電連接器的到壽失效模式

文/陳建建

電連接器的到壽失效模式

文/陳建建

在武器裝備的各類電子系統(tǒng)中，電連接器在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間進行電氣連接和信號傳遞，是構成一個完整系統(tǒng)所必須的基礎元件。電連接器的可靠性直接影響系統(tǒng)的可靠性。要提高電連接器的使用可靠性，必須了解其失效過程及失效原因，特別是那些無法通過早期檢驗發(fā)現(xiàn)的，出現(xiàn)在使用壽命中后期的失效模式。本文對電連接器的到壽失效模式進行簡要分析，討論通信行業(yè)用弱電領域的電連接器，對強電領域電連接器不進行詳述，站在電連接器用方的角度，期望通過這樣的分析，改進電連接器的選型、質檢和使用的方式方法，達到提高電連接器使用可靠性的目的。

電連接器 失效 接觸件 到壽

在電連接器的質量控制工作中，用方單位容易進入兩個困境：

（1）認為電連接器是連接器件/組件/系統(tǒng)的重要元件，從而認為所有的電連接器都是關重件，使工作沒有重點，關注范圍過大，違反“實現(xiàn)低成本經(jīng)營”的質量管理目的；

（2）國內電連接器的總體質量狀況和技術水平與國際主流廠家相比，還有較大距離，特別在標準化生產(chǎn)管理方面，尤其不理想。造成國產(chǎn)電連接器質量參差，低水平質量問題時有發(fā)生、反復發(fā)生，使質量管理工作受到頻繁擾亂，有限的資源不能更好的集中在電連接器可靠性的提高研究上。因此了解和研究電連接器的常見失效模式，是質量管理工作走出困境的基礎，也是電連接器用方選型、質檢、使用（包括加工）、分析的基礎。

1 使用到壽失效的原因

根據(jù)電連接器到壽失效的主因，我把電連接器的壽命概括如下：電連接器的使用壽命是磨損和疲勞的綜合考量，電連接器的貯存壽命是氧化、受潮和老化的綜合考量?？剂康膶ο笫菣C械性能和電性能的下降。

在各種環(huán)境應力中，溫度、濕度及振動所引起的失效占所有環(huán)境應力引起失效的86%。磨損、疲勞、氧化、老化等失效模式在分析的時候離不開這三個因素的考慮，需留意其相關性。

1.1 磨損

使用壽命指電連接器正常使用的壽命，行業(yè)內特指插拔壽命。磨損是接觸件使用過程中最主要的破壞形式。磨損按其行為特征分為：氧化磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損及微動磨損。這幾種類型的磨損在電連接器實際使用中是復合存在的，任何一種都不一定是磨損的主要機理。

1.1.1 氧化磨損

插拔過程摩擦破壞氧化層，暴露出金屬后重新形成新的氧化層，繼續(xù)遭到摩擦破壞，使表面金屬逐漸損耗，此為氧化磨損的過程。行業(yè)內通常用鍍金工藝避免氧化，減少氧化磨損，但鍍層被破壞后，氧化速度將顯著上升。

氧化磨損涉及到多個材料和工藝要素：接觸件表面鍍層主要是防止電連接器在使用前或靜態(tài)貯存期間氧化，同時必須兼顧導電性。一旦經(jīng)過多次插拔，鍍層必然受損，這就涉及到鍍層的厚度和耐磨性。鍍層的消耗使設計方必須考慮底材的耐磨性和抗氧化抗腐蝕性。所以廠家選材必須在成本和諸多性能中找到平衡點，本身就是一個妥協(xié)的過程。因此用方必須清醒，不同的廠家的產(chǎn)品，其可靠性有可能存在較大落差，要實際觀察產(chǎn)品的鍍層，有沒有鍍層以及鍍層的完整性。由于鍍金一般是化學鍍工藝，所以接觸端的插孔和焊接端的焊杯是鍍金的薄弱環(huán)節(jié)，由于上述的兩種結構是相對封閉的狀態(tài)，內部溶液不易流通，所以容易鍍金失敗，外觀檢查可以發(fā)現(xiàn)插孔或焊杯內部存在色差。用方可借助顯微鏡等工具觀察這些細節(jié)以評判廠家的工藝水平。

1.1.2 咬合磨損

咬合磨損是指接觸件表面基體金屬相互結合、粘著，后隨相對滑動而被撕裂，往復循環(huán)，造成的磨損。咬合磨損的程度與接觸正壓力成正相關關系，因此線簧插孔的咬合磨損相對要輕微很多。咬合磨損只發(fā)生在滑動摩擦條件下，因此也與滑動順暢程度有關，接觸件表面加工得更光滑或在接觸部位涂覆潤滑劑可有效降低插拔滑動磨損。用方可實際觀察電連接器接觸件表面毛刺的嚴重程度以評判廠家的工藝水平。

