开关插座接触不良原因分析

文章作者:劲旋风 发布时间: 浏览次数:

[导读:]开关插座接触不良原因分析

子產品中,接觸不良的故障的比例非常大,而且這種故障很麻煩,因為會表現出來有時好有時壞,分析起來很麻煩。而且,有時的接觸不良體現出來的現象會令人迷惑不解。以下將從物理的角度來解釋接觸不良問題,使大家更加明朗和深刻理解此現象。之前並沒有看到有類似深刻分析接觸不良的文章,所以難以取得權威的資料,因此,如果分析有什麼不妥的地方,歡迎指正。
     電子產品中的接觸不良,有元器件自身內部的接觸不良,也有元器件互連時的接觸不良,也有虛焊(一般為元件與PCB)產生的不良。下麵以更常見的連接器(接插件)之間的接觸為實例分析接觸不良問題,之後大家可以觸類旁通。
     連接器一般是針接觸件和孔接觸件之間的連接。我們知道,元器件的引腳或端子,一般是有一層鍍層,比如鍍鉛錫合金、鍍純錫、鍍鎳、鍍銀、鍍銀鈀合金、鍍金、等等。所以元件之間的接觸,其實就是這些鍍層金屬之間的接觸。當然,不同的鍍層金屬的導電率是不同的,對應產生的接觸電阻也有所不同。一般金的導電率比較好,銀次之。在焊接工藝時,由於焊接實際上是形成合金的過程,這個合金本身就是良導體,所以焊接本身的可靠性是比較高的,除非是焊接不良。但是,連接器之間的連接,靠的是表麵之間的接觸,所以容易導致接觸不良,更具體的原因分析如下。
      兩個金屬表麵之間的接觸是否良好,主要取決於材料(不同金屬導電率不同)、接觸壓力、實際接觸麵結。關於材料種類,上麵已經提到了,一般器件的鍍層材料,基本上都是由良導體做的,對接觸不良的影響不大,頂多影響接觸電阻(當然更進一步來說還影響到了是否容易被氧化),所以不再更詳細地討論。關於連接器的接觸壓力,連接器靠的是孔接觸件的彈力來給針接觸件一定的壓力的。一般壓力越大接觸得也越好。當然,一般小而又薄的孔接觸件是不太可能提供特大的壓力的。而且如果這個孔接觸件本身的彈性不好,這個壓力就小,接觸也就沒那麼好。同時,如果孔接觸件或針接觸件有變形,也會導致實際接觸麵積小,從而有可能導致接觸不良。同時,連接器的孔接觸件或針接觸件當然一般是連接在塑膠上的,如果腳數多了,有可能導致某一個或數個接觸件裝在塑膠件上的位置有偏差,於是,兩個連接器插入時,那些偏位了的接觸件就有可能接觸不好。
      以上是從宏觀的角度來分析的。事實上,要真正理解接觸不良問題,必須從宏觀逐漸深入到微觀去理解接觸問題。
      接觸件的表麵肉眼看起來是光滑的。事實上,這些接觸件表麵並不光滑。我們知道,如果金屬件表麵非常光滑,那麼它就會閃閃發光。比如古代的銅鏡就是把銅的表麵磨得很光滑。一般器件的引腳或端子,遠遠沒有達到閃閃發光那麼光滑。其實,即使是閃閃發光那麼光滑,放大來看,也不是真的完全光滑。所以,把連接器的接觸件放大到一定程度時,你會發現,其表麵是充滿了凹凸不平的!可以這樣去理解,在外太空觀察地球表麵,會發現有的地方是很平的,但是你不斷地逼近來看,就會發現,其實遠看是平的地麵可能包含了不少小丘陵和山穀。再舉個淺顯生動的比喻。比如,在舞台上光鮮照人的一些漂亮女明星,有的人感覺她們的臉蛋很光滑,其實,拿高倍鏡頭照出來的照片會讓你大失所望,因為她們塗脂抹粉的臉上,感覺是溝溝壑壑的。
