微动对电接触可靠性的影响

微动对电接触可靠性的影响

张义恺

北京邮电大学自动化学院，北京 (100876)

E-mail：xysr213@

摘要：电接触是通过机械接触或连接方式以达到顺利的电气连通的目的。接触电阻是电连接器的关键电气性能参数之一，它直接影响电子设备的信号传输和电气连接，影响电子设备的性能稳定性、可靠性。微动会导致电连接器触点的接触电阻的增大到超出可接受的范围，这样就会导致接触失效，造成信号中断。所以关注微动的影响就显得比较重要。

关键词：微动，电接触，可靠性，失效

中图分类号：TM501+.3

1．引言

在通信、计算机、测量、控制及各类电子系统中需要大量电子连接。它们起着各种电子元件电路之间、设备之间乃至系统之间的彼此维系作用。电接触学是专门研究电子连接的科学,是用来描述两个组件因带电接触而产生的一种状态。由于这种电子连接大多是通过机械结构来实现的，因此也称之为机电元件。所有的电接触完成三类功能，即接通，保持或切断一个电路，并且在或长或短的时间间隔里重复这些操作。对于电接触最主要的要求是能够长时间地保持低且稳定的接触电阻，连接件材料应当具有良好的导电性能。连接的方式包括永久连接如焊接、压接等，半永久连接如各类连接器（俗称接插件）、小开关等，电弧连接如继电器开关、断路器等。连接器大多暴露于大气中，大气污染如尘土、腐蚀性气体以及接触界面的材料及其表面形貌、化学与物理特征等对连接可靠性有重要影响。因此电接触科学是一门以机械摩擦学为基础并涉及电子学、化学、材料科学等多门学科的一门重要的交叉科学。国际著名学者前阿波罗登月飞船的电接触顾问Williamson博士曾多次强调指出：“没有可靠的电子连接，就不可能发展先进电子学”，足见电接触科学在现代科学发展中的重要位置[1]。在电接触现象的研究中,所涉及的领域非常广泛,包括物理学,化学,微电子学等等,非常复杂。

2．微动磨损

2.1 微动现象损

微动现象是指我们通常所说的处于“静态接触”状态的两固体接触表面之间的周期性小振幅（小于200µm）相对运动。在电接触领域，微动主要发生在压接，拴接等多种连接方式的接点表面上[2]，要考虑的不仅仅是微动磨损问题，更重要的是微动对接触电阻的影响。其中，首先要提到的是氧化对微动磨损有很重要的影响和作用，常将这种情形下的微动磨损称为“微动腐蚀”。“微动腐蚀” 现象最早在1911年由Eden，Rose和Cunningham在描述一种疲劳测试机的某一钢铁腐蚀部件的腐蚀状况时谈到，并在1939年由Tomlinson, Thorpe和Gough 等人正式提出这一术语。出现微动腐蚀时，表面金属氧化物的绝缘特性对接触电阻的影响是令电子工程师十分头痛的一个问题。此外，当某些金属，如钯等被用作接触材料时，在微动过程中，由于吸附了工作环境中的有机气氛污染物，因而在接触表面生成摩擦聚合物，这类绝缘物质也同样会增大接触电阻。

相比较而言，电子连接器在低电压、小电流的工作场合，微动过程中接触表面上的绝缘物质的危害较大，而在大功率电力电路中，绝缘物可能由于电冲击而被去除，对电路的影响

减小。

微动现象的起因多种多样，主要包括：（1）环境振动以及环境温度的改变；（2）接触材料本身的热膨胀系数不同；（3）工作环境中电磁力的变化引起的接点振动，例如接点附近通过交流电的两平行导体所产生的电磁力，这种情况在某些大功率总线连接技术中出现频率较高；（4）应力松弛。在实际应用场合中，大家都比较熟悉的是汽车连接器的微动现象，这种工作状况中环境振动、热冲击等往往同时存在，因此微动也频繁发生。

2.2 微动磨损机理

微动磨损是一种典型的复合式磨损，同时涉及粘着、磨料、氧化和疲劳磨损。两固体接触表面上发生周期性小振幅相对运动，就可能出现微动磨损。它包括两种形式[3] [4]：一种直接发生在表面上，可能导致零件松动、功率损耗或噪声增大。另一种是间接的，微动磨损表面或亚表面层中产生微裂纹，在反复应力下发展成疲劳断裂，这种磨损称为微动疲劳。后者危害性更大，因为即使克服了微动作用，留下的裂纹仍可能继续扩展。

下面分四个方面对微动磨损的情况予以描述。

（1）粘着的作用

微动磨损最开始是粘着磨损[5]。摩擦副表面接触首先发生在粗糙凸峰顶，峰顶受载过大接近或超过金属原子之间的结合力时，峰顶接触面间便相互粘结在一起。当两个接触界面间有相对滑移时，粘结处受到剪力和压力的联合作用，微观峰顶被剪断，剪断出现在剪切强度较低的部位，这样被剪断的材料或粘结转移到另一表面上去或成为磨损颗粒而离开接触界面。一般来说，同种金属相接触，两表面磨损相同；不同金属相接触，磨损主要发生在较软的金属上。粘着有利有弊，对于微动导致的粘着是有危害的，因为它导致了摩擦和磨损。

（2）磨屑的作用

在微动的初始阶段，粘着材料可能转移到另一表面上，又可能转移回来。不同材料接触，一般是材料从低强度低硬度表面转移到高的表面。全过程中有几种磨屑形成：（ⅰ）转移材料逐步氧化，被推出变成磨屑。（ⅱ）连续转移所形成的氧化膜反复疲劳产生磨屑。（ⅲ）表面凸峰微切削作用产生磨屑。磨屑在脱离母体时一般颗粒较大。然后在随后的微动磨损中变得愈来愈细，并吸收了大量机械能，使磨屑具有极大的化学活性，只要接触到氧便迅速氧化；少数未受到再次微动的粒子仍可能以原始状态逸出。

各种金属在空气中产生的氧化物磨屑都是它的最终氧化状态。铜的最终微动磨屑为黑色的CuO；铝和铝合金的磨屑主要是黑色的氧化铝（带少量金属铝）；镍的磨屑是NiO和少量金属镍；不活泼的贵金属（Au、Pt）的磨屑则是纯金属粉末磨屑。

微动磨损与滑动磨损不同，微动磨损界面上有氧化物磨屑在起磨料磨损作用，构成磨屑、接触对三体磨损。当粒子硬度至少是被擦伤面的1.2倍时，起到微切削作用。氧化物和金属硬度比对微动损伤有影响，硬度比愈大损伤愈严重。

到微动后期，磨屑增多，将表面分开直至完全隔开，此刻粘着已减少很多。氧化磨损对表面微动的影响是多重性的，不应简单认为只产生磨料磨损。

（3）脱层的作用

1973年N.P.Suh提出的脱层理论（Theory of Delamination）。当接触的两表面相对运动时，硬表面的峰顶滑过软表面时，软表面上每点都经受一次循环载荷。由于产生塑性变形，金属表面出现大量位错，但是最外表层的位错（大约有几十个微米厚度）由于映像力的作用而消失，靠近表面的位错密度常小于内部，所以表层金属能够经受更大的塑性变形。表层低