在镀层的表面渐渐加厚。达到一定厚度时,镀层“完全地”覆盖在底层金属的表面上。围绕“完全”这个词的引证都是为了揭示这样一个事实,即镀层覆盖的程度由基材金属的表面特性和清洁程度以及电镀过程而定。电镀过程中最普通的缺点是在镀层上有很多孔隙(pores)。这种多孔性(porosity)和它对接触性能的影响将在后面的章节中讨论。
大多数电连接器接触镀层是在不断循环往复(reel-to-reel)的过程进行以充分利用这个过程的成本效用。在本世纪七十年代和八十年代初期,大量的努力都是为了减少电连接器镀层中金的使用量,因为当时其价格高达800美元。减少金镀层的厚度(如后面章节中将讨论的,利用镍底层是可能达到的)和控制金的数量及其在接触处的位置取得了极大成功。
接触镀层电镀通常有三种类型:完全电镀(overall),局部电镀 (selective),双重电镀(duplex)。上述例子可见图3.2所示。正如所预料的,完全电镀(overall)是镀层完全覆盖在接触表面上。锡接触通常是完全镀层。对贵金属接触而言,出于对成本的考虑一般采用局部电镀(selective )或双重电镀(duplex)。在这两种情况下,贵金属是有选择性的运用于可分离性接触的末端,而此运用不同于在永久性连接或其末端中镀层的运用。选择性接触镀层有用在永久性连接上的金镀层,但镀层厚度在每一末端可能不同。双重电镀(Duplex)通常都是镀在永久性连接末端的锡或锡合金。
应当注意到电镀材料的性能,尤其是贵金属,它与相同的锻造性材料(wrought form)有很大的不同。一般来说,电镀材料更硬而延展性较差,且比锻造性材料的密度小。其变动范围与材料本身和电镀过程均有关系。

3.1.2 喷镀
喷镀是指在高压作用下以机械结合的方法将两金属接触面结合到一起。通常有三种方式:完全喷镀(overlays) ,选择喷镀(toplays) 和镶嵌喷镀(inlays)。其中完全喷镀(overlays)完全覆盖底层金属。选择喷镀(Toplays)仅仅有选择的覆盖底层金属表面的一部分。镶嵌喷镀(Inlays)是包覆金属的一种特殊情况,其接触镀层材料是有选择性的喷镀在开有沟槽的底层金属上。所开镶嵌喷镀沟槽可提供清洁的接触表面以促进结合的可靠性。连续不断的减少是为了得到条状金属以达到最终需要的厚度从而增强金属结合的压力。此外结合增强因为相互扩散过程而发生在热处理过程中。更多关于喷镀(cladding)方面的数据可见于Harlan。
镶嵌喷镀(inlay)和电镀接触镀层之间有两个主要的不同点。第一:镶嵌喷镀使用锻造材料,这样使得其接触镀层的材料性能与电镀材料的性能不一样。第二,与电镀相比其可用的材料范围更广。特别是贵金属合金如WE1(其中金69 ﹪-银25%-钯6%)以及钯60%-银40%合金作为镶嵌喷镀(inlay)材料是不能用在电镀过程中的。
锡和喷镀层或镶嵌层同样用在电连接器中,但并不总是用作接触界面。这些覆盖材料通常是在接触末端提供可焊接的表面。

3.1.3 热浸
在电连接器运用中,热浸仅用于锡和锡合金。在下面的讨论中锡包括锡合金—在大多数情况下,指锡60%-铅40%或 易熔的锡-铅合金。热浸包括将条形金属通过熔融的锡溶液使其表面镀上一层锡。其厚度控制是由不同的过程包括空气刀(air knives)及空气刷(air wipers)。典型的厚度,和厚度控制因此也由加工过程而定。
从一接触界面的透视图可以看出,热浸和镶嵌喷镀或电镀锡镀层之间最大的区别是在热浸过程中形成金属间化合物。甚至在室温下,铜-锡金属间化合物形成的同时,如果不小心热浸能产生大量金属间化合物。过多的金属间化合物不能提供可接受的接触性能且对接触的可焊接性能产生负面影响。   在热浸的时候将会产生金属间的厚度,为确保接触表面是事实上是锡而非金属间化合物,必须小心控制热浸过程中金属间化合物产生的厚度。

3.1.4 总结
采用三种方法将会在接触镀层的性能上产生不同的特性。电镀镀层通常比喷镀镀层更硬而延展性更差,很接近锻造材料的性能。热浸镀层仅限用于锡和锡合金。

3.2 接触镀层材料
接触镀层将分两类进行讨论,贵金属镀层和普通金属镀层。贵金属镀层包括金和钯及其合金材料。普通金属镀层包括锡和锡合金,银和镍。本节的讨论从贵金属镀层开始。

3.2.1贵重接触镀层
贵金属接触镀层是一种系统,其中每个组件执行复杂的功能。为了理解对接触镀层的需求,必须理解组件间的相互作用。
贵金属接触镀层包括涂在底层,通常是镍表面的贵金属表层。贵金属表层厚度一般在0.4至1.0微米之间而其镍底层厚度一般在0.8至2.5微米之间。现在也开始使用厚度小于0.1微米的金镀层。如上所述,贵金属表层的作用是提供一(film free)金属接触界面以确保所需要的金属接触界面。镍底层是用于防止贵金属表层大量的潜在性结构退化(potential degradation mechanisms),有些退化机理是源于接触弹片的基材金属,同时其它退化机理则是因为工作环境的影响。镍底层的这些保护功能将在后节详细讨论。如前所述,最常用的贵金属接触镀层材料是金、钯或其合金。
金.金是一种理想的接触镀层材料,它不但具有相当优良的导电性能和导热性能,而且几乎在任何环境中,都有良好的抗腐蚀性。因为这些特性,金在要求高可靠性电连接器的使用中经常采用。但是金非常昂贵,因为该原因要考虑可替换的材料。关于金的替换性材料将在以后讨论。
金合金.金合金保持了纯金的许多特性同时其价格却比纯金低的多。金合金的运用已得到了各种各样的成功。成功的程度依赖于其熔合剂(alloying agent)的特性及电连接器预期的工作条件。合金处理将提高金的电阻系数及硬度和降低金的导热性及抗腐蚀力。其总的效果(net effect)是电阻有微小的升高但在环境稳定性方面却有潜在的重要降低。金硬度的提高使接触镀层的耐久性有了提高,但是,金合金的性能在一定范围的运用上可以接受的,所以它们不断地被利用。Western Electric 发明的金合金WE1,是一种69%金—25%银—6%铂的镶嵌喷镀镀层。
钯.钯也是一种贵金属但是,除了硬度以外,其与上面所述的金的许多重要特性都不相同。与金相比,钯有较高的电阻率,较低的导热率,以及较差的抗腐蚀能力。除了活泼性,钯还是聚合体形成的催化剂(catalyst),在有机水汽存在时,浓缩的有机水汽(organic vapors)通过摩擦运动集合在钯表面。这样的摩擦聚合体或棕色粉末(brown powder)会导致接触阻抗增加。钯的硬度比金要高,因此提高了钯接触镀层的耐久性。钯还有价格上的优势所以已大量用于电连接器,尤其是柱状端子(post)。但是大多数情况,钯的表面还要镀一层厚度大约为0.1微米的金(a gold flash)。Whitley ,Wei 和 Krumbein对用金钯镀层代替金镀层进行了讨论。
钯合金.有两种钯合金运用在电连接器上。第一,80%钯—20%镍的钯镍合金,一种可电镀合金,通常其表面也要镀一层薄金。第二,60%钯—40%银的钯银合金,它既用作接触镀层金属也用作底层金属,其表面通常也镀一层薄纯金,钯银合金是一种镶嵌喷镀材料。
合金处理对接触阻抗的影响.合金通过两种方式影响接触阻抗。首先,它改变了接触阻抗的初始值。其次更重要的是,它改变了环境中的稳定性(environmental stability)。下面的数据说明了这一点。软金,硬金(金—钴0.1),钯,80%金—20%钯金钯合金及80%钯—20%镍的钯镍合金等接触镀层金属在“可接受条件(as-received)”下其接触阻抗随接触压力的变化数据(如图3.3所示)以及加热到250度在空气中保持16小时后的变化数据(如图3.4所示)。
首先分析可接受条件下图3.3中的数据。所有上述材料在接触压力作用下具有近似的接触阻抗。该条件下这些材料的硬度、导电率及耐腐蚀性等方面差异都不明显。在100克力作用下(典型的电连接器接触压力值),接触阻抗大约在0.6至2.0毫欧之间变化。尽管这些变化是很明显的,但所有这些数值对大多数电信连接器的运用而言都是可接受的。加热后的数据(图3.4所示)则显然不同。
软金、金钯合金及钯几乎不受温度影响。这些材料几乎不形成氧化物或者没有形成氧化物的倾向。实际上,在温度辐射降低硬度(H)和电阻系数(ρ)过程中由于退火(annealing),阻抗值只有轻微的下降。硬度和电阻系数的下降对接触阻抗的影响可以从公式2.9得知,将其重新整理为公式(3.1):
Rc=kρ(H/Fn)1/2         (3.1)
但钯镍合金及硬金却表现出与之不同的特性,接触阻抗显著增加。在这两种情况下,接触阻抗的增加是因为表面氧化膜的形成。钯镍合金生成氧化物是因为合金中20%的镍。硬金中氧化物的生成则是由于钴硬化剂。钴很容易生成氧化物,甚至钴的含量很低(大约0.1%),加热到250度很快会生成氧化物。氧化物快速生成的机理是钴元素在金中的扩散。由于钴原子随机分布在金原子矩阵中,无论何时钴原子到达表面,它很快就被氧化并附着在合金表面。最终表面钴的浓度远远高于其内部0.1%的名义含量值,钴氧化膜即导致接触阻抗的显著升高。因为该原因,钯合金很少用在温度高于125度的环境中。
这个简单的实验清楚表明了贵金属合金一个潜在的危险。金钯合金没有出现大的影响,如将要说明的,因为钯也是或相对而言也是一种贵金属。但金镍合金,因为镍强烈的氧化倾向,是一种非常不同的情况。合金的成份—特别是基材金属成份—在反应性环境(reactive environments)中对接触阻抗性能有很大的影响。
合成贵金属接触镀层.合成贵金属接触镀层包括一厚度为0.1微米(on the order of 0.1μm in thickness)薄金层,及覆盖的以降低在腐蚀性环境中合金表面活性的反应性表面。在电连接器上,通常在钯或钯合金表面覆盖一层薄金。金表面保持了金的贵金属特性的优点。钯或钯合金作为一种贵金属底层材料,其提供了大部分镀层的指定厚度。这些利用80%钯—20%镍的钯镍合金及60%钯—40%银的钯银合金的金属底层,由于与金相比钯或钯合金的价格低廉,其在电连接器上运用正在上升。

.小结.
总的来说,对贵金属接触镀层而言,有必要保持镀层金属的贵金属特性以防止外来因素对镀层的腐蚀。如孔隙腐蚀,暴露基材金属边缘或磨痕的腐蚀,以及腐蚀的蔓延等。镍底层对减少这些腐蚀的可能性是很重要的。另外,镍底层提高了贵金属接触镀层的耐久性。注意到两件式电连接器的接触镀层,尤其是印制电路板上用于配合卡边缘电连接器的衬垫,应具有相当的性能。

