книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

гурация поверхностей проводников не влияет на харак­ тер функции TwaKC(V). Число L, строго говоря, зависит от температуры. Однако в интервале температур от 700 до 1100°С (включающем температуры размягчения всех благородных металлов) можно с достаточной точностью использовать следующую формулу [13] для расчета тем­ пературы перегрева:

Естественно, что в результате перегрева области стя­ гивания растет удельное сопротивление материала и со­ ответственно растет сопротивление стягивания. Послед­ нее можно в случае чисто металлического контакта рас­ считать с достаточной для практики точностью по сле­ дующей формуле [8]:

ратура Г0 массы контактных элементов обычно несколь­ ко превышает температуру окружающей среды из-за на­ грева контакта джоулевым теплом в процессе работы. Однако разница между Т0 и температурой окружающей среды обычно составляет самое большое несколько десятков градусов, что пренебрежимо мало по сравне­ нию с величиной ( Г М а к о — Т о ) . Поэтому в эти выражения

сколько завышена в результате принятых при их выводе упрощений. Однако опыт показывает, что перегрев кон­ тактов действительно приводит к плавлению микровы­ ступов при не слишком высоком напряжении. Это же явление можно наблюдать и на ^[/-характеристике при­ жимного контакта, которая отражает зависимость сопро­ тивления контакта от приложенного к нему напряжения при постоянном контактном усилии.

Нагрев контактных элементов в процессе работы двояко сказывается на состоянии поверхностных пленок.

40

мерных адгезионных слоев, а также Сернистых пленок. С другой стороны, процесс окисления заметно ускоряет­ ся при нагреве окисляющейся поверхности [см. выраже­ ние (1.3)]. Таким образом, в случае контактов из благо­ родных металлов или из металлов, характеризующихся стойкими пассивирующими окисными пленками, а также в случае контактов, работающих в атмосфере инертного газа или в вакууме, нагрев способствует очистке кон­ тактной поверхности. Если же контактные элементы вы­ полнены из неблагородных металлов, то нагрев в про­ цессе работы приводит к интенсивному росту окисных пленок на их поверхностях и ухудшению параметров контакта.

RU-характеристика. На рис. 1.19 изображена типич­ ная для прижимных металлических контактов ^[/-харак­

металлический характер кривой до точки Е, соответст­

к плавлению микровыступов. Процесс плавления имеет локальршй характер и в макроскопических масштабах не наблюдается, хотя в контакте из тугоплавких метал­ лов экспериментально [26] зафиксировано раскалывание микровыступов непосредственно до их плавления. Сва­ ривание контактов сопровождается скачкообразным па-

41

дёнйём сопротивления (участок BP), в результате чё!ч) напряжение на контакте падает и процесс сваривания прекращается.

' Снятая в обратном направлении /^[/-характеристика является идеально металлической ввиду необратимости явлений размягчения и сваривания (участок FG).

В табл. 1.4 приведены значения напряжений размяг­ чения, плавления и кипения некоторых металлов, ис­ пользуемых в контактных устройствах [17].

Т а б л и ц а 1.4

Напряжения размягчения, плавления и кипения некоторых металлов, применяемых в контактах

1.5. Физика износа контактов

Характерной особенностью скользящих, разрывных и, в меньшей мере, неподвижных прижимных контактов является их износ в процессе работы. Под износом пони­ мается либо перенос материала одного контактного эле­ мента на другой, либо потеря материала в окружающем пространстве. В конечном счете износ приводит к выхо­ ду из строя контактной системы после некоторого числа коммутаций. Различают два вида износа: механический и электрический.

Механический износ. В скользящих и разрывных кон­ тактах возможны следующие виды механической эрозии:

1. Абразивный износ, порождаемый пылью, частич­ ками материалов контактных элементов и инородных материалов. В результате этого процесса поверхности становятся неравномерно шероховатыми и изменяют свой цвет.

2. Износ вследствие наличия сил молекулярного сцепления в мгновенных контактных пятнах. Эти силы

42

мгновенного прилипания извлекают частицы металла, которые царапают его поверхность. Они тем больше, чем ближе значения твердостей контактирующих металлов. В скользящих контактах тепло, выделяемое при больших скоростях скольжения, способствует мгновенному сва­ риванию проводящих пятен (прилипанию). В свою оче­ редь, прилипание приводит к заеданию, т. е. к скольже­ нию скачками и соответствующему звуковому и элек­ трическому шуму.

