電連接器插針損傷失效分析

燕　翔，唐愛(ài)玲，姜　濤

（1.湖北三江航天紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，湖北孝感432100；2.北京航空材料研究院，北京100095；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京100095）

電連接器插針損傷失效分析

燕翔1，唐愛(ài)玲1，姜濤2，3

（1.湖北三江航天紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，湖北孝感432100；2.北京航空材料研究院，北京100095；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京100095）

自動(dòng)脫落分離電連接器在系列電性能測(cè)試后，外觀檢查發(fā)現(xiàn)分離插頭一枚供電插針端部損傷，綜合運(yùn)用多種檢測(cè)分析手段對(duì)損傷插針及相關(guān)部件宏微觀形貌、金相組織以及成分進(jìn)行觀察分析，并開(kāi)展短接模擬試驗(yàn)和比對(duì)分析。結(jié)果表明:插針損傷模式為電損傷，電弧放電導(dǎo)致針頂端部金屬發(fā)生熔融、濺射，殼體內(nèi)壁形成電弧燒蝕積瘤，分離測(cè)試時(shí)受人工抑制影響，致使插針與殼體絕緣間隙減小，從而極間介質(zhì)擊穿造成擊穿放電。

分離插頭；插針；H62黃銅；電損傷

0　引言

在國(guó)防裝備的各類電子系統(tǒng)中，電連接器是構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)的基本單元，是實(shí)現(xiàn)器件、組件、系統(tǒng)之間電氣連接和信號(hào)傳遞的橋梁，通常由插座和插頭組成［1］。按用途可分密封電連接器、高溫電連接器、自動(dòng)脫落分離電連接器等，除需要滿足一般的性能要求外，更主要的是還需要有良好接觸和可靠性，在航空、航天運(yùn)用廣泛。為驗(yàn)證電連接器和控制系統(tǒng)的可靠性，分系統(tǒng)通常以氣候和力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)加以考核，試驗(yàn)后測(cè)試電性能，如導(dǎo)通、絕緣和電分離測(cè)試。目前，關(guān)于電分離測(cè)試過(guò)程中因測(cè)試條件致使測(cè)試失敗的案例鮮有報(bào)道，但因其失效會(huì)導(dǎo)致測(cè)試終止，造成數(shù)據(jù)丟失，因此有必要針對(duì)此類事件展開(kāi)討論分析以提高測(cè)試的可靠性。某裝備選用自動(dòng)脫落分離電連接器連接電纜實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)與分系統(tǒng)的控制和分離，經(jīng)導(dǎo)通、絕緣、抗電和電分離等一系列考核測(cè)試后，外觀檢查發(fā)現(xiàn)分離插頭1枚供電插針頂端損傷，插針材料H62黃銅，共61枚，呈同心圓分布，該插針供電給分離線圈觸發(fā)分離機(jī)構(gòu)解鎖，再利用壓簧儲(chǔ)能釋放實(shí)現(xiàn)電連接器分離，供電電壓（28 ±3）V。本研究通過(guò)對(duì)損傷插針以及相關(guān)部件的宏微形貌觀察、金相組織及微區(qū)成分分析，并結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果，確定插針損傷性質(zhì)，通過(guò)對(duì)測(cè)試工藝和條件進(jìn)行分析，定位失效原因，針對(duì)性采取改進(jìn)措施，以避免同類失效事件的再次發(fā)生，為提高電分離測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有一定借鑒意義。

1　試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1宏觀觀察

分離插頭整體外觀見(jiàn)圖1，分解后可見(jiàn)數(shù)根插針?lè)庋b在鋼制殼體內(nèi)，插針呈金黃色。

受損插針頂端宏觀可見(jiàn)明顯損傷，表面顏色發(fā)暗，其他插針完好，可見(jiàn)金屬堆積現(xiàn)象（圖2a）。在體視鏡下進(jìn)一步觀察測(cè)量，受損插針頂端較完好插針短約1.9 mm，受損表面中心呈光亮、平坦，周邊顏色暗淡、粗糙（圖2b）。

將插頭進(jìn)一步分解取出殼體部件，在內(nèi)壁臨近上表端面可見(jiàn)一處金屬積瘤特征，直徑約1 mm，在積瘤一側(cè)約5 mm處明顯可見(jiàn)一條寬度約1 mm沿縱向分布的機(jī)械摩擦痕跡（圖3）。

圖1　分離插頭整體外觀Fig.1　Appearance of separate plug

圖2　受損插針外觀Fig.2　Appearance of damage pin

圖3　插頭殼體內(nèi)壁損傷及積瘤Fig.3　Damage and accumulative burl of inner wall of plug shell