3.2.2 普通金属镀层
普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于它们的表面通常存在表面膜。既然建立并保持金属接触界面是电连接器设计的一个目标,必须要考虑这些膜的存在。对普通金属镀层设计要求是保证配合时膜的移动和阻止以后膜的形成,主要通过它们确保接触界面的稳定性。接触正压力与接触几何形状,同电连接器配合时的插拔一样,对含有膜的接触表面也非常重要。
将讨论三种普通金属接触镀层:锡,银和镍。锡是最常用的普通金属镀层。银镀层有利于高电流接触。镍所知道的是限于作为高温接触镀层。如前面所讨论的,镍作为贵金属镀层的底层非常重要。
锡及锡铅合金镀层.本章中,词‘锡’的运用打算包括广泛运用在可分离接触界面的93%锡—7%铅合金。第二种合金,60%锡—40%铅,主要用于焊接连接,本节将不作讨论。
如第二章所讨论的,锡作为可分离接触界面的运用源于锡表面大量氧化膜在电连接器配合时可能会移动(displaced)。这种移动是困为锡与锡氧化物的硬度相差很大。
但是,连接器的运用过程中锡表面的再氧化是锡镀层的主要退化机理。该机理,后面将要讨论的,通常称作摩损腐蚀。
银接触镀层.银因为跟硫和氯反应产生表面膜而被作为普通金属。硫化膜如果不破裂能在银接触时产生二极管的功能效果。电话机收发过程中的继电器运用(relay applications in telephony)会受到这种影响而致使银作为接触镀层的名声很坏。但是应该注意到,这些运用都是低插拔或者无插拔(low-or non-wiping),从而使接触界面对氧化膜非常敏感。电连接器配合时的插拔可减小这种敏感性。
银的另一个特性限制了它的使用。它能够移到接触表面致使接触间或印制电路板的衬垫产间发生短路(shorts)。Krumbein对移动过程提出了总的看法。
尽管银的两个性质,硫化物及移动,限制了银作为接触镀层的运用,但是如上所述,这种问题只是产生在继电器(尤其是无插拔继电器)而不是电连接器的运用上。
典型的银镀层厚度从3μm到8μm。通常,与相同厚度的金相比,银相对软一些(knoop 100),这也与它作为接触镀层的耐久性相对应。银表面的硫化膜也非常软且容易破裂。注意到因为硫化物的形成银不会经受磨损腐蚀是很重要的。氯化物与普通化合物不同其移动更加困难,因为氯化膜更硬且更粘附。包括硫化物与氯化物的腐蚀物的混合型膜可在有些环境里形成,这些膜非常坚固。但是在大多数条件下,银表面膜通过配合时的摩擦容易破裂。
银具有优良的导电性与导热性及高电流时的抗冷焊力。这些特性使得银成为优良的高电流接触的可选材料,在这些运用中应该考虑银接触镀层。
镍接触镀层.镍镀层因其表面紧帖的坚硬的氧化物而属于普通金属。镍表面氧化物可以被破坏,但是需要很大压力,因为镍氧化物的厚度具有自我限制特性(大约为100纳米),施加不到1伏的电压即能电解。利用镍的这种性能其可作为电极(battery contact material)。同锡相似,镍也非常易受磨损腐蚀。

3.3 选择可分离接触界面的接触镀层的考虑
基于镀层材料性能总的简要看法,本讨论选择性考虑电连接器上的贵金属镀层与普通金属镀层。膜处理,配合时表面膜的破坏以及避免以后膜的形成,对两种不同镀层的要求是不同的。对贵金属而言,保持其贵金属性以防止裸露的基材金属受到腐蚀正是我们所需要的。从这个目的上来说作为底层的镍的作用十分重要。而对锡镀层而言,防止磨损腐蚀则是首要的。

3.3.1 贵金属接触镀层系统的设计考虑
接触表面被履贵金属的存在,本身并不能保证a film-free 表面。为防止能够达到接触表面的接触弹片基材金属的蔓延,金属镀层必须连续并且有足够的厚度。贵金属镀层的中断能导致基材金属裸露部位的腐蚀。镀层中断可因整个制造和镀层过程的不同原因而产生。多孔性(porosity)已经提到,接触镀层磨损是基材金属裸露的另一原因。当然,多孔性与磨损非常不同,多孔性是制造问题而磨损则涉及到运用。无论是多孔性还是磨损原因,基材金属的裸露是令人担忧的(of concern),因为裸露的基材金属在典型电连接器的工作环境中可能受到腐蚀。接触弹片材料的基材金属成份蔓延到金接触表面能产生表面膜。正如将讨论到的,减少基材金属腐蚀的可能性是镍底层的功能之一。
进一步详细考虑多孔性。在电镀过程的讨论中,多孔性被描述为产生于电镀金属的运动(kinetics)。对金镀层而言,典型的多孔性对镀层厚度的曲线如图3.5所示。当然,这些曲线的形状及厚度同电镀金属特性及运用一样依赖于端子加工过程。图3.5说明了为什么电镀贵金属接触镀层厚度一般从0.4到1.0微米的一个原因,镀层厚度小于0.4微米,孔数增加很快。而镀层厚度大于1微米,孔数很少,从运用观点来看,其降低比率是微不足道的。
不必担心孔隙的存在,因为孔隙的位置不会实质性影响金属对金属接触面的产生。担心的是如果孔隙暴露了基材金属可能在孔的位置产生腐蚀。图3.6对该腐蚀机理作了阐明。腐蚀物可充满整个孔隙而且,更重要的是,如图示的那样,腐蚀物可从孔隙的位置移到镀层的表面。随着腐蚀物延伸到镀层表面,如果端子接近另一端子,例如相互摩擦,很可能干扰接触界面的形成或减少既定接触界面的接触面积。
多孔性对电连接器性能的影响是有争论的。根据刚才所述的机理,孔隙腐蚀可导致接触阻抗的升高,但多孔标准及其工作环境的相互作用决定该性能的退化速度和退化程度。镍底层对减少孔隙腐蚀可能性的作用将在后节讨论。正如所预料的那样,对处于混合流动气体环境中小体系电连接器的重要研究显示了电连接器性能随多孔性的退化趋势。但是并没有一个临界孔数标准。有许多高多孔性产品在预测最容易退化的环境里表现出良好的性能。后面将研究的电连接器中孔隙位置及其基座的屏蔽效果可以解释这种现象。
接触镀层的磨损,如所提到的,也可能导致基材金属的裸露。接触镀层的抵抗力,或耐久性决定于许多因素。包括:
.接触正压力
.配合间距
.接触几何形状
.磨损机理
.接触镀层
为了本讨论,我们仅考虑接触镀层的影响。其它因素对电连接器耐久性的影响将在第六章讨论。
影响接触磨损或耐久性的三个镀层特性是:
(1)镀层材料的硬度;
(2)镀层材料的摩擦系数;
(3)镀层厚度。
随硬度的增大和摩擦系数的减少,在其它所列因素的联合作用下镀层的耐久性将会提高。耐久性也会因镀层厚度的增加而提高。同厚度对多孔性的影响一样,为既定的运用选择适当的镀层厚度也会影响接触磨损或耐久性。至于材料的特性,须首先考虑硬度的影响。
电镀的接触金镀层通常是硬金(hard gold),即金镀层包含有硬化剂(hardening agent)。从根据Antler改编的图3.7,可以看出与软金(soft gold)或纯金相比,硬金耐久性有了提高。但是,通过使用镍底层,电连接器的耐久性有了更大提高。
钴是最普通的硬化剂,但镍也是很有效的。正如前面所讨论的,硬化剂的可能负面影响包括提高了腐蚀敏感性,降低了导电性与导热性及镀层的延展性。
因硬化剂导致的延展性的降低也能影响电连接器耐久性能。两种影响应同时加以考虑。延展性的降低能减少在既定压力下接触面积的增加,从而减少了粘附性磨损。但延展性降低能通过提高镀层破碎及促进研磨性磨损而增加磨损。
镀层的缺点,无论是多孔性还是磨损,因为它们位于可能发生腐蚀的裸露基材金属上,是令人担忧(of concern)的。如所提到的,镍底层对减少这些腐蚀非常重要,下面将要讨论到。
贵金属镀层中镍底层的功能․ 贵金属接触镀层系统中镍具有以下几方面优点:
.减少孔隙及缺陷位置的腐蚀(pore and defect sites)
.阻止腐蚀的移动
.减少基材金属成份的蔓延
.增加延展性
我们将分别讨论每个优点。
多孔性.图3.8基本表明了镍在减少孔及缺陷位置发生腐蚀的可能性与效果。该图也包括图3.6图示的没有镍底层的孔隙腐蚀说明。两者间最重要的区别在于在孔位置处的裸露的镍将形成可有效密封腐蚀孔隙的氧化膜。镍氧化膜的厚度是有限制的,典型为的100纳米,没有填满孔隙,更重要的是没有移动。类似的效果在缺陷位置包括磨痕也会产生。这种孔密封机理的效果在高浓度氯的环境中因为降低了氯对镍氧化物的影响就已经提出。但是,氯浓缩的必要性并没有很好明确。在这些环境中广泛的测试表明镍底层对很大范围的电连接器产品的优点。
图3.9显示了孔隙腐蚀对置于模拟工业暴露环境的流动的混合气体(flowing mixed gas FMG)测试环境中金镀层片(coupon)的影响。测试环境由十亿分之几数量级(parts-per-billion)的氯,氢硫和氮的氧化物组成为主要污染物,加上温度为25度的潮湿(湿度为75%)空气。在孔隙周围出现环状腐蚀,结果腐蚀物出现图3.6所示的腐蚀移动。这些腐蚀物的存在,当它们蔓延到接触表面时,对接触阻抗有很大的影响。
来自于Geckle的图3.10,提供了一些有关腐蚀物移动过程特性的实例。这些数据来自暴露在上段所述FMG环境中的金/钯/镍/铜合金镀层片,各层厚度分别为0.1、1.5、2.5微米。位于图中间的缩微照片显示了孔隙以及孔隙周围的环状腐蚀物。图上面一系列X—光线图显示了孔隙通过所有层的延伸。因为金、钯和镍层中信号的缺少及没有缺少的强烈的铜信号,孔隙的存在是显而易见的。裸露的铜是腐蚀物产生的根源。显示了主要腐蚀种类(major corrosion species)位置的更低的X—光线图,暗示了氧气主要停留在孔隙位置,氯可以轻微地移动,但硫腐蚀物明确局限于环状腐蚀物范围内。移动种类(species)明显包括铜/硫腐蚀物。
腐蚀移动.图3.11表明了一种评估腐蚀移动的实验方法。在这种情形下的五种不同系统,自镀有有益接触镀层系统的铜合金片(coupon)冲制(stamped)一圆盘形状。冲制过程产生暴露的基材金属边缘,其在FMG暴露环境为可腐蚀位置,暴露后的腐蚀移动大致与上述描述相同。图中插入的数据提供了暴露在FMG环境一定时间后腐蚀移动距离的实验性数据。该数据揭示了两种所关心的效果。
第一,注意到金表面腐蚀物的移动距离比钯大,依次,钯表面腐蚀物的移动距离比镍大。
第二,镍底层将金和钯镀层腐蚀物的移动距离减少了一半。
这两种效果可以根据腐蚀物移动的运动学,以一种简单但又关联的方式加以简明。基本的假设是腐蚀物在光洁表面扩散得很快,这种现象可能是因为表面张力的影响,类似于湿润现象。腐蚀物在表面自由扩散以至于超出表面膜。光洁金表面不会产生氧化膜。钯是一种催化剂(catalytic)材料,易于在其表面形成一层有机薄膜,且在测试环境里是反应性的(reactive),这一点将在后面章节讨论。在测试的暴露环境里(in the test exposure),钯表面很容易形成氧化膜。镍,正如所提到的,也会形成一层表面氧化膜。在已知假设下,腐蚀物的移动符合数据所显示的模式,腐蚀物在金表面扩散得最迅速,钯次之,镍最慢,这就解释了上述所观察到的在三种镀层金属上腐蚀物具有不同的扩散速度的原因。
第二次观察,镍底层上腐蚀物的移动距离仅为金底层的一半,是因为镍阻碍了腐蚀物的扩散。在这种情况下,镍底层就象铜合金与贵金属镀层之间的栅栏。虽然镍能够阻碍腐蚀物的扩散,但由于镍层仅有几微米厚,腐蚀物很容易穿透镍层在金或钯镀层表面更快地扩散,在图3.11所示特定的测试条件下,可以想象镍底层的阻碍效果大约只有测试暴露环境的一半,这是简单的但基本正确的对实验数据的解释。
图3.12显示了在与图3.11采用的数据类似的测试暴露环境里腐蚀物在镀有金∕镍∕磷青铜镀层金属的冲制圆盘上的扩散。外边缘的膜非常厚,且其扩散距离减少。表面上的亮点为探测点,其上接触阻抗的测量以金作为探针,在边缘位置,其阻抗值大于2奥姆,试验预设的极限值成立。如图3.13显示的只有在接近底层中心时,才会出现毫欧级的阻抗值。
镍作为阻碍腐蚀物扩散对接触界面的正面(barrier normal to)效果明显受限于底层的厚度。但是,其侧 面的阻碍(lateral barrier)是非常有效的。图3.14提供了一个实例,所示端子完全镀镍且在其接触面上局部(selective)镀金。接触下部(the lower contact)也得到附加的薄金(gold flash)镀层(通常为0.1微米)。将端子置于同样的工业环境中。薄金镀层表面更有利于腐蚀物的扩散。当考虑到收容端子于基座(housing)的保留飞边结构(the retention lance )的腐蚀区域是冲压产生的形状,这就是显而易见的(this is obvious when considering the corrosion around the area where the retention lance that holds the contact in the housing is stamped)。冲压成形区域的镀层金属覆盖范围(plating coverage in the stamped area)不完全是因为冲压过程中剪断处(shear-break)的粗糙度和这些凹陷处(recesses)不能被有效电镀。这些区域镀层金属的欠缺导致基材金属(铜合金)裸露,从而成为腐蚀源。腐蚀物在薄金接触面很快地移动而它们在全部镍镀层表面的移动是受限制的。该图表明当镍在腐蚀物移动方向上有足够的延伸时,它能够有效地防止腐蚀物扩散。
扩散.镍底层阻碍扩散的有效性可通过图3.15中的数据加以说明,该图显示了铜通过金,钯,银和镍镀层的相对扩散。同金或钯相比,通过一定量或更多的减少可以看出镍是一种有效的防铜扩散金属。相似的情况发生其它典型基材金属成份如锌和钡上。通过这种方式,镍有效的防止基材金属成份扩散到接触表面,在该表面基材金属成份可与其运用环境中的各种腐蚀起反应。
耐久性.镍也能改善贵金属接触镀层的耐久性。对金镀层的影响将被表明,但相似的影响也发生在别的贵金属镀层上。根据Antler改编的图3.16,表明了直接镀有2.0um厚钴—金合金接触镀层的铜和铍铜底层的耐久性典线。应该注意到检测样品包括平面取样片(flat coupons)和半球形附件(rider)。这些数据仅与几何形状有关而并不代表电连接器接触界面的典型数值。但这些数据的趋势与连接器的耐久性有关。
耐久性可用一磨损(wear)指标,即一种作为通过次数函数的基材金属暴露总数的度量(耐久周期(durability cycles))来评估。耐久性指标为50意味着出现的(showed)磨痕(track)有50%裸露了基材金属。注意到铜基材的金镀层耐久性明显低于铍铜基材的金镀层。这种结果是由于铍铜比铜更硬。更硬的底层金属能够提供支持层来增加镀层的有效硬度,并由此而降低了在既定压力下的接触面积。因为磨损与接触点的破裂有关,正如第二章所讨论过的,接触面积的减少会导致磨损降低。
镀镍底层可提供一个比铍铜更硬的支持层,所以可以预测其耐久性有进一步提高。图3.17证实了这种预测,显示了磨损指针对镀有钴金合金的铜的配合周期次数随不同厚度的镀镍底层的变化。随镍底层厚度的增加,耐久性立即提高。

