電連接器典型失效模式及機(jī)理分析

郭金花

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

引言

電連接器用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸和控制以及電子與電氣設(shè)備之間的電連接，在航天、航空、電子、通信等重要領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1,2]。電連接器要求在各種環(huán)境條件下可靠地導(dǎo)通電路、傳遞信息、實(shí)現(xiàn)特定功能，其可靠性直接影響裝備、產(chǎn)品等工程系統(tǒng)的可靠性工作。美國早在20世紀(jì)70年代，制定了完善的“電連接器試驗(yàn)方法”MIL-STD-1344A[3]，可進(jìn)行電連接器的可靠性試驗(yàn)，但后來電連接器的可靠性不靠試驗(yàn)來完成，由廠家的質(zhì)保體系完成。日、德、法國家對(duì)電連接器的可靠性研究主要是進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和分析。國內(nèi)電連接器的生產(chǎn)廠家和研究所對(duì)其可靠性的研究集中在失效分析、可靠性試驗(yàn)和可靠性設(shè)計(jì)多方面[4-8]。

電連接器與其他電子元器件相比，失效模式不僅取決于電氣性能，還很大程度上取決于機(jī)械性能及環(huán)境因素，主要表現(xiàn)為接觸不良、絕緣不良、機(jī)械連接失效和其他失效模式。因電連接器的種類較多，選材、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝和應(yīng)用條件差別甚大，可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證不充分，依然會(huì)暴露出各種失效模式，目前，雖然有國軍標(biāo)GJB 4027A-2006[9]對(duì)電連接器破壞性物理分析（DPA）試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)范，但實(shí)際應(yīng)用中電連接器DPA試驗(yàn)開展較少，很多檢測(cè)項(xiàng)目也不能完全暴露潛在隱患，缺乏針對(duì)性的分析試驗(yàn)。

本文研究內(nèi)容作為電連接器可靠性分析的一部分，重點(diǎn)關(guān)注電連接器的失效問題及機(jī)理分析，選擇不同機(jī)械連接問題導(dǎo)致的失效，結(jié)合工藝、使用和環(huán)境因素分析機(jī)械連接失效機(jī)理，提出同類問題的改進(jìn)措施。

1 分析過程

1.1 案例1：焊接連接失效

某視頻電纜在使用中起視頻信號(hào)傳輸作用，在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)該電纜芯線與屏蔽層短路。用體視顯微鏡對(duì)失效電纜進(jìn)行外觀觀察，可見：該電纜的導(dǎo)線外絕緣層未見明顯異常，插針接頭未見明顯異常，形貌如圖1所示。

為了進(jìn)一步確定視頻電纜的失效狀態(tài)，使用萬用表對(duì)插針、線芯與接頭外殼、屏蔽層分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得插針與接頭外殼、屏蔽層出現(xiàn)短路現(xiàn)象，線芯與接頭外殼、屏蔽層也出現(xiàn)短路現(xiàn)象。將接頭部分與導(dǎo)線部分剪開，測(cè)得接頭部分連接狀態(tài)同上述現(xiàn)象，導(dǎo)線線芯與屏蔽層未短路，故失效位置定位于接頭部分的內(nèi)部。

使用X射線檢查視頻電纜的內(nèi)部連接狀態(tài)，可見：插針與線芯連接在一起，屏蔽層與接頭外殼連接在一起。但發(fā)現(xiàn)與插針根部連接的線芯同其他位置相比較松散，需要進(jìn)行下一步的解剖分析，其余位置未見明顯異常，射線局部形貌如圖2所示。

采用機(jī)械法將視頻電纜接頭的局部金屬外殼去除，再使用萬用表測(cè)量插針與剩余接頭外殼的連接狀態(tài)，此時(shí)不短路，故短路點(diǎn)出現(xiàn)在已開封位置。對(duì)已開封部位進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)：插針與線芯通過焊料連接，連接處線芯中的一根導(dǎo)線從焊接根部與線芯分離，且與插針連接的線芯一定長度內(nèi)（約5 mm長度）無絕緣保護(hù)，使從線芯中分離的一根導(dǎo)線直接與殼體接觸，造成短路。電纜接頭內(nèi)部形貌如圖3所示。