1.2微觀觀察

在插頭中任意選取1枚完好插針連同受損插針清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察。完好插針頂端為半球形，形狀完整規(guī)則，表面可見(jiàn)輕微摩擦痕跡（圖4a）。損傷插針頂端低倍形貌見(jiàn)圖4b，中心較平坦，邊緣較粗糙，有明顯金屬堆積特征，在堆積面上可見(jiàn)明顯的擠壓以及摩擦痕跡。

高倍下的受損區(qū)邊緣可見(jiàn)明顯的金屬熔融凝固以及摩擦損傷特征（圖5），從H62黃銅的熔點(diǎn)來(lái)看，其局部受熱溫度應(yīng)不低于900℃［2］。

觀察受損插針側(cè)表面發(fā)現(xiàn):插針頂端有明顯的金屬向下堆積現(xiàn)象并有明顯的摩擦損傷以及擠壓變形痕跡（圖6a）；在接近損傷部位區(qū)域鍍層表面有鼓泡特征，在鼓泡區(qū)域有大量顆粒狀析出物（圖6b）。

圖4　插針頂端形貌對(duì)比Fig.4　Pin end comparison

圖5　插針受損頂端表面微觀形貌Fig.5　Micro appearance of damaged pin end

對(duì)受損區(qū)側(cè)面顆粒區(qū)域進(jìn)行EDS成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可知顆粒狀析出物為ZnO。H62屬高鋅黃銅，抗高溫氧化性較差［3］，由Cu-Zn二元相圖可知，Zn在Cu中溶解度曲線呈內(nèi)凹特征，504℃溶解度最大，溫度高于此溫度點(diǎn)其溶解度降低伴隨脫鋅［4］，同時(shí)，由于Zn的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，在900℃以上高溫條件下，向表層擴(kuò)散的高壓鋅蒸氣在表面造成鼓包現(xiàn)象。

表1　特征區(qū)域能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1　EDS results of feature regions（mass fraction/%）

圖6　受損插針側(cè)表面微觀形貌Fig.6　Micro appearance of side face of damaged pin

對(duì)插頭殼體內(nèi)壁損傷區(qū)進(jìn)行微觀觀察，內(nèi)壁積瘤低倍形貌見(jiàn)圖7a，積瘤呈較規(guī)則的球狀，直徑約0.5 mm，距殼體邊緣約1 mm，表面可見(jiàn)明顯擠壓摩擦痕跡，與殼體內(nèi)壁表面細(xì)小環(huán)形加工痕跡明顯不同，在積瘤根部可見(jiàn)流態(tài)熔融金屬凝固特征（圖7b）。積瘤附近縱向擦傷區(qū)的高倍形貌見(jiàn)圖7c，表面摩擦損傷痕跡起源于一處直徑約0.5 mm的圓形淺坑，坑表面呈撕裂形貌［5］，應(yīng)為另一處積瘤受擠壓后剝落與殼體摩擦形成的（圖7d）。

圖7　插頭殼體內(nèi)部損傷區(qū)微觀形貌Fig.7　Micro appearance of inside damage of plug shell

對(duì)殼體受損區(qū)表面進(jìn)行EDS成分分析，結(jié)果見(jiàn)2。積瘤成分與殼體成分基本一致。在殼體擦傷區(qū)表面除基體合金元素外，還存在含量較高的O、Al等元素，Al元素應(yīng)來(lái)源于與插頭插接的鋁制插座殼體材料。殼體正常表面可見(jiàn)細(xì)小的環(huán)形加工痕跡，表面為少量C元素與基體合金元素。

表2　殼體特征區(qū)域能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 2　EDS results of shell feature regions（mass fraction/%）

1.3金相組織觀察

將完好插針及損傷插針沿縱向制備金相試樣，用高氯化鐵鹽酸溶液浸蝕［6］后放置在金相顯微鏡下觀察。完好插針頂端金相組織如圖8a所示，表面鍍覆層完好，基體為形變拉長(zhǎng)組織。受損插針靠近頂端表面可見(jiàn)亮白色重熔凝固層，其中局部可見(jiàn)典型鑄態(tài)枝晶組織，并包裹氣孔（圖8b）；下層為過(guò)熱及α、β相粗大等軸化組織區(qū)，再向?qū)咏M織逐漸過(guò)渡為正常拉長(zhǎng)的α與β組織［7］（圖8c）；靠近受損區(qū)的插針表面可見(jiàn)鼓泡剖面特征（圖8d）。