.总结.
在这里,镍作为底层的优点概述如下:
‧镍通过其非活性氧化物表面,封闭基本孔隙位置,从而减少孔隙腐蚀的可能性。
‧镍在贵金属接触镀层下面提供了一层坚硬的支持层可提高耐久性。
‧镍可有效地阻碍基材金属成份迁移到接触表面,当基材金属迁移到接触表面时,会与操作环境发生反应。
‧镍也可有效地阻止基材金属腐蚀物的移动。
前三个优点是在金镀层变薄的同时保持相等的或是改良的性能。多孔性的影响已经减轻,贵金属不再用作阻碍腐蚀物移动,并且耐久性有了提高。  最后一个优点是减少形成于其它地方、移动到接触界面并导致接触阻抗增加的腐蚀物的可能性。
这种特性(nature)的考虑突出了连接器镀层被作为系统来考虑的事实。镀层不同成分间的相互作用能强烈影响镀层性能。本讨论为下一节存在数据的解释提供了一个背景。
贵金属接触镀层系统的环境性能 本节将描述在模拟工业暴露环境的FMG测试环境里贵金属接触镀层系统的腐蚀现象。被评估的镀层系统包括:
‧0.75金(钴)/1.25镍/铜
‧1.8钯/1.25镍/磷青铜(PB)
‧1.8钯(80)-镍(20)/1.25镍/PB
0.1金/1.8钯/1.25镍/PB
上述厚度单位都是um。底层金属的不同只能影响最初的接触阻抗的大小而不可能影响在暴露环境下接触阻抗的变化。
图3.18显示了在可接受条件(as-received)下如预先暴露于FMG环境,前三个系统(first three systems)接触阻抗对接触压力的数据曲线。使用软金探测参考,该图表明了九个探测点的数据分布。探测模式可以是随机性的或是有选择性的。在随机探测中,系统扫描表面,自动在九个随机点上探测。在选择性探测中,探测员(probe operator)降低探针,以便避开孔隙腐蚀位置并尽可能减少任何孔隙腐蚀或者腐蚀移动对接触阻抗的影响。在选择性探测模式中,可以评价镀层本身原有的腐蚀反应性。图3.18中的数据是随机探测获得的。注意到在100克力的接触正压力下,三个系统所产生的接触阻抗都在1mΩ的范围里。
图3.19表明了在同一模式下,暴露于FMG环境里48小时后得到的数据。孔隙腐蚀和腐蚀移动的影响明显表现在金与钯的数据上。得到的数据与在可接受条件(as—received)下得到的数据相比,有些数据没有显出变化,但是许多探测点已经明显受到腐蚀物的影响。在不插拔(non-wiping) 载荷的探测系统里,需要高压力来破裂腐蚀物。然而,钯-镍合金的数据则不同,取代两种模式下的阻抗数据,其同时有一个向上的移动和阻抗分布范围的变宽。这是表面膜的典型现象。
这种解释被暴露100小时后得到的数据所证实,如图3.20所示。金镀层数据仍显示了两种退化(degradation)模式。在这种情况下,钯的数据则显示了一种高水平的孔隙腐蚀。钯-镍数据继续有一向上的移动和数据分布范围的变宽。
图3.21绘制了作为接触压力函数的钯-镍合金九个调查点接触平均阻抗的曲线。图表清楚的表明平均接触阻抗随暴露点的升高。钯(80%)-镍(20%)合金性能不象是贵金属,却象是基材金属,这也就不奇怪在合金中加入20%的作为基材金属镍金属。图3.4显示合金暴露在空气中有相似效果。
图3.22包含的数据是测量了金和钯接触镀层经过相同的FMG环境后得到的。注意到到金的数据几乎不随时间变化。而另一方面,钯的数据显示了增大的变化和扩大的分布,尽管其比钯-镍合金的变化范围要小很多。钯则显示了对测试环境的反应。
这些数据表明了为什么在大多数情况下钯和钯-镍合金镀层要与一个薄的金镀层-约几十个微米的金,配合使用。从图3.23中可清楚看到,钯外面的金薄层对FMG环境下腐蚀的作用是很有效的。接触阻抗的大小和分布表明暴露在MFG测试条件下48或100小时几乎没有变化。当金覆盖在钯-镍合金上时也会出现类似的情况。
但是,应该注意到金薄层厚度可能不会完全覆盖钯的表面,所以薄膜效应就可能产生。这种可能性对镀有薄金层的钯-镍合金更有意义,因为其更有活性。此外金的缺失例如经过磨损腐蚀,将会导致其下层的钯的暴露。换句话说,覆盖有金薄层的钯和钯-镍合金容易受到机械磨损腐蚀退化的影响。对钯而言,摩擦聚合物的形成是其退化的主要机理。对钯-镍合金而言,经过氧化过程的腐蚀将会出现。
总而言之,环境测试结果表明,这三种镀层对环境固有稳定性按其减少的顺序为:金,钯和钯(80%)-镍(20%)合金。基本钯镀层外的金薄层可有效的减少这种变动。此外在连接器应用中这种固有稳定性的差别会通过三种作用得到控制。
第一,遮蔽此类环境下接触界面的连接器塑料本体的作用,有效的增加了相互配合的连接器对环境的稳定性。环境遮蔽的效果取决于塑料本体的设计。封闭式塑料本体将明显比开放式更有效,尽管卡缘塑料本体可提供如第一章所述的保护。
第二,如数据所示,与在连接器镀层中一样,电镀过程中的多孔性对其受腐蚀可能性有很大影响。钯和钯-镍合金镀层的电镀经验表明钯和钯-镍镀层的多孔性通常会比金镀层的低。这种作用减少了其固有稳定性的变化差异。
第三,受到腐蚀的可能性取决于其应用的环境。在典型的办公室环境下,仅有较少的硫和氯,实验表明腐蚀蔓延极小且孔隙腐蚀也同样减少。
这些考虑的因素减少了固有受腐蚀性差别的意义。在更多的腐蚀环境下,尤其是含有高浓度的硫和氯的时候,选择接触镀层时就应当考虑金所天然具有的贵金属性优点。
贵金属镀层系统中的耐久性考虑‧选择接触镀层另一个要考虑的因素是镀层的耐久性。在此情况下,经验表明其性能的顺序与在环境中相反,至少存在金薄层时是这样的。镀金的钯-镍合金比镀金的钯的耐久性高,而接下来镀金的钯比金要高。这种趋势被认为与镀层硬度有关。硬金的Knoop硬度为200,而钯和钯-镍合金的Knoop硬度为400或500。
以上关于金镀层的合格性解释非常重要,经验也表明由于钯和钯-镍合金镀层比金硬度更高而延展性更低,所以容易产生灾难性的易碎的破片结构。

