电接触故障中的微动因素影响与方法研究

论文摘要

移动电子设备如笔记本电脑、移动电话、MP3等在人们日常生活中应用越来越广泛,其使用的可靠性一直是人们选用此类产品时最为关心的话题。然而,近几年来,移动电子设备却正成为消费者投诉的热点,其中,由于设备零部件可靠性不高引起的设备失效投诉占有相当大的比重。初步的故障检查判定中,由于连接器接触故障导致的设备失效是其重要原因之一,根据对失效表面分析,发现污染物通过接触表面微动而聚集,从而导致故障。因此,本文拟通过收集大量失效移动电话样品并经初步复检和测试,甄选出确认为连接器故障引起失效的连接器,从其接触表面污染物、接触电阻和微动效应等方面分析其对电连接可靠性的影响,剖析导致连接器故障的主要原因。随后利用Ansys有限元软件,模拟了接触表面污染物颗粒微动及接触表面相对微动时引起电接触故障的过程,揭示了微动中各相关参数如接触压力、摩擦系数及污染物颗粒特性与接触可靠性的关系,同时对影响微动的一些因素如连接器结构、内外环境的振动和冲击进行了初步的分析和探讨,其结论可用于改善和提高连接器工作的可靠性。具体的研究成果可归纳如下:1)接触表面微动及其造成的表面污染物聚集是导致连接器接触故障的主要因素。微动对接触表面可靠性的影响,表现在下述三个方面:首先,微动造成接触表面镀层材料的粘接和磨损,进而暴露中间镀层甚至基底材料,电接触性能下降;其次,微动腐蚀和氧化。微动导致暴露的中间镀层或基底材料氧化,尤其在腐蚀性环境中,由于接触表面不同金属间的电位差引起的电化学腐蚀,其腐蚀速度更快,氧化及腐蚀的生成物,绝缘电阻较高,粘附在接触表面形成绝缘膜层,随着绝缘膜层的逐渐堆积增厚,当超过一定厚度时,接触电阻急剧升高;最重要的是,微动将引起接触区外的尘土颗粒等污染物进入接触区并覆盖在其表面,尘土颗粒为高绝缘物,含有硬度较大的硅铝氧化物等成分,微动中容易划伤接触表面,加速表面磨损和氧化,同时,也可能在微动中镶嵌入接触表面,引起金属接触表面的分离,从而造成接触故障,且尘土颗粒造成接触故障具有随机性。2)造成故障连接器接触表面微动痕迹的因素十分复杂。几乎所有连接器接触表面均发现有微动痕迹,其微动幅值与连接器的类型、位置、结构等因素有关:SIM卡连接器微动幅值相对最大,电池连接器微动幅值最短;但同时,在同一类型连接器表面,其微动幅值也存在很大的差异,由此可以推断,接触表面痕迹存在多种微动模式,影响微动痕迹的因素也是复杂多变的,其微动痕迹是多种模式和因素以及使用环境综合作用的结果。按照其形貌大致可以分为三种类型:微动痕迹直线型、微动痕迹曲线型以及微动痕迹模糊型,其中,直线型和曲线型滑痕约占总数的一半,微动距离相对较长。3)接触表面颗粒可靠性影响的物理模型分析。通过将接触表面颗粒简化为球形刚性体,利用静力学分析方法讨论了颗粒尺寸、触头半径、接触压力以及接触表面滑动摩擦系数等参数对接触可靠性的影响。结果表明,在一定接触压力下,颗粒与接触表面发生相对微动的尺寸与接触表面曲率半径、颗粒与触头以及颗粒与印制电路板(PCB)间摩擦系数相关,当颗粒沿PCB接触表面微动时,也会引起颗粒与触头接触表面间的相对微动趋势,微动中,降低触头与PCB接触表面间接触正压力,造成触头脱离PCB表面,引起电接触故障。4)接触表面颗粒对电接触可靠性影响的有限元模拟。对包含硅铝等成分的硬颗粒而言,接触压力的大小、方向、接触表面摩擦系数和颗粒自身的形貌尺寸是影响接触可靠性的主要因素,若颗粒在接触压力作用下完全嵌入到接触表而,则触头和PCB仍然可以保持良好的接触状态;没有完全嵌入接触表面的颗粒,若颗粒处于触头正下方,或颗粒与PCB表面及触头之间有相对微动,微动过程中将导致触头与PCB脱离接触造成断路现象。而对于软质颗粒,由于其在接触正压力下的辗压变形及碎裂,粘附在接触表面,减少了触头与PCB的实际接触面积,其对电接触的影响与颗粒碎裂后粘附在接触表面形成的膜层厚度有关。5)微动来源之一—振动和冲击因素对接触可靠性影响的初步分析。通过对连接器进行的结构有限元分析,结果表明,接触正压力的波动是导致接触表面微动的主要原因,微动的幅值与连接器结构相关;其次,模态分析发现周围环境和运行条件下的频率范围远离连接器固有频率,因此振动对此类连接器可靠性的影响可以忽略;最后利用冲击相关理论和方法对接触表面模型进行简化,模拟和实验结果都表明,连接器在冲击作用下形成的微动痕迹与实际失效连接器接触表面的微动痕迹相吻合,微动痕迹的幅值与冲击作用强度的平方根成正比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 相关研究
• 1.3 论文内容
• 参考文献
• 第二章 失效连接器接触表面分析
• 2.1 背景及目的
• 2.2 试验样品
• 2.2.1 失效移动电话基本信息
• 2.2.2 初步复检
• 2.2.3 与失效症状关联的连接器初步判定
• 2.2.4 失效样品选择
• 2.2.5 样品准备
• 2.3 失效连接器接触表面形貌观察
• 2.3.1 接触表面磨损和氧化
• 2.3.2 接触表面腐蚀
• 2.3.3 外界污染
• 2.3.4 磨损碎屑和污染物堆积在接触区周围
• 2.3.5 磨损碎屑和污染物积聚在接触区
• 2.4 失效表面接触电阻测试
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 接触表面微动特征分析
• 3.1 背景及目的
• 3.2 接触表面微动滑痕分析
• 3.3 微动中接触表面尘土颗粒分析
• 3.3.1 尘土颗粒嵌入接触表面
• 3.3.2 尘土颗粒聚集和腐蚀
• 3.4 微动中污染物接触电阻分析
• 3.4.1 实验准备
• 3.4.2 实验过程
• 3.4.3 实验结果
• 3.5 讨论
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 接触表面颗粒对电接触影响的有限元分析
• 4.1 前言
• 4.2 硬颗粒在接触界面的静力分析
• 4.2.1 静力学模型
• 4.2.2 静力分析
• 4.2.3 讨论
• 4.3 硬颗粒的有限元模拟
• 4.3.1 模型及材料参数
• 4.3.2 模拟结果
• 4.3.3 讨论
• 4.4 软颗粒的有限元分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 动态环境对微动影响的分析方法探讨
• 5.1 目的和内容
• 5.2 连接器结构有限元分析
• 5.2.1 接触正压力变化引起的微动位移
• 5.2.2 连接器结构模态分析
• 5.3 初步冲击实验
• 5.4 连接器冲击仿真模型探讨
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间完成和发表的论文
• 附录1 其它失效连接器接触表面接触电阻测试
• 附录2 表面粗糙度数据统计
• 附录3 模型有限元程序
• 1. 硬颗粒有限元程序
• 2. B连接器模态分析
• 3. 跌落模型