      因此,兩接觸件表麵接觸時,其實是凹凸不平的表麵之間的犬齒交錯的接觸。有的地方,可能是凸的和凸的相接觸,而那些凹下去的表麵,可能就接觸不到對方的表麵。當然還有的情況是這個凸的嵌入到對方的凹的那裏,不過一般由於凸和凹的形狀和大小不可能完全吻合,所以嵌入的時候其實也隻是部分接觸。所以,表麵上看起來接觸緊密的金屬表麵之間,事實上是凹凸不平的表麵之間的接觸。其真正有效接觸麵積已經大打折扣了。當然,兩表麵接觸時,接觸麵之間的壓力會對接觸狀況造成影響。壓力大,就可以使兩表麵間互相嵌入得更深入,同時,有的凸起在壓力下產生形變,變得沒這麼突出,使其周圍更矮的地方也有可能接觸在一起了。所以,壓力的大小其實更終是影響到了表麵間實際有效接觸麵積的大小。另外說明下,在實際接觸到了的表麵間,兩金屬的原子之間的距離被壓得非常近(壓力更大時原子間甚至會相互嵌入),於是可以互相交換電子,所以才會導電。
      另一個方麵,金屬表麵的氧化和雜質,也會導致接觸不良。我們說引腳或端子沒有氧化,是以肉眼來看的。事實上,暴露在空氣中的金屬,肯定會不同程度地受到氧化,氧化程度與金屬材料、環境狀況、放置時間密切相關。鍍金的鍍層被認為是比較不容易氧化的,事實上,金也並不是完全不氧化,隻是相對來說,氧化程度低一些。其他鍍層就容易被氧化了。所以,我們一般意義上肉眼判斷的“沒氧化”隻是說氧化不是很嚴重,事實上,氧化是客觀存在的。金屬氧化物是不導電的。所以,這些引腳或端子表麵,某些區域已經分布了一定的氧化層,這些氧化層使實際有效接觸麵進一步減少。
      同時,雜質的影響也不可以忽略。金屬表麵與其他物質接觸時,會沾上雜質。比如,人的手的皮膚上,事實上有大量的汗漬油脂等等物質,人手碰到引腳或端子,就會把這些雜質沾到其表麵上。另外,空氣中含有大量的塵埃,這些塵埃包括灰塵、粉塵、各種物質間摩擦產生的微粒、尾氣、煙霧、人造纖維塵埃、鹽霧、人體的體屑和吐沫、微生物,等等。暴露在空氣中的金屬,必定會沾上這些微粒。這些雜質我們肉眼看不到,所以,可能會認為這些元器件的引腳或端子很“潔淨”。殊不知,這些雜質對於原子來說,是個“龐然大物”了。雜質覆蓋到金屬表麵,影響到了兩器件金屬原子之間的直接接觸,於是,也使實際有效接觸麵進一步減少。
上麵的壓力、變形、氧化、雜質問題都會金屬表麵件的接觸造成影響。肉眼認為的金屬間的“接觸良好”的實際狀況遠遠沒有人們想象中的那麼完善!其次,還有一個困擾大家的是,為什麼接觸會有時好時差呢?
