劉世艷

（廣東省高能效壓縮機(jī)技術(shù)研發(fā)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528333）

工業(yè)領(lǐng)域的端子連接器因其具備可分離接觸面可拆卸、維修的功能在強(qiáng)電應(yīng)用和信號應(yīng)用兩大模塊得到廣泛的應(yīng)用。目前在空調(diào)壓縮機(jī)領(lǐng)域，端子連接器通過連接電機(jī)引線和壓縮機(jī)上殼體接線柱，在兩個組件之間形成了導(dǎo)電的路徑，壓縮機(jī)的市場需求隨著空調(diào)的需求逐年增長，目前在空調(diào)壓縮機(jī)行業(yè)，定速壓縮機(jī)主要采用壓接式（Crimping）端子連接器，變頻壓縮機(jī)主要采用刺破式（IDC）端子連接器，而每一臺壓縮機(jī)需配備三個端子連接器。故在空調(diào)壓縮機(jī)領(lǐng)域端子連接器有著巨大的市場。

但目前端子連接器的選型及應(yīng)用，主要由端子連接器廠家根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)電流推薦，壓縮機(jī)廠家再通過實(shí)驗(yàn)手段對選型后的端子連接器進(jìn)行評價(jià)。一方面，端子連接器廠家推薦產(chǎn)品可能有冗余浪費(fèi)；另一方面，隨著壓縮機(jī)應(yīng)用場景多樣化，僅通過部分試驗(yàn)的驗(yàn)證，難以滿足應(yīng)用市場對壓縮機(jī)可靠性越來越高的要求。

結(jié)合上述需求，本文基于壓縮機(jī)電流承載能力的要求，結(jié)合端子連接器自身的體積電阻及接觸電阻，依據(jù)超溫準(zhǔn)則及毫伏電壓降進(jìn)行端子連接器選型分析。希望為端子連接器的選型提供一套有效的理論支撐。

1 端子連接器體積電阻及接觸界面

空調(diào)壓縮機(jī)用端子連接器包括兩個連接界面，即與電機(jī)引出線鉚接的永久連接界面和與公端子（上殼體接線柱）配合的可分離接觸面。其中可分離界面需要端子間的正壓力和鍍層來維護(hù)。端子表面鍍層用于優(yōu)化接觸界面，目前端子常用的鍍層包括金、錫、銀。鎳鍍層常被用作上述鍍層的打底層。

1.1 端子連接器的體積電阻

端子連接器設(shè)計(jì)及選型時(shí)，基材和形狀作為主要的設(shè)計(jì)部分。而體積電阻率是由承載電流部分基材的材料特性和幾何形狀決定。在給定電流的情況下，體積電阻決定了端子的溫升及毫伏電壓降。本文中體積電阻通過簡化為下式進(jìn)行計(jì)算。

其中：R是電阻，單位Ω；ρ是材料的電阻率；l為矩形塊在電流流向上的長度；w、t分別為材料的寬度和厚度。

由式（1）可知，如需降低端子連接器的體積電阻可通過使用具有較高電阻率的材料、增加端子設(shè)計(jì)的橫截面積或改變零件的幾何形狀以減短電流路徑實(shí)現(xiàn)。

1.2 端子連接器的接觸界面

端子連接器的接觸界面包含兩種，一種是永久性連接界面，壓接、焊接都屬于該一類別的界面。可分離性連接界面是我們使用端子連接器的理由，這樣便于產(chǎn)品組裝、升級及售后維修。同時(shí)，由于連接器接觸面的可分離性，要求連接后在一定的插拔次數(shù)下產(chǎn)品不能出現(xiàn)失效。

永久性連接界面的載流能力要求：對于IDC 刺破式連接，要依據(jù)0.1 ℃溫度準(zhǔn)則來確定產(chǎn)品壽命終止時(shí)的正壓力；對于壓接類的端子，其承載電流的能力要與連接電線的能力相匹配。

可分離的接觸界面的選型是基于端子連接器壽命終止時(shí)的要求來進(jìn)行的。在確認(rèn)初始壓力時(shí)，需要考慮端子材料的應(yīng)力松弛因素?？煞蛛x的接觸界面選型時(shí)需要考慮應(yīng)用要求、端子鍍層、超高溫準(zhǔn)則以及公母端子配合的正壓力。