3.3.2普通金属接触镀层的设计考虑因素
锡(包括锡铅合金),银及镍被是用在连接器上的重要普通镀层材料。三者中,锡代表了大量应用的普通金属镀层,因此本节主集中对锡镀层进行讨论。
普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于:普通金属接触镀层的设计考虑包括配合时普通金属接触镀层表面固有氧化膜的破裂/移动以及防止氧化膜的再生成。本节先讨论锡接触镀层表面膜的破裂,接下来讨论锡镀层的退化机理,磨损腐蚀。
锡镀层接触界面的形成,回顾前面所述,锡用作接触镀层源自于:其固有的氧化膜在连接器的配合中通过接触表面的机械变形能够破裂和移动。因此原有的锡氧化物在连接器插接过程中将因机械毁损而被挤破和取代。重新利用图2.16作为图3.24来引证表面氧化物破裂的机理。又薄又硬又脆的锡氧化物在负载下容易破裂。载荷传到锡镀层,由于其硬度小、延展性好而易于流动。氧化物裂缝变宽,里层的锡从裂缝中挤出来形成所需要的金属接触界面。然而不幸的是,锡表面的再氧化导致了锡镀层的主要退化机理:磨损腐蚀。
磨损腐蚀‧图3.25说明了磨损腐蚀机理。图3.25a描述了包括裂缝、破碎的氧化物和从裂缝间挤出的锡接触区 域的原始接触界面。图3.25b显示了接触区域移到新的位置例如在机械干扰作用下。新的接触界面是通过相同的破碎机理形成的。然而,先前接触区域暴露的锡被再氧化。如果这些动作重复进行,也就是说,如果镀层系统慢慢被磨损(图3.25c),暴露的锡(摩擦腐蚀的腐蚀部分)连续不断的再氧化导致在接触界面形成一层氧化碎片(debris)(图3.25d)。这些碎片将导致接触阻抗的增加甚至露出电路。引起接触阻抗不可接受的增加必要的磨损循环次数取决于许多因素,包括运动方式和磨损距离(length)。对转化运动而言(translational movement),磨损运动只要移动几个到几十个微米单位的距离就足够产生磨损腐蚀。腐蚀磨损率依赖于磨损距离。磨损退化率依赖于磨损运动距离(length),因为氧化碎片必须经过磨损距离上的累积。大位移运动有效地将锡氧化物推到运动轫迹的尽头。同样原因,摆动(rocking)或转动能加快磨损,因为碎片相对比较集中。
对锡而言,产生不可接受的接触阻抗之前的磨损循环次数已经可以从几百到几万。镍在磨损次数和接触阻抗增加方面与锡很相似。Bare和Graham报告了没有镀金的钯和钯镍合金镀层经过几万次循环之后的磨损情况。他们还报告了镀金的钯和钯镍合金镀层经过几十万次循环之后的稳定性能。
如果存在不同的热膨胀,这是连接器经常发生的情况,磨损运动可通过机械干扰或热循环产生。考虑一下装置于印制电路板(PWB)的连接器。印制电路板,接触弹片与连接器绝缘本体有不同的热膨胀系数。由于热膨胀不同(mismatch)产生的接触界面压力取决于其不同的大小,温度变化,及连接器的长度(length)。热膨胀不同是连接器磨损运动最主要的来源。
图3.26显示了磨损腐蚀(因转动而引起)发生后的锡接触表面。图标黑点表示锡表面典型磨损腐蚀区域。图3.27显示了磨损点的交错区。图中可以清楚看到压损的锡和锡氧化物碎片。
图3.28显示了磨损腐蚀与增加接触阻抗之间的联系。图3.28的曲线通过缩微照片所显示的腐蚀点的接触阻抗的变化。一张氧气穿过腐蚀点的放大电子显微线迭加到缩微照片上,氧,表现为氧化物与接触电阻的关系非常清楚。
假如磨损腐蚀是锡接触镀层主要的退化机理,那么如何才能有效地防止或减缓这种退化呢?下面将讨论这个问题。
磨损腐蚀的防止‧预防磨损腐蚀主要有两种方法。第一种,也是最常用的方法是利用高正压力。这些正压力提供接触界面较大的摩擦力以防止磨损运动。然而,增加正压力有一个极限。当正压力增加时,连接器插拔力和耐久性都将受到相反的影响。锡因为比较软,有一极限耐久性且由于高摩擦系数—通常为0.7而表现出高插拔力,相对而言金的摩擦系数仅为0.3。
第二种,利用预防磨损腐蚀接触润滑。图3.29说明了使用预防磨损接触润滑的功效。显示的数据来自一个因热膨胀不同而导致的磨损运动的试验容器。热循环温度介于55到60度之间。升温是用来加速氧化和润滑的退化。在这些条件下,产生的运动位移大约为80微米,这是好的磨损距离。
“干锡”—干凈的锡表面—的测试数据显示测试系统对产生磨损腐蚀有影响。它同时也表明磨损腐蚀可能是非常快的退化机理。在循环磨损数千次后,接触阻抗按二次方的增长速度增加。此外矿物石油润滑剂的测试数据也被列举出来。 矿物石油润滑剂最初很有效,但是最终仍产生磨损腐蚀。该缺点与环境中的保护无关而与矿物石油本身有关。矿物石油的结构在温度升高时从接触界面流走并且挥发/退化。密封作用消失,摩擦磨损开始。涂有防磨损润滑的接触的数据显示在摩擦循环数千次后表现了很好的抗磨损性能。经过数百次的循环摩擦之后接触阻抗的下降是因为接触界面被磨光而增加了接触面积。
应该注意到除了摩擦腐蚀外,因为锡表面固有的氧化物的保护特性,锡接触镀层还提供了良好的环境稳定性。锡镀层在引起贵金属镀层腐蚀的FMG环境中表现出很好的性能。当磨损腐蚀可以防止(通过高的正压力来防止磨损,或者通过有效的接触润滑来防止氧化腐蚀)时,锡镀层在变化的工作环境和很宽的电流和电压范围内能提供稳定的接触阻抗。
锡铅合金,连接器中主要利用下面两种锡铅合金:含锡铅(93/7)合金和锡铅(60/40)合金(或者63/37,共熔焊剂成份)。 锡铅(93/7)合金可用作可分离性连接和永久性连接,但锡铅(60/40)合金用作可软焊(solderable)连接。考虑成本和性能两方面的因素而使用低铅合金。在锡中加入铅可防止锡须(tin whiskers)的形成, 锡须是电镀过程中固有压力作用下形成的细小而单一的水晶状生成物。锡须直接或通过切断和短路其它部件而导致连接器的短路(shorting)问题。用于可分离接触界面的锡镀层厚度介于2.5到4微米之间,取决于其应用的方式。
60/40合金或63/37合金的应用厚度介于1到6微米之间,取决于焊接过程。因为这些合金的硬度低,易蔓延性且增加了复杂的铅腐蚀物,所以它们一般不用于可分离接触界面。

3.3.3 接触镀层的其它设计考虑
接触镀层其它设计考虑有两种,两种考虑在一定程度上已经讨论过,尤其是对优点的详细讨论。即底层与接触润滑的应用。
底层‧两种主要使用的电连接器底层材料是铜和镍。如所讨论过的,镍的主要作用是作为贵金属接触镀层的底层以保持表面镀层的贵金属特性。铜,作为贵金属镀层的底层不能提供相同的功能。如所讨论的,铜是一种腐蚀源,铜蔓延能导致接触表面的退化。铜在提高接触镀层耐久性方面也不如镍有效。尽管存在这些限制,在不可接受镍底层磁性的应用中铜仍然用作底层。
镍底层的第二个重要作用与永久性连接有关,保证可焊性--特别是为可软焊产品提供一种活性(a shelf life)。保持可焊性将详细讨论。
成功的焊接需要锡焊剂(tin of the solder)与基材金属衬底(base metal substrate)成份间产生金属间化合物。因为铜和镍与锡形成金属间化合物适合于焊接,因而作为底层以保持可焊性。保持可焊性的全部镀层系统包括底层和锡,金或钯表面涂层(coating)。不同系统分别有不同的保持可焊性机理。
涂锡或焊剂的表面是可熔的(fusible)。锡涂层在焊接过程中熔化并渗入到衬底表面产生的金属间化合物中。比较而言,金涂层表面是可溶解的(soluble),这意味着金完全溶解在焊剂里,金属间化合物在裸露的底层形成。金涂层实质是保护了底层的可焊性。钯在熔剂里溶解则慢得多,焊剂的结合通常是与钯形成。
焊剂(solder coatings)在保持其可焊性方面更加有效,就象其花费更少一样。因为它们是焊剂而没有引入新的退化机理。而另一方面,金则引入了新的退化机理,两种情况都是因为锡-金金属间化合物的形成。金-锡化合物易碎而降低了焊接的机械强度。熔化的金-锡化合物在焊液里的累积将最终降低焊接过程的有效性。因为这些原因,焊剂涂层是确保可焊性的更好方式。
焊接过程产生金属间化合物是必要的,但金属间化合物本身不是必须可焊的,且过量的金属间化合物会产生可焊性问题。室温下金属间化合物的增多可能导致可焊性降低并有可能提高接触电阻。铜-锡间化合物比锡-镍间化合物增加得更快。
许多铜合金是可焊的,且底层可以增强可焊性,尤其是镀在黄铜基材金属表面。黄铜表面需要底层以防止锌的蔓延,但这也可能降低了可焊性。
接触润滑‧接触润滑常完成两种不同的功能:
.减小摩擦系数
.提供环境保护
减小摩擦系数有两个益处。第一,它减小了连接器的配合力(mating forces)。第二,它通过减少磨损而提高了连接器的耐久性。
接触润滑通过形成“密封”阻止或减缓外界环境进入接触表面而能够提供环境保护。对锡接触镀层而言,接触镀层的首要功能是在防止磨损腐蚀方面提供环境保护。预防磨损润滑可以减小摩擦系数,但并非其主要目的。事实上,如果润滑不能有效防止氧化,摩擦系数的减小可能增强磨损腐蚀。摩擦系数的减小因为减小了机械稳定性而使接触界面更容易受到磨损。在没有润滑存在的接触移动中不会产生的干扰可能产生润滑性接触的移动。
对贵金属镀层而言,接触润滑是为了减小摩擦系数和提高连接器的耐久力,但是,伴随提供环境保护重要性的提高,提供环境保护成为有益的附加功能。
几个与接触润滑相关的考虑值得注意。对有效润滑而言,其在接触界面数量必须足够。测量和监测(monitoring)润滑的存在是很困难的工作。
连接器可能伴随有适当的润滑出售,但是组件过程(特别是,焊接或柱焊的清洗(post soldering))可能移走润滑剂。因而,需要第二次补充润滑剂。
润滑剂可能收留粉尘,如果在粉尘或污染环境中应用,可能会出现接触阻抗和耐久性问题。最后,润滑的适用温度可能限制它的应用。
润滑潜在的益处—减小配合力,提高耐久性,和在环境中的保护—是非常需要的,但是在评价接触润滑对给定应用的连接器的总的效果应考虑所提到的限制。