1.1.3 熱磨損

熱磨損的必要條件是極高的、足以使表層金屬軟化的熱量，主要來源于摩擦與大電流。由于電連接器一般插拔速度較低，不足以摩擦生高熱，在功耗小的弱電領域，熱磨損可以忽略。

1.1.4 磨粒磨損

磨粒磨損是由于硬質點摩擦接觸表面引起的，其發(fā)生必須有硬質點的參與，硬質點來源于雜質灰塵、氧化微粒、磨屑，解決方法是保持電連接器內部的清潔。

用方可用顯微鏡實際觀察接觸件插孔和焊接端的焊杯內部是否存在未清洗干凈的金屬碎屑，金屬機械精加工后的清洗，也是業(yè)內的難點之一，我在實際檢驗工作中發(fā)現(xiàn)多個廠家都有未能清除干凈的碎屑殘留在難以清潔的部位。這些碎屑阻擋了鍍金工藝的完整性，增加了使用過程中的磨粒磨損，關鍵是在以后使用中一旦脫落，有可能造成不良短路，成為產(chǎn)品質量可靠性的隱形殺手。

另外一方面用方可以觀察接觸件的表面光滑程度，接觸件表面越光滑：

（1）金屬與空氣的接觸面積相對變小，氧化速度與氧化厚度降低；

（2）越能改“點接觸”為“面接觸”，接觸對接觸面積相對變大，降低接觸電阻；

（3）更能減少插拔過程中的磨損消耗。

1.1.5 表面疲勞磨損

零件表面在接觸應力的反復作用下將引起表面疲勞磨損。這種磨損主要作用在鍍層，產(chǎn)生疲勞裂紋，目前相關研究較少，只能簡單判定減小接觸壓力有利于降低磨損。

1.1.6 微動磨損

微動磨損的機理很復雜，主要是指電連接器在長期使用的過程中，交變應力（包括振動、溫度變化、交變電流）的作用，導致接觸表面間金屬的亞微米、微米級的相對滑動，從而引起微動磨損。本文不對微動磨損的具體失效過程進行分析。既是交變應力而起，降低微動磨損的辦法自然是降低交變應力，即降低振動、溫變、電流的變化頻率及變化幅度。

以上對不同種類磨損的描述分析，說明了磨損是必然存在的，但在實際案例中磨損的具體行為機理要具體分析，不能簡單歸類。而氧化、熱量、接觸壓力、清潔程度、交變應力振幅等因素可以看做是磨損的催化劑。

1.2 疲勞

使用到壽的另一考量因素“疲勞”是指金屬的形變疲勞，與上文的“表面磨損疲勞”是不同的兩個概念。插孔簧片受與插針接觸面的反作用力長期作用，逐漸形成永久性變，抗張強度降低，接觸壓力變小，影響接觸電阻或接觸件嚙合穩(wěn)定性。金屬疲勞受材料硬度、熱量，受力時間等因素影響，也是必然存在的，不可逆的變化。

金屬疲勞尤其受接觸壓力的影響：接觸壓力不足，接觸件表面氧化層不能受到足夠的磨損破壞，而弱電又不足以擊穿氧化層，這時容易發(fā)生接觸不良；接觸壓力過大，一是造成接觸材料磨損嚴重，導致過早出現(xiàn)鍍層與基材的損耗；第二個隱患是插孔簧片受反作用力（與接觸壓力成對）過大，逐漸產(chǎn)生永久變形，即金屬疲勞。金屬疲勞的程度與嚙合時間和插拔次數(shù)呈正相關關系。所以如何設計接觸壓力，對廠家來說也是兩難，而且越到電連接器使用壽命后期，越是兩難，氧化越來越嚴重容易造成接觸不良，疲勞也越來越明顯，所以電連接器的過壽使用隱患很大。

總之，磨損和疲勞共同“侵蝕”電連接器的機械性能，使材料變少、變薄、變弱，最后影響機械聯(lián)接和電連續(xù)性。

1.3 插拔壽命

無論是方形插孔還是圓形開槽式插孔，其接觸對理論插拔壽命都只有500次，不是線簧插孔，接觸對插拔壽命沒有質的飛躍（線簧插孔理論插拔壽命可達十萬次）。這就提醒用方注意，減少不必要的插拔次數(shù)。設計師也需用六性設計中的保障性和維修性應對壽命低的風險，頻繁插拔的電連接器（測試、調試用）不安排在難以更換的部位（如電路板），或適當運用轉接器、電纜組件。在即將到壽時，留意電連接器互換時的插拔力、金屬粉屑量、外殼變形程度、螺紋旋擰緊澀程度、鍍層顏色形貌等性能和外觀特征，一旦發(fā)生較大的變化，就意味著到壽。電連接器壽命到了，就要及時更換，不要想當然的繼續(xù)使用。

在此還要特別提醒，即使是線簧插孔設計，也只是增加了接觸件的插拔壽命，提高接觸可靠性。電連接器整體的使用壽命，因使用線簧插孔而增加的程度是十分有限的。電連接器整體，除了接觸件外還要考慮殼體磨損和疲勞、絕緣體磨損和老化等各方面因素，其使用壽命不可能跟隨線簧接觸件達到十萬次的理論值，還要具體了解。

2 貯存到壽失效原因

貯存壽命指電連接器在常規(guī)倉儲條件下的自然壽命。電連接器如處于常開或互換插拔頻率極低的狀態(tài)（例如電路板上極少用的擴展功能插槽），其失效模式應考慮貯存到壽問題。