其中，應(yīng)用要求包括電流承載能力、沖擊電流和過載電流需求、工作條件。其中接觸界面的電流承載能力應(yīng)符合或高于體電阻電流的承載能力。接觸界面會快速響應(yīng)沖擊電流和過載電流。過高的沖擊電流或過載電流會導(dǎo)致接觸界面出現(xiàn)超溫，從而導(dǎo)致接觸界面的永久性失效。端子連接器在廣泛的領(lǐng)域得以應(yīng)用，不同的應(yīng)用領(lǐng)域工作條件差異大，故在制定測試程序來驗(yàn)證接觸面的穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮端子連接器的工作溫度、插拔耐久性及是否鹽霧潮濕等。

端子連接器在壓縮機(jī)領(lǐng)域用于強(qiáng)電環(huán)境。其鍍層選擇主要為鎳打底的錫鍍層。錫鍍層的主要失效機(jī)制為微動腐蝕。公端子和母端子通過過盈配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接，故對于插拔次數(shù)有明確限制。同時(shí)，因?yàn)殄a鍍層表面易形成導(dǎo)電能力差的氧化層，公端子與母端子配合時(shí)需要足夠大的插入力來破壞表面的氧化層。形成配合后的界面由于微動原因再發(fā)生氧化的現(xiàn)象即為微動腐蝕。

超溫準(zhǔn)則是基于接觸界面在微觀上為凹凸不平的表面，其接觸面面積小，單個接觸點(diǎn)對電流的反應(yīng)較為迅速。當(dāng)接觸點(diǎn)的溫度高于材料的熔點(diǎn)時(shí)，接觸界面將永久失效，會導(dǎo)致接觸界面的電阻增加。超高溫不能測量，但可以通過毫伏電壓降進(jìn)行計(jì)算。

其中：VC是接觸界面的電壓；L是Lorzen 常數(shù)，2.4×10-8V2/K2；TB為端子的初始溫度；ΔTS為超溫溫升。

其中：R0是室溫時(shí)的接觸電阻；Rhot為高溫時(shí)的接觸電阻；α 是鍍層的溫度系數(shù)，鎳鍍層4×10-3℃-1；ΔT接觸面的溫度差與室溫的溫度差。

在端子初始溫度為27 ℃時(shí)，鍍層溫度系數(shù)為4×10-3℃-1，電流、接觸電阻和超溫溫升（ΔT）之間的關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 電流、接觸電阻及超溫溫升關(guān)系圖［2］

圖1 包含了0.1 ℃、1.0 ℃、10 ℃的超溫溫升曲線，其所對應(yīng)的分別為2.32 mv、7.33 mv 和22.80 mv的設(shè)計(jì)電壓IR0，其中I為直流電流額定電流值或交流額定值的峰值。

在強(qiáng)電應(yīng)用中，建議的接觸界面承載電流的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為1.0 ℃的超溫準(zhǔn)則，在產(chǎn)品壽命終止時(shí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)則基于10 ℃超溫溫升。

接觸界面的超溫失效包括兩類：一種是超溫溫升（1.0 ℃或10 ℃），這個是一直存在于接觸界面的溫升；另一種是超溫熔融，超溫熔融限制了端子瞬間沖擊電流（持續(xù)時(shí)間小于幾十毫秒）和過載電流能力。接觸界面的小凸點(diǎn)會對極短持續(xù)時(shí)間的電流產(chǎn)生反應(yīng)，但不會對毫秒時(shí)間內(nèi)的電流產(chǎn)生反應(yīng)。

過載電流（持續(xù)數(shù)十秒以上的電流），可能會受到超溫準(zhǔn)則的限制或體電阻溫升的限制，這取決于電流的大小。過載電流預(yù)期是由體積電阻溫升進(jìn)行限制，因?yàn)閿?shù)秒的持續(xù)時(shí)間足以使體積電阻的溫度上升。在這種情況下，過載電流的限制參數(shù)將是連接器所產(chǎn)生的溫升后的總溫度不能超過應(yīng)用所允許的最大工作溫度。當(dāng)然，這個過載電流值可以遠(yuǎn)高于連續(xù)電流的額定值，因?yàn)槠涑掷m(xù)時(shí)間僅幾秒鐘，其所產(chǎn)生的溫升還不足以誘發(fā)端子本身的失效機(jī)制。

瞬間沖擊電流的限制參數(shù)是接觸界面的超溫熔融，超溫不允許達(dá)到接觸界面材料的熔點(diǎn)。這就意味著接觸界面承受瞬間沖擊能力的決定因素為電鍍層材料。常見鍍層材料對沖擊電流極限值見表1。表中I為沖擊電流；R25為室溫時(shí)的集中電阻。

