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爱因迪生的专栏

   电子产品中,接触不良的故障的比例非常大,而且这种故障很麻烦,因为会表现出来有时好有时坏,分析起来很麻烦。而且,有时的接触不良体现出来的现象会令人迷惑不解。以下我将从物理的角度来解释接触不良问题,使大家更加明朗和深刻理解此现象。我之前并没有看到有类似深刻分析接触不良的文章,所以难以取得权威的资料,因此,如果分析有什么不妥的地方,欢迎指正。

   电子产品中的接触不良,有元器件自身内部的接触不良,也有元器件互连时的接触不良,也有虚焊(一般为元件与PCB)产生的不良。下面以最常见的连接器(接插件)之间的接触为实例分析接触不良问题,之后大家可以触类旁通。

   连接器一般是针接触件和孔接触件之间的连接。我们知道,元器件的引脚或端子,一般是有一层镀层,比如镀铅锡合金、镀纯锡、镀镍、镀银、镀银钯合金、镀金、等等。所以元件之间的接触,其实就是这些镀层金属之间的接触。当然,不同的镀层金属的导电率是不同的,对应产生的接触电阻也有所不同。一般银的导电率比较好,铜、金次之。在焊接工艺时,由于焊接实际上是形成合金的过程,这个合金本身就是良导体,所以焊接本身的可靠性是比较高的,除非是焊接不良。但是,连接器之间的连接,靠的是表面之间的接触,所以容易导致接触不良,更具体的原因分析如下。

   两个金属表面之间的接触是否良好,主要取决于材料(不同金属导电率不同)、接触压力、实际接触面结。关于材料种类,上面已经提到了,一般器件的镀层材料,基本上都是由良导体做的,对接触不良的影响不大,顶多影响接触电阻(当然更进一步来说还影响到了是否容易被氧化),所以不再更详细地讨论。关于连接器的接触压力,连接器靠的是孔接触件的弹力来给针接触件一定的压力的。一般压力越大接触得也越好。当然,一般小而又薄的孔接触件是不太可能提供特大的压力的。而且如果这个孔接触件本身的弹性不好,这个压力就小,接触也就没那么好。同时,如果孔接触件或针接触件有变形,也会导致实际接触面积小,从而有可能导致接触不良。同时,连接器的孔接触件或针接触件当然一般是连接在塑胶上的,如果脚数多了,有可能导致某一个或数个接触件装在塑胶件上的位置有偏差,于是,两个连接器插入时,那些偏位了的接触件就有可能接触不好。

   以上是从宏观的角度来分析的。事实上,要真正理解接触不良问题,必须从宏观逐渐深入到微观去理解接触问题。

   接触件的表面肉眼看起来是光滑的。事实上,这些接触件表面并不光滑。我们知道,如果金属件表面非常光滑,那么它就会闪闪发光。比如古代的铜镜就是把铜的表面磨得很光滑。一般器件的引脚或端子,远远没有达到闪闪发光那么光滑。其实,即使是闪闪发光那么光滑,放大来看,也不是真的完全光滑。所以,把连接器的接触件放大到一定程度时,你会发现,其表面是充满了凹凸不平的!可以这样去理解,在外太空观察地球表面,会发现有的地方是很平的,但是你不断地逼近来看,就会发现,其实远看是平的地面可能包含了不少小丘陵和山谷。再举个浅显生动的比喻。比如,在舞台上光鲜照人的一些漂亮女明星,有的人感觉她们的脸蛋很光滑,其实,拿高倍镜头照出来的照片会让你大失所望,因为她们涂脂抹粉的脸上,感觉是沟沟壑壑的。

