環境溫度及絕緣材料對電連接器絕緣電阻的影響

蔣海濤

（上海航天科工電器研究院有限公司 上海市 200331）

1 前言

電連接器是一種用于實現信號與電流傳輸和控制的電接觸元件[1]，影響其可靠性的因素有很多，例如制造及加工工藝、材料屬性、環境應力等。國外航空公司的研究資料表明，其中溫度對電子產品可靠性的影響占到了環境應力影響的40%。因此，環境溫度對電連接器可靠性的影響不可忽視[2]。

由絕緣材料加工而成的絕緣體作為電連接器的重要組成部分，它的主要作用是使接觸件保持正確的位置排列，并使接觸件之間以及接觸件與殼體之間相互絕緣[3]。絕緣材料除了需要具有良好的機械性能外，還要有突出的電氣性能。本文使用的連接器是一款常見的電源連接器，見圖1，該連接器通過采用PCB 板走線，較好地控制了連接器阻抗，已大量應用于軍工、民用產品中。

圖1：一款常見電源連接器

通常環境溫度引起電連接器的失效主要有接觸失效和絕緣失效兩種。其中絕緣失效是環境應力引起的一種重要的失效模式。其主要表現形式為絕緣電阻值過低，使相鄰兩個接觸件之間形成反饋回路，引起電連接器發生絕緣失效。本文主要探討了環境溫度及絕緣材料對電連接器絕緣電阻的影響。

2 理論分析

2.1 電連接器絕緣失效機理分析

加固混裝型電連接器的絕緣體一般以LCP（液晶高分子聚合物）、尼龍PA6T 和高性能工程塑料等有機高分子材料組成，具有比較大的電阻系數，在交、直流電壓的作用下只有極少量的微小電流通過[4]。

絕緣體在大氣環境中受到環境溫度的影響，材料的絕緣性能會發生變化。這是因為在環境溫度應力的作用下，絕緣材料會進行熱降解和交聯兩種反應。此時，材料內部的分子結構會變得松散，且出現帶電自由基。加壓后，在外部電場的作用下，自由基發生移動傳遞電子，進而在相鄰接觸件之間形成反饋回路，表現出絕緣材料的絕緣電阻值降低。而超量的漏電流產生的熱量，還會進一步加速這個過程，造成惡性循環，最終導致連接器絕緣失效的發生。

而當絕緣材料中含有雜質、氣泡和縮坑時，對絕緣體的絕緣電阻也會產生直接影響。雜質來源于兩方面，一種是原料中因生產工藝混入金屬雜質，近年來已得到明顯改善；另一種是在成型的電連接器中，因生產加工混入金屬多余物，這些金屬多余物輕則造成擊穿電壓降低，重則直接導致絕緣體短路。氣泡則是直接減少了電介質的有效厚度。所以，氣泡處總是因先游離而發生局部放電。該放電雖然不能立即形成貫穿性通道，但長期的局部放電使電介質的老化損傷逐步加深，進而導致整體介質的擊穿。縮坑的主要危害就是減小了電介質的厚度，顯著降低絕緣體的耐電壓值，同時還可積聚雜質，降低絕緣體耐電壓值的同時，為后期出現故障埋下隱患。

2.2 環境溫度對電連接器絕緣電阻的影響分析

測量中電連接器的插座部分可以被看作是一個平行板電容器。設電容器等效面積為S，E 為測量時外部所加電場。

電連接器的絕緣體一般由高分子聚合物材料組成，其電介質的電導以離子電導為主。根據克勞修斯方程可得電容器極化強度為：

其中，εs為絕緣體的松弛極化介電常數；ε∞為絕緣體的光頻介電常數。又松弛極化強度與時間的關系可以近似的表示為[5]：

其中，Prm為穩定時（t →∞）的松弛極化強度；t 為加上電場后經過的時間；τ 為松弛極化時間常數；其隨溫度的變化服從阿倫尼斯方程，即：

其中，U 為離子活化能；T 為攝氏溫度。由式（1）、（2）和（3）可得電容器極化的電流密度為：

在連接器絕緣電阻測試過程中，我們加壓時間為10s，而理論上松弛極化時間τ 為無窮大。因此，連接器絕緣體吸收的電流為：

那么由式（4）、（5）便可得到連接器的絕緣電阻為：

3 試驗結果與分析

3.1 試驗操作

本次試驗采用SDK702F 型高低溫試驗箱進行加溫（如圖2所示），采用TOS‐9201 型交直流耐壓/絕緣測試儀測試產品絕緣電阻（如圖3所示）。使用樣品為上述電源連接器，絕緣材料為尼龍PA6T。選取9 個樣品，分成三組，每組3 個樣品。三組分別加500V、700V、900V 的直流電壓。將樣品放在高低溫箱中，分別在10℃、30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃的溫度環境中測試樣品的絕緣電阻。為了減少誤差，取每組3 個樣品的平均數。

圖2：高低溫試驗箱

圖3：交直流耐壓/絕緣測試儀

3.2 結果分析

環境因素對電連接器的影響除了溫度，還有濕度和氣壓。試驗當天天氣晴朗，空氣濕度為39.5%，氣壓為標準大氣壓，所以基本可以排除其他環境因素。表1～表3 分別表示500V、700V 和900V 電壓下電連接器在不同環境溫度情況下絕緣電阻的大小。

表1：500V 交流電壓下連接器在不同溫度下的絕緣電阻（單位：GΩ）

表2：700V 交流電壓下連接器在不同溫度下的絕緣電阻（單位：GΩ）

表3：900V 交流電壓下連接器在不同溫度下的絕緣電阻（單位：GΩ）

從圖4 中可以看出50℃以內電連接器的絕緣電阻變化不大，只有小幅度地波動；當環境溫度繼續上升后可以看到絕緣電阻快速下降，尤其是在高電壓環境下絕緣電阻下降得更快。這是因為達到一定溫度后，電連接器的絕緣材料快速熱降解，在外部電場的作用下，已經在接觸件之間形成回路。

圖4：連接器絕緣電阻隨環境溫度變化

4 結論

本文僅考慮了環境溫度和絕緣材料對電連接器可靠性的影響，分析了在不同電壓條件下環境溫度引起的電連接器絕緣失效。從理論分析和試驗輪證兩方面證明了電連接器的絕緣電阻跟環境溫度之間呈負相關。不管電壓條件如何變化，當環境溫度上升時，電連接器的絕緣電阻總是有變小的趨勢。其實環境因素中濕度和氣壓對電連接器的絕緣電阻影響也很大，可以在之后的研究中繼續探討。