3.4接触镀层选择
选择适当的接触镀层决定于其应用所考虑因素的数量。包括:
.配合需要
.应用环境
.线路需要
贵金属镀层与普通金属接触镀层的区别在于其所考虑的每一性能。为了简单,以金作为贵金属的代表,而普通金属的代表则为锡。
为了为接下来的讨论提供一个背景,一些通常的注解是有用的。因为贵金属镀层比锡镀层更低的正压力要求,更高的天然耐久性,及更低的摩擦系数,在配合需要方面它们的应用更加广泛。因锡的硬度低,锡接触镀层需要高正压力来尽量减少潜在的磨损腐蚀且其耐久性较差和摩擦系数较高。最终的效果是锡镀层的耐久性较差而配合力较高。
所有的接触镀层在毫伏到伏和毫安到安的一定范围内都能提供可靠的性能。金与锡的区别在于阻抗的稳定性。磨损腐蚀也是主要的区别。产生于磨损腐蚀过程的阻抗变化能够导致在信号线路中产生噪音和在高电流应用中热散发的可能性。金接触镀层在很宽的适用条件范围内有助于保持接触阻抗的稳定。
应用环境必须考虑机械、热及化学环境。机械因素,如振动,影响连接器所需的机械稳定性。接触界面的移动将导致锡镀层的磨损腐蚀和使金镀层易存在外来的腐蚀物或污染物。热环境通过不同的热澎胀引起接触界面的移动而达到相同的结果.然而,高应用温度—大约105度—可能会因挤压松驰而使正压力降低。这种正压力的降低,锡比金表现得更隐蔽。由于本章其它部分讨论的外来腐蚀的各种各样的来源,环境腐蚀对金镀层有很大的影响尽管金具有很强的固有的抗腐蚀能力。锡除了磨损腐蚀外,由于原有的表面氧化物而表现出很好的抗腐蚀能力。
下面的讨论将更详细地考虑上述各个考虑因素同时指出金、钯、钯镍合金及锡镀层之间的一些区别。

3.4.1配合要求
两种配合要求必须考虑:连接器必须承受的循环配合次数和连接器配合要求的压力(配合力)。如第一章所提到的,连接器要求的循环配合次数取决于相互连接的层级。第2到4级连接典型的要求仅仅是几十次的配合循环。第5和第6级连接,因为它们提供输入/输出功能,可能需要更高的循环配合次数。另一方面,配合压力显示出相反的趋势。第2和第3级通常要求考虑最大的配合压力,因为这些层级的连接pin数倾向于比第4到第6级连接的pin数高得多。插座和两件式板对板连接器其pin数各自可能从400到超过1000。而几十到一百的pin数在第4到第6级连接中更为典型。
接触镀层及耐久性‧ 影响接触镀层耐久性的主要因素是镀层的硬度及其摩擦系数。贵金属镀层具有比锡镀层更高的硬度和更小的摩擦系数,因此贵金属镀层固有的耐久性也比锡镀层高。
耐久性不仅依赖于接触镀层,还与下列因素有关:
.接触正压力
.接触几何形状
.接触长度
.润滑
.镀层厚度
除了镀层厚度以外,其它因素在第二章均已经讨论过并将在第六章继续讨论。本节重点是讨论接触正压力,因为接触镀层的选择决定了连接器所需要的接触正压力。其它因素对贵金属及普通金属镀层来讲具有相似的影响。另外,镀层厚度对耐久性的影响也应该注意。
如前所述,锡镀层比金镀层需要更高的正压力来尽量减小磨损腐蚀的可能性。为了提供机械稳定性,镀锡连接器的正压力通常在200克力以上,比较而言,金镀层连接器只需50克力左右的正压力即可保证其接触稳定性。当耐久性的需求很重要时,耐久性随着正压力的增加反而降低的事实使金镀层相对于锡镀层的优势更加明显。
贵金属镀层耐久能力的差别并不是很明显,在3.3.1节,应该注意到贵金属镀层的相关特性,按递减顺序,为镀金的钯镍合金层,镀金的钯及金镀层。按这样的顺序,可以想到贵金属镀层是镀在镍底层上。
另外,镀层的耐久性取决于镍底层的厚度及其硬度,这些相互作用使得很难超过一般顺序得到连接器耐久性的确切值。
理所当然地可以说接触镀层的耐久性取决于镀层厚度,但这种耐久性与镀层厚度的关系也取决于前面提到的镍底层的材料性能,所以耐久性—厚度关系不可能是一直线。
有效的接触润滑能通过两种方式减少贵金属镀层的相对差别。润滑结果也能减少耐久性的差别。另外,能提供环境保护的润滑剂能减少固有腐蚀敏感度方面的差别。
影响耐久性的几何参数上面已经列出。连接器的设计在这些方面变化很大。接触几何形状和接触长度的主要影响是各自的磨损区域和磨损轨迹长度。所有这些对比的最终结果是连接器的耐久性根据试验的方法已被最可靠地评估出来。
接触镀层和配合力‧配合力取决于以下几个因素:
.接触正压力
.接触几何参数
.摩擦力
.润滑
接触镀层是通过影响接触所需正压力的大小亦即通过影响由摩擦系数决定的摩擦力的大小来影响配合力的大小的。先前已经指出,由于金镀层比锡镀层具有更低的正压力要求和更低的摩擦系数,因此金镀层比锡镀层具有更低的配合力。通过使用接触润滑可使摩擦系数的不同在一定程度上能得以改善。贵金属镀层的间区别很少用配合力而是用耐久性来表示。
注意到接触配合力和更重要的参数─连接器配合力的不同是十分重要的。当然,连接器配合力不仅依赖于每个接触接触时的配合力,也包括连接器绝缘本体以及连接器各部分的紧固力的影响(alignment of the connector halves)。连接器的配合将在第六章更为详细的讨论。

.总结.
当应用需求包括高耐久力和高pin连接,那么贵金属镀层是首选的。有薄金层的钯(20%)镍(80%)合金镀层能提供最高的耐久力,接下来是有薄金层的钯镀层和金。锡镀层,因为其固有的低硬度和需要较高正压力来减少摩擦腐蚀的可能性,故锡镀层与贵金属镀层相比表现出有限的耐久性和较高的配合力。高配合力要求限制了具有锡镀层的连接器的接触pin数。

3.4.2 应用环境
在应用环境这个标题上要考虑以下几个因素。包括有机械环境,除了配合条件,还包括振动和磨损;热环境方面包括温度和温度波动;化学方面包括湿度以及一些潜在的腐蚀如氯化和硫化腐蚀。应用环境的每个方面都会对接触镀层的选择产生影响。
机械方面‧虽然机械配合是作用在连接器上的最常见的机械压力,但在连接器的整个有效期内还会受到许多潜在的干扰。机械冲击和振动是必须要考虑的其它因素。连接器暴露在许多潜在的冲击和振动源中。然而,无论什么样的原因,所关心的效果是因为干扰而产生的对接触界面的压力是否足于导致连接器两部分的相对移动。如果产生这样的运动,它们能常被限于一定的范围而归属于磨损的一种。磨损有两种令人担忧的结果:磨损损耗和磨损退化(fretting wear and fretting degradation)。磨损损耗是指在第二章中所描述的磨损过程,产生的结果是接触镀层受损。磨损退化包括摩擦腐蚀(fretting corrosion),相关的锡、镍、钯镍合金以及摩擦聚合物,相关的钯。
注意到潜在的磨损损耗是很重要的,因为它能引起镀层的穿透性磨损。连接器期望达到的预测配合循环次数不仅仅是连接器磨损方面的唯一因素,这种考虑使得薄镀层重要性增加,例如钯、钯合金和镍镀层外面的薄金层。因磨损所引起的薄金层的损失会导致底层的钯和镍裸露出来。换句话说,镀金的钯和钯镍合金对磨损退化机理是很敏感的。而对钯来说,摩擦聚合物的形成则是其主要的退化机构。钯镍合金或镍的磨损腐蚀是通过氧化作用发生的。镀有薄金层的钯和钯镍合金镀层已被许多调查者评价。大多数而不是全部的研究,已经报告过它的稳定性能。镍镀层表面金薄层的使用是近期的事,所以这段时间几乎没有什么证明经验。但是,可以肯定的是这些镀层金属对摩擦腐蚀非常的敏感。还应该注意到,暴露底层金属的其它机理的存在。例如:不完全的镀层,镀层的损坏如刮擦。
总而言之,与机械环境相关的主要论题与磨损损耗及磨损退化有关。锡镀层对磨损退化是最敏感的。然而,金镀层的选择应该考虑到这些机械性的影响。
热环境.热环境存在两个主要因素:应用温度和热波动。绝对温度能导致大量潜在的退化机理。热波动的主要影响是因为热膨胀的不同而经过的潜在性磨损。
重要的可能性敏感温度的退化机理包括腐蚀,扩散和金属间化合秀的形成。腐蚀率一般随着温度的升高而加快,尽管温度对水份的吸附效果能减缓这种作用。扩散速度也随温度的升高而加快,结果能产生表面膜。如图3.4所示。
金属间化合物(IMC)的形成对锡镀层是很重要的。金属间化合秀的形成速度随温度升高而加快。如果金属间化合物的形成消耗了锡而在接触面上的该点形成大量的金属间化合物,那么接触电阻可能受到影响。一般来说,保留在表面上的锡,能提供有效的接触。图3.30中的数据对此作了描述。图3.30显示了一个3微米厚的镀锡铜(tin-over-copper)以软金探针所测得的接触阻抗随压力的曲线。数据在可接受的条件下显示,一是增时处理使锡转化为锡化合物,二是增时处理和腐蚀后。IMC阻抗的增加超过了可接受条件下的值但但它对许多应用是合适的。虽然增时处理的时间足于完成从锡到金属间化合物的全部转化,但通常仍能发现残留在表面上的锡。如果表面被腐蚀物取代,金属间化合物本身的接触导致接触阻抗的额外增加。
总之,热环境能导致腐蚀退化,它也能影响贵金属的腐蚀速度和潜在地影响锡镀层的金属间化合物的生成。
化学性‧ 化学环境包括湿度及一系列可能的腐蚀种类,如氯,硫和氧。氯和硫对于贵金属镀层特别重要,而氧则对锡镀层很重要。如先前所提及的,锡氧化物对锡提供了来自于在其它腐蚀源(source)的腐蚀保护。
湿度对腐蚀率和腐蚀物水合度的影响是令人担忧的。经验也表明,湿度变化能影响腐蚀机理和腐蚀率。
贵金属的腐蚀机理在3.3.1节中已经作了讨论。为了更加完整(for completeness),对贵金属镀层而言,应该注意到主要的腐蚀机理随环境成分特别是氯和硫的含量(content)的变化而发生变化。随环境恶劣程度(in severity)的增加,主要的退化机理由多孔腐蚀变化到腐蚀扩散(creep)。正如前面所说的那样,移动类型以铜-硫腐蚀物出现。
对于锡镀层,由于氧在磨损腐蚀中的作用,氧是主要的反应(reactive)类型。由于锡氧化物固有的保护特性,所以锡在FMG环境中性能良好。
总结‧总之,应用环境的考虑表明了接触镀层选择上的不同权衡,取决于化学方面,热,或是与腐蚀相关方面,何者占支配地位。在恶劣的机械环境里,因为磨损腐蚀而限制了锡的使用。但是,磨损损耗的可能性,磨损退化的产生,在恶劣的条件下不应该低估。高温环境要求对锡金属间化合物的产生和对影响贵金属镀层的蔓延/氧化的考虑。腐蚀考虑对贵金属和锡来说是不同的。而且,磨损腐蚀主要涉及到锡。随恶劣条件的增加,贵金属的腐蚀机理会随环境从孔隙腐蚀转变为扩散(creep)腐蚀。