   因此,两接触件表面接触时,其实是凹凸不平的表面之间的犬齿交错的接触。有的地方,可能是凸的和凸的相接触,而那些凹下去的表面,可能就接触不到对方的表面。当然还有的情况是这个凸的嵌入到对方的凹的那里,不过一般由于凸和凹的形状和大小不可能完全吻合,所以嵌入的时候其实也只是部分接触。所以,表面上看起来接触紧密的金属表面之间,事实上是凹凸不平的表面之间的接触。其真正有效接触面积已经大打折扣了。当然,两表面接触时,接触面之间的压力会对接触状况造成影响。压力大,就可以使两表面间互相嵌入得更深入,同时,有的凸起在压力下产生形变,变得没这么突出,使其周围更矮的地方也有可能接触在一起了。所以,压力的大小其实最终是影响到了表面间实际有效接触面积的大小。另外说明下,在实际接触到了的表面间,两金属的原子之间的距离被压得非常近(压力更大时原子间甚至会相互嵌入),于是可以互相交换电子,所以才会导电。

   另一个方面,金属表面的氧化和杂质,也会导致接触不良。我们说引脚或端子没有氧化,是以肉眼来看的。事实上,暴露在空气中的金属,肯定会不同程度地受到氧化,氧化程度与金属材料、环境状况、放置时间密切相关。镀金的镀层被认为是比较不容易氧化的,事实上,金也并不是完全不氧化,只是相对来说,氧化程度低一些。其他镀层就容易被氧化了。所以,我们一般意义上肉眼判断的“没氧化”只是说氧化不是很严重,事实上,氧化是客观存在的。金属氧化物是不导电的。所以,这些引脚或端子表面,某些区域已经分布了一定的氧化层,这些氧化层使实际有效接触面进一步减少。

   同时,杂质的影响也不可以忽略。金属表面与其他物质接触时,会沾上杂质。比如,人的手的皮肤上,事实上有大量的汗渍油脂等等物质,人手碰到引脚或端子,就会把这些杂质沾到其表面上。另外,空气中含有大量的尘埃,这些尘埃包括灰尘、粉尘、各种物质间摩擦产生的微粒、尾气、烟雾、人造纤维尘埃、盐雾、人体的体屑和吐沫、微生物,等等。暴露在空气中的金属,必定会沾上这些微粒。这些杂质我们肉眼看不到,所以,可能会认为这些元器件的引脚或端子很“洁净”。殊不知,这些杂质对于原子来说,是个“庞然大物”了。杂质覆盖到金属表面,影响到了两器件金属原子之间的直接接触,于是,也使实际有效接触面进一步减少。

   上面的压力、变形、氧化、杂质问题都会金属表面件的接触造成影响。肉眼认为的金属间的“接触良好”的实际状况远远没有人们想象中的那么完美!其次,还有一个困扰大家的是,为什么接触会有时好时差呢?

   金属接触时,如果有明显的外力作用时,接触状况发生变化,大家比较容易理解。比如,连接器接触不良时,用手去压一压,可能就好了。有的器件内部接触不良,振动一下或敲一敲这个器件,有时可能又好了,再敲,又可能接触不良。但是,还有些接触不良现象,表面上看起来是比较奇怪的。

