基于步進(jìn)加速退化試驗(yàn)的航天電連接器接觸可靠性評估

潘 駿 劉紅杰 陳文華， 錢 萍 劉 娟

1.浙江理工大學(xué)，杭州，310018 2.浙江大學(xué)，杭州，310027

基于步進(jìn)加速退化試驗(yàn)的航天電連接器接觸可靠性評估

潘 駿1劉紅杰1陳文華1，2錢 萍1劉 娟2

1.浙江理工大學(xué)，杭州，310018 2.浙江大學(xué)，杭州，310027

航天電連接器具有壽命長、可靠性高的特點(diǎn)，為解決其接觸可靠性的快速評定問題，分析了航天電連接器的接觸失效機(jī)理，建立了溫度應(yīng)力下的加速退化模型，提出了基于偽失效壽命的步進(jìn)加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法。對某型航天電連接器步進(jìn)加速退化試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，所提出的步進(jìn)加速退化試驗(yàn)方法與基于失效數(shù)據(jù)的加速壽命試驗(yàn)相比，試驗(yàn)時(shí)間大為縮短。

加速退化試驗(yàn)；偽失效壽命；航天電連接器；可靠性評估

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得電子工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域出現(xiàn)大量高可靠、長壽命的產(chǎn)品，如用于實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設(shè)備之間連接的某型號航天電連接器，要求可靠度在95%以上的接觸壽命能達(dá)到15年。針對這類產(chǎn)品的可靠性評定問題，若按照傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)方法，甚至采用加速壽命試驗(yàn)方法都難以在可行的時(shí)間和許可的經(jīng)費(fèi)范圍內(nèi)獲得失效數(shù)據(jù)。由于產(chǎn)品的失效機(jī)理最終能夠追溯到產(chǎn)品潛在的性能退化過程，因此性能退化數(shù)據(jù)能夠提供比失效時(shí)間數(shù)據(jù)更多的信息。早在1988年，Nair［1］就指出退化數(shù)據(jù)對可靠性評估來說是一個(gè)豐富的信息源。姚增起［2］研究了系統(tǒng)退化和系統(tǒng)可靠性的相關(guān)問題，并指出利用退化的觀點(diǎn)來研究系統(tǒng)可靠性是一個(gè)新課題。Carey等［3］使用加速退化模型估計(jì)了一種新一代海底電纜組件的可靠性，假設(shè)退化量和絕對溫度之間的關(guān)系可以用Arrhenius模型來描述，并使用極大似然方法估計(jì)關(guān)系參數(shù)，然后預(yù)測產(chǎn)品在常溫下工作的退化量。Meeker等［4］在研究高可靠性產(chǎn)品的可靠性問題時(shí)指出，退化失效分析可解決目前傳統(tǒng)可靠性理論不適應(yīng)工程應(yīng)用的問題。

近十年來，許多學(xué)者在這方面開展研究并取得成效。Sun等［5］通過對金屬化膜脈沖電容器的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出了一種Guass－Poisson聯(lián)合分布模型。Huang等［6］用截?cái)郬eibull分布表示退化量的分布，給出一個(gè)基于退化數(shù)據(jù)的分布參數(shù)極大似然估計(jì)方法。李曉陽等［7］針對在貯存期內(nèi)具有長壽命、高可靠特點(diǎn)的系統(tǒng)級微波電子產(chǎn)品，使用加速退化試驗(yàn)，結(jié)合線性漂移布朗運(yùn)動的首達(dá)時(shí)分布服從逆高斯分布的特點(diǎn)，建立其可靠性評估模型。鐘強(qiáng)暉等［8］提出不假定退化軌道模型的評估方法，利用試驗(yàn)得到產(chǎn)品的退化信息，進(jìn)而獲得產(chǎn)品在各檢測時(shí)刻的可靠度，并用具有保證參數(shù)的分布族對壽命變量分布進(jìn)行假設(shè)，通過分布擬合獲得參數(shù)的估計(jì)值進(jìn)行可靠性評估。Yang［9］把試驗(yàn)費(fèi)用作為樣本量和試驗(yàn)時(shí)間的函數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)費(fèi)用最少的原則，對樣本量和試驗(yàn)截止時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。

