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1、1,接触电阻测试原理及PCB板的设计简介,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,2,一、何为接触电阻？,接触电阻就是电流流过闭合的接触点对时的电阻。这类测量是在诸如连接器、继电器和开关等元件上进行的。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,3,二、接触电阻形成原理,在显微镜下观察连接器接触件的表面，尽管镀金层十分光滑，则仍能观察到5-10微米的凸起部分。会看到插合的一对接触件的接触，并不整个接触面的接触，而是散布在接触面上一些点的接触。实际接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及接触压力大小，两
2、者差距有的可达几千倍。实际接触面可分为两部分：一是真正金属与金属直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接触微点，亦称接触斑点，它是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的。此部分约占实际接触面积的5-10%。二是通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为任何金属都有返回原氧化物状态的倾向。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,4,二、接触电阻形成原理,实际上，在大气中不存在真正洁净的金属表面，即使很洁净的金属表面，一旦暴露在大气中，便会很快生成几微米的初期氧化膜层。例如铜只要2-3分钟，镍约30分钟，铝仅需2-3秒钟，其表面便可形成厚度约2微米的氧化膜
3、层。即使特别稳定的贵金属金，由于它的表面能较高，其表面也会形成一层有机气体吸附膜。此外，大气中的尘埃等也会在接触件表面形成沉积膜。因而，从微观分析任何接触面都是一个污染面。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,5,三、接触电阻的组成,综上所述，接触电阻一般由收缩电阻、表面膜电阻和导体电阻组成。,1.收缩电阻收缩电阻是电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体 突然转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象（或集中现象），此现象所呈现的附加电阻称为收缩电或集中电阻。,2.表面膜电阻由于接触表面氧化膜层及其他污染物所构成的电阻称为膜层电阻或界面电
4、阻。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,6,三、接触电阻的组成,3.导体电阻实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能，它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征。,为便于区分，将收缩电阻加上表面膜电阻称为真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,7,四、接触电阻测量原理,接触电阻的测量一般都采用开尔文四线法原理。开
5、尔文四线法连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线F和一条检测线S，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求S线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S的电流极小，近似为零。见图1。图1中r表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路的电流为零，在 r3，r4上的压降也为零，而激励电流 I在r1，r2上的压降不影响I在被测电阻上的压降，所以电压表测出的电压降即为Rt两端的电压值。从而准确测量出R t的阻值。测试结果和r无关,有效地减小了测量误差。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,8,四、接触电阻测量原理,由于
6、四线法测量接触电阻采用10mA/100mA的恒流源，故测量接触电阻的实质是测量微动接触电压。使用Chroma毫欧姆表测量接触电阻的原理见图2：,D+:Drive+D-:Drive S+:Sense+S-:Sense,图 1,HF:高电位施加线 LF:低电位施加线 HS:高电位检测线 LS:低电位检测线,图 2,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,9,四、接触电阻测量原理,图2所测电阻即为接点接触时的电阻，其中的恒流源用来为接触区域提供电流I，电压表用来测量P+和P-之间的电压降V，由于电压表内阻相对于所测接触电阻来说相当大(大到使电压表上分得的