   比如,有的人说,我明明没有碰那个器件,它怎么会从接触良好到接触不良呢(或接触不良到接触良好,这里的“良好”“不良”实际上是指接触电阻小或大甚至开路)?一般说的“不碰”,指的就是没有直接去碰那个器件。于是,很多人就以为,这个器件就没有受到新的外力,因此,接触状态是不应该变化的。事实上果真如此么?我们假设某个器件装在成品上,这个成品放在桌子上。这时,这个器件是处于静止状态,它必定是出于受力平衡状态。然后,有人拿起来了这个成品,这时,里面器件有没有收到新的外力呢?我可以很肯定地告诉你,受到了新的外力。很简单,这个器件从静止到运动,运动状态改变了,所以必定是受到了新的外力的影响。稍微有物理基础的人都能够理解这个问题。既然这个器件受到了力的作用,接触面之间就有可能重新作用,变形或位移,于是,以前的接触状态可能发生了变化。我们再回忆上面讲到的理论,金属表面间的接触是凹凸不平的犬齿交错的接触,同时这些表面还有氧化层和杂质。如果以前的接触,正好处于接触良好(或不良)的临界点,我们想一想,这个状态改变了,那么有几个可能,一个是变得更多地方接触不上了,也有可能是变得更多地方接触上了。这一切都取决于这3个因素:1、表面凹凸程度、氧化物和杂质的分布状况;2、初始接触状态;3、受力或形变(或位移)方向。上面这三个因素中任何一个因素都是有无数种可能的。所以,外力的作用后,产生的后果也有无数种可能性。比如由接触不良变成了接触良好,或由接触良好变成了接触不良。当然还有可能是接触不良受外力后还是不良,接触良好受力后还是良好。也有可能,处于临界接触良好(或不良)状态的表面不断受作用后,有时变好,有时变差。当然,有时这种变化在一般作用下是不可逆的。比如,以前接触不良的,外力作用后,变得恰好有不少凹凸之间正好吻合接触上了,然后,由于凹凸之间相“咬”,于是,再受一般的外力,他们还是咬合得较好,于是还是表现为“接触良好”。当然,如果这种接触之间的压力不够大,再加上杂质较多,那么即使短时间内不会再出现接触不好,时间久了,各种因素不断地作用,总有一天可能还会变成接触不良的。

   另外,器件间的热胀冷缩也会对接触面进行影响,使其受力或变形。除了环境温度的变化,机器自身工作时的发热也会造成机器内部温度的变化。运动是绝对的。以上各种变化和运动,都在不断地影响到接触面之间的状况。人们表面上认为没去“动”这些器件,表面上是波澜不惊,但事实上,不断地有外因作用于这些接触面,接触面的接触状况已经发生了“波澜壮阔”的变化。

   有的器件内部断了,但是断面还碰在一起。于是,从外面测试起来还是导通的。可是这种接触是非常不可靠的。因为,断了后,其断面放大来看,有很多的凹凸不平,重新接触时,稍微有一点位移(根据上面的描述,我想大家对“动”已经有深刻的印象了),那些凹凸就不能像刚断时那样吻合,于是,接触面积大大减少;同时,他们之间的接触,表面间的压力是很小的(只是“碰”在一起)。于是,这种表面上的接触良好,在外界作用到一定程度时,总有一天会彻底开路的。有比如,多层贴片陶瓷电容,有时装在PCB上时,在热和机械应力的作用下产生了纹裂。有时,这些纹裂造成层与层电极之间错位,导致电容短路。但是,有时产生这些纹裂后,层与层之间的位移不大,断面之间正好还是本层和本层的电极接上了,这时,电容表现出既未短路,又未开路。这种情况测试时很难测出问题来,于是产品可能流向客户端。可是,这种电容有极大的隐患,总有一天,在各种外因的影响下,这种电容会变成开路,或层间短路的。如果理解了我上面的理论,也就能理解这个问题了。
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网友评论
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  • 陈利华孔接触件是不太可能提供特大的压力的。而且如果这个孔接触件本身的弹性不好,这个压力就小,接触也就没那么好。同时,如果孔
  • 2011/8/19 23:41:53回复
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  • 黄小姐d
  • 2011/8/17 10:58:57回复
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  • 流云D
  • 2011/8/8 14:53:22回复
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  • chenlihua,主要取
  • 2011/8/6 20:34:15回复
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  • 林小姐DING
  • 2011/8/6 13:26:30回复
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  • 大鹏http://www.hcsindex.com/blogprize.html?r=MjUwODg3NkhDU0tFWU5VTQ3iPx3iPx 来名家专栏,赢iPhone大奖!
  • 2011/8/6 9:56:57回复
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  • 郭轶轩e\e\~~不太懂
  • 2011/8/5 15:00:23回复
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  • 大鹏顶着用!!!
  • 2011/8/5 11:36:26回复
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  • 付聪DING
  • 2011/8/4 17:35:26回复
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  • 陈利华掩饰
  • 2011/8/3 20:29:17回复
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