带有膜层的接触面收缩电阻机理分析

知识点：膜层电阻

在不同的接触材料（铜材，镍，黄铜和锡）的情况下，收缩电阻与接触压力的变化关系。特别提醒这里的接触力非常大，确保获得足够的接触面积，表面膜层会被刺破。在图1插入的表格中，列出了三种材料的硬度和电阻率。对于铜材，黄铜和镍材接触来说，控制其粗糙度以最小化其对收缩电阻的影响。锡的硬度没有被考虑，因为在接触力的作用下，锡会产生延展性变形。先考虑铜材的数据。图中虚线表示理论计算的收缩电阻的变化，实线是测量值的变化。两组数据的重合程度很好。锡和镍两种材料展示的只有测量值，所以仅供比较讨论。

 

从表格可以看出，镍的电阻率约为铜材的四倍，硬度是铜材的三倍。由收缩电阻的计算公式得知，收缩电阻与电阻率的关系是线性关系，与硬度的关系是开方关系，那么镍材的收缩电阻约是铜材的收缩电阻的八倍关系。如图中相同接触力的情况下，收缩电阻值的关系与理论倍数很接近。

 

对于锡材而言，电阻率是铜材的十倍，硬度只有铜材的五分之一，综合之后收缩电阻要比铜材的大，但是并没有两者电阻率相差的数量级大，因为锡的接触面积要比铜材的大很多。这些数据验证了点接触模型的收缩电阻计算公式的合理性。

 

图1 收缩电阻与接触力的曲线关系

 

当连接器使用镀层的情况下，收缩电阻的计算公式解释起来就比较复杂。在这种情况下，除了系数K的相互作用外，还必须确定适当的硬度和电阻率。对于铜材接触界面，表面镀锡的情况下，合适的选择是锡的硬度和铜的电阻率，如图2可以看的很清楚。

图2 两个带有镀层的面的接触形式

 

考虑到一般锡镀层的厚度大于2.5?m，而且锡是非常软的材料，接触界面的变形将会发生在锡镀层上。在由铜材形成的接触弹片上，导致收缩电阻的原因有两个。第一，铜材的导电率是锡材的2.5倍，电流在铜材内部是均匀的分布流动，在接触界面处开始收缩。与接触弹片的界面相比，触点的面积更小，因此进一步加强收缩效应。

 

这些参数选择的有小型可以从图3的数据得到验证。采用锡材的硬度和铜材的电阻率计算出来的收缩电阻值，在图中用虚线表示（很短的那根虚线）。镀锡层厚度2.5?m时，测量的收缩电子值用实线表示。两条线的匹配度很高。

图3 收缩电阻 vs 接触力曲线图

当镀锡层厚度是12.5?m时，计算值和测量值偏差比较大。其中的原因可以通过图4来解释。镀层厚的镀锡表面会形成一个与收缩电阻串联的体电阻，形成的体电阻材料是锡，电阻率非常大。

图4 接触界面的体电阻和基材的收缩电阻示意图

 

尽管上文提到的收缩电阻的计算公式有局限性，但是公式的基本形式，有助于理解设计和材料选材对收缩电阻的影响，特别是接触正压力和接触区域，是决定接触电阻的两个重要因素。反过来，接触区域又取决于接触界面宏观的几个形态，也就是插座和插头接触面的形态。

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