电子产品接触不良问题物理解释

只看该作者 · 2009-8-20 21:21

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**，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。一般金的导电率比较好，银次之。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。

只看该作者 · 2009-8-20 21:22

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。