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电接触学 ,一门研究电子可靠连接的学科



    “没有可靠的电子连接,就没有先进的电子学。”阿波罗顾问J.B.P.威灵逊博士如是说。事实证明,假如没有可靠的电接触予以保证,任何先进的电路或系统都无法发挥其应有功能。本文着重介绍了电接触学科的重要必以及国内外在这一领域的研究开发和进展概况。 

何为电接触学

    电接触学是一门研究电子可靠连接的科学。在电子、通信或电力系统中,不仅元件之间、电路之间、设备之间乃至元件内部都需要可靠的电子连接。传统上,称这门学科叫“电接触学”。近年来,也有不少人称之为电子连接与内部连接系统的科学。应用该科学理论及科研成果所制造的元件如连接器、继电器、开关、键盘、电位器、电刷与导电环等称之为机电元件,取这个名字的原意是指通过机械连接装置,以达到电子连接的目的。

    连接的类型有很多:永久连接。如焊接、压接、缠接等;半永久连接,如各种连接器,中小功率开关继电器等;滑动连接:如电刷/导电环;电弧连接,如中、小型继电器、断路器等。

电接触学在电连接中的重要意义

    在一个通信系统或电力传输系统中,存在着大量的连接环节,任何一个连接处出现故障,都会影响系统的可靠运行。恼人的通信系统中断,烦人的计算机错码,骇人的控制系统失灵,误事的传输图象失真,人的生活中一系列不愉快的事情,以及多种事故的隐患,重大事故的发生,往往都与接触不良有关。以阿波罗登月飞船为例:该飞船系统大约有一百万个接点,登月成功并保证按期返回地球,表明其接触点是完全可靠的,实际上,美国宇航局NASA为此投入了1亿美元的研究经费。然而,要使电接触可靠并非易事。它与其它电子元件不同,其可靠性不仅取决于其本身的材料、结构与几何尺寸等参数,更由于接触点大多暴露在大气中,大气污染如尘土、腐蚀性气体、湿度、温度,都会直接影响连接可靠性。由于电子结构小型化。连接器的尺寸亦随之减小,外界大气污染,温度影响和电磁干扰都会造成接触不可靠。近年研究表明,电接触故障是数字通信电路系统中产生高误码率的重要原因之一,实际上电接触发生故障相当于在电路系统中介入了一个多变的网络,从而造成误码,这种误码大多无法用电路方法消除。

    由于接触表面有一定粗糙度,真正的接触点非常小,(大多在微米范围内),一旦在该处介入尘土颗粒或腐蚀生成物,用宏观方法是无法观察的,只有借助微观检测手段,常用的如扫描电子显微镜(观察形貌),X射线能谱仪,X射线波谱仪(分析元素成份),光学显微镜(观察形貌)等。

    因为腐蚀生成物大多绝缘,故接触表面不能用一般金属。常用的大多为贵金属,如金合金(镍或钴)钯合金(镍)等,价格因此比较昂贵。检验接触表面质量也只能用微观手段,肉眼无法辨别。

    机电元件(如连接器)的质量比较难鉴别的另一个因素是时延效应。与其它电子元件不同,其它电子元件如集成电路用仪器当场就能鉴别好坏,检验接触点质量却无法当场做到。比如镀金质量,有的金表面微孔甚多,但要出现故障必须经过腐蚀后生成一定的腐蚀物才能造成故障。故鉴别质量有一个时间的滞后效应,这也是人们造成优劣不分的原因。较快的鉴别方法是作适当的加速模拟腐蚀实验,再用微观手段观察和区分。电子连接是一项系统配套工程。在一般情况下,外行人很难看出我国在这方面的落后程度。国内有的生产厂家生产的连接部件,表面上与西门子、AT&T、NEC等著名跨国公司生产的部件相差无几,金光灿灿,光亮照人,但做过腐蚀试验后即可看出其质量与可靠性均远达不到国际标准。把国内生产的产品与进口产品放在同等条件下做暴露试验, 经过半年至一年后进行测试,结果进口产品的质量大大优于国内产品。

    由此可见,机电元件从设计上虽然仍保持一定的传统机械设计方法,但内容却极其复杂,它包括:压力、温度、腐蚀、尘土、绝缘、电磁干扰、微小型结构,高频分布参数影响等一系列问题。实际上电接触学及其应用是一门交叉科学,涉及到机械、电子、材料、化学等多门学科。从可靠性角度而言,要在恶劣的环境中应用,而又要求价格低廉是很困难的,一位法国通信公司总裁在八十年代末曾作过估算,他说:在通信系统中,仅连接器、继电器、键盘这三种元件大约占整个通信设备成本的15%-20%,仅连接器为例,1999年国际市场的销售额约为270亿美元。