對(duì)以上區(qū)域進(jìn)行EDS化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3，受損頂端生成了以Cu-Zn-Ni-Au系的新四元重熔鑄態(tài)合金，因此難以進(jìn)行金相浸蝕而呈現(xiàn)不同于基體的白亮組織。鼓泡特征內(nèi)壁主要成分為鍍金層，同時(shí)有向表層擴(kuò)散的Zn元素。

圖8　受損插針金相組織Fig.8　Microstructure of damaged pin

表3　特征區(qū)域能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 3　EDS results of feature regions（mass fraction/%）

1.4短接放電試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)綜合判斷，插針的損傷應(yīng)為瞬時(shí)高溫所致。為模擬該環(huán)境，采用30 V/3 A直流電源對(duì)插針進(jìn)行短接，該過(guò)程出現(xiàn)明顯電弧放電現(xiàn)象，插針表面出現(xiàn)明顯電蝕坑及燒傷變色，電蝕坑表面微觀形貌可見(jiàn)金屬熔融及濺射特征［8］（圖9a）。制備插針燒蝕區(qū)的縱向截面金相，燒蝕區(qū)表面存在與受損插針一致的白亮層，其中可見(jiàn)重熔鑄態(tài)枝晶組織，其下層為過(guò)熱區(qū)，整體組織過(guò)渡與受損插針一致，并且兩側(cè)可見(jiàn)熔融金屬向下的堆積（圖9b）。但與受損插針相比，短接放電插針損傷區(qū)熱量相對(duì)較小，熱影響區(qū)較小。

2　分析與討論

供電插針頂端出現(xiàn)明顯損傷變短，宏微觀檢查發(fā)現(xiàn)受損區(qū)表面存在明顯的金屬熔融凝固特征，并可見(jiàn)液體金屬濺射形貌，周邊可見(jiàn)明顯的脫鋅現(xiàn)象并伴隨鼓泡特征，受損區(qū)表層組織也發(fā)現(xiàn)了鑄態(tài)的白亮重熔層和明顯過(guò)熱區(qū)，這些現(xiàn)象均表明，插針的損傷是局部受900℃以上高溫金屬熔化、濺射導(dǎo)致材料缺失所致。

采用30 V/3 A直流電源對(duì)插針進(jìn)行短接放電試驗(yàn)，電損傷形貌以及組織特征與受損插針基本一致，只是放電試驗(yàn)電壓最大值僅30 V，保護(hù)電流僅3 A，因此瞬間產(chǎn)生的熱量有限，僅形成了很小的燒蝕坑，重熔層、過(guò)熱層也較窄。因此綜合判斷，插針損傷性質(zhì)為電損傷，瞬間產(chǎn)生大量的熱導(dǎo)致插針頂端部分金屬熔融、汽化、熱爆致使濺射缺失。

觀察還發(fā)現(xiàn)，與受損插針位置對(duì)應(yīng)的殼體內(nèi)壁存在明顯損傷并存在一處直徑約1 mm的金屬積瘤，附近有明顯的摩擦損傷痕跡，能譜分析結(jié)果表明其主要成分與殼體一致，還存在一定的氧化物和來(lái)自于與插頭殼體配合的鋁制插座殼體基體元素。在積瘤邊緣可見(jiàn)典型的流態(tài)熔融金屬凝固特征，說(shuō)明殼體內(nèi)壁局部也在瞬時(shí)高溫下發(fā)生了重熔和濺射，金屬液滴受表面張力作用在殼體內(nèi)壁凝固呈球狀積瘤，并在插頭插拔過(guò)程中受到擠壓摩擦，個(gè)別積瘤撕脫擦傷內(nèi)壁形成縱向滑動(dòng)摩擦痕跡。從積瘤形態(tài)和殼體周邊受熱情況分析，該損傷也應(yīng)為電損傷，其產(chǎn)生應(yīng)為殼體與受損插針之間擊穿放電造成的。