貯存壽命主要考慮三個方面的內容：金屬氧化，受潮造成的絕緣性能下降，絕緣體老化。

2.1 金屬氧化

電連接器處于貯存狀態(tài)，接觸件暴露在空氣中，沒有插拔摩擦時時破壞氧化層，有利于氧化層生長堆積。所以對貯存態(tài)的電連接器來說，氧化應是最為致命的，有可能導致失效的首要因素。氧化性氣體（O2、SO2）和金屬發(fā)生氧化反應，或金屬在潮濕環(huán)境下與空氣中的腐蝕性氣體（SO2、H2S、NO2、Cl2等）發(fā)生電化學腐蝕，形成體積略微膨脹的成分復雜的金屬氧化物。這一層化合物將極大地提高接觸電阻，造成接觸不良。在長期的貯存條件下，鍍金工藝也并非萬能。在鍍金表面微孔腐蝕的作用機理下，鍍金層表面形成腐蝕暈圈，即通常觀察到的色斑或黑點。有研究表明，微孔腐蝕處島狀污染物以及周圍的腐蝕圈處的直流接觸電阻會出現(xiàn)明顯的上升甚至失效。

金屬氧化速度主要與溫度、濕度、空氣成分有關，應保證低溫、低濕、相對封閉的受控的貯存環(huán)境。

2.2 受潮

受潮對電連接器最嚴重的影響在于加速氧化腐蝕和霉菌滋長。氧化腐蝕前文已經(jīng)闡述過；而發(fā)霉現(xiàn)象給人的視覺沖擊比較大，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)必然報廢，涉及管理問題，失效分析意義不大。

電連接器受潮，一般認為會對電連接器的絕緣性能影響較大，這里存在誤區(qū)。電連接器受潮固然是會降低絕緣電阻與抗電強度，但是從絕緣電參數(shù)的下降到絕緣失效是有一段距離的。在實際使用和試驗的過程中，絕緣失效的占比并不高，特別是弱電領域用低頻電連接器，本身對絕緣性能的要求就比較低，也不涉及高電壓，絕緣失效的案例就很少。絕緣失效的案例多與金屬碎屑有關，與受潮無關。足以使電連接器發(fā)生短路、擊穿飛弧等絕緣失效的潮濕條件是，具有極高的相對濕度、能使電連接器表面經(jīng)常性的發(fā)生凝露的空氣環(huán)境，但這種極端環(huán)境不能作為失效分析的常規(guī)考慮因素。

2.3 絕緣體老化

電連接器的絕緣結構普遍使用塑料、橡膠材料。橡膠、塑料及其他高分子聚合物在成型、貯存和使用過程中會發(fā)生結構的變化，逐漸失去應用價值，這種現(xiàn)象稱為高分子材料的老化。主要的老化特征包括變色、變粘、裂紋、脆化、硬度變化等，同時可能伴隨著絕緣電阻、擊穿電壓等電性能的變化。

發(fā)生上述變化的原因是各種各樣的，外界的作用可概括為物理因素（熱、光、應力、電場、射線等）、化學因素（氧、臭氧、重金屬離子、化學介質）及生物因素（微生物、昆蟲的破壞）。在外界作用的諸因素中，以光、氧、熱三個因素最為重要，它們造成聚合物的降解。

絕緣體老化導致失效的案例占比比較少，我只接觸過兩例。一例是橡膠圈老化，肉眼可見小裂紋、變脆，彎曲斷裂；一例是庫存多年的低頻矩形連接器殼體老化。該系列連接器無金屬外殼，絕緣體即為連接器的結構主體，由于庫存多年，塑料老化變硬、變脆，但常規(guī)檢測不能發(fā)現(xiàn)機械性能問題。一直到使用時，由于緊固部位是螺釘鉚緊，大力矩轉化為緊固面的大壓力，緊固應力區(qū)域開裂、崩缺掉塊，才暴露出塑料老化問題。

絕緣體貯存老化失效的問題少見，其原因在于貯存管理。時間是絕緣體老化必不可少的條件，軍用電連接器一般有嚴格的貯存管理制度，一般貯存期5～10年就要報廢了；而民用電連接器一般庫存積壓現(xiàn)象較少，且更新?lián)Q代快，調用庫存多年的型號產(chǎn)品的情況較少，所以一般不會暴露絕緣體老化問題。但若存在非常規(guī)的，甚至違反規(guī)定的操作，則會使質量管理狀態(tài)不穩(wěn)，這個時候需要小心。除此以外，電連接器貯存管理應避開陽光直射和高溫等外界不良因素。

3 結語

本文探討的是電連接器到正常使用壽命時的失效模式，目的是要電連接器的選型方與使用方加強電連接器的壽命意識，防止不正確的使用、貯存造成“折壽”，以及及時更換防止過壽使用。

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作者單位 中國電子科技集團公司第七研究所 廣東省廣州市 510000

陳建建（1984-），男，電子科學與技術（固體電子）學士，元器件檢驗員，助理工程師。