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手机中振子连接器的失效分析
贺占平，许良军
(北京邮电大学自动化学院电接触科研室，北京 100876)
摘要：研究了手机中失效振子连接器镀金触点后发现，接触表面污染、连接器制造及表面镀层材料缺陷是造成电接触故障的主要原因。表面污染物来自于尘土颗粒和微动磨损，主要集中在印制电路板(PCB)一侧，其成分包括C、O、Si、Al、S、Cl、Na、Ni等多种元素。测试结果表明，污染表面多达86%的测量点的接触电阻超过设计标准。随后通过有限元建立振子连接器模型进行模态分析，结果表明连接器固有频率与其工作振动频率相接近，容易引起触点接触正压力的降低和磨损加速，降低了振子连接器的接触可靠性。
关键词：连接器；磨损；污染；接触电阻；固有频率
1 引 言
连接器在电子设备的可靠性方面一直起着非常重要的作用。由于电子产品日趋小型化和微型化，要求连接器的体积越来越小，接触正压力设计值也随之降低，这样又导致接触不可靠。尤其是对低电压、小电流而又容易遭受污染的连接器，这一影响更为显著。现在普遍采用的是在连接器表面镀金、中间层镀镍以改善表面电性能，增强抗磨损和腐蚀能力，提高电接触可靠性。但是如果表面镀层存在微孔或其它缺陷，使用环境和运行特性仍然会严重威胁连接器的可靠性。此外，连接器的结构设计也显得十分重要。通过选择合适的连接器材料和几何结构，使之避开周围环境的共振频率，可以降低连接器表面的微动磨损和腐蚀，有效提高连接器使用寿命和接触可靠性。
本研究运用扫描电子显微镜/X射线能谱仪(SEM/EDS)、三维形貌仪、X射线荧光测厚仪等实验设备和有限元方法，对手机中失效振子连接器触点，从接触表面污染、镀层缺陷和连接器结构等方面来判断和分析其失效原因。
2 分析过程
2.1 故障的初步判定
失效振子连接器的故障是:振铃在振动过程中突然停下，挤压机壳后大多又能恢复正常工作；或者振铃在振动过程中出现时断时续现象。针对故障现象发生的不确定性和具有一定的可自愈性，排除了电路发生故障的可能性，因为电路故障一经发生，便是确定的和不可自恢复的。经初步检测，线圈与簧片的焊接处接触良好，因此推断可能导致故障的原因是簧片与PCB接触不良。
2.2 SEM与XES分析
每个振子连接器有2个簧片触点与PCB接触，共取2个振子连接器作为分析对象。簧片的SEM照片如图1所示。从图中可以看出，实际接触区域2偏离了设计要求的接触区域1(簧片顶端)，这种现象占总数的100%，这可能是加工过程中造成的偏差。由X射线荧光测厚仪测得的区域1镀金层平均厚度为0158μm，而在表面未磨损的区域3(其与区域1中心的距离和区域2与区域1中心的距离相同)，其镀金层平均厚度为0123μm。也就是说，实际接触区域镀金层厚度较之设计要求的厚度薄0135μm。接触区的偏离使触点的抗磨损、腐蚀能力下降，降低了接触的可靠性。
图1 振子连接器簧片形貌(标尺:100μm)
图2 簧片接触区(标尺:8μm)
图2为簧片接触区形貌的放大，图3为相应PCB接触区形貌。可以看出，接触区磨损严重，而PCB表面有大量污染物，能谱测试的成分如表1所示。成分包含C、O、Na、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ni、Cu和Au等元素。其中，簧片磨损区中Al、Si明显的是尘土颗粒元素，Ni和Cu是触点的中间镀层和基底材料元素，由于氧的原子含量较高，因此在表面可能形成Ni和Cu的氧化膜层；PCB表面的污染物除包含上述Al、Si、Ni、Cu元素外，还有Na、S、Cl、K、Ca，可以形成多种无机化合物。Au元素的出现是触点使用过程中被磨损下来堆积的碎屑，Ni和Cu则可能是碎屑或碎屑氧化物成分，或者由于镀金表面微孔的存在而发生电化学腐蚀，Ni和Cu的腐蚀产物从微孔中溢出覆盖在表面。这些绝缘物质会导致接触电阻的升高，从而大大降低了电接触可靠性。
图3 对应的PCB接触区(标尺:25μm)
图4 簧片接触区中区域4的二维和三维形貌
在簧片的接触区中，还可以看到表面有明显的凹坑，凹坑的深度达4μm，面积20μm×30μm，如图4所示。凹坑的尺寸大大超出了镀层微孔的大小(一般微孔尺寸为不到1μm至几μm之间)，可以断定是由于材料的缺陷引起的，其能谱成分如表1，可以看出，凹坑内成分也十分复杂，和表面污染物成分相类似。