圖9　短接放電燒蝕區(qū)Fig.9　Ablation area by short discharge

3　原因定位

通過(guò)以上分析，供電插針系電損傷，導(dǎo)通、絕緣和抗電均是在插接狀態(tài)下進(jìn)行，測(cè)試完畢后斷電，插頭插座手動(dòng)分離，因此以上測(cè)試不具備發(fā)生插針與殼體擊穿放電的條件。分離測(cè)試是核心功能測(cè)試，供電電壓（28±3）V，電流不限，設(shè)備提供最大電流100 A，接收分離指令后分離線圈產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)分離機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)頭座解鎖，對(duì)接面彈簧產(chǎn)生彈力將自由端插頭彈開(kāi)實(shí)現(xiàn)分離［9］。在分離的過(guò)程中，斷電和分離動(dòng)作同步進(jìn)行，當(dāng)結(jié)構(gòu)分離時(shí)，分離線圈上還帶電。據(jù)了解，測(cè)試在測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行，受空間尺寸限制，測(cè)試人員事先會(huì)在插頭前端阻擋以防止分離后跌落，由于分離受到約束，在分離瞬間插頭殼體與供電插針之間空間受插座殼體介入從而引起極間介質(zhì)擊穿并造成放電［10］，因此在插座殼體上可見(jiàn)電損傷痕跡。而測(cè)試過(guò)程中使用的供電設(shè)備供電能力較強(qiáng)，當(dāng)電流足夠大時(shí)，產(chǎn)生瞬間高溫使插針頂端部分金屬熔融、濺射缺失，殼體內(nèi)壁相應(yīng)部位也在瞬時(shí)高溫下發(fā)生了重熔和濺射。

4　結(jié)論及改進(jìn)措施

1）分離電連接器插針損傷為電損傷，插針發(fā)生擊穿放電，瞬間產(chǎn)生大量的熱導(dǎo)致插針頂端部分金屬熔融、濺射缺失受損；插頭殼體內(nèi)壁積瘤也為電損傷所致，擊穿放電致使殼體內(nèi)壁局部金屬重熔并很快凝固成金屬積瘤，在插頭插拔過(guò)程中積瘤受到擠壓摩擦，個(gè)別積瘤撕脫擦傷內(nèi)壁形成擦痕。

2）分離測(cè)試過(guò)程中因受測(cè)試臺(tái)受空間尺寸限制，為防止插頭分離后跌落損傷，人工抑制了分離效果，致使分離受到約束，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全、垂直分離，其間受插座殼體影響，造成插針與殼體絕緣間隙變小，從而引起極間介質(zhì)擊穿并造成放電。

3）建議增加測(cè)試臺(tái)空間尺寸，保證插頭無(wú)約束分離。

［1］李書(shū)常.電連接器選用手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:157-158.

［2］《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)（第2版）第3卷［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002:231-232.

［3］丁惠麟，辛智華.實(shí)用鋁、銅及其合金金相熱處理和失效分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:365-367.

［4］李勇，朱應(yīng)祿.黃銅脫鋅腐蝕的研究進(jìn)展［J］.腐蝕與防腐，2006，27（5）:222-225.

［5］韓德偉，張建新.金相試樣制備與顯示技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2005:205-206.

［6］李炯輝.金屬材料金相圖譜［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:1520-1521.

［7］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004:42-43.

［8］中國(guó)航天工業(yè)總公司七零八所.QJ1796A—1998分離（脫落）電連接器通用規(guī)范［S］.1998:17.

［9］魏振偉，周靜怡，劉昌奎.電連接器4J29合金接觸體斷裂分析［J］.失效分析與預(yù)防，2015，10（6）:370-371.

［10］陳選龍，陳航，劉麗媛，等.PEM/OBIRCH用于集成電路漏電流失效定位［J］.失效分析與預(yù)防，2015，10（6）:262-263.

Failure Analysis on Damage of Pin of Electrical Connector

YAN Xiang1，TANG Ai-ling1，JIANG Tao2，3
（1.Hubei Sanjiang Aerospace Hongyang Electro Mechanical Co.，Ltd.，Hubei Xiaogan 432100，China；2.Beijing Institute of Aeronautical Material，Beijing 100095，China；3.AVIC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China）

After electrical test，one pin of the separate plug of an automatically-separating electrical connector was found to have been damaged at the end.In order to find out the failure cause，macro and micro observation，microstructure examination，chemical composition analysis and discharge simulation test were carried out.The results show that the failure mode of the pin is electrical damage.Arc discharge led to molting and sputtering of the pin tip metal.Arc damage also occurred at the inner wall of shell，causing accumulative burl.As a result，the clearance between the pin and the shell decreased and the media between the pin and the shell resulted in breakdown discharge.

separate plug；pin；H62 brass；electrical damage

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.009

1673-6214（2016）02-0105-06

2015年12月26日

2016年2月29日

燕翔（1977年-），男，高級(jí)工程師，主要從事材料檢測(cè)試驗(yàn)與失效分析等方面的研究。