為實(shí)現(xiàn)航天電連接器接觸可靠性的快速評定，本文在前期航天電連接器接觸失效機(jī)理與溫度應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法研究［10－12］的基礎(chǔ)上，探討基于性能退化數(shù)據(jù)的航天電連接器步進(jìn)加速退化試驗(yàn)方法，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

1 航天電連接器接觸失效機(jī)理與退化模型

航天電連接器（圖1）的失效模式主要有接觸失效、絕緣失效和機(jī)械連接失效三種，其中接觸失效約占總失效數(shù)的45.1%。航天電連接器的接觸壽命主要受環(huán)境溫度影響，環(huán)境溫度的作用引起插針表面腐蝕物加速生成，接觸對表面腐蝕物的堆積促使接觸電阻不斷增大，最終導(dǎo)致接觸失效。

對于表面鍍金的銅基接觸件航天電連接器，由于鍍金層結(jié)晶呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且鍍金層很薄，鍍金過程中不可避免會在鍍金層中出現(xiàn)一些微孔和裂紋，大氣中的潮濕氣體通過鍍金層的微觀毛細(xì)作用進(jìn)入并接觸到基體金屬銅，沉積下來形成電解液。金和銅間的電位差使鍍金層與銅基材料界面形成微電池，并發(fā)生氧化反應(yīng)。由于電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在鍍層表面（即接觸表面），故接觸表面生成一層電阻非常高的腐蝕氧化物膜層。根據(jù)膜層生長機(jī)理，表面鍍金的銅基接觸件表面氧化膜的生長速度不僅與Cu＋向鍍金層表面擴(kuò)散的速度有關(guān)，還取決于Cu＋與O2反應(yīng)的速度。根據(jù)Holm電接觸理論，流過這種氧化物膜層的電流通過隧道效應(yīng)生成，氧化物腐蝕物膜層厚度的增加使得隧道電阻率逐漸增大，從而導(dǎo)致接觸電阻增大，膜層的隧道電阻率ρ隨膜層厚度h的增加基本呈線性增加，即

圖1 航天電連接器實(shí)物

式中，h0為氧化膜層的初始厚度。

由此可知，航天電連接器接觸性能退化主要是由接觸表面氧化物的生長和堆積引起的，氧化物的生長速度直接反映了航天電連接器接觸性能的退化情況。溫度是影響機(jī)電元件貯存可靠性的最主要環(huán)境因素，當(dāng)氧化物的堆積致使接觸對的接觸電阻超過允許的閾值時(shí)，接觸性能不再滿足要求，即發(fā)生失效。在此假設(shè)初始時(shí)刻腐蝕氧化物膜層厚度h0＝0，則隨著接觸表面氧化物厚度的不斷增長，通過氧化物膜層的離子越來越少，氧化物的生長速度也隨之減小，膜層生長速度與膜層厚度間呈反比關(guān)系，膜層厚度h與時(shí)間t的關(guān)系［13］為

其中，K為反應(yīng)系數(shù)，與溫度的關(guān)系滿足阿倫尼烏斯方程：

此式反映了接觸性能退化量與時(shí)間和溫度的關(guān)系，即為航天電連接器接觸性能加速退化模型。

2 步進(jìn)加速退化試驗(yàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

步進(jìn)加速退化試驗(yàn)是一種把樣本依次投入步進(jìn)應(yīng)力水平下，在對應(yīng)試驗(yàn)周期內(nèi)監(jiān)測其性能退化數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方法。其步驟如下：

通過分析航天電連接器的接觸失效機(jī)理，確定其加速退化模型并利用各種應(yīng)力水平下的性能退化數(shù)據(jù)和最小二乘方法估計(jì)接觸性能退化參數(shù)，然后通過航天電連接器接觸性能退化模型推斷正常應(yīng)力水平下的偽失效壽命值，最后利用壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行航天電連接器在溫度應(yīng)力下的接觸可靠性評估，具體步驟如下：

（1）在分析航天電連接器接觸性能退化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)樣本n在不同溫度應(yīng)力水平Ti下記錄的退化量（tijn，xtijn），利用

