排针类电连接器接触可靠性的研究

刘阳   南杭岚   李希

陕西华达科技股份有限公司，陕西 西安 710065

摘要：接触电阻作为排针类电连接器电性能的关键指标，是保证其可靠性的关键，本文以双排圆孔排母连接器与双排凸圆排针连接器接触失效为例，详细分析了排针类电连接器结构及接触原理、影响其接触可靠性的常见因素。

关键词：排针连接器接触电阻可靠性

1. 前言

电连接器是整机设备沟通电路、传递信息、实现特定功能的重要元器件，是保证整机系统可靠工作的关键。排针类电连接器是低频连接器的一种，常用于设备中的印制电路板上，起着连接或者断开电路的作用，用以实现电信号的传输和控制以及电子与电气设备之间的电连接，广泛应用于航空航天、武器装备、电子通信等领域。

本文以双排圆孔排母连接器与双排凸圆排针连接器接触失效为例，详细分析了排针类电连接器结构及接触原理，影响其接触可靠性的常见因素。

2. 排针连接器结构
   1. 双排凸圆排针连接器产品结构

双排凸圆排针连接器产品结构如图1、图2所示，主要由绝缘基座、插针组成。

  

图1双排凸圆排针连接器二维示意图图2双排凸圆排针连接器三维模型

2.2双排圆孔排母连接器产品结构

双排圆孔排母连接器结构如图3、图4所示。该产品主要由绝缘基座、弹性四爪端子、插孔接触件组成。

 

图3  双排圆孔排母连接器二维示意图图4  双排圆孔排母连接器三维模型

2.3接触件结构

连接器接触件设计结构可分为弹性插孔、弹性插针和弹簧针等三类；弹性插孔对应于刚性插针，有片簧式、冠簧式和线簧式三种型式。反之，弹性插针对应于刚性插孔，有绞线式、片簧式二种形式。弹簧针不同于传统的弹性插针（孔）插合界面电接触，它是靠弹簧针针筒内弹簧的弹性压力，使其活塞头与被连接接触件导电平面保持良好电接触。

本文所述连接器接触件结构为冠簧式弹性插孔与刚性插针，如图5、图6所示。弹性插孔为分体式冠簧插孔，是由一个弹性簧爪（如图7所示）与一个插孔主体（如图8所示）通过压配组成。与原传统的直开槽插孔相比，接触件插合后有更多电接触面积和接触点数量，具有更好的电接触可靠性。

             

图5 冠簧孔示意图图6刚性针示意图

      

图7弹性簧爪                    图8插孔主体

3. 排针类连接器接触可靠性原理分析

衡量连接器可靠性的技术指标分为三大类：机械性能、电性能、环境性能。其中，电性能主要包括接触电阻、绝缘电阻及抗电强度，接触电阻是评价连接器产品可靠接触的重要指标。

3.1接触电阻

在排针类连接器产品中，接触电阻通常是指接触对电阻，它包括接触电阻和接触对导体电阻，一般要求接触电阻在10～20 mΩ以下。

排针连接器是依靠接触件的界面相互接触来实现电传导，总电阻包括导体体电阻（用RB表示）及表面接触电阻（用RI表示），其中体电阻是接触体基础材料的电阻，表面接触电阻由收缩电阻（用Rc表示）和膜层电阻（用Rf表示）组成。

RI=Rc+Rf               （1）

作为评价电连接器的主要参数，接触电阻在某种程度上可以集中反映电连接器接触状态的表面及对实际使用的影响，主要受到材料、结构、工艺、接触压力、表面膜等因素的影响

3.2排针连接器接触失效原因

(1)接触压力不足。接触压力不稳定或减小会引起接触件插合对接触不稳定，甚至在一定机械应力作用下造成瞬断。

(2)铜表面在大气环境中生成的氧化膜厚度较大且强度高、难以破坏，继而造成了接触性能下降，为了改善这一问题，排针连接器通常会在接触件表面镀金。

(3)随着排针连接器插拔次数的增加，插针与插孔由于不停的相对运动而产生摩擦，在磨擦过程中会出现接触表面的损伤和磨损，以至于表面镀层被磨损露出基底金属，基体金属在摩擦热的作用下极易氧化腐蚀，不断生成磨损腐蚀物堆积在接触区域造成接触不良甚至瞬断。

4. 典型失效案例及分析

本文所述排针类连接器产品，在某次整机测试时，出现了一个点位接触不良的故障现象，具体表现为信号瞬断。

4.1失效原因分析

该排针连接器插头插座对插时，刚性插针插入弹性插孔中，弹性插孔变形张开，与插针接触件四壁形成可靠接触，以实现信号的传输，插头插座对插示意如9所示。

图9 插头连接器与插座连接器对插示意图

对故障产品进行X光及显微镜检查，如图10、图11所示，可以看出插孔基体内的簧爪明显张开，由此判断成故障现象的原因是插孔内的弹性四爪端子受外力变形张开，与插针对插时接触压力变小，接触电阻增大，出现接触不良的故障现象。

图10 故障产品X光检测图11 故障产品显微镜检查

排针电连接器是依靠接触件的界面相互接触来实现电传导的，电连接器的电接触是由接触对来实现的，弹性插孔质量的优劣对接触是否良好起着决定性的作用。当插针插入插孔时（如图12所示），插孔产生弹性变形，对插针产生接触压力，接触压力的大小及其稳定性对电接触有直接影响，接触压力不稳定或减小，会引起电接触不稳定，甚至在一定机械应力作用下造成瞬断。

图12 插针插入插孔示意图

排针插座引脚尺寸接近与其对插的插头接触件的外径尺寸公差带上限，插座引脚插入排针的插孔内时，插孔给插针一个接触压力，而插针反过来对插孔内的弹性簧片产生一个反作用力，插孔长期受到这反作用力的作用，会逐渐产生塑形变形而出现应力松弛弹性疲劳现象，尤其是当引脚歪斜插入时（如图13所示），引脚外壁与弹性四爪内壁接触时就会偏向一侧，将四爪簧片扛向一边，使弹性插孔中的簧片受力加剧。

图13 歪斜插入示意图

4.2插入力及分离力

在该排针连接器中，出现瞬断的故障现象是因为插针插入插孔中时，接触压力变小或不稳定，引起电接触不稳定，在一定机械应力的作用下造成瞬断。接触压力是在影响接触电阻的重要因素，而单接触压力一般是无法测量的。接触件在插入和拔出时为克服弹性接触产生的阻力所需要的力，就是产品的接触件插入力和分离力，根据胡克定律，接触压力越大，为克服弹性接触产生的阻力所需要的力就越大，也就是插拔力也就越大，因此从某种意义上来说，插拔力就是在弹性接触件正压力作用下，接触间产生的摩擦力，这样就可以将接触电阻与接触压力之间的关系转换为接触电阻与插拔力之间的关系。所以，在排针连接器的生产检验中，我们使用标准规与吊克砝码来测试产品的插入力与分离力，作为判断其能够可靠接触的依据。

5. 总结

影响排针连接器接触可靠性的因素有很多，接触电阻作为其电性能的关键指标，是其接触可靠的直观反映。本文以某排针连接器产品接触失效的故障现象为例，对排针连接器可靠接触原理及失效原因进行了分析，为设计高可靠排针连接器提供了依据。

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