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针头几何形状如何影响触点可靠性

实际接触表面积很大程度上取决于针头的几何形状和条件。钝针头(设计造成或者使用中磨损或变平)的接触面积大于尖锐针头,接触压力减小,穿透污染物附着物层的能力减弱。

表 A 和图 D 显示接触扁平表面的 100-25 系列矛点探针的计算接触压力(弹簧力除以接触面积)。根据标称弹簧力和圆形接触面积(直径 0.002 [0.05] 至 0.005 [0.13])计算。

请注意,此处显示的接触压力显著高于焊料的屈服强度,将导致焊接表面变形。当尖锐点最初按压在焊接垫焊盘上时,焊料将发生屈服,面积将增加,接触压力将下降,直到压力达到焊料的屈服强度。随着焊料发生屈服,焊料表面的氧化物或焊剂助焊剂被破坏,未污染焊料接触针头,形成电路接触。结果在焊接垫上留下见证标记。

对于多点针头接触扁平焊盘垫,最坏假定是所有针头将接触焊盘垫,应将表面积乘以点数。例如,对于三点情况,接触压力为表 A 列出的矛点压力的三分之一。

image of contact pressure chart


接触压力,磅每英寸 [MPa]
弹簧力 接触区域直径,英寸 [mm]
盎司 [gms] 0.002 [.05] 0.003 [.08] 0.004 [.10] 0.005 [.13]
3.5 [99] 69,630 [480] 30,947 [213] 17,408 [120] 11,141 [77]
5.5 [156] 109,419 [755] 48,631 [335] 27,355 [189] 17,5007 [121]
6.5 [184] 129,313 [892] 57,473 [396] 32,355 [189] 20,690 [143]
8.1 [230] 161,144 [1111] 71,620[494] 40,286 [278] 25,783 [178]
10.8 [306] 214,859 [1482] 95,493 [659] 53,715 [370] 34,377 [237]
17.1 [485] 340,194 [2391] 151,197 [1063] 85,048 [598] 54,431 [382]

通过开放通孔边缘接触凿形是一种特殊情况(凿形基本是具有三角形底部的金字塔)。接触区域很容易想象 – 扩散在三个区域,孔边缘与凿面相交形成的三个脊部之间的接触点。但接触背后的力实际高于弹簧力。这是因为反应力与脊部的迎角垂直,作为此角度的函数以几何形式增加。

矢量图描述此现象,但开放通孔中凿形的重要概念在于接触压力不仅将随着脊边缘的锋利和弹簧力增加而增加,而且随着迎角减小而增加。

表 B 比较迎角对各种凿形点头型接触力的影响。孔边缘三个接触点的接触力等于弹簧力乘以弹簧力倍数。例如,表格显示采用相同弹簧的 53 点(尖锐凿)的穿透力几乎是 03 点(标准凿)的 3 倍。

Vector Diagram of Contact Force in a special case.
凿点的弹簧力倍数
探针系列 头型 面角度 迎角 倍数

039-16/25

43

30º

49º

.442

050-05

13

53º

69º

.357

43

30º

49º

.442

050-16

03

30º

49º

.442

13

45º

63º

.374

63

15º

28º

.710

050-25

03

48º

-

-

13

30º

49º

.442

43

30º

49º

.442

53

15º

28º

.710

63

15º

28º

.710

075-25/40

03

30º

49º

.442

13

30º

49º

.442

43

30º

49º

.442

53

10º

-

-

63

15º

28º

.710

100-05

03

53º

69º

.357

13

53º

69º

.357

23

66º

77º

.342

33

73º

81º

.337

53

76º

83º

.336

63

30º

49º

.442

100-16

03

30º

49º

.442

 

13

30º

49º

.442

100-25/40

03

33º

-

-

43

30º

49º

.442

53

10º

-

-

63

15º

28º

.710

125-25

03

45º

63º

.374

此迎角原理对于各种刀片头型相同(刀片基本是具有菱形底座的金字塔),但压力更高,因为孔边缘有两个接触点而不是三个。刀片是用于开放通孔的最激进头型。但刀片还有一个重要因素 – 脊部坡口角度。


坡口角度指交叉形成脊部的面之间的角度。对于刀片头型,坡口角度小于凿型(形成更尖锐的楔形)。坡口角度越小,发生屈服时接触表面变形越大。更大变形意味着更多破坏污染物附着物层,从而在露出的未污染焊料与针头之间形成更可靠的接触。最终结果是即使接触面积保持不变,更小的角度点将在污染物附着物中形成更可靠的接触。

vector image showing before and after contact of the types of spear tip styles

相比凿型,更容易显示矛型坡口角度影响。考虑两个矛接触具有厚焊料层的扁平垫的情况。一个矛的坡口角度为 90º,另一个为 30º。二者背后的弹簧力为 3.5 盎司。由于焊料在约 5000 psi 下屈服,两个矛将穿透焊料,直到形成 0.007 [0.18] 直径(顶部)的锥形孔。在此直径下,焊料不再屈服,因为接触压力已下降至 5000 psi。这意味着 90º 矛将穿透至深度 0.004 [0.10],而 30º 矛将穿透更深至 0.014 [0.36]。

更大穿透将导致更多破坏污染物附着物层,实现更可靠的接触。对于极端情况,想象一下直径为 0.007 [0.18] 的长矛末端。此矛将完全不会穿透焊料。

请注意,尖锐矛型递在薄焊料层可以穿透焊料层。在此类情况下,矛型将抵在基底层,并在实现计算深度前停止。