环境温度及绝缘材料对电连接器绝缘电阻的影响

蒋海涛

（上海航天科工电器研究院有限公司 上海市 200331）

1 前言

电连接器是一种用于实现信号与电流传输和控制的电接触元件[1]，影响其可靠性的因素有很多，例如制造及加工工艺、材料属性、环境应力等。国外航空公司的研究资料表明，其中温度对电子产品可靠性的影响占到了环境应力影响的40%。因此，环境温度对电连接器可靠性的影响不可忽视[2]。

由绝缘材料加工而成的绝缘体作为电连接器的重要组成部分，它的主要作用是使接触件保持正确的位置排列，并使接触件之间以及接触件与壳体之间相互绝缘[3]。绝缘材料除了需要具有良好的机械性能外，还要有突出的电气性能。本文使用的连接器是一款常见的电源连接器，见图1，该连接器通过采用PCB 板走线，较好地控制了连接器阻抗，已大量应用于军工、民用产品中。

图1：一款常见电源连接器

通常环境温度引起电连接器的失效主要有接触失效和绝缘失效两种。其中绝缘失效是环境应力引起的一种重要的失效模式。其主要表现形式为绝缘电阻值过低，使相邻两个接触件之间形成反馈回路，引起电连接器发生绝缘失效。本文主要探讨了环境温度及绝缘材料对电连接器绝缘电阻的影响。

2 理论分析

2.1 电连接器绝缘失效机理分析

加固混装型电连接器的绝缘体一般以LCP（液晶高分子聚合物）、尼龙PA6T 和高性能工程塑料等有机高分子材料组成，具有比较大的电阻系数，在交、直流电压的作用下只有极少量的微小电流通过[4]。

绝缘体在大气环境中受到环境温度的影响，材料的绝缘性能会发生变化。这是因为在环境温度应力的作用下，绝缘材料会进行热降解和交联两种反应。此时，材料内部的分子结构会变得松散，且出现带电自由基。加压后，在外部电场的作用下，自由基发生移动传递电子，进而在相邻接触件之间形成反馈回路，表现出绝缘材料的绝缘电阻值降低。而超量的漏电流产生的热量，还会进一步加速这个过程，造成恶性循环，最终导致连接器绝缘失效的发生。

而当绝缘材料中含有杂质、气泡和缩坑时，对绝缘体的绝缘电阻也会产生直接影响。杂质来源于两方面，一种是原料中因生产工艺混入金属杂质，近年来已得到明显改善；另一种是在成型的电连接器中，因生产加工混入金属多余物，这些金属多余物轻则造成击穿电压降低，重则直接导致绝缘体短路。气泡则是直接减少了电介质的有效厚度。所以，气泡处总是因先游离而发生局部放电。该放电虽然不能立即形成贯穿性通道，但长期的局部放电使电介质的老化损伤逐步加深，进而导致整体介质的击穿。缩坑的主要危害就是减小了电介质的厚度，显著降低绝缘体的耐电压值，同时还可积聚杂质，降低绝缘体耐电压值的同时，为后期出现故障埋下隐患。

2.2 环境温度对电连接器绝缘电阻的影响分析

测量中电连接器的插座部分可以被看作是一个平行板电容器。设电容器等效面积为S，E 为测量时外部所加电场。

电连接器的绝缘体一般由高分子聚合物材料组成，其电介质的电导以离子电导为主。根据克劳修斯方程可得电容器极化强度为：

其中，εs为绝缘体的松弛极化介电常数；ε∞为绝缘体的光频介电常数。又松弛极化强度与时间的关系可以近似的表示为[5]：

其中，Prm为稳定时（t →∞）的松弛极化强度；t 为加上电场后经过的时间；τ 为松弛极化时间常数；其随温度的变化服从阿伦尼斯方程，即：

其中，U 为离子活化能；T 为摄氏温度。由式（1）、（2）和（3）可得电容器极化的电流密度为：

在连接器绝缘电阻测试过程中，我们加压时间为10s，而理论上松弛极化时间τ 为无穷大。因此，连接器绝缘体吸收的电流为：

那么由式（4）、（5）便可得到连接器的绝缘电阻为：

3 试验结果与分析

3.1 试验操作

本次试验采用SDK702F 型高低温试验箱进行加温（如图2所示），采用TOS‐9201 型交直流耐压/绝缘测试仪测试产品绝缘电阻（如图3所示）。使用样品为上述电源连接器，绝缘材料为尼龙PA6T。选取9 个样品，分成三组，每组3 个样品。三组分别加500V、700V、900V 的直流电压。将样品放在高低温箱中，分别在10℃、30℃、50℃、70℃、90℃、110℃、130℃和150℃的温度环境中测试样品的绝缘电阻。为了减少误差，取每组3 个样品的平均数。

图2：高低温试验箱

图3：交直流耐压/绝缘测试仪

3.2 结果分析

环境因素对电连接器的影响除了温度，还有湿度和气压。试验当天天气晴朗，空气湿度为39.5%，气压为标准大气压，所以基本可以排除其他环境因素。表1～表3 分别表示500V、700V 和900V 电压下电连接器在不同环境温度情况下绝缘电阻的大小。

表1：500V 交流电压下连接器在不同温度下的绝缘电阻（单位：GΩ）

表2：700V 交流电压下连接器在不同温度下的绝缘电阻（单位：GΩ）

表3：900V 交流电压下连接器在不同温度下的绝缘电阻（单位：GΩ）

从图4 中可以看出50℃以内电连接器的绝缘电阻变化不大，只有小幅度地波动；当环境温度继续上升后可以看到绝缘电阻快速下降，尤其是在高电压环境下绝缘电阻下降得更快。这是因为达到一定温度后，电连接器的绝缘材料快速热降解，在外部电场的作用下，已经在接触件之间形成回路。

图4：连接器绝缘电阻随环境温度变化

4 结论

本文仅考虑了环境温度和绝缘材料对电连接器可靠性的影响，分析了在不同电压条件下环境温度引起的电连接器绝缘失效。从理论分析和试验轮证两方面证明了电连接器的绝缘电阻跟环境温度之间呈负相关。不管电压条件如何变化，当环境温度上升时，电连接器的绝缘电阻总是有变小的趋势。其实环境因素中湿度和气压对电连接器的绝缘电阻影响也很大，可以在之后的研究中继续探讨。