3.4.3电路需求
从一个基本的观点出发,如果能创建并保持一个金属接触界面,那么在一个大电压和电流范围里的接触镀层间的功能(finishs with respect to their functionality)没什么不同。在这样的条件下,因硬度和阻抗系数的差别产生的阻抗的变化是相对较小的。镀层间的不同在于阻抗的稳定性,即接触界面对于应用条件下退化的敏感性(sensitivity)。自然地,对比罗简单的描述有几个限制因素。
电压‧在电连接器上,除了电能的应用,电压相对很低──只有几伏特。金属间的接触界面将以奥姆来衡量,即电压与电流间的关系是线性的,其斜率由系统阻抗决定。只有当接触界面不完全是金属接触面时(cease to be completely metallic),也就是说,当它们开始退化时,电压的影响才显现出来。在这种条件下,电压可能允许薄膜的电性中断(breakdown)并由此而建立或重建一个较低的接触阻抗,这一现象有时称作自我复原(self-healing)。不幸的是,这种阻抗容易变化并且不可恢复,这也是为什么薄膜的机械破坏和薄膜形成的避免对电性中断是首要的。Wagar和Holm提供了电性薄膜中断特性的讨论,主要概括在2.3.2小节中。
本讨论目的关键点是导致中断的必要电压和的和因此产生的高变化性阻抗。电压的变化源自于薄膜结构本身的易变化性。厚度,组成和结构都依赖于薄膜形成的环境。阻抗的变化性产生于因为中断引起的导电区域取决于中断时间里电流的流过的事实。
Bock和Whitley提供了有关磨损退化的电流及电压决定条件的证据(evidence of this cu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)。
电流‧正如第一章所述,针对电流有两种基本电性应用:信号和电能。对于信号应用,典型的电流通常低于1A。而电能应用则可能需要几十甚至上百安培的电流。
对于信号应用,在可能引入系统的噪声或者数字式应用上可能的数据丢失方面,接触镀层退化的影响及在随之而来的接触阻抗的变化是非常重要的。Abbott和Schrieber研究了这一影响,而且Abbott是针对磨损腐蚀来考虑。根据这些著作,发生数据丢失的可能原因是,随接触阻抗的退化所产生的瞬间开路趋势的增加。在可引起贵金属镀层磨损腐蚀的条件下,也可以得到类似的结果。
在典型能量应用更高电流下,由于高电流下而产生的焦耳热和红外线,会导致额外的考虑。两个单独的(separate)问题值得讨论:(a)什么因素决定镀层所能承受的最大电流。(b)高电流时,接触阻抗的退化有什么影响。
接触镀层所能承受的最大电流由接触界面的温度所决定。接触界面温度反过来又取决于产生的焦耳热与从接触界面到接触弹片散热的平衡。热量的产生取决于镀层阻抗系数和阻抗系数随温度的变化率。而散热取决于热传导率和热传导率随温度的改变率。这些反应可能相当复杂,就象Williamson所讨论的那样。
为了本讨论的目的,注意到每一个镀层在其熔化时都有一特征电压,特征电压的大小,及依据前面提到的相互作用所能达到的比率就足够了。对于金,银和锡镀层,各自的熔化电压分别是430,370和130毫伏。
在实际上,通过接触界面的电压下降由电流产品(product of the current)和接触界面阻抗所决定。At a first cut,熔化电压能被用来指示镀层的电流容量,其公式如下:
Vm=I*Rc      (3.2)
其中  Vm==熔化电压
I==电阻为Rc且即将发生熔化时的电流
Rc==接触界面阻抗
在第二章已经讨论过,Rc取决于镀层和接触压力。对于一个确定的接触阻抗,通过熔化电流的减法,最大电流能够被确定。恒定的电流容量一般由温升条件所决定,而温升条件又取决于接触阻抗的大小,这一点将在第十二章中讨论。
按这个标准,锡具有低电流容量,然而金和银却是相当的。钯和镍则具有更高的熔化电压,但是它们所拥有的高阻抗和低效热传导性能制约了这一优点。
对于高电流应用,银由于自身的低电阻抗和高效热传导性能而占有优势。在电能接触中,银的弱点,污点和移动趋势并不重要。电能接触的典型的高压力(high forces typical of power contacts)使污点的影响降至最低。巨大的尺寸,分离和通常典型的电能应用接触间的绝缘减少了移动反应。
接触阻抗退化在高电流性能上的影响是明显与前述讨论有关。这样的退化更进一步促进了接近熔化电压。以这样一个观点,镀层对退化相对的反应有更大的影响在电能应用的镀层选择上。再次,锡由于自身的低的熔化电压和对磨损腐蚀的反应poses最大的危险。
电路参数综述.在理论上,金属间界面对电流和电压没有反应,但接触界面的退化连同接触界面阻抗的变化引入了一系列的考虑。

3.5 接触镀层概述
合适的接触镀层的选择包含了使用和功能需求的考虑。例如,由于对锡的高的接触压力需求和在装配压力及磨损的共同影响,高接触数量,高适配循环需求决定了贵金属镀层(参见表3.1和表3.2)。环境考虑是复杂的,包括在贵金属镀层上的多孔性和在锡镀层上磨损退化的可能性之间的权衡。考虑一个确定的应用,合适的镀层是在性能与可靠性间的“最好”的折衷。

表3.1 接触镀层的接触压力需求
镀层           最小接触压力(g)        评价
金      25                        最小值由机械稳定性和污染物的转移所决定。尤其是零接触压力(zero-force)条件必须极力避免。
钯      50                              由于接触反应的作用表面薄膜的可能性。 此外,金的评价也适用。
金-钯或         50                        薄金表面将是多孔的,所以需要使用钯。
钯-镍
锡        100                        100g是最小值。更高的值可用来解释磨损腐蚀。但必须提供机械稳定性。
银           75                             必须解释表面硫化膜。如用作电能接触则可能需要更高的压力。
镍             300                           更高的硬度需要更高的压力来确保破坏薄膜。

表3.2 接触镀层的镀层,硬度,延展性及摩擦系数
镀层  硬度(Knoop) (%)  延展性范围  摩擦系数常用值
纯金  <90 7-10 0.5->1 0.7
钴金   130-200 <1   0.2-0.5 0.3
钯   200-300 1+  0.3-0.5 0.3
金-钯或钯-镍 200-300 1+ 0.3-0.5 0.4
银              80-120 12-19 0.5-0.8 0.6

粗糙度     9-12 20 0.6-1.0 0.8
亮度 15-20 3 0.4-0.6 0.5 93-7 9-12 17 0.5-0.8 0.6
双列直插队     0.2-0.8
直插封装
镍    140-400 5   0.5-0.7 0.6

连接器接触界面及接触过程

连接器的接触界面的微观结构决定了电连接器的电子性能和机械性能。例如,可分离接触界面和永久性接触界面的电阻值和插接力以及耐久性都依赖于接触界面的微观结构。因些,有关接触界面的的基本结构和接触界面形成的过程的知识对了解接触界面对连接器的一些重要性能特征的影响是很必要的。这些知识,反过来,又会帮助理解界面的设计和制造界面的材料对创造和维护确实可靠的连接器特性的影响。下面的讨论将主要针对可分离接触界面,但是,这些相似的讨论也与永久性机械接触界面有关。

1接触界面的形状 
如前所述,当把插头插入插座孔时,接触界面就产生了。威廉先生提供了一份说明界面产生过程的详细数据。
有时候,根据连接器和地球外表的相似点,使连接器接触点(a-spots)具体化是很有益的。事实上,乡村确实提供了一种非常有用的典型连接器接触界面的拓朴模型。山丘高度与山丘间距离的比例和连接器接触表面的微观拓朴模型是相当相似的。两者之差异大约在1%至10%之间。根据轮廓测定法(profilometric)和语义学(SEM)原理绘出的详细的连接器表面图与普通的地球轮廓图是相当相似的,而且把两个导体压在一起,就象把美国的佛蒙特州翻过来盖在英国的汉普夏郡,比例是1:3,000,000。
这个模拟例子阐述了关于接触界面构形的凸凹面的重要性,并且介绍了微观接触界面的形状,图2.1描绘了这种微观接触界面的形状。实际上,只有接触界面的高点,即微观凸面,能够相互接触。这些微观凸面被称为接触点。虽然它还受其它因素的影响,但是接触点的数量取决于接触面的粗糙度,这一点以后将详述。由于尺寸太小(微米数量级);即使在“板对板”阶段,在一克力的作用下,这些接触点也会因发生塑性变形而被破坏。这个破坏要持续到一个足够承受施加负荷的接触表面形成时。威廉和格林针对这一问题作了详细的讨论。
从应用的角度看,上述讨论暗指实际接触界面的大小仅取决于施加的负荷。对于一个连接器来说,该负荷对应于接触正压力。对于典型的连接器,接触界面仅有一小部分(1﹪左右)是接触的。
接触正压力决定接触面积,但如何分配这些接触区域则取决于接触界面的几何形状。如图2所示,球面接触将形成无数个圆形接触点。
因些,接触界面的构形依赖于接触界面的粗糙度,该接触界面的粗糙度又影响接触点的数量、施加的负荷(该负荷影响接触面积)和接触界面的几何形状(该几何开关又影响接触点的分布)。
接触点的数量与接触界面的依赖关系是合理的,下面将作进一步说明。按照威廉和格林的观点,初始表面粗糙度决定接触点的数量,但是有多少接触点能接触却依赖于施加的负荷。连接器表面开始接触时,只有最高的接触点能接触导通。这些一开始就接触的接触点的变形使得接触界面越来越相互靠近,这样,其它比一开始就接触的接触点稍低的接触点也逐渐实现接触导通。随着负荷的增加,这样的接触点将依次变形。当足够数量的接触点变形到某一程度,即,当所有接触点面积之和足够支承施加的负荷时,这种变形便停止了。如果引用一个硬度的概念,那么,对这个过程就可进行直观的描述了。材料的硬度是用力和单位面积比来定义的,例如克力每平方厘米。也就是说,如果某材料的硬度是10克力每平方厘米,那么一个10克力的负荷或力将产生1平方厘米的接触面积。那么,接触点的数量就依赖于表面接触点和施加的负荷。
接触界面的宏观几何外形(例如球面与平面平面接触)决定了机械接触面积在整个接触面积中的分配方式。图2.3描述了影响的过程,该图用实例说明了当外载荷增加时,接触点的尺寸和数量也相应地变化。
摘自Green Wood的图2.4提供了一个上述观点的实验依据,该实验显示,当一个钢球分别用两种不同的载荷,如20克力和80克力去挤压一平面时,两者的接触界面就产生了。该实验表明,在载荷作用下,接触点的数量、单个接触点的尺寸,以及由无数接触点组成的宏观接触区域面积都将相应地增加,这一结果与上面的论述完全相符。   接触界面的粗糙度或接触点模型可以描述如下: 接触界面是由分布于宏观接触区域上的接触点组成的。宏观接触区域的大小取决于接触界面的几何外形。接触点的数量和大小处决于表面粗糙度和负荷。负荷也决定了接触界面的光洁度。
这种模型描述了接触界面上的机械构形,但是它仅仅从微观上描述了接触界面的外形。然而,考虑精炼炉的细微表面,甚至其表面的原子或分子结构都是非常重要的。所有的金属表面都覆盖着一层原子数量级的薄膜。图2.5简要地表达了几种可能覆盖于金属表面的薄膜。在金属表面的最外层可能是大量的化合物薄膜。氧化物是最常见的一种,其它物质(如:硫化物、氯化物以及复合膜)也可能存在,这是由金属材料和金属暴露环境条件决定的。不同金属的热力学性能和运动学性能差异很大,热力学性能决定生成何种薄膜,运动学性能则影响薄膜的生成快慢。
如果考虑接触界面镀层的话(这一点将在第三章论述),那么上述薄膜对连接器性能的影响就显得相当明显了。事实上,如第一章所述,接触界面的镀层可以分为贵重元素(不易发生化学反应的元素,如,金)和非贵重元素(如,锡,该元素表面通常有一层薄薄的氧化物层)。因此,可以认为:生成化学膜的类型以及生成速度都依赖于基材金属和环境中的化学物质。除了化学物质以外,环境温度和湿度也在薄膜生成时扮演了重要的角色。