7、电流可以忽略不计)，可以认为电压表所测电压V即为P+和P-之间的电压值，从而电压V与电流I的比值即为电阻值。但由于接触区域非常小，按图中的接线得到的是P+和P-之间的电阻值。为了使测得的数据尽量接近真实的接触电阻值，应使得P+和P-接线端尽量靠近接触区域，避免在测量结果中计入测试引线和体积电阻产生的电压降。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,10,我们使用Chroma毫欧姆表进行低功率接触电阻时，为什么在“Dry”档位一般选择“ON”呢？通常，测试接触电阻的目的是确定接触点氧化或其它表面薄膜积累是否增加了被测器件的电阻。即使在极短的时间内器件
8、两端的电压过高，也会破坏这种氧化层或薄膜，从而破坏测试的有效性。击穿薄膜所需要的电压电平通常在30mV到100mV的范围内。在测试时流过接点的电流过大也能使接触区域发生细微的物理变化。电流产生的热量能够使接触点及其周围区域变软或熔解。结果，接点面积增大并导致其电阻降低。,五、干电路（Dry Circuit）测试,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,11,五、干电路（Dry Circuit）测试,为了避免这类问题，通常采用干电路的方法来进行接点电阻测试。干电路就是将其电压和电流限制到不能引起接触结点的物理和电学状态发生变化电平的电路。这就意味着其
9、开路电压为20mV或更低，短路电流为100mA或更低。由于所使用的测试电流很低，所以就需要非常灵敏的电压表来测量这种通常在微伏范围的电压降。由于其它的测试方法可能会引起接点发生物理或电学的变化，所以对器件的干电路测量应当在进行其它的电学测试之前进行。如：接触电阻测试一般在测试耐电压和绝缘电阻之前进行。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,12,六、影响接触电阻的因素,接触形式接触电阻的形式可分为三类：点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻Rs的影响主要表现在接触点的数目上。一般情况下，面接触的接触点数n最大而Rs最小；点接触则n最小，Rs最
10、大；线接触则介于两者之间。接触形式对膜电阻Rb的影响主要是看每一个接触点所承受的压力F。一般情况下，在对触头外加压力F相同的情况下，点接触形式n最小，单位面积承受压力F1最大，容易破坏表面膜，所以有可能使Rb减到最小；反之，面接触的F1就最小，对Rb的破坏力最小，Rb值有可能最大。在实际情况中，需要综合以上两个因素，对接触电阻的大小进行具体的分析判断。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,13,六、影响接触电阻的因素,2 接触压力 接触压力F对收缩电阻Rs值和表面膜电阻Rb值的影响最大，F的增加使接触点的有效接触面积增大，即接触点数增加，从而使
11、Rs减小。当加大F超过一定值时，可使触头表面的气体分子层吸附膜减少到个；当超过材料的屈服压强时，产生塑性变形，表面膜被压碎出现裂缝，从而增加了接触面积，这就使收缩电阻Rs因表面膜电阻Rb的减小而下降，Rs和Rb同时减小，从而使接触电阻大大下降。相反，当接触不到位、接触触头失去了弹性变形等原因使接触压力F下降时，接触面积减小，收缩电阻Rs增大，表面膜电阻Rb受F的破坏作用减弱或不受其影响，从而使表面膜电阻Rb增大。同时因Rb增大，使接触面积减小，从而使接触电阻增大，二者的综合作用使接触电阻整体上升。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,14,六、
12、影响接触电阻的因素,3 接触表面的光洁度 接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响，这主要表现在接触点数的不同。接触表面可以是粗加工、精加工，甚至是采用机械或电化学抛光。不同的加工形式直接影响接触点数的多少，并最终影响接触电阻的大小。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,15,六、影响接触电阻的因素,4 接触电阻在长期工作中的稳定性 电阻接触在长期工作中要受到腐蚀作用：（）化学腐蚀。电接触的长期允许温度一般都很低，虽然接触面的金属不与周围介质接触，但周围介质中的氧会从接触点周围逐渐侵入，并与金属起化学作用，形成金属氧化物，从而使实际接触面积减小，
13、使接触电阻增加，接触点温度上升。温度越高，氧分子的活动力越强，可以更深地侵入到金属内部，这种腐蚀作用变得更为严重；（）电化学腐蚀。不同的金属构成电接触时，能够发生这种腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中，造成负电极金属的腐蚀。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,16,六、影响接触电阻的因素,5 温度 当接触点温度升高时，金属的电阻率就会有所增大，但材料的硬度有所降低，从而使接触点的有效面积增大。前者使收缩电阻Rs增大，后者使Rs减小，结果是两者互为补偿，故接触电阻变化甚微。但是，发热使接触面上生成氧化层薄膜，增加了接触电阻，这种接触电阻可成百成千