從線芯中分離的單根導(dǎo)線外表面無焊料，斷口端面平整，被焊料覆蓋，無明顯受力斷裂特征，斷口端面形貌如圖4所示。視頻電纜短路是由于在插針與線芯連接處，線芯中的一根導(dǎo)線與插針焊接不良，從焊接根部與線芯分離，且與插針連接的線芯一定長度內(nèi)（約5 mm長度）無絕緣保護(hù)，使分離的一根導(dǎo)線直接與殼體接觸，造成短路。

1.2 案例2：壓接連接失效

某型連接器用于信息處理器，在完成電裝后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該連接器第12點(diǎn)開路。用體視顯微鏡對(duì)失效連接器進(jìn)行外觀觀察，可見連接器塑封外殼、插針、引線未見明顯異常，具體形貌如圖5所示。

圖1 視頻電纜外觀形貌

圖2 視頻電纜接頭局部射線圖

圖3 線芯與插針連接處

圖4 分離導(dǎo)線斷口形貌

圖5 失效連接器外觀形貌

為了進(jìn)一步確定連接器的失效狀態(tài)，采用萬用表對(duì)失效件進(jìn)行非功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：第12點(diǎn)的插針與引線表現(xiàn)為開路，其余點(diǎn)的插針與引線處于導(dǎo)通狀態(tài)。

用X射線檢測(cè)儀對(duì)連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，可見連接器插針和引線是通過中間的套管連接，套管將插針和引線卡緊后實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，中間無焊料連接。第12點(diǎn)的套管和引線之間疑似存在小間隙，不緊密接觸，比對(duì)第13點(diǎn)套管和引線之間無間隙，緊密接觸。通過局部CT掃描進(jìn)一步觀察第12點(diǎn)連接狀態(tài)，可見該點(diǎn)套管內(nèi)引線緊密束縛在一起，與套管內(nèi)壁存在間隙，而其余點(diǎn)的引線處于松散狀態(tài)，與套管內(nèi)壁無間隙，形貌如圖6所示。該點(diǎn)的引線與套管連接存在問題，通過開封進(jìn)行下一步的驗(yàn)證。

采用機(jī)械和化學(xué)開封法去除該連接器的外包裝，直接觀察插針和引線的連接情況。將第12點(diǎn)的引線和套管連接情況與導(dǎo)通點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，可見導(dǎo)通點(diǎn)的引線與套管內(nèi)壁緊密接觸，而第12點(diǎn)的引線與套管內(nèi)壁存在間隙，形貌如圖7所示。該連接器第12點(diǎn)出現(xiàn)失效是由于該點(diǎn)的引線與套管連接不緊密，存在間隙，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)引線、套管與插針的導(dǎo)通，出現(xiàn)開路失效。

1.3 案例3：裝配不當(dāng)失效

某型電連接器在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該連接器傳輸信號(hào)不穩(wěn)定。用體視顯微鏡對(duì)電連接器進(jìn)行外觀檢查，可見電連接器第2、13點(diǎn)插針縮針，其他插針高度正常，插針周圍的塑料絕緣體表面局部有磨損，形貌如圖8所示。

圖6 連接器內(nèi)部連接處CT圖

用X射線檢測(cè)儀對(duì)連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，可見連接器插針和引線是通過中間的壓接套管連接，套管將插針和引線卡緊后實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。發(fā)現(xiàn)第2、13兩點(diǎn)插針受壓應(yīng)力作用而變形，變形后高度約為原長度的1/2，但基本保持軸向垂直，其余插針未見明顯變形。電連接器內(nèi)部壓接套管及導(dǎo)線位置及形態(tài)未見明顯異常。連接器內(nèi)部射線形貌如圖9所示。

圖7 連接器內(nèi)部連接處剖面形貌

圖8 失效連接器外觀形貌

圖9 電連接器內(nèi)部射線形貌

該電連接器第2、13點(diǎn)插針縮針是由于與插孔對(duì)接時(shí)，兩個(gè)插針未完全對(duì)中進(jìn)入插孔，繼續(xù)加力后，插針受壓應(yīng)力作用變形而縮短。