表1 常見鍍層承受瞬間沖擊電流的極限值［1］ mv

1.3 端子配合區(qū)正壓力

公端子與母端子接觸界面的正壓力決定了其表面接觸電阻，而表面接觸電阻受到1.0 ℃超溫溫升準(zhǔn)則限制。圖2 提供了常用鍍層材料的接觸電阻和正壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

公端子和母端子的配合，可以通過單個接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，也可通過多個接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。由圖2 所示，在實(shí)際應(yīng)用場景中，當(dāng)接觸電阻小于0.5 mΩ 時(shí)，正壓力大于4.9 N，建議采用多個接觸點(diǎn)減少界面受力。多觸點(diǎn)的接觸電阻將通過接觸電阻的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，假定每個接觸點(diǎn)的正壓力是相同的，那么一個具有三個接觸點(diǎn)的端子其整體接觸電阻為單個端子電阻值的三分之一。多觸點(diǎn)配合的方法，可有效降低端子正壓力的要求，接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力和磨損也會有效降低，端子插拔力性能也可得以改進(jìn)。

圖2 常用鍍層材料的接觸電阻和正壓力［2］

基于端子壽命的要求，端子設(shè)計(jì)時(shí)從超溫準(zhǔn)則得出的正壓力目標(biāo)值應(yīng)該為端子壽命終止時(shí)的需求。而端子正壓力的設(shè)計(jì)不僅要滿足正壓力需求，也要考慮端子的插拔耐久性。因?yàn)槎俗诱龎毫Φ某跏贾惦m然降低了接觸電阻，但也降低了端子的插拔壽命，從而導(dǎo)致端子在多次插拔后出現(xiàn)更高的接觸電阻。因此初始正壓力需要從兩個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：一是端子壽命終止時(shí)對正壓力和接觸電阻的要求；二是正壓力對端子插拔耐久性的影響。插拔耐久性要求正壓力引起的接觸界面的磨損不能出現(xiàn)露出底層和基材。

表2 為端子常見鍍層正壓力和插拔耐久性關(guān)系，可知：在相同正壓力下，鍍層金的插拔耐久性優(yōu)于銀鍍層和錫鍍層，銀鍍層和錫鍍層插拔耐久性相當(dāng)。同時(shí)，隨著正壓力增加，金銀錫三種鍍層的允許插拔循環(huán)次數(shù)均呈下降趨勢。

表2 常見鍍層的正壓力與插拔耐久性［1］

端子在初始應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮基材的應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛是材料本身的特性，隨著時(shí)間和溫度的變化材料本身的應(yīng)力逐漸減少的一種現(xiàn)象。其重要的影響因素為時(shí)間及溫度。端子連接器常用的銅合金基材中黃銅抗應(yīng)力松弛特性最差，磷銅次之，鈹銅最優(yōu)。其應(yīng)力松弛隨溫度的變化如圖3 所示（105 ℃）。

圖4 為不同基材根據(jù)10 年使用壽命，且壽命終止時(shí)4.02 N 正壓力的初始正壓力要求：由圖4 可知，常用的端子基材中，黃銅的應(yīng)力松弛較磷銅和鈹銅更為敏感。

圖3 常用銅合金應(yīng)力松弛隨時(shí)間變化［2-3］

圖4 常用銅合金基材10 年壽命初始正壓力［2-3］

案例分析：

結(jié)合上述分析進(jìn)行如下端子選型設(shè)計(jì)：假設(shè)使用原材料為磷青銅，表面鎳打底后再鍍錫，要求其連續(xù)的工作電流為DC-20A，使用時(shí)的沖擊電流為150 A，工作環(huán)境溫度為105 ℃，允許進(jìn)行25 次的插拔循環(huán)。

由上可知，當(dāng)該端子處于壽命終止時(shí)，對于20 A 的額定電流，接觸電阻應(yīng)小于0.26 mΩ，且這個接觸電阻對于150 A 的沖擊電流是安全的（0.26 mΩ＜0.39 mΩ）。

4）正壓力（Fn）確認(rèn)：由圖2 可知，對于鎳底鍍錫的端子，當(dāng)只有1 個觸點(diǎn)時(shí)，0.26 mΩ 對應(yīng)的正壓力為2 000 gf，一個觸點(diǎn)的端子不合適；

