摘要：接觸件是電連接器的核心零件，通常接觸件包括陽(yáng)極接觸件(插針)和陰極接觸件(插孔)兩個(gè)部分，連接器在使用過(guò)程中，通過(guò)陽(yáng)、陰極接觸件的插合來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和能量的可靠傳輸。接觸件的性能決定了連接器的性能，本文將對(duì)電連接器接觸件性能和失效模式進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。
關(guān)鍵詞：連接器，接觸件，性能
0 引言
電連接器被應(yīng)用于各行各業(yè)，它的核心功能是電接觸，而接觸件就是實(shí)現(xiàn)電接觸功能的核心零部件。在國(guó)內(nèi)國(guó)外的電連接器領(lǐng)域均有接觸件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美軍標(biāo)MIL-C-39029、國(guó)軍標(biāo)GJB-1216等，由此可以看出接觸件在連接器產(chǎn)品中所占據(jù)的地位。接觸件大多數(shù)為通過(guò)彈性接觸件與剛性件之間的彈性接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸連接功能。
圖1 電接觸件圖示
1、電連接器接觸件結(jié)構(gòu)
電連接器接觸件一般包括陽(yáng)極接觸件(插針)和陰極接觸件(插孔)兩個(gè)部分，通過(guò)陽(yáng)、陰極接觸件的插合來(lái)實(shí)現(xiàn)電流傳輸功能。通常，陽(yáng)極接觸件為剛性接觸件，陰極接觸件為彈性接觸件。接觸件表面通常經(jīng)過(guò)表面鍍覆處理，以提高表面質(zhì)量，減小摩擦力和接觸電阻，通常表面鍍覆選擇鍍金層。
常見插針形狀有：圓柱形插針、方柱形插針、扁平形插針;其中，圓柱形插針最為常見。剛性插針一般由黃銅、鈹青銅或鱗青銅機(jī)加工制成，通常為車制(圓形插針，也可以采用銅片通過(guò)沖制卷曲而制成)或沖制(方形插針、扁平形插針)。插針接觸件有時(shí)也被設(shè)計(jì)成彈性接觸件，典型的結(jié)構(gòu)為絞線插針(俗稱麻花插針)，它是由多股鈹青銅絲扭絞而成，兩端熔焊成束，中間鐓粗隆起(實(shí)現(xiàn)彈性接觸)。
插孔，一般設(shè)計(jì)成彈性接觸件，其在與剛性的插針實(shí)現(xiàn)插合接觸時(shí)，依靠插孔的彈性接觸件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形來(lái)提供兩接觸件間的接觸壓力，從而形成緊密可靠的接觸，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和能量的可靠傳輸。插孔具有多種結(jié)構(gòu)形式，例如有圓筒型插孔(縮口、劈槽)，懸臂梁型(縱向開槽)、盒型(方形插孔)、音叉型、折疊型(縱向開槽、9字形)等，最常用的為圓筒型插孔。彈性插孔要求具有良好的彈性性能和抗蠕變、抗疲勞性能，一般采用鈹青銅、錫青銅或磷青銅制成。常見接觸件的幾種結(jié)構(gòu)形式如下：
1.1開槽雙瓣式插孔
由開瓣式插孔和保護(hù)套管組成。插孔縮口處開兩瓣，插孔外安裝保護(hù)套管，兩瓣收縮時(shí)一致性較好，見下圖所示。
圖2 劈槽式插孔
1.2 開槽四瓣加彈簧圈和彈簧片式插孔
彈性接觸件由開瓣式插孔、彈簧圈或彈簧片和保護(hù)套管組成。插孔縮口處通常開4瓣，外面用彈性較好的開口彈簧片或彈簧圈包裹，在彈簧圈/片及插孔本身的收縮力作用下，收縮時(shí)力相對(duì)柔和，接觸點(diǎn)較多，接觸可靠，見下圖。
圖3 劈槽加彈簧圈和彈簧片式插孔
2 電連接器接觸件性能要求
電連接器的主要基本性能要求分為三個(gè)部分，即機(jī)械性能、電連接性能、耐環(huán)境性能。
2.1 電連接器的機(jī)械性能
電連接器的機(jī)械性能指標(biāo)主要有插拔力和機(jī)械壽命兩個(gè)方面。插拔力是電連接器獨(dú)特而重要的機(jī)械性能，對(duì)于接觸件而言，插拔力包括插入力和分離力兩部分，是接觸件插合和分離時(shí)，插針接觸件克服插孔變形及摩擦力而產(chǎn)生的阻力。由于插合時(shí)，插針接觸件不僅要克服摩擦力，還要使插孔產(chǎn)生彈性形變，所以插入力大于分離力。GJB1216《電連接器接觸件總規(guī)范》中對(duì)各種型號(hào)接觸件的插入力和分離力均有相關(guān)要求，規(guī)定了插入力上限和分離力的下限;因?yàn)�，若插入力過(guò)大，插入時(shí)則不易插合到位或損壞接觸件，若分離力過(guò)小，則正壓力小，影響接觸的可靠性。
