插拔對貯存中矩形連接器接觸性能的影響

陸 鵬，王敏興，王清亮

(蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇蘇州，215129)

1 引言

JB14型印制板電路連接器是一款電源連接器,用于Compact CPI總線,連接PCB子板與母板或電纜與PCB板,為其它板卡提供電流傳輸,廣泛應用于醫療、工業等領域。對于重要的應用場合,已經交付的JB1447連接器大部分會處于貯存狀態,且定期會對貯存中的連接器進行檢驗(通常每5年會進行一次插拔)。因此研究定期插拔檢驗貯存中產品是否會影響產品本身接觸性能,是當下的一項重要工作。

本文以JB1447型連接器作為研究對象,通過加溫實現加速退化模擬連接器貯存狀態,研究插拔對電連接器貯存壽命的影響。

2 電連接器的接觸失效

JB1447型電連接器多用于傳輸大電流,而接觸件是電流傳輸的直接載體[2]。接觸失效是電連接器失效形式的主要構成部分。接觸失效會出現接觸電阻異常的現象。這里的接觸電阻包含接觸件對的電阻和接觸件對的導體電阻,而鍍金的高導電銅合金導體電阻較小,所以通常把接觸件對電阻作為接觸電阻[2]。電連接器失效模式見表1。

表1 電連接器失效模式及其占比

3 試驗驗證插拔對貯存中JB1447連接器接觸性能的影響

3.1 加速退化試驗試驗模型

根據產品Q/Lks.J(02)07C詳細規范中樣本要求各項試驗每組2只樣本。本次加速退化試驗模型分兩組,每組各4只進行對照試驗。第一組是不考慮插拔情況,A表示22號接觸件,B表示16號接觸件;第二組是考慮插拔情況,C 表示22號接觸件,D表示16號接觸件。

電連接器以溫度作為連接器加速退化因素的模型關系式如下式所示:

(1)

式中,r(t)表示接觸電阻值,r0和α是接觸電阻的初值和退化率,β是與退化機理有關的常數。同時退化率α與溫度應力水平的函數關系如下式:

μα=α+bx

(2)

上式中,α和b是模型參數,x表示溫度應力水平,x與溫度T的關系如下式:

(3)

JB1447產品實際使用溫度為-55℃～+120℃,連接器儲存溫度為-5℃～+30℃。連接器使用經驗可知,低溫對常規連接器貯存壽命影響較小。這里為了加速退化試驗效果,最低溫度設置為T1=60℃,最大溫度設置為T3=120℃。溫度樣本數n設置為3。代入式2-3可知,x1=3,x3=2.543。

為了確保溫度應力水平均勻間隔,溫度應力水平xi和溫度樣本數n的關系如下式:

(4)

(a)接觸電阻測量原理圖

(b)接觸電阻實際測量圖1 接觸電阻測試圖

本次試驗采用儀器為(GWINSTEK)固緯GOM-801H直流微歐姆計,解析度為10uΩ。高低溫試驗采用重慶四達的高低溫濕熱試驗箱,溫度范圍-65℃～+150℃,精度±0.3℃,濕度20%～98%。接觸電阻測試方法根據GJB1217A-2009方法3004規定進行。連接器失效判定依據為接觸電阻超過5mΩ。

3.2 試驗數據分析及結論

3.2.1 試驗數據分析

本次試驗A,B兩組連接器均放入120℃恒溫恒濕箱進行試驗。將模擬貯存周期內的接觸電阻記錄并繪制變化曲線,對比觀察接觸性能變化曲線,為了便于觀察插拔對連接器接觸性能影響趨勢,這里將每次測試連接器內24只16號接觸件接觸電阻和23只22號接觸電阻各自取均值。接觸電阻值變化趨勢圖可以反應連接器接觸性能退化軌跡,如下圖2.2所示。

(a)無插拔接觸電阻變化

(b)定期插拔接觸電阻變化圖2 JB1447連接器在120℃下接觸電阻變化圖

由上圖2.2(a)可知,電連接器在沒有插拔,貯存環境溫度為120℃的前提條件下進行貯存,生命周期內電連接器接觸電阻增加了大約1.5mΩ左右,整個過程呈現上升趨勢。

由上圖2.2(b)可以看出,通過兩組試驗的對比可以得出結論:

①120℃情況下,插拔加快了JB1447電連接器的退化速率。每次插拔,接觸電阻值都出現了幅度不同的跳變,且插拔次數越多,插拔后的跳變幅度越大。樣本中22號A005跳變后接觸電阻阻值接近4.5mΩ,逼近失效閾值5mΩ。

②120℃情況下,插拔次數越多,跳變曲線峰頂角越小,說明跳變后接觸電阻數值回彈恢復穩態的時間越短。

3.2.2 試驗結果觀察分析

上面章節記錄分析各種試驗數據,對比研究了JB1447連接器在貯存中插拔對其接觸性能的影響。為了讓分析過程更加直觀,還需對連接器接觸件表面進行觀察。

插針一面有最大0.075mm的凹坑,由此可見,受加工工藝限制,通常微觀下的連接器接觸件表面會有細小凹坑,并不是理想的平整。通過觀察該凹坑內有鍍金層,且可以通過鹽霧試驗,不影響本試驗結果。

加速退化試驗開始時,把樣品置于120℃高低溫濕熱試驗箱,每隔72h進行一次插拔,總共插拔7次。

加速退化模擬貯存的連接器接觸件表面出現多個氧化斑點區域。多次插拔后接觸件表面出現多道線狀擦痕,該位置的金層和氧化物薄膜被刮擦,銅基暴露在空氣中。被刮下的氧化物和金層顆粒落入接觸件表面凹坑中,減小接觸斑點半徑,使得接觸電阻增加。同時,線狀擦痕下的銅基會加速劇烈氧化反應,產生更多的氧化亞銅薄膜,且薄膜越厚,接觸性能越差,接觸電阻越大。由此可見,與上文中的曲線分析數據得到一致的結果。

4 結束語

文中設計了不插拔和插拔兩種連接器加速退化試驗。根據試驗中記錄的數據,繪制了不考慮插拔和考慮插拔的120℃退化軌跡。并通過連接器接觸件表面狀態的對比觀察,來進一步論證試驗結果分析的正確性。通過對比試驗得到以下結論:

(1)插拔會造成貯存中連接器的加速退化,影響連接器的貯存壽命。

(2)對于單個溫度水平下的連接器,插拔會引起連接器接觸電阻阻值跳變。且隨著插拔次數的增加,跳變幅度越大,跳變回彈時間越短。所以貯存中的連接器插拔試驗后不可立即使用。