當(dāng)有兩個觸點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)n=350 gf，對應(yīng)單個觸點(diǎn)接觸電阻為0.52 mΩ；

當(dāng)有4 個觸點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)n=0.931 N，對應(yīng)單個觸點(diǎn)接觸電阻為1.04 mΩ。

5）由圖3 可知，對于磷青銅，工作在105 ℃條件下，10 年后應(yīng)力松弛40%，剩余應(yīng)力為60%。

兩個觸點(diǎn)的初始正壓力為：350/0.6=5.71 N；

四個觸點(diǎn)的初始正壓力為：96/0.6=1.57 N；

6）插拔循環(huán)次數(shù)（插拔耐久性）。

由表2 可知，當(dāng)只有一個觸點(diǎn)時(shí)，正壓力大于19.6 N，插拔耐久次數(shù)小于1 次；當(dāng)有兩個觸點(diǎn)時(shí)，正壓力為5.71 N，插拔次數(shù)小于10 次；當(dāng)有四個觸點(diǎn)時(shí)，正壓力為1.57 N，插拔次數(shù)在25 到50 次間。由上可知，在上述要求下，僅四個觸點(diǎn)的端子滿足使用要求。

2 端子體電阻額定電流的確認(rèn)

就端子的材料及幾何尺寸所能承載的額定電流進(jìn)行確認(rèn)，其主要通過端子的溫升及毫伏電壓降進(jìn)行評估。

端子在給定電流下的溫升除了與周圍環(huán)境的對流系數(shù)有關(guān)外，與端子本身的電阻和散熱能力有關(guān)，也就是端子的導(dǎo)熱率和電阻率相關(guān)。美國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EIA RS-214 將帶絕緣層的銅線額定電流、溫升和橫截面積聯(lián)系，繪制了圖5 的關(guān)系圖［5］。此圖用于確定銅導(dǎo)線的額定電流。端子連接器額定電流則通過等效面積理論與相同銅導(dǎo)線額定電流相關(guān)聯(lián)。

等效理論是通過將端子材料和尺寸轉(zhuǎn)換成另一種材料的等效尺寸，以保證端子在轉(zhuǎn)變前后具有相同的熱行為（溫升和導(dǎo)熱），從而確認(rèn)端子達(dá)到電流額定目標(biāo)值（給定溫升條件）。該理論可將任何材料的端子都與EIA RS-214 標(biāo)準(zhǔn)中的銅導(dǎo)線材料關(guān)聯(lián)［4］。等效理論中端子設(shè)計(jì)的幾何因素與材料屬性（X表示設(shè)計(jì)材料）和等效銅導(dǎo)線（Cu）的關(guān)系如下：

式中：l=長度，w=寬度，t=材料厚度；

k=導(dǎo)熱率；p=電阻率。

幾何因子是銅導(dǎo)線或端子的長度l與橫截面積wt的比值，這些因子乘以銅導(dǎo)線和端子材料各自的電阻率，就得到電阻值，即：

由式（9）可知在端子電阻給定的條件下，端子設(shè)計(jì)的幾個因子表達(dá)式如下：

在端子設(shè)計(jì)長度與銅線長度相同時(shí)，即l相同時(shí)，等效傳導(dǎo)理論方程將銅導(dǎo)線和端子的橫截面面積與材料導(dǎo)熱/導(dǎo)電性能之間的關(guān)系簡化如式（10）及式（11）。

圖5 純銅承載電流與溫升及橫截面積關(guān)系圖［2］

圖6 純銅英制面積和電流之間的函數(shù)關(guān)系［2］

圖6 將圖5 轉(zhuǎn)換了一種表達(dá)形式，給出了英制面積和電流之間的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)允許溫升分別為11 K、18 K、30 K 及50 K 時(shí)的電流計(jì)算公式如下，其中A為公制面積，單位為mm2：

3 結(jié)語

端子連接器失效主要受電流引起的溫升、插拔耐久性及基材應(yīng)力松弛等影響。本文通過超溫準(zhǔn)則及插拔耐久性對端子鍍層進(jìn)行選型，通過應(yīng)力松弛、體積電阻率和導(dǎo)熱率對端子連接器基材進(jìn)行選型。端子插拔耐久性及等效面積理論研究端子連接器的承載電流能力或基于電流承載能力對端子連接器進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，上述理論可對端子連接器選型提供理論支撐。