（3）通過接觸失效閾值可得到各樣本在正常溫度條件下的偽失效壽命估計(jì)值。

（4）航天電連接器接觸失效壽命服從兩參數(shù)Weibull分布［10］：

3 實(shí)例

步進(jìn)加速退化試驗(yàn)以某型號航天電連接器為試驗(yàn)對象，選擇樣本N＝6，溫度應(yīng)力水平分別為384.16K、399.16K和414.16K，對應(yīng)應(yīng)力水平下的試驗(yàn)時(shí)間分別為600h、200h和50h，對應(yīng)監(jiān)測值記錄次數(shù)分別為P1＝10、P2＝10和P3＝8。試驗(yàn)過程中監(jiān)測值為（tijn，xtijn），6個(gè)樣本的退化軌跡如圖2所示。

圖2 接觸電阻隨應(yīng)力和時(shí)間變化曲線（6個(gè)樣本）

把試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為（tijn，ln xtijn）形式，然后利用式（10）得在不同應(yīng)力水平下＋／Ti的估計(jì)值，如表1所示。然后利用最小二乘估計(jì)得各樣本退化模型參數(shù)估計(jì)值和。

表1 ＋／Ti 在不同應(yīng)力水平下的估計(jì)值

表1 ＋／Ti 在不同應(yīng)力水平下的估計(jì)值

樣本編號＾αn ＋＾βn／Ti T 1＝384.16K T 2＝399.16K T 3＝414.16K 1－4.34 －4.02 －3.73 2－4.20 －3.95 －3.62 3－4.44 －4.09 －3.82 4－4.37 －3.99 －3.76 5－4.30 －3.89 －3.65 6－4.33 －4.06 －3.79

已知該航天電池連接器正常工作環(huán)境溫度為45℃，失效閾值RC＝5mΩ，可得各樣本在正常溫度應(yīng)力下的偽失效壽命估計(jì)值，結(jié)果如表2所示。

表2 參數(shù)＾αn 和＾βn 以及偽失效壽命＾T n 的估計(jì)值

圖3 Weibull分布概率圖檢驗(yàn)

正常溫度應(yīng)力下電連接器的可靠度如圖4所示。

圖4 正常溫度應(yīng)力下電連接器的可靠度曲線

4 結(jié)束語

本文在分析航天電連接器接觸失效機(jī)理的基礎(chǔ)上建立了航天電連接器的退化模型，并提出基于偽失效壽命的步進(jìn)加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法。利用該方法對某型航天電連接器進(jìn)行步進(jìn)加速退化試驗(yàn)，得到該型航天電連接器在溫度應(yīng)力下隨時(shí)間變化的可靠度預(yù)測曲線，與傳統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)相比，試驗(yàn)時(shí)間大為縮短。因此，基于步進(jìn)加速退化試驗(yàn)的可靠性評估方法為航天電連接器接觸可靠性的快速評定提供了一條有效途徑。

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Contact Reliability Assessment of Aerospace Electrical Connector Based on Step－up－stress Accelerated Degradation Testing

Pan Jun1Liu Hongjie1Chen Wenhua1，2Qian Ping1Liu Juan2
1.Zhejiang Sci－Tech University，Hangzhou，310018 2.Zhejiang University，Hangzhou，310027

In order to evaluate the contact reliability for aerospace electrical connector with high reliability and long life quickly，this paper analyzed the failure mechanism of aerospace electrical connector，then established the corresponding accelerated degradation model.On this basis，a step－upstress accelerated degradation reliability assessment algorithm based on pseudo－failure lifetime was proposed.Finally，the step－up－stress accelerated degradation testing for an aerospace electrical connector was completed.The exprimental data shows that this method to achieve the reliability assessment is compared with the accelerated life test，step－up－stress accelerated degradation testing can decrease testing time.

accelerated degradation testing；pseudo－failure lifetime；aerospace electrical connector；reliability assessment

TB114.3；V442

1004—132X（2011）10—1197—04

2010—07—22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50935002，51075370）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007AA04Z409）；民用航天科技預(yù)研項(xiàng)目（B1220062302）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Y1080762）

（編輯 袁興玲）

潘 駿，男，1974年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究所副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械可靠性工程。發(fā)表論文15篇。劉紅杰，男，1983年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究所碩士研究生。陳文華，男，1963年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究所教授、博士研究生導(dǎo)師，浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所兼職教授。錢 萍，女，1983年生。浙江理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究所講師。劉 娟，女，1982年生。浙江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)研究所博士研究生。