触点在接触压力下的接触区域名义半径可以根据近似公式a=1.1093(F/RE)1/2计算得到，式中，a为接触区名义半径；F为接触正压力，2N；R为接触球面曲率半径，约为014mm；E为材料弹性模量，约150GPa。
由上式计算出的接触区名义半径约为1.9×10-2mm，即凹坑大小与名义接触区尺寸差别不大，这可能引起接触中有效接触面积的急剧减少，给接触可靠性带来极大威胁。
2.3 接触电阻测试
对4个振子连接器接触的PCB污染表面接触区域采用四点法测量接触电阻，测试按照标准(GB/T15078—94《贵金属电触点材料接触电阻的测量方法》)进行，每个污染的表面接触区随机取20个点测量。接触正压力设为1N，直流20mA，开路电压100mV。根据设计要求，接触电阻不能超过16mΩ。
测试结果表明，在每个污染的接触区上都发现有高接触电阻值。80个测量值中有69个超过16mΩ，占总数的86%，接触电阻超过100mΩ的有32个，占总数的40%，最大接触电阻值达到1Ω。可见污染表面引起的高接触电阻对接触可靠性的影响非常严重并可能是造成连接器故障的主要原因。
2.4 有限元结构分析
连接器触点由于体积小、质量轻，容易受外界蚀，缩短连接器使用寿命。使用中应尽量避免连接环境如振动、冲击、温湿变化和运行条件等因素的影响，引起接触表面的相对微动。微动磨损和微动腐蚀会加速连接器接触性能的恶化。通过建立振子连接器有限元模型，分析其固有频率和振型，可进一步了解振子连接器运行时的振动频率对接触表面微动的影响。
根据连接器技术资料和实际样品测绘数据经圆整、简化后建立的几何模型如图5。图中水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。
1———偏心轮；2，3———簧片；4———塑料内圆柱；
5———镍屏蔽壳体；6———塑料减振壳体；7———约束壳体
图5 振子有限元模型
由上述模型分析出的振子连接器前5阶振动模态如表2。
根据振子连接器的资料，其工作时振动频率为 ，即125Hz～191.7Hz。从表2中来看，对连接器触点可靠性影响最大的振子模态是其3、4和5阶模态。这3种振型使振子连接器呈现上下、前后的摆动，引起接触表面的相对磨损，磨损的严重程度取决于最大振幅，振动越强，振幅越大，磨损就越严重，接触表面氧化也会加速。振幅大小可以用失效样品接触表面微动磨损痕迹的长度间接反映出来，如图1，其微动滑痕大约为200μm。
连接器处于不同的振动模态，由此而产生的接触表面的微动形貌也不同，3阶引起簧片上下摆动，容易引起簧片接触压力的降低和接触表面水平方向的滑痕；4阶导致表面前后方向的磨损。而且，簧片的摆动、扭动还会使得接触面积、接触位置发生变化，因而对电接触性能影响较大。
3 讨 论
3.1 接触表面污染物
连接器触点表面污染物形成和聚集的原因可能如下：由于运行中形成的内外机壳温度差造成空气的对流，空气中的微小尘土颗粒通过一些孔隙进入机壳内部；而触点之间的热胀冷缩、振动和冲击使表面产生微动磨损和腐蚀，磨损和腐蚀碎屑与尘土颗粒混合在一起，粘接在接触表面及其周围。
3.2 连接器固有频率
连接器固有频率与振子驱动频率相接近。谐响应分析表明，振子在190Hz时的振动引起的响应振幅是其初始振幅的4倍，若振子驱动频率波动范围再稍大一些，将会导致触点的共振，从而使触点微动幅值和磨损程度大大增加。此外，还可能引起尘土颗粒随着振动进入到接触表面。因此有必要对连接器结构进行设计改进。
4 结 论
(1)由于接触区严重偏离名义接触中心，而实际接触区镀金层厚度较薄，其抗磨损和腐蚀的能力降低，接触过程中镀金层更易被磨损耗尽而露出底层材料，降低接触可靠性。
(2)材料表面的镀层缺陷降低了有效接触面积，也是造成接触不可靠的重要因素。
(3)接触表面的污染物成分复杂，包括磨损碎屑、磨损氧化物、微动腐蚀物以及尘土颗粒，造成触点的接触电阻测量值86%超过设计标准，是导致连接器故障的主要因素。
(4)振子连接器的振动频率范围与其固有频率相接近，这将引起微动幅值大大增加，使更多尘土颗粒进入接触区，加剧镀层材料磨损、氧化和腐蚀，缩短连接器使用寿命。使用中应尽量避免连接器工作在共振点附近。
(5)实验中发现尘土颗粒较多，因此采取必要措施，有效防止外界污染物进入连接器内部，对连接器的可靠性也是十分重要的。
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