国内外研究近况

    美国阿波罗登月飞船顾问J.B.P.williamson博士曾说:“电接触科学是电子学的一部分,没有可靠的电子连接,就不可能发展先进的电子学。”电接触及其应用是一门涉及多种学科的边缘学科。在发达国家,它已形成独立的理论以及整套的实验体系。目前,从发表的论文水平及从事此专业专家人数比例等方面来看,我国与先进国家(美国西欧发达国家)之间相差甚远,在我们卫星上天的同时,我国在这方面整体水平与西方甚至前苏联,相比落后约20年以上。发达国家对电接触及连接点的高度重视的例子不胜枚举。60年代末,例如在本文前面提到的:美国在发射登月飞船前,曾邀集电接触专家对飞船的100万个接点进行模拟试验,总耗资达1亿美元,以保证万无一失。在惊叹美国国家宇航局对该测试的巨额投入时,世界同行也对其严谨的科学态度深表钦佩。

    西方早在50年代就开始研究电接触科学,60年代投入大量财力,人力进行系统研究,大多数整机公司如美国通用电气、通用汽车、西屋、通用电话电子、AT&T、国际商用电器(IBM)、日本的松下、立时(Omron)、德国的西门子等公司都设有机电元件研究所及工厂。还有专门从事生产机电元件的公司如美国的Delphi、FCI、Molex、日本冲电器(OKI)等公司。西方国家的学术活动也十分活跃。50年代在美国成立Holm电接触年会,80年代由IEEE第一技术委员会TC-I管理,现已历44届。1964年开始成立国际电接触委员会,负责每两年一次的国际电接触会议(ICEC),现历19届。日本原由东北大学倡导后由真野国夫教授领导的日本机电元件研究会每月召开一次学术会议,到1999年止,已超过500次。

    目前,人们还未充分认识到这门重要学科在我国被忽略的事实,国际上普遍认为:电接触涉及的不仅仅是孤立的材料或工艺,忽视其中任何一个细节,可能造成的损失将无法估算,其不良影响,将延续很久。当90年代电子信息产业迅猛发展,世界进入信息化时代后,特别是当中国以后发展势向电子信息领域迈进的时候,电接触这门新尖学科的应用价值就更显得至关重要了。时光如涛,今天,我们高兴地看到位于北京邮电大学主楼14层,亚洲地区设备最先进的电接触实验室正在夜以继日地运转。作为目前国内唯一研究电子、电力及通信系统中电接触问题的科研机构,得到了美国AMP公司和211工程的资助,现已成为亚洲地区各高校(包括日本在内)从事电接触基础研究中技术手段最先进的科研机构,在科研室主任、国际知名电接触科学家章继高教授带领下,主要承担美国AMP公司、国家自然科学基金、中波合作科研项目,日本TETRA公司合作的研究项目及邮电部门科研项目,科研室研究的内容有:电接触故障对通信系统误码率的影响、连接器电接触故障的分析与机理、尘土对电接触故障的分析与机理、尘土对电接触故障的影响及实验室模拟、微动故障模拟、大气腐蚀对电接触表面的影响、电接触用润滑剂的应用机理与检测方法、机电元件(连接器、干簧继电器)设计技术等。1996-1999年在国际会议及刊物上共发表23篇论文,向AMP及TETRA公司提交17篇技术报告,在国内会议及刊物上发表22篇论文,向邮电门市部提交4篇技术报告,仅1999年,该研究室就先后有6人次从这里走向国际讲台,他们为祖国嬴得了荣誉和尊严,嬴得了世界同行的赞助和支持,为这一学科的发展做出了贡献。

电接触学研究发展方向

    电接触科学尽管是一门交叉科学,但却是一门独立学科,它有独立的理论及特殊的研究方法,有独自的工业和研究、教育体系以及独立的学术组织。电接触科学是随电子学的发展而发展,它一直是IEEE学会中最活跃的分支学科之一。

    随着21世纪电子信息产业迅猛发展的需要,电接触学研究发展方向也逐步归纳为以下几个方面。

1、 电接触现象与基本理论
滑动电接触的摩擦、磨损与润滑、微动、表面偏析、电弧、电蚀、压力松驰、电子延续、变劣机理。
2、永久连接
压接、焊接、扩散。
3.大气环境及其效应
尘土、腐蚀性气体及腐蚀物;有机气体;实验室加速模拟。
4、新材料
弹性材料;绝缘材料;粘合材料;滑动触点、表面材料、抗电弧材料,导电聚合物;润滑剂,超导材料;陶瓷材料。
5、检测手段与方法
基本参数自动多项检测(压力、变形、电阻、温度)滑动检测(摩擦力、压力、磨损、表面热)
6、机电元件设计
连接器(汽车、通信、计算机、电力连接器)开关、继电器、断电器。
7、计算机/数字模拟
8、可靠性估计与故障检测
9、加工工艺

 

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