     金屬接觸時,如果有明顯的外力作用時,接觸狀況發生變化,大家比較容易理解。比如,連接器接觸不良時,用手去壓一壓,可能就好了。有的器件內部接觸不良,振動一下或敲一敲這個器件,有時可能又好了,再敲,又可能接觸不良。但是,還有些接觸不良現象,表麵上看起來是比較奇怪的。
比如,有的人說,我明明沒有碰那個器件,它怎麼會從接觸良好到接觸不良呢(或接觸不良到接觸良好,這裏的“良好”“不良”實際上是指接觸電阻小或大甚至開路)?一般說的“不碰”,指的就是沒有直接去碰那個器件。於是,很多人就以為,這個器件就沒有受到新的外力,因此,接觸狀態是不應該變化的。事實上果真如此麼?我們假設某個器件裝在成品上,這個成品放在桌子上。這時,這個器件是處於靜止狀態,它必定是出於受力平衡狀態。然後,有人拿起來了這個成品,這時,裏麵器件有沒有收到新的外力呢?我可以很肯定地告訴你,受到了新的外力。很簡單,這個器件從靜止到運動,運動狀態改變了,所以必定是受到了新的外力的影響。稍微有物理基礎的人都能夠理解這個問題。既然這個器件受到了力的作用,接觸麵之間就有可能重新作用,變形或位移,於是,以前的接觸狀態可能發生了變化。我們再回憶上麵講到的理論,金屬表麵間的接觸是凹凸不平的犬齒交錯的接觸,同時這些表麵還有氧化層和雜質。如果以前的接觸,正好處於接觸良好(或不良)的臨界點,我們想一想,這個狀態改變了,那麼有幾個可能,一個是變得更多地方接觸不上了,也有可能是變得更多地方接觸上了。這一切都取決於這3個因素:1、表麵凹凸程度、氧化物和雜質的分布狀況;2、初始接觸狀態;3、受力或形變(或位移)方向。上麵這三個因素中任何一個因素都是有無數種可能的。所以,外力的作用後,產生的後果也有無數種可能性。比如由接觸不良變成了接觸良好,或由接觸良好變成了接觸不良。當然還有可能是接觸不良受外力後還是不良,接觸良好受力後還是良好。也有可能,處於臨界接觸良好(或不良)狀態的表麵不斷受作用後,有時變好,有時變差。當然,有時這種變化在一般作用下是不可逆的。比如,以前接觸不良的,外力作用後,變得恰好有不少凹凸之間正好吻合接觸上了,然後,由於凹凸之間相“咬”,於是,再受一般的外力,他們還是咬合得較好,於是還是表現為“接觸良好”。當然,如果這種接觸之間的壓力不夠大,再加上雜質較多,那麼即使短時間內不會再出現接觸不好,時間久了,各種因素不斷地作用,總有一天可能還會變成接觸不良的。
另外,器件間的熱脹冷縮也會對接觸麵進行影響,使其受力或變形。除了環境溫度的變化,機器自身工作時的發熱也會造成機器內部溫度的變化。運動是絕對的。以上各種變化和運動,都在不斷地影響到接觸麵之間的狀況。人們表麵上認為沒去“動”這些器件,表麵上是波瀾不驚,但事實上,不斷地有外因作用於這些接觸麵,接觸麵的接觸狀況已經發生了“波瀾壯闊”的變化。
有的器件內部斷了,但是斷麵還碰在一起。於是,從外麵測試起來還是導通的。可是這種接觸是非常不可靠的。因為,斷了後,其斷麵放大來看,有很多的凹凸不平,重新接觸時,稍微有一點位移(根據上麵的描述,我想大家對“動”已經有深刻的印象了),那些凹凸就不能像剛斷時那樣吻合,於是,接觸麵積大大減少;    同時,他們之間的接觸,表麵間的壓力是很小的(隻是“碰”在一起)。於是,這種表麵上的接觸良好,在外界作用到一定程度時,總有一天會徹底開路的。有比如,多層貼片陶瓷電容,有時裝在PCB上時,在熱和機械應力的作用下產生了紋裂。有時,這些紋裂造成層與層電極之間錯位,導致電容短路。但是,有時產生這些紋裂後,層與層之間的位移不大,斷麵之間正好還是本層和本層的電極接上了,這時,電容表現出既未短路,又未開路。這種情況測試時很難測出問題來,於是產品可能流向客戶端。可是,這種電容有極大的隱患,總有一天,在各種外因的影響下,這種電容會變成開路,或層間短路的。如果理解了上麵的理論,也就能理解這個問題了。

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