摘要：  作为连接器，其中一个重要的质量控制点就是承担电接触的PIN针的设计和质量控制。

关键字：  防水，连接器，PIN针

长期以来，圆形防水连接器的生产厂家在新品设计方面更多的是集中在外观和结构的设计变化上，通过开发不同的外形模具及结构引起顾客对产品的“新鲜感”和“好奇心”，通过这种方式吸引顾客注意进而实现销售目的。这种方式可能可以很快吸引顾客眼球，但是一个不可回避的事实是，如果顾客是在行业内长期使用该产品的话，他们对外观的设计变化就逐步产生了“审美疲劳”。最终价值取向会回归到真正的产品设计和品质。作为连接器，其中一个重要的质量控制点就是承担电接触的PIN针的设计和质量控制。

据苏州快可(Quick-Contact)作为“国家级防水连接器CNAS第三方公平检测实验室”，同西安交通大学合作已承担多项国际级“防水连接器”科研课题。该实验室的科研团队对防水连接器的金属PIN针的设计和质量可靠性进行了研究。

一、对接触电阻的认识和分析

快可(Quick-Contact)公司的研发人员通过高倍显微镜观察防水连接器的PIN针接触面时，发现尽管PIN针镀层表面十分光滑，但仍能观察到大约3-10微米的凸点。当公母PIN插合后观察发现其接触面并不是“全接触”，而是散布在接触面上一些点的接触。实际接触面S1小于理论设计计算的接触面S2。根据表面光滑程度及接触压力大小，S1和S2面积差距严重时可达几千倍。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。这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。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，因而，从微观分析任何接触面都是一个污染面。综上所述，真正接触电阻应由以下几部分组成;集中电阻(Rc)、膜层界面电阻(Rf)、导体电阻(Rp)，对接触电阻检验和研究的目的是确定电流流经接触件的接触表面的电触点时产生的电阻对系统的安全性影响。

如果有功率型大电流通过高阻触点时，就可能产生过分的大量的热能量消耗，并使触点产生危险的过热现象。在很多应用中要求接触电阻低且稳定，以使触点上的电压降不致影响电路状况的精度。如果在连接信号型的弱电流电路中，因为接触表面会附有氧化层，油污或其他污染物，两接触件表面会产生膜层电阻。由于膜层为不良导体，随膜层厚度增加，接触电阻会迅速增大，可能会产生“电路闪络”，宏观面的表现就是信号时通时不痛。

二、影响PIN针接触电阻和可靠性的因素

PIN针的接触电阻主要受接触件材料、垂直压力、表面形态、使用电压和电流等因素影响。

1) 接触件材料

电连接器技术条件对不同材质制作的同规格插配接触件，规定了不同的接触电阻考核指标。快速分离耐环境电连接器总规范GJB101-86规定，直径为1mm的插配接触件接触电阻，铜合金≤5mΩ，铁合金≤15mΩ。

2) 接触面的表面垂直压力

接触件的表面垂直压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。随垂直压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。接触正压力主要取决于接触件的几何形状和材料性能。

3) 表面形态

表面形态包括设计的形状和所处的环境状态，接触件表面可能由于尘埃、松香、油污等在接点表面机械附着沉积形成的较松散的表膜，这层表膜由于带有微粒物质极易嵌藏在接触表面的微观凹坑处，使接触面积缩小，接触电阻增大，且极不稳定。二是由于物理吸附及化学吸附所形成的污染膜，对金属表面主要是化学吸附，它是在物理吸附后伴随电子迁移而产生的。故对一些高可靠性要求的产品，如航天用电连接器必须要有洁净的装配生产环境条件，完善的清洗工艺及必要的结构密封措施，使用单位必须要有良好的贮存和使用操作环境条件。

4) 使用电压

使用电压达到一定阈值时，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，不了解这种情况就会在测试和使用接触件时产生错误。

5) 电流

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，随之降低接触电阻。

三、设计和测试时需要关注的问题

苏州快可(Quick-Contact)的研发人员通过长期的科研和实践，总结了一些在连接器PIN设计和实验中需要重点关注的问题。

1) 低电平接触电阻检验

考虑到接触件膜层在高接触压力下会发生机械击穿或在高电压、大电流下会发生电击穿。对某些小体积的连接器设计的接触压力相当小，使用场合仅为mV或mA级，膜层电阻不易被击穿，可能影响电信号的传输。故军标GJB1217-91电连接器试验方法中规定了两种试验方法。即低电平接触电阻试验方法和接触电阻试验方法。其中低电平接触电阻试验目的是评定接触件在加上不能改变物理的接触表面或不改变可能存在的不导电氧化膜的电压和电流条件下的接触电阻特性。所加开路试验电压不超过20mV，而试验电流应限制在100mA，在这一电平下的性能足以满足以表现在低电平激励下的接触界面的性能。而接触电阻试验目的是测量通过规定电流的一对插合接触件两端或接触件与测量规之间的电阻，而此规定电流要比前者大得多，通常规定为1A。

2) 单孔分离力检验为确保接触件插合接触可靠，保持稳定的正压力是关键

正压力是接触压力的一种直接指标，明显影响接触电阻。但鉴于接触件插合状态的正压力很难测量，故一般用测量插合状态的接触件由静止变为运动的单孔分离力来表征插针与插孔正在接触。通常电连接器技术条件规定的分离力要求是用实验方法确定的，其理论值可用下式表达。F=FNμ式中FN为正压力，μ为摩擦系数。由于分离力受正压力和摩擦系数两者制约。故决不能认为分离力大，就正压力大，接触可靠。现在随着接触件制作精度和表面镀层质量的提高，将分离力控制在一个恰当的水平上即可保证接触可靠。科研人员在实践中发现，单孔分离力过小，在受振动冲击载荷时有可能造成信号瞬断。用测单孔分离力评定接触可靠性比测接触电阻有效。因为在实际检验中接触电阻件很少出现不合格，单孔分离力偏低超差的插孔，测量接触电阻往往仍合格。

3) 接触电阻检验合格不等于接触可靠

在许多实际使用场合，汽车、火车、动力机械、船舶等军用连接器，往往都是在动态振动环境下使用。实验证明仅用检验静态接触电阻是否合格，并不能保证动态环境下使用接触可靠。往往接触电阻合格的连接器在进行振动、冲击、离心等模拟环境试验时仍出现瞬间断电现象。故对一些高可靠性要求的连接器，许多设计人员都提出最好能100%对其进行动态振动试验来考核接触可靠性。苏州快可(Quick-Contact)的实验室引进了一种与导通仪配套使用的小型台式电动振动台，已成功地应用于许多民用线束的接触可靠性检验。