3. Приработка поверхностей при их скольжении одна относительно другой (притирание). Потеря материалов в этом случае пропорциональна шероховатости поверх­ ностей. Скользящие контакты, и в меньшей мере разрыв­ ные, обладают контактной поверхностью, большей, чем подвижные. Это обусловлено приработкой поверхностей, удалением шероховатостей и разрушением поверхност­ ных пленок. После первых циклов скольжения на кон­ тактных элементах в результате взаимной шлифовки по­

обломки заполняют впадины и создается пленка почти аморфной структуры. Слой Бейлби обладает большей твердостью и электрическим сопротивлением, чем исход­ ный металл.

В разрывных контактах одной из основных причин механической эрозии является усталость поверхностных слоев контактных элементов в результате переменного механического напряжения, ослабление и расщепление зерен, которые приводят к их выпаданию. После доста­ точно большого числа коммутаций наблюдается скопле­ ние освободившихся кристаллитов на одном электроде, приводящее к образованию уплотненного выступа. На­ личие выступа высокой твердости на этом электроде уве­ личивает неравномерность распределения механических напряжений и ускоряет процесс.

Электрическая эрозия. В скользящем, как и в разрывпом, контакте действие электрического тока на процесс износа может проявиться в следующем:

1)переносе ионов материала одного элемента на другой;

2)фриттинге окисной пленки, приводящем к увеличе­ нию поверхности металлического сцепления и механиче­ ского износа, вызванного силами молекулярного сцеп­ ления;

43

3) искрении или дугообразовании, представляющем собой основной вид электроэрозии. Когда разность по­ тенциалов между контактными электродами и ток через них превышают определенные для каждой пары метал­ лов характерные значения (табл. 1.5), в воздушном или

Т а б л и ц а 1.5

Минимальные напряжения и токи дугообразованйя некоторых металлов

газовом зазоре, образующемся между ними в момент коммутации, возникает газовый разряд — дуга или искра. Во время горения дуги на поверхностях электро­ дов выделяется огромное количество тепла, способное

поднять температуру отдельных областей до точки плав­ ления и даже кипения. Если тепло не рассеивается в до­ статочной степени через массу контакта, происходит испарение и разбрызгивание расплавленного металла.

Вообще говоря, этот процесс сопровождается други­ ми тонкими эффектами, но является основной причиной дуговой эрозии. Дуга, вызывающая электроэрозию, мо­ жет быть длинной и короткой. В случае длинной дуги наблюдается обгорание контактов, заключающееся в преимущественной потере металла контактных элемен­ тов в окружающем пространстве и конденсации некото-

В разрывных контактах в результа­ те микронагрева и локального плав­

ления на поверхности электродов, контактные элементы иногда свариваются между собой (рис. 1.21), что приво­ дит к прекращению коммутации.

2. Принципы конструирования прижимных контактов

Представим себе механические процессы, происходя­ щие на контактирующей поверхности прижимного кон­ такта при изменении контактного усилия. Эти процессы представлены на схеме замыкания прижимного контак­ та, изображенной на рис. 2.1.

Процессы деформации контактов, описанные в этой схеме, очень сложны, так как при больших контактных усилиях материал микровыступов течет не только во все стороны, но и в глубь металла. При этом предел теку­ чести, характеризующий твердость материала, несколько увеличивается. Существует даже термин «контактная твердость» материала. Однако она мало отличается от твердости по Бринеллю и поэтому последняя может быть использована при расчетах. Необходимо напомнить, что пластическая деформация микровыступов происходит в основном при первом касании шероховатых поверхно­ стей. При повторном контактировании обычно преобла­ дает упругая деформация материалов.

Эти процессы, определяющие механические, электри­ ческие и тепловые свойства прижимных контактов, со­ ответственно определяют и принципы конструирования последних. Правильные конструкции могут быть созда-

45

Рис. 2.1. Схема замыкания прижимного контакта:

/ — поверхностная пленка; 2 —газовая пленка.