除了上述化学膜以外,其它复合膜(特别是含水量、组织以及各种各样的其它污染物和微粒)也可能存在于金属外表。这些复合膜也可能对连接器的机械和导电性能产生很大的影响,这一点将在以后阐述。
2接触界面和机械性质 
本部分主要讨论点接触模式决定的接触界面的机械特性,尤其是对摩擦和磨损的影响。从连接器性能的角度来看,摩擦的重要性在于它对于连接器配合力的和接触界面的机械稳定性的作用。在连接器性能显然退化之前,磨损过程将影响连接器能经历的配合周期次数。点接触模式对摩擦和磨损的作用可以由图2.6中得到解释。在图例中展示了两种点接触方式,其中a区接触时间比b区接触时间更长且经历的变形量更大。如2.2.2部分中所述,在这些条件下a区的接触面积将大于b区,也就是说a区的连接将会更比b区稳固。此时a区的剪切力(或剪切强度)也比b区大。这种变化将会影响点接触的摩擦和磨损。   为预测将会遇到的问题,摩擦和磨损是两种不同的方法,来描述点接触界面在受到压力之下的分离。接下来的讨论仅仅涉及到单一点接触模型。当然接触界面的性能将会影响多个的点接触结构以及由各个独立的点接触性能总和表现出来。此时将首先考虑摩擦作用的影响。

3摩擦 
3.1摩擦表现为一个力量,其作用是阻止两个接触表面之间在受到剪切力的作用下沿相对的方向移动。摩擦力可以由公式2.1来确定:
Ff=μFn                   (2.1)         其中,  Ff==摩擦力        μ==摩擦系数
Fn==维持两表面接触的力—对连接器而言是接触正压力
由Rabinowitz的理论,摩擦力可看作是分离两表面间连接的必需力量。摩擦力可以从下面公式中,由接触界面强度而进行简单的估计:
Ff=τs Ac                   (2.2) 其中,  τs==剪切强度系数      Ac ==点接触面积比例常数κ由很多参数而定,例如表面镀层的作用,润滑的状况,表面粗糙度,接触正压力以及变形的种类(弹性/塑性变形),由此,我们将公式(2.1)与公式(2.3)合并后可得到:                μ=κτs/H                          (2.4)
如Rabinowitz 所提出的,剪切强度和硬度同样要由材料的性质来决定,因此公式(2.4)中的系数可以被看作为1的常数。

在实践中,摩擦系数是从0.05到>1不等,与理论上的偏差仅仅反映的了假设的简化模式的限制,尤其是接触总面积是金属以及表面的分离产生在原来的接触界面上。   低的摩擦系数值表明接触表面是由镀层覆盖的,其中有化学联接层(如氧化物),吸收层(如水或有机物),以及趋向于应用的润滑剂层。这些涂层对于减少这两种机械接触表面的剪切强度都是非常重要。
位于接触端的氧化层可减少金属接触面积。氧化层能支持但并不能促进机械式的金属接触。减少金属接触面积将导致剪切力的降低,其最终的结果是摩擦系数的减少。   有机涂层尤其是润滑剂,提供了在两表面间具有更低的剪切力的接触表面和inhabit金属接触层,尤其是两表面之间具有相对运动。
高的摩擦系数表明,点接触的塑性变形作用和金属性连接的产生,将会导致比基础金属材料更高的剪切强度。应用到接触界面上的剪切力将会导致在接触界面上一定距离内接触碎片的产生,此时将会导致更大的碎片接触表面积同时也将导致更的摩擦系数。使连接的碎片从原来接触表面中分离出来的可能性提供一种磨损过程的模式。

3.2磨损过程
正如Bowden以及Tabor所提到的,摩擦和磨损过程要由接触表面的分布位置而定。如前现所提到的,点接触塑性变形将会由于加工时的变硬而导致接触强度的增加。除了加工变硬之外另外一机理同样很重要:也就是冷焊。冷焊与经过接触界面联接的产生有关,而此接触界面是出现在两金属表面将成为intimate接触时。 在此条件下,相同的联接机理将对金属的粘着力量起到作用。事实上冷焊界面的强度高于基础金属,这是因为变形时产生加工硬化。这种可能性对在受到剪切力作用下的接触将会产生很大的影响,也同样要对磨损机理产生影响。现在回到图2.6中的a-区域,考虑一下当给定冷焊接触界面的模式时接触界面的分离怎样出现。在剪切力的作用下假定a-区经过了冷焊,将会从原来的接触表面中分离出去,导致磨损碎片的和金属转移,此时情况如图2.6中的下部所示。b -区部分具有较低的变形,因此也具有较低的冷焊时的加工硬化,也将会在原来接触表面的附近产生微小的分离,也就是说基本上没有磨损和金属转移。

