接触电阻测试原理及PCB板的设计简介Date1一、何为接触电阻？接触电阻就是电流流过闭合的接触点对时的电阻。这类测量是在诸如连接器、继电器和开关等元件上进行的。 2/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.二、接触电阻形成原理在显微镜下观察连接器接触件的表面，尽管镀金 层十分光滑，则仍能观察到5-10微米的凸起部分。 会看到插合的一对接触件的接触，并不整个接触面 的接触，而是散布在接触面上一些点的接触。实际 接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及 接触压力大小，两者差距有的可达几千倍。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。此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。3/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.二、接触电阻形成原理实际上，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，其表面便可形成厚 度约2微米的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金， 由于它的表面能较高，其表面也会形成一层有机气 体吸附膜。此外，大气中的尘埃等也会在接触件表 面形成沉积膜。因而，从微观分析任何接触面都是 一个污染面。 4/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.三、接触电阻的组成综上所述，接触电阻一般由收缩电阻、 表面膜电阻和导体电阻组成。1.收缩电阻 收缩电阻是电流在流经电接触区域时，从原来 截面较大的导体 突然转入截面很小的接触点， 电流发生剧烈收缩现象（或集中现象），此现 象所呈现的附加电阻称为收缩电或集中电阻。2.表面膜电阻 由于接触表面氧化膜层及其他污染物所构成的 电阻称为膜层电阻或界面电阻。5/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.三、接触电阻的组成3.导体电阻 实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是 在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻 还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的 导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身 的导电性能，它与周围环境温度的关系可用温 度系数来表征。为便于区分，将收缩电阻加上表面膜电阻称为 真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称 为总接触电阻。6/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.四、接触电阻测量原理接触电阻的测量一般都采用开尔文四线法原理 。开尔文四线法连接有两个要求：对于每个测试点 都有一条激励线F和一条检测线S，二者严格分开， 各自构成独立回路；同时要求S线必须接到一个有 极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线S的电 流极小，近似为零。见图1。图1中r表示引线电阻和 探针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路 的电流为零，在 r3，r4上的压降也为零，而激励电 流 I在r1，r2上的压降不影响I在被测电阻上的压降 ，所以电压表测出的电压降即为Rt两端的电压值。 从而准确测量出R t的阻值。测试结果和r无关,有效 地减小了测量误差。7/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.四、接触电阻测量原理由于四线法测量接触电阻采用10mA/100mA的 恒流源，故测量接触电阻的实质是测量微动接触电 压。使用Chroma毫欧姆表测量接触电阻的原理见 图2： D+: Drive + D -: Drive S+: Sense+ S -: Sense 图 1HF:高电位施加线 LF:低电位施加线 HS:高电位检测线 LS:低电位检测线 图 28/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.四、接触电阻测量原理图2所测电阻即为接点接触时的电阻，其中的恒 流源用来为接触区域提供电流I，电压表用来测量 P+和P-之间的电压降V，由于电压表内阻相对于所 测接触电阻来说相当大(大到使电压表上分得的电流 可以忽略不计)，可以认为电压表所测电压V即为P+ 和P-之间的电压值，从而电压V与电流I的比值即为 电阻值。但由于接触区域非常小，按图中的接线得 到的是P+和P-之间的电阻值。为了使测得的数据尽 量接近真实的接触电阻值，应使得P+和P-接线端尽 量靠近接触区域 ，避免在测量结果中计入测试引线 和体积电阻产生的电压降 。9/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.我们使用Chroma毫欧姆表进行低功率接触电阻 时，为什么在“Dry” 档位一般选择“ON”呢？ 通常，测试接触电阻的目的是确定接触点氧化 或其它表面薄膜积累是否增加了被测器件的电阻。 即使在极短的时间内器件两端的电压过高，也会破 坏这种氧化层或薄膜，从而破坏测试的有效性。击 穿薄膜所需要的电压电平通常在30mV到100mV的 范围内。在测试时流过接点的电流过大也能使接触区域 发生细微的物理变化。电流产生的热量能够使接触 点及其周围区域变软或熔解。结果，接点面积增大 并导致其电阻降低。 五、干电路（ Dry Circuit ）测试10/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.