趙娟 劉江濤

摘 要：為了研究溫度對(duì)電連接器的影響，介紹了等效電阻，通過(guò)模擬電連接器的溫度場(chǎng)，得出電連接器溫度場(chǎng)分布情況，得出電連接器接觸面最高上升溫度約23.2℃的結(jié)論；通過(guò)對(duì)電連接器的溫度--結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)模擬，可以得出結(jié)論：溫度引起的熱變形對(duì)接觸應(yīng)力影響不大，溫度對(duì)電連接器的影響主要體現(xiàn)在金屬表面的氧化速率上。通過(guò)建模和理論分析，得到了溫度應(yīng)力下電連接器的失效物理過(guò)程和方程，為電連接器的可靠性設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的思路。

關(guān)鍵詞：熱分析；電連接器；溫度應(yīng)力

電連接器是完成電信號(hào)傳輸和控制以及電子和電氣元件之間進(jìn)行電連接的基本組件。它廣泛應(yīng)用于電子，機(jī)械和信息領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要作用。一般電氣設(shè)備或電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行需要安裝各種電氣連接器。電氣連接器要求在使用設(shè)備系統(tǒng)環(huán)境的條件下能夠可靠的連接電路，信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其可靠性將直接影響整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠工作，滿足人們對(duì)系統(tǒng)的要求可靠性水平越來(lái)越高，對(duì)電連接器進(jìn)行可靠性分析已成為電子電氣設(shè)備研究的重要課題。一些學(xué)者在環(huán)境應(yīng)力空間電連接器的作用下為研究的可靠性，采用一些專家等效理論研究了電連接器接觸力的可靠性，分析了電熱連接器電連接器的一體化結(jié)構(gòu)，而焦耳熱的引起的電連接器的溫度應(yīng)力研究較少，因此，在分析熱電連接器溫度應(yīng)力的基礎(chǔ)上研究是必要的。

1電連接器接觸電阻的等效體確定

在電連接器中，由接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱是導(dǎo)致接觸部件溫度升高的主要因素。因此，接觸電阻的熱影響主要在建模和仿真過(guò)程中考慮。 同時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)定在電連接器的接觸部分的接觸頭外側(cè)的部分上。 綜上所述，在綜合考慮接觸接觸電阻和接觸片散熱對(duì)電連接器溫度場(chǎng)的影響的基礎(chǔ)上，建立了電連接器的溫度場(chǎng)分布模型，進(jìn)行了熱模擬分析。

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，電連接器判別失效依據(jù)：電連接器接觸電阻大于或等于5mΩ； 同時(shí)電連接器的溫升不應(yīng)超過(guò)30℃。通過(guò)額定電流的接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱是接觸頭熱量的主要來(lái)源。然而，在溫度場(chǎng)仿真分析過(guò)程中，接觸部分插頭的物理模型和單獨(dú)的電連接器的引腳不能準(zhǔn)確地反映接觸電阻的影響，這將導(dǎo)致大的誤差。因此，采用等效接觸電阻的方法。即，根據(jù)具體模型，接觸電阻被假定為靠近針式插座的環(huán)體，以及具體的等效結(jié)構(gòu)圖。

在介紹等效接觸電阻體的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了電連接器的接觸模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了電連接器溫度場(chǎng)的有限元仿真分析。該分析過(guò)程是穩(wěn)態(tài)分析，因?yàn)閼?yīng)包括接觸體之間的接觸分析，應(yīng)建立相應(yīng)的接觸對(duì)。為了實(shí)現(xiàn)接觸電阻等效體與插入針座之間的傳熱，實(shí)現(xiàn)熱交換，應(yīng)設(shè)定熱接觸傳導(dǎo)系數(shù)和具體參數(shù)。