  前述提到的磨损过程中,a区为粘着磨损而b区为光滑磨损。粘着磨损的特性是高的摩擦系数和在两界面间出现金属转移,而光滑磨损过程是低的摩擦系数和极少的金属转移。应当注意到磨损是一个动态的作用过程,它只是当两接触表面间有相对的运动时才会产生。在此运动过程中,连接增长和prow 成形将会随着大量的接触界面的形成和分离而出现,此时的结果将是磨损过程分布在其滑动的轨迹上。粘着磨损和光滑磨损轨迹上表面分别是粗糙和光滑的,此时可从相对的金属转移量而定。
同样应当注意的是,如果a-区分离产生的转移磨损部分,将会在接触界面上产生如研磨一样的作用,这是由于它将产生的加工硬化,这里也就提到了第三个磨损机理:研磨磨损,如Antler所提到的,研磨磨损将会导致接触界面的磨损率的增加。
3.3表面薄膜的摩擦和磨损 
表面膜对摩擦力及磨损的影响可通过分析图7加于讨论,图7大致显示了摩擦力系数的变化,µ,作为随负载变化的函数。负载变化开始及其存在的范围依赖于表面膜,构造或化学接合和表面润滑状况。摩擦系统数随负载的变化能从小于0.1到大于1.0。据等式(2.5)显示,磨损系数κ,有相同的变化趋势,但因为磨损机理的变化其变化阶数很大,例如,接合处增大与凸头的形成。
首先考虑摩擦。低负载状况下,氧化物的破损与脱落是不完全的,只有一小部分金属接触面产生及粘附,导致低摩擦系数。随负载的增加,表面变形增加,从而使表面氧化物破裂十分容易。随金属接触面的增大,摩擦系数亦跟着增加。最终,金属接触面变得很大,摩擦系数稳定下来。
相似的情况在磨损系数变化中也可以见到。磨损系数可由一简单的破损等式确定:           v=κFn L/H                       (2.5) 此处 v==通过单程长度L的容量      H==硬度      Fn==负载κ==磨损系数
在该状况下,如前面所述,磨损系数集中于破裂的连接处。低负载情况下,小接触面积及极小的冷焊导致小连接处增大及凸头形成,并伴随小的磨损在原始接触面附近发生分裂。负载超过一定范围,磨损系数依赖于两种材料特性与接触形状,通过接触增大与凸头形成,表面薄膜破裂的增加促进了冷焊的形成和导致粘附性磨损的增强。随这种磨损机理转化的产生,磨损系数便显著发生变化。变化负载也依赖于接触面的润滑状况,是因为在滑动期间润滑对接触形成动力的影响。有效的润滑可减少与摩擦系数及磨损系数二者有关的金属接触面。Antler建议,对硬金属接触面而言,由光滑磨损向粘着摩擦变化所需的负载,无润滑接触面大约需要10克力,而有润滑的接触面则超过500克力。通常金镀层电连接器的正压力范围从50克力到200克力,暗示了使用润滑可延迟粘着磨损的发生。但是,该情况并非必定出现,因为在前述期间全部接触表面形成了污染膜 。这些污染物能提供表面润滑,虽然是以污染的方式。Antler指出这些偶然被污染的接触面可承受的负载范围大致为从25克力到250克力。为确保一致的低磨损状况,有计划的润滑是有益的。接触润滑将在第三章讨论。
4机械特性小结 
接触面的机械性能,尤其是摩擦及磨损,强烈依赖于接触面粗糙微结构,因为这些粗糙微结构很小,它们在较小的负载下发生弹性形变而导致微结构接触面的工件硬化及冷焊的发生。接触点,接触点的破碎决定了接触面的摩擦系数及磨损系数。摩擦系数影响接触面的配合力和电连接器接触面的耐磨损持久性。
5接触面形态及电气特性 
影响摩擦及磨损的相同结构及薄膜决定了接触面的电气特性。简单而言,本讨论从金属接触面开始,薄膜的影响将在后面考虑。
两个金属面接触产生一电阻,术语称之为接触面压缩电阻,压缩电阻产生的根源,如Holm所描述,是一个基本的结果并可通过图2.8加于说明,接触面接触点微结构使电流被压缩为仅从接触点通过,因而会产生“压缩电阻”这一术语。根据Holm所述,对单一接触点来说,压缩电阻由下式确定:
RC=ρ1/2α+ρ2/2α             (2.6)此处   ρ1与ρ2==接触材料的电阻系数                α==接触接触点的直径   如果两种材料相同,(2.6)式可简化为:
Rc=ρ/α                          (2.7)
应该注意的是压缩电阻是一种几何形状上的效果。这就是说,如果如2.8图所描述的几何形状是因为在实心原料上加工一细小凹槽而形成接触点,尽管没有接触面存在仍有压缩阻抗产生。流过变小了的通过面的电流的压缩是因为接触面结构的相互独立。这种接触面构造能够导致阻抗的增加超出根据式(2.7)所得出的结果,例如薄膜,但是减少压缩电阻的唯一方法是增大接触面积。
为了本讨论的目的,多个接触点及它们接触电阻的分配对总接触电阻的影响可由图2.9说明。插入的等式表明分布在同一接触面的单一接触点和多个接触点的压缩电阻依赖于其接触面的几何形状。而多点接触等式与通常接触表面更为相关:          Rc=ρ/nα+ρ/D                     (2.8)     此处    n==接触点的个数          D==接触所分布平面的直径
该等式表示一系列宏观压缩电阻的合成决定于各个接触点的微电阻以及这些接触点所分布的接触面积。图2.10说明了这两种作用。第一条件明确了并行排列的多个接触点的阻抗。对金属导体而言,这种情况的电流压缩与接触面非常接近。第二个条件则表明了电流压缩通过分布接触面的结果。等式(2.8),可清楚表明,当接触点的接触数目非常大(数以十计)时,第二个条件尤其依赖于接触点的分布。在这些条件下,图2.9提出了一种近似的压缩电阻的第三等式。对显示的这种情况,其假定了接触点的圆形分布,分布面积(因而其直径)能够从接触材料硬度及其提供的压力中得到,结果如式(2.9)。        Rc=κρ√(H/Fn)                (2.9) 此处       κ==与表面粗糙程度,接触形状及弹性形变有关的系数             H==硬度             Fn==接触正压力
5.1金属界面的压缩阻抗 
对以上这样简单的等式的论证在插图2.11中会有所提示,从具体角度来讲,它所涉及的就是针对接触表面为铜、镍、黄铜及锡这四种金属其各自的接合力以及相对应的压缩阻抗之间的对比关系。从图中可得知该接合力非常大,虽能保证一个较大的接触面积,但是接触表面的镀层金属容易被破坏,该两者之间的相互关系可用等式(2.9)来表示。图2.11中的表格所列的是关于三种金属的硬度及电阻系数。为了减小对压缩电阻的影响,必须控制接触面的粗糙度,对铜、黄铜、镍三种金属均应如此。对于锡,由于其极易遭磨损破坏而通常不用于直接受力部位,因此对其粗糙度不作讨论。首先来讨论关于铜的一些数据。图中虚线表示计算值,实线表示实验测试值。可以看出虚线与实线重合的非常好。对于锡和镍,图中仅仅显示了其测量值,因此对其只进行相关的讨论。注意到镍具有比铜更高的电阻系数及硬度。由于电阻系数及硬度与压缩电阻的关系分别为线性及平方根关系,因此镍的压缩电阻值会是铜的八倍。比较其测量值可看出接触压力为一千克力左右时,其重合度较好。对于锡,其电阻系数增加了十倍而硬度却降低了五倍,因此其压缩电总体上增加了,但这并不是说光考虑电阻系数的大小就能判断压缩电阻,因为其接触面的面积会增大。这些数据表明根据点接触模式导出的2.9式是正确的。
然而,在连接器涂层部分,上述简单的等式运用起来受到干扰而变得复杂。因为在涂层部分需考虑到各层之间的相互作用使系数K很难决定,导致很难决定适当的硬度及电阻系数。在具有锡涂层的黄铜接触面,其利用锡的硬度和黄铜的电阻系数,如图2.12所显而易见。
通常锡涂层的厚度会大于2.5微米,锡是一种十分软的金属,接触面磨损通常发生在锡涂层里。另一方面,有两个原因导致电流的压缩主要产生在接触弹片即黄铜涂层上。首先,黄铜的传导率略等于锡的传导率的2.5倍,因此在尚未接近有压缩变形的接触表面时,电流在黄铜中的分配会保持恒定。接触部分的面积与接触弹片横截面积的比越小则这种效果就越明显。
由图2.13所示可显而易见这种选择的正确性。压缩电阻是通过等式(2.9)对锡的硬度及黄铜的电阻系数进行换算而得出,其可变的接合力是被指定在虚线所包括的范围。覆盖在黄铜表面厚度为2.5微米的锡涂层的测量电阻,作为接合力的一个特性而绘制成一条实线。该实线与虚线具有良好的重合性,而锡涂层的厚度若为12.5微米,则其测量电阻值实线与计算值虚线产生了较大的偏移,其原因可由图2.14的例子说明。厚的锡涂层对压缩电阻导入了较大的电阻(主要是因为锡的电阻系数较大的缘故)。
显然,等式(2.9)的运用具有一定的限制条件,最起码要先了解设计及选材对压缩电阻的影响,尤其要知道一般接合力及接触面的分布是决定接触电阻的主要因素。接触面的分布主要依赖于接触面的宏观几何形状,亦即插座端子与插头端子各自接触表面的几何形状。
5.2  表面氧化物的接触电阻
也许在这里还有必要重提等式(2.9)所介绍的金属接触,不论是何种金属涂层,其上均会附着一层诸如氧化物之类的化学物质,则前面所提及的接触面变形实际上就是指这些氧化物的变形。至于表面氧化膜,不管是开头所提到的还是在连接器的运用中出现的,均是影响接触界面的不利因素。选择合适的接触面镀层将对生成的氧化膜起着决定性作用,不仅可决定氧化膜的种类还可决定其受到破坏的容易程度。这类话题将在第三章中作详细讨论。
如果表面氧化膜并没有消除或只是部分被消除,其结果将导致给压缩电阻额外加上一个电阻。氧化膜电阻可有两种存在形式,如图2.15示。如果氧化膜没被消除,伴随压缩电阻的产生将会产生氧化膜电阻(如2.15图左侧示意)。如果氧化膜被部分消除,则该氧化膜电阻会成为有效电阻与金属压缩电阻并联(如2.15图右侧示意)。这种高阻抗的氧化膜电阻由于金属接触导通而相当于被有效地减小了其厚度。但是,从整体上来讲,电阻值还是升高了,原因是氧化膜的存在减小了金属接触面的面积。
表面氧化物引起的电讯衰弱.氧化物的电阻系数可以为很高,相当于半导体到绝缘体的电阻系数范围,并具有高度可变性。氧化物的可变性可发生在以下三个化合物性质方面:   .成份   .结构   .厚度
这三个性质,均与氧化膜形成的条件有关。特别是环境的成份,温度,湿度对氧化膜的结构、性能起着决定性作用。由于氧化膜的易变化性,所以对氧化膜进行机械性的破坏是处理氧化膜的首选方法。
然而,氧化膜的结构却有利于与电相关的方面,Wagar和Holm均对此作过详尽描述,现简要地概括如下。一个电场穿过一绝缘体或者一高阻抗薄膜将会导致产生新的机构,如电桥、可提供fritting的机构,用一临界电场导致电压穿过氧化膜是实现这一目的的必要条件。可是,更多的情况下临界电场(甚至是临界电压)也是依赖于更前面所提及的可变因素:表面氧化膜的厚度、组成及结构。另外,当电桥产生以后,电桥的电阻也要依赖于电流的大小。该等电阻的可变化性加上电压需求的可变化性会导致表面氧化物的电子故障并给一般的电子应用带来麻烦。
表面氧化物的机械破裂.因为制造一金属接触界面的需要,表面氧化物的机械破裂在连接器上尤其重要。马口铁(镀锡铁皮)以锡作为接触镀层来源于这样一个事实,即马口铁表面上原有的氧化物薄膜在连接器对接时很容易破裂和转移。氧化物转移的机理如图2.16所示。在马口铁表面覆盖有一层又薄(几十分之一公尺)又硬又易破裂的氧化物薄膜,薄膜下的马口铁则又软又具延展性。当于此马口铁施加一接触压力时,很薄的氧化物层不能承受该载荷,又因为它很易破裂,在这样的条件下,载荷被传导进又软又具延展性的马口铁内部,其在载荷下开始流动,且随着马口铁的流动,氧化物薄膜扩大裂缝而马口铁通过裂缝被挤出。此外,马口铁表面开始形成可电性导通的区域。威廉姆斯在铝而不是在马口铁上证实了这种机理,如图2.17所示。图2.17之左图表示当一球载荷施加在铝平面上时,铝表面上的氧化物所发生的破裂;右图表示在铝的表面氧化物被去除此之后,原来发生破裂的区域。在铝的氧化物界面上,铝被明显从裂缝中挤出,而比铝更软的马口铁则更易受这一机理的影响。图2.18的数据可证实上面的假设。图2.18表明对于一个铝与铝相互接触的系统,接触阻抗对应于接触压力的关系。
接触几何形状的研究包括半球面而不只是平面,加载与卸载的数据都表明:甚至在很小的接触压力下,当加载时,马口铁的表面氧化物很容易地转移是接触阻抗急剧下降的一个象征,这暗示一个金属接触界面的创建。进一步的金属接触的证据能够从以下事实被推证,即随载荷的移动,低阻抗价值被保持。这种特性被解释成为在接触界面发生了冷焊。随载荷的降低,冷焊维持完整的界面。更进一步的冷焊的证据是事实上,在许多情况下,对于卸载时的分离接触,一个确定的压力是必要的。泰姆塞特在研究铝的接触时证明了同样的特性。
在图2.18的载荷条件下,从软和硬的物质上薄膜转移的不同可以得到图2.18与图2.19的数据比较.在这个例子里,对于半球面和平面,接触金属都是铜合金C72500(89%铜9%镍2%锡)。空气中热老化性导致了表面氧化物的形成。C72500明显比马口铁硬所以在载荷条件下的破裂会更低。因为正是破裂驱使裂缝和表面氧化物分离的产生,而在C72500比在马口铁上更难转移氧化物。此外,C72500通过裂缝挤压而出的部分将更少。这些不同如图2.19所示。随载荷的施加,对于分裂表面氧化物,更高的接触压力是必要的。直到 100克力被施加,否则不会发生接触阻抗的明显下降。由于C72500比马口铁更硬,所以它上面的接触点会更小。此外,变形的减少将导致更少的氧化物的分离与挤出。因为金属接触区域的减少,这些机理影响下的组合会导致更高的接触阻抗。C72500的卸载特性也不同。它比马口铁具有更好的弹性,也经历更多的弹性变形,并随载荷的移动发生弹性回复。这会产生分离表面及打破接触点的趋势。正象所指出的那样,在低于60克力时接触阻抗的增加。以上数据表明,至少在微观上,当缺少残余应力去提供接触界面的机械稳定性时,单纯依靠冷焊不可能足以维持接触几何形状界面。这个事实会在以后被重提,并将在讨论卷曲连接时表现出其它的意义。
总论 
在电子与机械方面,接触界面的粗糙模式都提供了解释。简单说来,接触界面形态论依靠(depend on)表面粗糙度、接触界面上的压力和接触表面的几何形状。表面粗糙度强烈地影响粗糙接触点创建的数目。接触界面压力,决定全部的接触区域,而接触弹性几何形状决定遍及(over) 粗糙分配的区域。这解释了为什么接触压力和接触几何形状是主要的设计对数的原因,并且这两个因素都将在以后详细讨论。