Was ist der Mechanismus der Degradierung von Steckern? (I)

Die Degradationsmechanismen von Steckverbindern sind sehr wichtig für die Leistung von Steckverbindern und entscheidend für die Leistungsgarantie der entsprechenden Produkte. Was sind die Degradationsmechanismen? Welche Faktoren tragen zum Versagen von Steckverbindern bei? Wir werden dieser Frage weiter nachgehen. Steckverbinder werden verwendet, um eine Verbindung zwischen zwei getrennten Systemen herzustellen. Die Trennbarkeit ist aus einer Reihe von Gründen notwendig, die von der einfachen Herstellung bis zur Leistungsverbesserung reichen. Wenn sie aufeinander abgestimmt sind, sollten Steckverbinder jedoch keine unnötigen Widerstandswerte zwischen den Systemen hinzufügen. Das Hinzufügen von Widerstandswerten kann zu Systemausfällen führen, indem das Signal verzerrt wird oder Leistung verloren geht. Die Degradationsmechanismen von Steckverbindern sind wichtig, da sie eine potenzielle Quelle für erhöhten Widerstand sind und daher im Laufe der Zeit zu Funktionsausfällen führen können. Beginnen wir mit einem kurzen Überblick über den Steckverbinderwiderstand. Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt eines Allzweck-Signalsteckers. Die Gleichungen in Abbildung 1 stellen die verschiedenen Widerstandsquellen innerhalb des Steckverbinders dar. ro ist der Gesamtwiderstand des Steckverbinders und der Widerstand zwischen den Endpunkten des Leiters und den Lötpunkten des Leiterplattensteckers. Die beiden festen Verbindungswiderstände, Rp.c, sind die Widerstände zwischen den Crimpanschlusspunkten und den entsprechenden Stiftpositionen. In ähnlicher Weise sind die beiden Körperwiderstände (Rbulk) der hintere Kontaktkörperwiderstand und der parallele Körperwiderstand zwischen den beiden Pfosten des Steckverbinders; außerdem gibt es einen Kontaktwiderstand an der Schnittstelle oder trennbaren Stelle Rc. Der Gesamtwiderstand des Steckverbinders ist die Summe der einzelnen unveränderlichen Verbindungswiderstände, der hinteren Kontakt- und Hohlraumverbindungskörperwiderstände und des Kontaktwiderstands an der trennbaren Stelle, da alle diese Widerstände in Reihe geschaltet sind.

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Für diese Diskussion nehmen wir an, dass der gemessene Gesamtwiderstand Ro 15 Milliohm beträgt. Mit dieser Annahme im Hinterkopf können wir über die relativen Auswirkungen des Dauerverbindungswiderstandes, des Körperwiderstandes und des Kontaktwiderstandes an der trennbaren Stelle auf den Gesamtwiderstand des Steckers spekulieren. In diesem Beispiel sind diese Werte typisch für einen Weichschalensteckverbinder, und der Körperwiderstand macht den größten Teil des Gesamtwiderstands aus, der etwa 14 Milliohm beträgt. Der Dauerverbindungswiderstand beträgt einige hundert Mikroohm, und der Rest ist der Kontaktwiderstand an den trennbaren Stellen. Obwohl der Körperwiderstand der Steckverbinderkontakte den größten Beitrag zum Steckverbinderwiderstand leistet, ist er auch der stabilste. Der Körperwiderstand eines einzelnen Kontakts wird durch das Material, aus dem der Kontakt besteht, und seine Gesamtgeometrie bestimmt. In diesem einfachen Beispiel betrachten wir den Widerstand über die Länge des Leiters, der wie folgt berechnet werden kann: Rcond. = r l/a. In dieser Gleichung ist r der spezifische Widerstand des Leiters (der auch das Material der Feder im Steckverbinder sein kann), "l" ist die Länge des Leiters und "a "ist die Querschnittsfläche des Leiters (oder die Geometrie der Feder im Verbinder). Für ein bestimmtes Material, z. B. Phosphorbronze, und