Первый этап — соприкоснове­ ние наиболее высоких микро­ выступов обеих контактируемых поверхностей, без разрушения имеющейся на них газовой и по­ верхностной пленок

(при общем усилии нажатия на контакт в несколько грамм), приводит к уменьшению толщи­ ны газовых пленок до 2—3 ато­ марных слоев, а сами выступы подвергаются упругой деформа­ ции

Третий этап — при дальней­ шем увеличении сил нажатия на контакт материал контактных микровыступов начинает течь, поверхности соприкосновения мнкровыступов сильно увеличи­ ваются, а химические поверх­ ностные пленки разрываются. Одновременно возникают новые точки контакта между микро­ выступами малых размеров

Четвертый этап — при доста­ точно больших силах нажатия на контакт отдельные контакт­ ные точки растекаются во все стороны и заполняют почти всю поверхность контактирования. Среднее давление на поверх­ ности соприкосновения становит­ ся равным давлению текучести материала, за исключением краевой зоны контакта, которая деформируется упруго

46

ны ЛиШь с учётом Протекающих в них физических явле ­ ний. Рассмотрение вопросов конструирования прижим ­ ных контактов начнем с определения требований, предъ­ являемых к ним.

Конструкции прижимных контактных систем должны удовлетворять определенным общим и специфическим требованиям. Общие требования к ним могут быть сфор­ мулированы следующим образом.

1. Контакт должен проводить требуемый ток.

2.Контакт должен быть способным рассеять задан­ ное количество выделяемого тепла.

3.Поверхности контактных элементов в процессе экс­ плуатации должны оставаться достаточно чистыми, что­ бы обеспечить малое, постоянное во времени контактное сопротивление.

4.Контактные элементы не должны подвергаться потускнению или коррозии в той среде, в которой они будут работать.

5.Контакт должен сопротивляться прилипанию и свариванию даже после большого срока работы.

6.Контактные элементы должны обладать достаточ­ ной твердостью и прочностью для предотвращения воз­ можного механического разрушения.

7.Контактные элементы не должны подвергаться электроэрозии.

Специфические же требования зависят от конкрет­ ных условий, определяемых конструкцией электронного устройства. Так, при разработке электрического контак­ та должны учитываться следующие факторы:

1)ожидаемая токовая нагрузка;

2)характер тока (постоянный, переменный);

3) тип нагрузки (индуктивная, омическая, емкост­ ная) ;

4)предполагаемые напряжения н токи при сочлене­ нии и расчленении;

5)рабочее положение контактного устройства (вер­ тикальное, горизонтальное);

6)частота коммутации;

7)возможная вибрация;

8)максимальный разнос электродов;

47

9)конструктивные требования к размерам контакт­ ного устройства и требования к усилиям сочленения и разъединения контакта;

10)присутствие чужеродных веществ (масла, пыли

идругих загрязнений);

11)тепловыделение;

12)окружающая среда, температура и другие па­ раметры.

При проектировании контактов для микроэлектрон­

ных устройств часто бывает необходимо учитывать еще и допустимые величины контактной разности потен­ циалов.

Умелый учет этих требований при выборе материа­ лов и конструкции контактной пары обеспечивает тре­ буемое качество работы и высокую надежность.

Как было показано в гл. 1, основными факторами, определяющими качество работы электрического кон­ такта, являются:

1) свойства материалов контактных элементов;

2)чистота обработки поверхности и форма контакт­ ных элементов;

3)контактное усилие.

Конструирование прижимного контакта заключается в выборе материалов, определении контактного усилия, геометрии и необходимой чистоты поверхностей контакт­ ных элементов с целью удовлетворения указанных выше требований.

способность материалов рассеивать выделяемое тепло и

личением которой повышаются значения токов и напря­ жений, приводящих к возникновению явлений эрозии;

48

—пластичностью, определяющей пЛощаДь контактнон поверхности (см. формулу (1.4)], а следовательно, и всю работу электрического контакта;

—стойкостью против потускнения и образования поверхностных пленок в условиях той среды, в которой контакт будет работать.

Таким образом, выбор материалов контактных эле­ ментов основывается на необходимости выполнения большого числа общих и конкретных требований к кон­ тактному устройству и, поскольку приходится использо­ вать драгоценные и полудрагоценные металлы, разра­ ботчик должен еще учитывать и фактор стоимости.

В табл. 2.1 приводится перечень материалов, кото­ рые наиболее часто применяются в контактных конструк­ циях. Они расположены в порядке уменьшения электро­ проводности. В таблице также указаны значения тепло­ проводности в процентах от соответствующих значений для самого проводящего металла — серебра. В ней при­ ведены также значения стоимости металлов, выражен­ ные в процентах от стоимости такого же веса золота