接觸件的機(jī)械壽命實(shí)際上是一種機(jī)械耐久性指標(biāo)，它是以一次插合和一次拔出為一個(gè)循環(huán)，以在規(guī)定的插拔循環(huán)后電連接器能否實(shí)現(xiàn)正常連接功能(如接觸電阻變化)作為評(píng)判依據(jù)。隨著插拔次數(shù)的增加，彈性接觸件會(huì)產(chǎn)生疲勞、應(yīng)力松弛、表面鍍層受到磨損等現(xiàn)象，接觸電阻隨之增加;所以，接觸件的機(jī)械壽命必須滿足使用要求。為了獲得良好的機(jī)械性能，必須對(duì)接觸件的結(jié)構(gòu)、表面鍍層、連接器孔位位置精度等進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)和控制。
2.2 電連接性能
電連接性能主要包括接觸電阻、耐電壓和絕緣電阻。接觸電阻由接觸件來(lái)保證，主要有兩個(gè)方面的要求：一方面必須小于規(guī)定的接觸電阻值;另一方面，必須保證電接觸的連續(xù)性，即接觸件不產(chǎn)生接觸瞬斷或長(zhǎng)時(shí)間斷開。這樣，就能保證電連接器之間的電信號(hào)和能量的可靠傳輸。耐電壓和絕緣電阻通過(guò)電連接器內(nèi)部的絕緣體保證，要求在工作環(huán)境條件下具有較高的絕緣性和耐電壓擊穿性能。
2.3 耐環(huán)境性能
電連接器的應(yīng)用環(huán)境有時(shí)會(huì)較為嚴(yán)苛，如高溫、潮濕、霉菌、鹽霧、振動(dòng)、沖擊等，對(duì)電連接器的耐環(huán)境性能提出了很高的要求。如在高溫環(huán)境下，彈性接觸件的應(yīng)力松弛加速，甚至金屬會(huì)產(chǎn)生軟化;溫度的劇變，會(huì)造成接觸件鍍層出現(xiàn)裂紋或分離，這些都將影響接觸件的接觸可靠性。潮濕和鹽霧環(huán)境，會(huì)造成接觸表面的腐蝕。所以在惡劣的使用環(huán)境下電連接器接觸件要保證接觸可靠，滿足電連接性能要求。
3 電連接器接觸件失效分析
有研究表明，電連接器的主要失效模式為接觸失效。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，電連接器的各種失效模式中，接觸失效約占45%。其具體表現(xiàn)為：接觸電阻的增加和接觸瞬斷。造成接觸失效的主要原因包括：接觸壓力不足，鍍層接觸狀態(tài)改變、接觸磨損、插針接觸件斷裂、插針接觸件偏離插孔等。
3.1 接觸壓力不足
接觸件的接觸穩(wěn)定性是由插合的接觸件的接觸壓力來(lái)保證的。插孔多為彈性接觸件，通過(guò)插針接觸件插入插孔，使插孔產(chǎn)生彈性變形，提供對(duì)插針的接觸壓力，所以插孔的彈性尺寸及質(zhì)量、接觸壓力的大小和穩(wěn)定性對(duì)接觸件的接觸性能起到?jīng)Q定性的作用。
插針接觸件產(chǎn)生的彈性形變?cè)陂L(zhǎng)期的接觸過(guò)程中會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成永久的塑性變形，出現(xiàn)彈性疲勞和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，造成接觸壓力的減小。在長(zhǎng)期的高溫應(yīng)力作用下，彈性接觸件會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，同時(shí)彈性接觸件疲勞和應(yīng)力松弛現(xiàn)象也會(huì)得到加速，其結(jié)果都將造成彈性接觸件間的接觸壓力減小，接觸電阻值隨之增加。當(dāng)接觸電阻超過(guò)某一程度時(shí)，將造成接觸失效。
電連接器在使用過(guò)程中經(jīng)常受到振動(dòng)、沖擊、碰撞和加速度等外界環(huán)境應(yīng)力的作用，彈性接觸件插孔可能受到與接觸壓力反方向的外力作用，當(dāng)外力大于接觸壓力時(shí)，插針接觸件與插孔之間發(fā)生短暫分離，造成接觸瞬斷。振動(dòng)、沖擊、碰撞和加速度等應(yīng)力越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，接觸瞬斷現(xiàn)象越嚴(yán)重。
3.2 鍍層接觸狀態(tài)改變
接觸件表面鍍層狀態(tài)的改變，一方面是由于塵埃、松香、油污等在表面機(jī)械附著沉積形成的較松散的表膜，另一方面是由于物理吸附以及化學(xué)吸附所形成的污染膜、氧化膜。這些膜層使接觸面積縮小，接觸電阻增大，容易造成接觸失效。在彈性接觸件兩端電壓較大時(shí)，這些膜層可能會(huì)被擊穿。但對(duì)于工作電壓較低的電連接器，則很難將膜層擊穿。為了改善接觸件的接觸情況，提高接觸穩(wěn)定性，一般選擇在接觸件表面鍍金。雖然鍍金層能保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但是，在長(zhǎng)期的貯存和工作壽命試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鍍金層的表面也會(huì)變色發(fā)黑，這是由于電鍍的過(guò)程中，鍍層在彈性接觸件的表面形成一種很薄的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且由于鍍層和基體的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)容易在表面形成表面應(yīng)力，致使鍍金層會(huì)出現(xiàn)一系列的微小細(xì)孔和裂紋，使基體上的銅可以接觸到潮濕氣體，和鍍金層形成微電池，在鍍金層的表面形成一層氧化銅薄膜，影響彈性接觸件可靠性。
