插拔对贮存中矩形连接器接触性能的影响

陆 鹏，王敏兴，王清亮

(苏州华旃航天电器有限公司，江苏苏州，215129)

1 引言

JB14型印制板电路连接器是一款电源连接器,用于Compact CPI总线,连接PCB子板与母板或电缆与PCB板,为其它板卡提供电流传输,广泛应用于医疗、工业等领域。对于重要的应用场合,已经交付的JB1447连接器大部分会处于贮存状态,且定期会对贮存中的连接器进行检验(通常每5年会进行一次插拔)。因此研究定期插拔检验贮存中产品是否会影响产品本身接触性能,是当下的一项重要工作。

本文以JB1447型连接器作为研究对象,通过加温实现加速退化模拟连接器贮存状态,研究插拔对电连接器贮存寿命的影响。

2 电连接器的接触失效

JB1447型电连接器多用于传输大电流,而接触件是电流传输的直接载体[2]。接触失效是电连接器失效形式的主要构成部分。接触失效会出现接触电阻异常的现象。这里的接触电阻包含接触件对的电阻和接触件对的导体电阻,而镀金的高导电铜合金导体电阻较小,所以通常把接触件对电阻作为接触电阻[2]。电连接器失效模式见表1。

表1 电连接器失效模式及其占比

3 试验验证插拔对贮存中JB1447连接器接触性能的影响

3.1 加速退化试验试验模型

根据产品Q/Lks.J(02)07C详细规范中样本要求各项试验每组2只样本。本次加速退化试验模型分两组,每组各4只进行对照试验。第一组是不考虑插拔情况,A表示22号接触件,B表示16号接触件;第二组是考虑插拔情况,C 表示22号接触件,D表示16号接触件。

电连接器以温度作为连接器加速退化因素的模型关系式如下式所示:

(1)

式中,r(t)表示接触电阻值,r0和α是接触电阻的初值和退化率,β是与退化机理有关的常数。同时退化率α与温度应力水平的函数关系如下式:

μα=α+bx

(2)

上式中,α和b是模型参数,x表示温度应力水平,x与温度T的关系如下式:

(3)

JB1447产品实际使用温度为-55℃～+120℃,连接器储存温度为-5℃～+30℃。连接器使用经验可知,低温对常规连接器贮存寿命影响较小。这里为了加速退化试验效果,最低温度设置为T1=60℃,最大温度设置为T3=120℃。温度样本数n设置为3。代入式2-3可知,x1=3,x3=2.543。

为了确保温度应力水平均匀间隔,温度应力水平xi和温度样本数n的关系如下式:

(4)

(a)接触电阻测量原理图

(b)接触电阻实际测量图1 接触电阻测试图

本次试验采用仪器为(GWINSTEK)固纬GOM-801H直流微欧姆计,解析度为10uΩ。高低温试验采用重庆四达的高低温湿热试验箱,温度范围-65℃～+150℃,精度±0.3℃,湿度20%～98%。接触电阻测试方法根据GJB1217A-2009方法3004规定进行。连接器失效判定依据为接触电阻超过5mΩ。

3.2 试验数据分析及结论

3.2.1 试验数据分析

本次试验A,B两组连接器均放入120℃恒温恒湿箱进行试验。将模拟贮存周期内的接触电阻记录并绘制变化曲线,对比观察接触性能变化曲线,为了便于观察插拔对连接器接触性能影响趋势,这里将每次测试连接器内24只16号接触件接触电阻和23只22号接触电阻各自取均值。接触电阻值变化趋势图可以反应连接器接触性能退化轨迹,如下图2.2所示。

(a)无插拔接触电阻变化

(b)定期插拔接触电阻变化图2 JB1447连接器在120℃下接触电阻变化图

由上图2.2(a)可知,电连接器在没有插拔,贮存环境温度为120℃的前提条件下进行贮存,生命周期内电连接器接触电阻增加了大约1.5mΩ左右,整个过程呈现上升趋势。

由上图2.2(b)可以看出,通过两组试验的对比可以得出结论:

①120℃情况下,插拔加快了JB1447电连接器的退化速率。每次插拔,接触电阻值都出现了幅度不同的跳变,且插拔次数越多,插拔后的跳变幅度越大。样本中22号A005跳变后接触电阻阻值接近4.5mΩ,逼近失效阈值5mΩ。

②120℃情况下,插拔次数越多,跳变曲线峰顶角越小,说明跳变后接触电阻数值回弹恢复稳态的时间越短。

3.2.2 试验结果观察分析

上面章节记录分析各种试验数据,对比研究了JB1447连接器在贮存中插拔对其接触性能的影响。为了让分析过程更加直观,还需对连接器接触件表面进行观察。

插针一面有最大0.075mm的凹坑,由此可见,受加工工艺限制,通常微观下的连接器接触件表面会有细小凹坑,并不是理想的平整。通过观察该凹坑内有镀金层,且可以通过盐雾试验,不影响本试验结果。

加速退化试验开始时,把样品置于120℃高低温湿热试验箱,每隔72h进行一次插拔,总共插拔7次。

加速退化模拟贮存的连接器接触件表面出现多个氧化斑点区域。多次插拔后接触件表面出现多道线状擦痕,该位置的金层和氧化物薄膜被刮擦,铜基暴露在空气中。被刮下的氧化物和金层颗粒落入接触件表面凹坑中,减小接触斑点半径,使得接触电阻增加。同时,线状擦痕下的铜基会加速剧烈氧化反应,产生更多的氧化亚铜薄膜,且薄膜越厚,接触性能越差,接触电阻越大。由此可见,与上文中的曲线分析数据得到一致的结果。

4 结束语

文中设计了不插拔和插拔两种连接器加速退化试验。根据试验中记录的数据,绘制了不考虑插拔和考虑插拔的120℃退化轨迹。并通过连接器接触件表面状态的对比观察,来进一步论证试验结果分析的正确性。通过对比试验得到以下结论:

(1)插拔会造成贮存中连接器的加速退化,影响连接器的贮存寿命。

(2)对于单个温度水平下的连接器,插拔会引起连接器接触电阻阻值跳变。且随着插拔次数的增加,跳变幅度越大,跳变回弹时间越短。所以贮存中的连接器插拔试验后不可立即使用。