eine bestimmte Kontaktgeometrie sind diese Parameter konstant, so dass der Gesamtwiderstand des Steckverbinders konstant ist. Der Widerstand der permanenten Verbindung und der Widerstand der Schnittstelle oder der trennbaren Verbindung sind variabel. Diese Widerstände sind anfällig für eine Vielzahl von Verschlechterungsmechanismen, die später in diesem Artikel erörtert werden. Es ist wichtig zu wissen, dass Steckverbinder durch viele Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. raue Umgebungen, Hitze, Lebensdauer, Vibration usw. Auch wenn sich der Gesamtwiderstand eines Steckverbinders von 15 Milliohm auf beispielsweise 100 Milliohm ändern kann, tritt die Widerstandsänderung in erster Linie bei den trennbaren und festen Verbindungswiderständen auf. Der trennbare Schnittstellenwiderstand ist aufgrund der Kräfte und Verformungen, die an der trennbaren Stelle auftreten, am anfälligsten für Verschlechterungen. Einfach ausgedrückt, die beiden wichtigsten trennbaren Schnittstellen erfordern ein gewisses Maß an Kraft und Verformung. Die Bisskraft des Steckverbinders ist die erste und offensichtlichste Anforderung. Bei Steckverbindern mit hoher PIN-Anzahl muss die Bisskraft der einzelnen PIN-Bits kontrolliert werden, und die Kontaktnormalkraft ist einer der wichtigsten Parameter, die dieser Anforderung unterliegen. So liegt die Kontaktkraft bei einer trennbaren Verbindung in der Größenordnung von einigen zehn bis hundert Gramm, während die Kraft bei einer isolierten Crimpverbindung (IDC) in der Größenordnung von mehreren Kilogramm liegt, wobei die entsprechende Kraft in die Verbindung gepresst wird. Diese hohe Kraft bei einer festen Verbindung sorgt für eine größere mechanische Stabilität und niedrigere Widerstandswerte als bei einer trennbaren Verbindung. Ebenso ermöglicht eine höhere Kraft bei einer permanenten Verbindung eine größere Verformung der Kontaktflächen als bei einer trennbaren Verbindung. Crimpverbindungen sind das offensichtlichste Beispiel dafür, z. B. die erhebliche Verformung von gecrimpten Anschlüssen sowie die erhebliche Verformung einzelner Leiter. Sowohl die Kraft der Crimpverbindung als auch die entsprechenden PIN-Füße ermöglichen eine größere Verformung der Kontaktfläche. Wie bei höheren Kräften verringert die größere Oberflächenverformung der festen Verbindungen deren Widerstand im Vergleich zum Widerstand der trennbaren Kontakte. Die Verformung der Oberflächen der trennbaren Verbindungen wird auch durch eine andere Anforderung an die trennbaren Schnittstellen begrenzt: die Haltbarkeit der Steckverbindung. Eine hohe Oberflächenverformung führt in der Regel zu einem hohen Oberflächenverschleiß, was wiederum zu einem Verlust von Kontaktbeschichtungen, z. B. Gold oder Zinn auf den Kontaktflächen, führen kann. Dieser Verlust der Beschichtung erhöht die Korrosionsanfälligkeit der Kontaktflächen, was in einem späteren Artikel erörtert wird. Die Kombination aus Okklusionskraft und Okklusionsdauer von trennbaren Schnittstellen begrenzt die Verformung und mechanische Stabilität von trennbaren Schnittstellen und ist für die geringere elektrische Stabilität von trennbaren Schnittstellen im Vergleich zu permanenten Verbindungen verantwortlich. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Kontaktfläche zwischen zwei Oberflächen ist, desto geringer ist der Widerstand der Schnittstelle. Für den Widerstand einer Leiterlänge gilt die Kontaktfläche zwischen zwei Oberflächen analog zur Gleichung Rcond. = r l/a. Da die Kontaktfläche von trennbaren Verbindungen kleiner ist als die von festen Verbindungen, haben sie einen höheren Widerstand. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die geringere Kraft von trennbaren Verbindungen zu einer geringeren mechanischen Stabilität und die geringere Kontaktfläche zu einem höheren Widerstand im Vergleich zu dauerhaften Verbindungen führt. Diese Aspekte, d. h. die geringere Kontaktkraft und die geringere Kontaktfläche, wirken sich direkt auf die Anfälligkeit von trennbaren Kontaktschnittstellen für Degradation aus. Abbildung 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer trennbaren Kontaktschnittstelle. Die Abbildung verdeutlicht, dass auf der mikroskopischen Skala einer solchen Kontaktschnittstelle alle Oberflächen rau sind. Das bedeutet, dass die Kontaktfläche selbst aus einer Verteilung von Kontaktpunkten, den so genannten a-Punkten oder Unebenheiten, besteht und nicht aus einem vollständigen regionalen Kontakt. Diese holprige Struktur ist für den erhöhten Widerstand der Kontaktfläche verantwortlich. Die verringerte Kontaktfläche, einschließlich der Verteilung der a-Punkte über eine geometrische Fläche, hängt von der Geometrie der Kontaktfläche ab. Eine Art von Widerstand, der so genannte Schrumpfungswiderstand, entsteht dadurch, dass der Strom gezwungen wird, durch einen einzelnen a-Punkt zu fließen. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche durch verschiedene Methoden kann den Schrumpfungswiderstand zwar verringern, aber nicht beseitigen. Daher werden Steckverbinder immer einen gewissen Widerstandswert zum elektrischen System hinzufügen. Unter diesem Gesichtspunkt besteht das Hauptziel der Steckverbinderkonstruktion darin, die Größe und Stabilität des Widerstands zu kontrollieren.

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Wie bereits erwähnt, hängt die Größe des Übergangswiderstands von der Kontaktfläche ab, die entsteht, wenn die Kontakte von Stecker und Buchse miteinander in Berührung kommen. Es gibt zwei Hauptfaktoren, die sich auf die Stabilität des Kontaktwiderstands auswirken: Störung der Kontaktschnittstelle und Korrosion am a-Punkt. Wie diese Faktoren die Degradationsmechanismen von Steckverbindern beeinflussen, wird später erörtert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Mechanismen folgende sind: 1 , Korrosion tritt in und um die Kontaktschnittstelle auf, wodurch sich die Kontaktfläche verringert. Es gibt zwei Korrosionsmechanismen: Oberflächenkorrosion, die sich direkt auf die Kontaktfläche auswirkt; induzierte oder Mikrobewegung, die die Empfindlichkeit der Kontaktschnittstelle gegenüber Korrosion erhöhen kann. 2, Verlust der Integrität der Kontaktbeschichtung aufgrund unzureichender Beschichtung oder Abnutzung der Beschichtung, was die Empfindlichkeit gegenüber Korrosion erhöht. Die meisten Steckverbinderkontakte sind mit einer Oberflächenschicht aus einem Edelmetall, z. B. Gold, oder einer glatten Oberfläche, in der Regel Zinn, beschichtet. Einer der Hauptzwecke dieser Beschichtungen besteht darin, das Kontaktsubstrat (in der Regel eine Kupferlegierung) vor Korrosion zu schützen. Die Korrosionsanfälligkeit von Edel- und Nichtedelmetallen ist unterschiedlich und wird später gesondert erörtert.3, Verlust der Kontaktkraft, was zu einer verringerten mechanischen Stabilität und Anfälligkeit der Kontaktfläche für Mikrobewegungen führt. Die Hauptmechanismen, die zu einer verringerten Kontaktkraft in Steckverbindern führen, sind übermäßige Kontaktspannung und Spannungsrelaxation. Spannungsrelaxation ist der Verlust der Kontaktkraft im Laufe der Zeit aufgrund von Zeit/Temperatur.

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