連接器接觸電阻的測試

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233000)

1 引言

隨著現代電子技術的迅猛發展，對互連器件質量和可靠性要求越來越高，不論是高頻電連接器，還是低頻電連接器，接觸電阻都是保證電連接器能正常可靠地工作的最基本的電氣參數之一。通常在電連接器產品技術條件的質量一致性檢驗A、B組常規交收檢驗項目中都列有明確的技術指標要求和試驗方法。這個檢驗項目也是用戶判別電連接器質量和可靠性優劣的重要依據。但是，由于采用的儀器、測試工裝、操作方法、樣品處理和環境條件等因素的不同，直接影響到檢驗結果的準確性和一致性。為此，本文對這個檢驗項目在實際操作中存在的問題進行一些討論。

2 作用原理

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

2.1 集中電阻

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

收縮電阻估算——接觸表面主要是塑性變形時，收縮電阻估算為：

式中：ρ——相同金屬表面的電阻率(見表1) Ω·m

H——金屬表面硬度 (見表1)N/m2

F——接觸處的正壓力 N

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

表1 幾種金屬的性能數據

2.2 膜層電阻

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

膜層電阻估算——當兩接觸表面間施以電壓，電場強度低于109～1010伏/米時，兩表面之間的膜層電阻值可大致按下式估算：

式中：ρF——隧道電阻率(其值隨膜層厚度急劇上升，見圖1) Ω·m2

對于金鍍層，若表面為遭磨損破壞，其化學性能是穩定的，表面氧化層厚度約在5埃左右。

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

d=22.4nt0.8c0.43

n——與濕度有關的系數，當相對濕度90%以上時，n=1；80%時 n=1/2；70%時 n=1/3；30%時 n=1/4

c——硫化氫氣體濃度 ppm

t——接插件置于硫化氫氣體中的時間 h

銅接觸對的氧化膜厚度可近似按下式計算：

式中： t——件置于空氣中的時間，t值應至少為1小時

T——接觸對周圍空氣溫度 K

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

圖1 隧道電阻率與膜厚的關系

圖2 接觸電阻的非線性變化

2.3 導體電阻

實際測量電連接器接觸件的接觸電阻時，都是在接點引出端進行的，故實際測得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導線本身的導體電阻。導體電阻主要取決于金屬材料本身的導電性能，它與周圍環境溫度的關系可用溫度系數來表征。

為便于區分，將集中電阻加上膜層電阻稱為真實接觸電阻。而將實際測得包含有導體電阻的稱為總接觸電阻。

3 影響因素

主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態、使用電壓和電流等因素影響；

3.1 接觸件材料

不同材料和鍍層的接觸件，具有不同的接觸電阻。電連接器技術條件對不同材質的同規格插配接觸件，規定了不同的接觸電阻考核指標。如GJB101A-97“小圓形快速分離耐環境電連接器總規范”規定，直徑為1mm的插配鍍金接觸件接觸電阻，銅合金≤5mΩ，鐵合金≤15mΩ。

3.2 正壓力

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

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

式中：FN——正壓力；

D——撓曲量；

E——材料彈性模量；

W——懸臂梁寬度；

t——懸臂梁厚度；

L——懸臂梁長度；

3.3 表面狀態

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

接觸件表面粗糙度和鍍層質量等表面狀態將影響膜層電阻大小。接觸件表面由于物理吸附引起化學氧化吸附產生氧化物，以致使插合的一對接觸件界面，即使在凸起處也被隔離開了。氧化物是不良導體，如果按接觸界面存在足夠大的電壓，則氧化表膜就會電擊穿。一旦擊穿，電子就自由流通。但是在許多弱電路使用時，電壓是很低的(如開路電壓小于50mv)，就不能擊穿很薄的氧化膜。故對一些高可靠性要求的軍用電連接器一般都采用鍍金接觸件。因為，鍍金層對氧幾乎不吸附。電連接器接觸件表面鍍金是防止腐蝕導致接觸電阻升高的重要保證。高質量的鍍金層不僅取決于厚度，還取決于鍍層是否具有牢固的與基體材料的結合力、耐磨損和低的孔隙率。

3.4 使用電壓

使用電壓達到一定閥值，會使接觸件膜層被擊穿，而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應加速了膜層附近區域的化學反應，對膜層有一定的修復作用。于是阻值呈現非線性。

當電流超過一定值時，接觸件界面微小點處通電后產生的焦耳熱(I2R)作用而使金屬軟化或熔化，會對集中電阻11111電流產生影響，隨之降低接觸電阻。

4 測試方法

測量接觸電阻除用毫歐計外，也可用伏-安法，安培-電位法等。

在連接微弱信號電路中，設定的測試參數條件對接觸電阻檢測結果有一定影響。因為接觸表面會附有氧化層，油污或其他污染物，兩接觸件表面會產生膜層電阻。由于膜層為不良導體，隨膜層厚度增加，接觸電阻會迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會機械擊穿，或在高電壓、大電流下會發生電擊穿。但對某些小型連接器設計的接觸壓力很小，工作電流電壓僅為mA和mV級，膜層電阻不易被擊穿，接觸電阻增大可能影響電信號的傳輸。

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

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

5 測試分析

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

R=RC+RF+RP

式中：RC——集中電阻；RF——膜層電阻；RP——導體電阻。

接觸電阻檢驗目的是確定電流流經接觸件的接觸表面的電觸點時產生的電阻。如果有大電流通過高阻觸電時，就可能產生過分的能量消耗，并使觸點產生危險的過熱現象。在很多應用中要求接觸電阻低且穩定，以使觸點上的電壓降不致影響電路狀況的精度。