五、干电路（ Dry Circuit ）测试为了避免这类问题，通常采用干电路的方法来 进行接点电阻测试。干电路就是将其电压和电流限 制到不能引起接触结点的物理和电学状态发生变化 电平的电路。这就意味着其开路电压为20mV或更 低，短路电流为100mA或更低。由于所使用的测试电流很低，所以就需要非常 灵敏的电压表来测量这种通常在微伏范围的电压降 。由于其它的测试方法可能会引起接点发生物理或 电学的变化，所以对器件的干电路测量应当在进行 其它的电学测试之前进行。如：接触电阻测试一般 在测试耐电压和绝缘电阻之前进行。 11/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素 接触形式接触电阻的形式可分为三类：点接触、线接触 和面接触。接触形式对收缩电阻Rs的影响主要表现 在接触点的数目上。一般情况下，面接触的接触点 数n最大而Rs最小；点接触则n最小，Rs最大；线接 触则介于两者之间。接触形式对膜电阻Rb的影响主 要是看每一个接触点所承受的压力F。一般情况下， 在对触头外加压力F相同的情况下，点接触形式n最 小，单位面积承受压力F1最大，容易破坏表面膜， 所以有可能使Rb减到最小；反之，面接触的F1就最 小，对Rb的破坏力最小，Rb值有可能最大。在实际 情况中，需要综合以上两个因素，对接触电阻的大 小进行具体的分析判断。 12/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素2 接触压力 接触压力F对收缩电阻Rs值和表面膜电阻Rb值的影 响最大，F的增加使接触点的有效接触面积增大，即接 触点数增加，从而使Rs减小。当加大F超过一定值时 ，可使触头表面的气体分子层吸附膜减少到个； 当超过材料的屈服压强时，产生塑性变形，表面膜被压 碎出现裂缝，从而增加了接触面积，这就使收缩电阻Rs 因表面膜电阻Rb的减小而下降， Rs和Rb同时减小，从 而使接触电阻大大下降。相反，当接触不到位、接触触 头失去了弹性变形等原因使接触压力F下降时，接触面 积减小，收缩电阻Rs增大，表面膜电阻Rb受F的破坏作 用减弱或不受其影响，从而使表面膜电阻Rb增大。同时 因Rb增大，使接触面积减小，从而使接触电阻增大，二 者的综合作用使接触电阻整体上升。 13/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素3 接触表面的光洁度 接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响， 这主要表现在接触点数的不同。接触表面可以是 粗加工、精加工，甚至是采用机械或电化学抛光。 不同的加工形式直接影响接触点数的多少，并最 终影响接触电阻的大小。 14/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素4 接触电阻在长期工作中的稳定性 电阻接触在长期工作中要受到腐蚀作用：（）化学腐蚀。电接触的长期允许温度一般都 很低，虽然接触面的金属不与周围介质接触，但周 围介质中的氧会从接触点周围逐渐侵入，并与金属 起化学作用，形成金属氧化物，从而使实际接触面 积减小，使接触电阻增加，接触点温度上升。温度 越高，氧分子的活动力越强，可以更深地侵入到金 属内部，这种腐蚀作用变得更为严重；（）电化学腐蚀。不同的金属构成电接触时， 能够发生这种腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中 ，造成负电极金属的腐蚀。15/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素5 温度 当接触点温度升高时，金属的电阻率就会有所 增大，但材料的硬度有所降低，从而使接触点的有 效面积增大。前者使收缩电阻Rs增大，后者使Rs减 小，结果是两者互为补偿，故接触电阻变化甚微。 但是，发热使接触面上生成氧化层薄膜，增加了接 触电阻，这种接触电阻可成百成千倍地增大。其氧 化速度与触头表面温度有关，当发热温度超过某一 临界温度时，这个过程就会加速进行，这就限制了 接触面的极限允许温度。否则，则将使接触电阻剧 增，会引起恶性循环。另外，当发热温度超过一定 值时，弹簧接触部分的弹性元件会被退火，使压力 降低，也会使接触电阻增加，恶性循环加剧，最后 会导致连接状态遭到破坏 。16/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素6 材料性质 构成电接触的金属材料的性质，直接影响接触 电阻的大小，比如：电阻率、材料的布氏硬度HB 、材料的化学性质、材料的金属化合物的机械强度 等。以我国普遍使用的铜为例，铜有良好的导电和 导热性能，其强度和硬度都比较高，熔点也较高， 易于加工。因此铜线接头在接触良好的情况下，温 度低于无接头部位的温度；但在高温下，其在大气 或变压器油中也能氧化，生成Cu2O，其导电性很差 ，氧化膜厚度随着时间和温度的增加而不断地增加 ，接触电阻也成倍地增加，有时甚至使用闭合电路 出现断路现象。17/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素6 材料性质 因此铜不适合于做非频繁操作电器的触头材料 ，对于频繁操作的接触器，电流大于150A时，氧化 膜在开闭时产生电弧的高温作用下分解，可采用铜 触头。从整体减小接触电阻的角度看，可在铜上镀 银、镶银或锡，后两者的优点是电阻率及材料的布 氏硬度值小，氧化膜机械强度很低，因此铜件上采 取此措施可减小接触电阻 。18/24Lab. of kunshan jiahua electronics CO., LTD.六、影响接触电阻的因素7 使用电压和电流 使用电压达到一定阈值，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 。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。 19/24Lab. of kuns