2電連接器熱應(yīng)力的有限元仿真分析

利用已建立的電連接器模型，對(duì)溫升作用下的熱應(yīng)力耦合場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真分析，研究了溫升對(duì)接觸面應(yīng)力的影響。在對(duì)電連接器進(jìn)行接觸分析之前，有必要建立電連接器的接觸界面。目標(biāo)表面是盒的內(nèi)表面，并且接觸表面是銷的接觸表面。

3電連接器在溫度應(yīng)力作用下的失效物理過(guò)程及方程

電連接器接觸的失效分析表明，電連接器的接觸壽命取決于接觸電阻的增長(zhǎng)率，接觸電阻的增長(zhǎng)率由接觸表面的熱蠕變率和表面腐蝕的增長(zhǎng)率決定。在正常工作溫度下，溫度對(duì)接觸面的應(yīng)力影響不大，因此溫度對(duì)表面的熱蠕變影響不大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析表明，在125℃時(shí)，即使溫度高于使用電連接器的常溫，錫青銅在2000小時(shí)內(nèi)的熱蠕變率僅為9.54×10-6 / s，十年蠕變變量后為0.921%。直徑約為1毫米的圓形電連接器接觸元件，在125℃溫度下應(yīng)力作用，10年后，產(chǎn)生的蠕變變熱效應(yīng)僅為9.21微米，遠(yuǎn)小于接觸面的彈性變形。同時(shí)，金屬材料的蠕變速率和溫度都滿足以下關(guān)系

ε（t）=C0σ5 exp –[]

ε（t）—蠕變速率；C0—折算系數(shù)；σ—金屬表面所受到的正應(yīng)力；W—金屬材料自由擴(kuò)散的激活能（eV）；k—玻爾茲曼常數(shù)（0.8617×10-4eV/K）；T—熱力學(xué)溫度（K）

可以看出，蠕變速率隨溫度的降低呈指數(shù)變化。電連接器的接觸電阻增長(zhǎng)率主要取決于氧化膜在接觸率表面上的生長(zhǎng)，因此，只要考慮到溫度作用下的氧化膜速度增長(zhǎng)，就可以反映出電連接器的接觸電阻的生長(zhǎng)情況，可以得出電連接器接觸壽命和溫度應(yīng)力之間的關(guān)系。

根據(jù)氧化膜的形成機(jī)理和質(zhì)量作用定律，化學(xué)反應(yīng)速度與此時(shí)每種反應(yīng)物的濃度成正比，該反應(yīng)物的濃度方次等于每種化學(xué)式的化學(xué)系數(shù)。在這種情況下，xA+yB→zC

式中：x，y，z—常數(shù)，在某一瞬時(shí)，分別以CA、CB和CC表示A、B和C的濃度，則該瞬間的反應(yīng)速率為：

式中：A—反應(yīng)速度常數(shù)。該值只與反應(yīng)物的溫度有關(guān)系。在由反應(yīng)物轉(zhuǎn)換成生成物的過(guò)程中存在著一個(gè)稱為激活能ΔW 的能量勢(shì)壘，同時(shí)，溫度越高，反應(yīng)的速度也就越快。因而，反應(yīng)速度常數(shù)A 和活化分子的頻數(shù)二者滿足下列關(guān)系：A與e-Δw/kT成正比。

其中：α—頻數(shù)因子；ΔW—激活能（eV）；k—玻爾茲曼常數(shù)（0.8167×10-4eV/K）；T—絕對(duì)溫度（K）

4結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)引入等效電阻，通過(guò)模擬電連接器的溫度場(chǎng)，得出電連接器的溫度場(chǎng)分布和最高溫度為23.2℃的接觸面。（2）通過(guò)對(duì)電連接器溫度 - 結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)的仿真分析，得出溫度引起的熱變形對(duì)接觸應(yīng)力影響不大。溫度對(duì)電連接器的影響主要表現(xiàn)在金屬表面的氧化速率。（3）得到了電連接器在溫度應(yīng)力作用下的失效物理過(guò)程，并將其失效物理方程推導(dǎo)為阿倫尼烏斯方程，為電連接器的可靠性設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。

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