1.4 案例4：疲勞應(yīng)力失效

某型SMA連接器在振動(dòng)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)后端天線連接斷裂。用體視顯微鏡對(duì)SMA連接器進(jìn)行外觀檢查，可見連接器斷裂位置位于插針根部，插針斷口殘留在插孔內(nèi)部，插針與插孔緊密配合，未見明顯間隙，插孔位于天線的根部，天線另一端為自由端。插針斷口呈銀灰色，較平整，無明顯頸縮現(xiàn)象。形貌如圖10所示。

通過掃描電鏡對(duì)連接器斷口形貌進(jìn)行觀察，可見插針斷口外層為天線插孔，斷口沿圓周邊部均已磨損，中心凸起位置也有局部磨損，內(nèi)部還可見明顯的疲勞條帶，但疲勞條帶的方向不一致，斷口中心區(qū)域可見少量的拉伸韌窩，斷口形貌如圖11所示。根據(jù)以上形貌特征分析：斷口沿圓周向外表面存在多處疲勞源，在往復(fù)力的作用下，逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，瞬斷區(qū)位于斷口中心區(qū)域。該連接器插針斷裂是由于插針沿圓周向外表面存在多處疲勞源，在往復(fù)力的作用下，經(jīng)疲勞擴(kuò)展后最終斷裂。

圖10 失效連接器外觀及斷口宏觀形貌

圖11 SMA連接器斷口微觀形貌

天線自由端實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)不與周圍任何物體接觸，處于不受力狀態(tài)，但該失效件天線在使用時(shí)由于與配套裝置不匹配，而存在接觸，造成根部應(yīng)力集中疲勞斷裂。對(duì)于功能性連接器在疲勞條件使用時(shí)應(yīng)避免異常損傷或應(yīng)力。

2 失效預(yù)防措施及建議

電連接器的機(jī)械連接失效與電連接器的工藝水平、設(shè)計(jì)要求、使用條件存在密切聯(lián)系，為了保證電連接器機(jī)械連接的可靠性，可以采取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制手段進(jìn)行失效預(yù)防。

1）嚴(yán)格控制電連接器的制造工藝過程：電連接器的機(jī)械連接與工藝過程密切相關(guān)，產(chǎn)品的工藝可靠性，如焊接或壓接質(zhì)量出現(xiàn)問題，會(huì)在早期暴露出來，通過嚴(yán)格控制電連接器的工藝過程，進(jìn)行必要的檢測(cè)篩選，可以減少由于產(chǎn)品自身問題引起的失效。電連接器的其他問題，如電鍍工藝引起的連接問題，不會(huì)早期暴露出來，但經(jīng)過一定環(huán)境或磨損后會(huì)出現(xiàn)批次性的問題，使用前有必要進(jìn)行抽樣檢查，進(jìn)行破壞性結(jié)構(gòu)分析，提出改進(jìn)措施，嚴(yán)格控制好鍍層的形態(tài)、厚度。

2）對(duì)使用環(huán)境、應(yīng)力條件進(jìn)行評(píng)價(jià)：電連接器的實(shí)際使用條件千差萬別，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及選材時(shí)并不能完全適應(yīng)各種環(huán)境，因此在特定條件使用時(shí)，最好進(jìn)行環(huán)境或應(yīng)力水平可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，避免出現(xiàn)批次性的失效問題。

3）安裝、使用準(zhǔn)確到位：電連接器通常配套使用，由于安裝不到位，不對(duì)中及非正常的變形、磨損會(huì)導(dǎo)致連接器出現(xiàn)接觸不良、斷路等失效現(xiàn)象，應(yīng)避免野蠻操作，異常應(yīng)力影響。

4）可根據(jù)需要增加一些早期的試驗(yàn)，如鍍層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)分析、環(huán)境試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)等，盡早暴露問題。

3 結(jié)論

1）電連接器機(jī)械連接失效表現(xiàn)為多種失效模式，與工藝過程，使用過程密不可分，焊接、壓接、安裝和應(yīng)力狀態(tài)是機(jī)械連接的薄弱環(huán)節(jié)。

2）機(jī)械連接失效通常在使用過程中暴露出問題，對(duì)應(yīng)用于要求比較高的產(chǎn)品，可進(jìn)行早期的篩選和評(píng)價(jià)試驗(yàn)，提高使用可靠性。