3.3 接觸磨損
由于接觸壓力的存在，電連接器插針、插孔在插拔的過(guò)程中存在相互摩擦。同樣，在電連接器的工作、貯存和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，在振動(dòng)應(yīng)力的作用下，插針接觸件和插孔之間也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于接觸件之間的鍍層和基體銅合金的硬度相同，相對(duì)運(yùn)動(dòng)將伴隨著黏著摩擦，使表面材料受到磨損，導(dǎo)致鍍層破壞露出基體銅材料，在摩擦熱以及外界高溫應(yīng)力的作用下，發(fā)生氧化腐蝕，形成氧化膜，影響接觸件的接觸可靠性，該現(xiàn)象稱為微動(dòng)磨損。
插針接觸件表面粗糙度、鍍層材料和質(zhì)量、接觸壓力、接觸面間顆粒以及插針接觸件幾何形狀等條件都會(huì)影響接觸件表面的磨損程度。接觸件磨損越嚴(yán)重，接觸件的插拔壽命也就越低，接觸穩(wěn)定性也就越差。
3.4 插針插孔錯(cuò)位偏離
由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，在電連接器插頭和插座連接時(shí)，插針接觸件和插孔不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找正，造成插針接觸件插偏，導(dǎo)致插針接觸件彎曲或插孔變形被頂出，從而導(dǎo)致失效。
3. 5 接觸件斷裂
由于選材或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，插針接觸件在沖制成型時(shí)焊線槽根部的圓角過(guò)小，造成材料變形量過(guò)大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，在振動(dòng)或外力的作用下，超過(guò)材料的屈服極限，插針發(fā)生斷裂。對(duì)于一些接觸件密度高的電連接器來(lái)說(shuō)，接觸件的尺寸較小，且插孔的孔壁較薄，在加工孔的過(guò)程中，如果孔根部偏心，在使用過(guò)程中，根部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能會(huì)導(dǎo)致在工作過(guò)程中出現(xiàn)斷裂的情況。在裝配或使用過(guò)程中還有可能發(fā)生過(guò)大直徑插針接觸件誤插現(xiàn)象，造成插孔彈簧片塑性變形，也會(huì)影響接觸可靠性。
3.6 高溫
接觸件的常用材料，在室溫環(huán)境下具有滿足使用要求的強(qiáng)度，但在高溫環(huán)境下強(qiáng)度和硬度往往不能滿足性能要求。高溫應(yīng)力會(huì)加速接觸件的失效發(fā)生。
例如，溫度升高會(huì)使接觸體材料的性能下降，彈性變形產(chǎn)生的應(yīng)力很容易超過(guò)材料的屈服極限，使接觸件發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致提供的接觸壓力減小;
例如，高溫應(yīng)力可以提高金屬活性，加速暴露在空氣中的金屬表面的氧化。高溫引起電連接器內(nèi)部的絕緣體釋放出有機(jī)氣體，接觸件表面金屬受到污染，造成金屬面膜層增加。
3.7 其它因素
此外，造成接觸件接觸失效的因素還有很多，包括各種人為因素，使用得不合理等。但各種因素的影響大部分可歸結(jié)為接觸壓力較小和接觸表面膜層增加的現(xiàn)象。
合理的接觸壓力有利于壓破接觸面間的膜層，所以接觸壓力是接觸件設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。在接觸件的生產(chǎn)和檢測(cè)過(guò)程中，接觸壓力很難測(cè)量，所以，總是利用插拔力來(lái)控制接觸壓力的大小。
4 結(jié)語(yǔ)
電接觸是電連接器的核心功能，接觸件是實(shí)現(xiàn)電接觸功能的核心零部件，了解電接觸件是設(shè)計(jì)、研發(fā)電連接器產(chǎn)品的基礎(chǔ)。只有更深入地理解了接觸件，才能更好地進(jìn)行電連接器的設(shè)計(jì)、研發(fā)及生產(chǎn)制造工作。本文主要介紹了電連接器接觸件常用的結(jié)構(gòu)、性能要求，并對(duì)接觸件的失效現(xiàn)象、模式、相關(guān)因素及機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。拋磚引玉，以供大家探討。 |