14、倍地增大。其氧化速度与触头表面温度有关，当发热温度超过某一临界温度时，这个过程就会加速进行，这就限制了接触面的极限允许温度。否则，则将使接触电阻剧增，会引起恶性循环。另外，当发热温度超过一定值时，弹簧接触部分的弹性元件会被退火，使压力降低，也会使接触电阻增加，恶性循环加剧，最后会导致连接状态遭到破坏。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,17,六、影响接触电阻的因素,6 材料性质 构成电接触的金属材料的性质，直接影响接触电阻的大小，比如：电阻率、材料的布氏硬度HB、材料的化学性质、材料的金属化合物的机械强度等。以我国普遍使用的铜为例，铜有良好的
15、导电和导热性能，其强度和硬度都比较高，熔点也较高，易于加工。因此铜线接头在接触良好的情况下，温度低于无接头部位的温度；但在高温下，其在大气或变压器油中也能氧化，生成Cu2O，其导电性很差，氧化膜厚度随着时间和温度的增加而不断地增加，接触电阻也成倍地增加，有时甚至使用闭合电路出现断路现象。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,18,六、影响接触电阻的因素,6 材料性质 因此铜不适合于做非频繁操作电器的触头材料，对于频繁操作的接触器，电流大于150A时，氧化膜在开闭时产生电弧的高温作用下分解，可采用铜触头。从整体减小接触电阻的角度看，可在铜上镀银、
16、镶银或锡，后两者的优点是电阻率及材料的布氏硬度值小，氧化膜机械强度很低，因此铜件上采取此措施可减小接触电阻。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,19,六、影响接触电阻的因素,7 使用电压和电流 使用电压达到一定阈值，会使接触件膜层被击穿，而使接触电阻迅速下降。但由于热效应加速了膜层附近区域的化学反应，对膜层有一定的修复作用。于是阻值呈现非线性。在阈值电压附近，电压降的微小波动会引起电流可能二十倍或几十倍范围内变化，使接触电阻发生很大变化。当电流超过一定值时，接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热作用而使金属软化或熔化，会对集中电阻产生影响，随之
17、降低接触电阻。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,20,七、PCB板的设计,1 以前PCB板的设计 对于用毫欧姆表的测试夹头不能直接夹持或不能在样品上直接焊接测试引线的样品，一般会将样品焊接在一个专门测试接触电阻用的PCB板上，通过PCB板上的测试引线来测量接触电阻。以前使用的PCB板焊锡区域一端只引出一根测试引线，见图3。此方式测量的总电阻包括连接器待测接触电阻、探头与测试点的接触电阻和引线电阻。引线电阻可扣除，但探头与测试点的接触电阻却无法扣除。加上多次测量的误差，导致结果不准确。,图 3,r1和r2分别为引线和焊接区线阻,Lab.of
18、kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,21,七、PCB板的设计,2 目前PCB板的设计 根据四线法原理，在PCB板焊锡区域两端分别引出一根测试引线，一根作电压降探测线，另一根作恒流源线，见图4。此方式测量的总电阻不包括探头与测试点的接触电阻和引线电阻。减少了因测量引线电阻引入的误差，使测量结果更接近真实值。,图 4,待测电阻另一端连线方式相同,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,22,七、PCB板的设计,3 应尽量避免的四线法设计方式 如果测试引线的排布不受样品本身结构限制（如：焊锡脚间距、焊锡脚一侧PCB板是
19、否被挖掉等），应尽量避免将PCB板测试引线设计为图5所示。图5设计方式会使电压降探测点实际在焊接区一端，导致测量出的接触电阻中包含焊接区一段电阻r2。电阻r2的大小与焊接区长短、宽窄和材料等有关。,图 5,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,23,七、PCB板的设计,4 PCB板设计的其他说明 通常PCB板为双面覆铜箔板，厚度一般为1.0mm，或根据实际需要决定材料厚度，陶桥印制线路板厂一般最薄厚度为0.8mm。PCB板上测试引线宽度，陶桥印制线路板厂最窄能做到0.150.20mm，打孔最小直径为0.4mm。所以设计PCB板时需考虑焊锡脚之间间距。另外，为了便于测试，测试孔间距建议为2 2.5mm，测试孔与样品距离最好在5mm以上。,Lab.of kunshan jiahua electronics CO.,LTD.,24,七、PCB板的设计,图 6,5 PCB板设计实例 MINI PCI CONNECTOR PCB设计图示：,
