環(huán)境溫度及絕緣材料對電連接器絕緣電阻的影響

蔣海濤

（上海航天科工電器研究院有限公司 上海市 200331）

1 前言

電連接器是一種用于實現(xiàn)信號與電流傳輸和控制的電接觸元件[1]，影響其可靠性的因素有很多，例如制造及加工工藝、材料屬性、環(huán)境應(yīng)力等。國外航空公司的研究資料表明，其中溫度對電子產(chǎn)品可靠性的影響占到了環(huán)境應(yīng)力影響的40%。因此，環(huán)境溫度對電連接器可靠性的影響不可忽視[2]。

由絕緣材料加工而成的絕緣體作為電連接器的重要組成部分，它的主要作用是使接觸件保持正確的位置排列，并使接觸件之間以及接觸件與殼體之間相互絕緣[3]。絕緣材料除了需要具有良好的機械性能外，還要有突出的電氣性能。本文使用的連接器是一款常見的電源連接器，見圖1，該連接器通過采用PCB 板走線，較好地控制了連接器阻抗，已大量應(yīng)用于軍工、民用產(chǎn)品中。

圖1：一款常見電源連接器

通常環(huán)境溫度引起電連接器的失效主要有接觸失效和絕緣失效兩種。其中絕緣失效是環(huán)境應(yīng)力引起的一種重要的失效模式。其主要表現(xiàn)形式為絕緣電阻值過低，使相鄰兩個接觸件之間形成反饋回路，引起電連接器發(fā)生絕緣失效。本文主要探討了環(huán)境溫度及絕緣材料對電連接器絕緣電阻的影響。

2 理論分析

2.1 電連接器絕緣失效機理分析

加固混裝型電連接器的絕緣體一般以LCP（液晶高分子聚合物）、尼龍PA6T 和高性能工程塑料等有機高分子材料組成，具有比較大的電阻系數(shù)，在交、直流電壓的作用下只有極少量的微小電流通過[4]。

絕緣體在大氣環(huán)境中受到環(huán)境溫度的影響，材料的絕緣性能會發(fā)生變化。這是因為在環(huán)境溫度應(yīng)力的作用下，絕緣材料會進行熱降解和交聯(lián)兩種反應(yīng)。此時，材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)會變得松散，且出現(xiàn)帶電自由基。加壓后，在外部電場的作用下，自由基發(fā)生移動傳遞電子，進而在相鄰接觸件之間形成反饋回路，表現(xiàn)出絕緣材料的絕緣電阻值降低。而超量的漏電流產(chǎn)生的熱量，還會進一步加速這個過程，造成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致連接器絕緣失效的發(fā)生。

而當(dāng)絕緣材料中含有雜質(zhì)、氣泡和縮坑時，對絕緣體的絕緣電阻也會產(chǎn)生直接影響。雜質(zhì)來源于兩方面，一種是原料中因生產(chǎn)工藝混入金屬雜質(zhì)，近年來已得到明顯改善；另一種是在成型的電連接器中，因生產(chǎn)加工混入金屬多余物，這些金屬多余物輕則造成擊穿電壓降低，重則直接導(dǎo)致絕緣體短路。氣泡則是直接減少了電介質(zhì)的有效厚度。所以，氣泡處總是因先游離而發(fā)生局部放電。該放電雖然不能立即形成貫穿性通道，但長期的局部放電使電介質(zhì)的老化損傷逐步加深，進而導(dǎo)致整體介質(zhì)的擊穿。縮坑的主要危害就是減小了電介質(zhì)的厚度，顯著降低絕緣體的耐電壓值，同時還可積聚雜質(zhì)，降低絕緣體耐電壓值的同時，為后期出現(xiàn)故障埋下隱患。

2.2 環(huán)境溫度對電連接器絕緣電阻的影響分析

測量中電連接器的插座部分可以被看作是一個平行板電容器。設(shè)電容器等效面積為S，E 為測量時外部所加電場。

電連接器的絕緣體一般由高分子聚合物材料組成，其電介質(zhì)的電導(dǎo)以離子電導(dǎo)為主。根據(jù)克勞修斯方程可得電容器極化強度為：

其中，εs為絕緣體的松弛極化介電常數(shù)；ε∞為絕緣體的光頻介電常數(shù)。又松弛極化強度與時間的關(guān)系可以近似的表示為[5]：

其中，Prm為穩(wěn)定時（t →∞）的松弛極化強度；t 為加上電場后經(jīng)過的時間；τ 為松弛極化時間常數(shù)；其隨溫度的變化服從阿倫尼斯方程，即：

其中，U 為離子活化能；T 為攝氏溫度。由式（1）、（2）和（3）可得電容器極化的電流密度為：

在連接器絕緣電阻測試過程中，我們加壓時間為10s，而理論上松弛極化時間τ 為無窮大。因此，連接器絕緣體吸收的電流為：

那么由式（4）、（5）便可得到連接器的絕緣電阻為：

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗操作

本次試驗采用SDK702F 型高低溫試驗箱進行加溫（如圖2所示），采用TOS‐9201 型交直流耐壓/絕緣測試儀測試產(chǎn)品絕緣電阻（如圖3所示）。使用樣品為上述電源連接器，絕緣材料為尼龍PA6T。選取9 個樣品，分成三組，每組3 個樣品。三組分別加500V、700V、900V 的直流電壓。將樣品放在高低溫箱中，分別在10℃、30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃的溫度環(huán)境中測試樣品的絕緣電阻。為了減少誤差，取每組3 個樣品的平均數(shù)。

圖2：高低溫試驗箱

圖3：交直流耐壓/絕緣測試儀

3.2 結(jié)果分析

環(huán)境因素對電連接器的影響除了溫度，還有濕度和氣壓。試驗當(dāng)天天氣晴朗，空氣濕度為39.5%，氣壓為標準大氣壓，所以基本可以排除其他環(huán)境因素。表1～表3 分別表示500V、700V 和900V 電壓下電連接器在不同環(huán)境溫度情況下絕緣電阻的大小。

表1：500V 交流電壓下連接器在不同溫度下的絕緣電阻（單位：GΩ）

表2：700V 交流電壓下連接器在不同溫度下的絕緣電阻（單位：GΩ）

表3：900V 交流電壓下連接器在不同溫度下的絕緣電阻（單位：GΩ）

從圖4 中可以看出50℃以內(nèi)電連接器的絕緣電阻變化不大，只有小幅度地波動；當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)上升后可以看到絕緣電阻快速下降，尤其是在高電壓環(huán)境下絕緣電阻下降得更快。這是因為達到一定溫度后，電連接器的絕緣材料快速熱降解，在外部電場的作用下，已經(jīng)在接觸件之間形成回路。

圖4：連接器絕緣電阻隨環(huán)境溫度變化

4 結(jié)論

本文僅考慮了環(huán)境溫度和絕緣材料對電連接器可靠性的影響，分析了在不同電壓條件下環(huán)境溫度引起的電連接器絕緣失效。從理論分析和試驗輪證兩方面證明了電連接器的絕緣電阻跟環(huán)境溫度之間呈負相關(guān)。不管電壓條件如何變化，當(dāng)環(huán)境溫度上升時，電連接器的絕緣電阻總是有變小的趨勢。其實環(huán)境因素中濕度和氣壓對電連接器的絕緣電阻影響也很大，可以在之后的研究中繼續(xù)探討。