基于熱分析的電連接器的溫度應力研究

趙娟 劉江濤

摘 要：為了研究溫度對電連接器的影響，介紹了等效電阻，通過模擬電連接器的溫度場，得出電連接器溫度場分布情況，得出電連接器接觸面最高上升溫度約23.2℃的結論；通過對電連接器的溫度--結構耦合場模擬，可以得出結論：溫度引起的熱變形對接觸應力影響不大，溫度對電連接器的影響主要體現在金屬表面的氧化速率上。通過建模和理論分析，得到了溫度應力下電連接器的失效物理過程和方程，為電連接器的可靠性設計開辟了新的思路。

關鍵詞：熱分析；電連接器；溫度應力

電連接器是完成電信號傳輸和控制以及電子和電氣元件之間進行電連接的基本組件。它廣泛應用于電子，機械和信息領域，并發揮著重要作用。一般電氣設備或電氣系統正常運行需要安裝各種電氣連接器。電氣連接器要求在使用設備系統環境的條件下能夠可靠的連接電路，信號傳輸，實現相應的功能，其可靠性將直接影響整個設備系統的穩定可靠工作，滿足人們對系統的要求可靠性水平越來越高，對電連接器進行可靠性分析已成為電子電氣設備研究的重要課題。一些學者在環境應力空間電連接器的作用下為研究的可靠性，采用一些專家等效理論研究了電連接器接觸力的可靠性，分析了電熱連接器電連接器的一體化結構，而焦耳熱的引起的電連接器的溫度應力研究較少，因此，在分析熱電連接器溫度應力的基礎上研究是必要的。

1電連接器接觸電阻的等效體確定

在電連接器中，由接觸電阻產生的焦耳熱是導致接觸部件溫度升高的主要因素。因此，接觸電阻的熱影響主要在建模和仿真過程中考慮。 同時，對流傳熱系數設定在電連接器的接觸部分的接觸頭外側的部分上。 綜上所述，在綜合考慮接觸接觸電阻和接觸片散熱對電連接器溫度場的影響的基礎上，建立了電連接器的溫度場分布模型，進行了熱模擬分析。

根據國標規定，電連接器判別失效依據：電連接器接觸電阻大于或等于5mΩ； 同時電連接器的溫升不應超過30℃。通過額定電流的接觸電阻產生的焦耳熱是接觸頭熱量的主要來源。然而，在溫度場仿真分析過程中，接觸部分插頭的物理模型和單獨的電連接器的引腳不能準確地反映接觸電阻的影響，這將導致大的誤差。因此，采用等效接觸電阻的方法。即，根據具體模型，接觸電阻被假定為靠近針式插座的環體，以及具體的等效結構圖。

在介紹等效接觸電阻體的基礎上，構造了電連接器的接觸模型，并在此基礎上進行了電連接器溫度場的有限元仿真分析。該分析過程是穩態分析，因為應包括接觸體之間的接觸分析，應建立相應的接觸對。為了實現接觸電阻等效體與插入針座之間的傳熱，實現熱交換，應設定熱接觸傳導系數和具體參數。

2電連接器熱應力的有限元仿真分析

利用已建立的電連接器模型，對溫升作用下的熱應力耦合場進行了有限元仿真分析，研究了溫升對接觸面應力的影響。在對電連接器進行接觸分析之前，有必要建立電連接器的接觸界面。目標表面是盒的內表面，并且接觸表面是銷的接觸表面。

3電連接器在溫度應力作用下的失效物理過程及方程

電連接器接觸的失效分析表明，電連接器的接觸壽命取決于接觸電阻的增長率，接觸電阻的增長率由接觸表面的熱蠕變率和表面腐蝕的增長率決定。在正常工作溫度下，溫度對接觸面的應力影響不大，因此溫度對表面的熱蠕變影響不大。通過現場試驗分析表明，在125℃時，即使溫度高于使用電連接器的常溫，錫青銅在2000小時內的熱蠕變率僅為9.54×10-6 / s，十年蠕變變量后為0.921%。直徑約為1毫米的圓形電連接器接觸元件，在125℃溫度下應力作用，10年后，產生的蠕變變熱效應僅為9.21微米，遠小于接觸面的彈性變形。同時，金屬材料的蠕變速率和溫度都滿足以下關系

ε（t）=C0σ5 exp –[]

ε（t）—蠕變速率；C0—折算系數；σ—金屬表面所受到的正應力；W—金屬材料自由擴散的激活能（eV）；k—玻爾茲曼常數（0.8617×10-4eV/K）；T—熱力學溫度（K）

可以看出，蠕變速率隨溫度的降低呈指數變化。電連接器的接觸電阻增長率主要取決于氧化膜在接觸率表面上的生長，因此，只要考慮到溫度作用下的氧化膜速度增長，就可以反映出電連接器的接觸電阻的生長情況，可以得出電連接器接觸壽命和溫度應力之間的關系。

根據氧化膜的形成機理和質量作用定律，化學反應速度與此時每種反應物的濃度成正比，該反應物的濃度方次等于每種化學式的化學系數。在這種情況下，xA+yB→zC

式中：x，y，z—常數，在某一瞬時，分別以CA、CB和CC表示A、B和C的濃度，則該瞬間的反應速率為：

式中：A—反應速度常數。該值只與反應物的溫度有關系。在由反應物轉換成生成物的過程中存在著一個稱為激活能ΔW 的能量勢壘，同時，溫度越高，反應的速度也就越快。因而，反應速度常數A 和活化分子的頻數二者滿足下列關系：A與e-Δw/kT成正比。

其中：α—頻數因子；ΔW—激活能（eV）；k—玻爾茲曼常數（0.8167×10-4eV/K）；T—絕對溫度（K）

4結語

（1）通過引入等效電阻，通過模擬電連接器的溫度場，得出電連接器的溫度場分布和最高溫度為23.2℃的接觸面。（2）通過對電連接器溫度 - 結構耦合場的仿真分析，得出溫度引起的熱變形對接觸應力影響不大。溫度對電連接器的影響主要表現在金屬表面的氧化速率。（3）得到了電連接器在溫度應力作用下的失效物理過程，并將其失效物理方程推導為阿倫尼烏斯方程，為電連接器的可靠性設計提供了有力的依據。

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