電連接器耦合失效機(jī)理及可靠性研究

呂麗娜

摘要：電連接器應(yīng)用過(guò)程中如果出現(xiàn)了耦合失效的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致連接器的應(yīng)用過(guò)程受到嚴(yán)重的影響，對(duì)生產(chǎn)工藝整體帶來(lái)負(fù)面影響，因而對(duì)其進(jìn)行研究至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：電連接器;耦合失效;可靠性研究

1前言

電連接器如果應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)耦合失效的話會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)工藝難以進(jìn)行，而這對(duì)生產(chǎn)過(guò)程整體來(lái)說(shuō)都是影響極大的，因而文章對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行針對(duì)性的研究，希望可以給有關(guān)從業(yè)人員以幫助。

2相關(guān)研究現(xiàn)狀

回顧電連接器可靠性研究的發(fā)展歷程，可追溯到上世紀(jì)50、60年代，國(guó)外像美國(guó)、蘇聯(lián)、日本、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展了電連接器的可靠性研究。尤其是美國(guó)通過(guò)系統(tǒng)地研究提出了一系列有關(guān)電連接器的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，如電連接器試驗(yàn)方法的軍用標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD-1344A），軍用電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)（MIL-HDBK-217F）等。20世紀(jì)80、90年代以來(lái)，針對(duì)電連接器可靠性問(wèn)題的研究主要圍繞其接觸件的電接觸失效展開(kāi)，研究者致力于電連接器接觸可靠性模型的研究，并以模型為基礎(chǔ)定量評(píng)估它們?cè)诓煌h(huán)境應(yīng)力下的失效機(jī)制。隨后歐美、日本等國(guó)家又開(kāi)展了電連接器可靠性加速試驗(yàn)研究，從失效機(jī)理層面研究了電連接器接觸電阻的變化所產(chǎn)生的影響。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，國(guó)外電連接器的可靠性水平已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，得到了很大提高。

3失效機(jī)理

電連接器是一種基礎(chǔ)的機(jī)電元件，主要用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸、控制及電子與電氣設(shè)備間的電連接，廣泛應(yīng)用在航空、航天、電子、通信等領(lǐng)域。電連接器可靠性水平的高低對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要的影響。電連接器的可靠接觸是靠接觸件插針與插孔間穩(wěn)定的接觸力實(shí)現(xiàn)的。插孔是彈性元件，在長(zhǎng)期受到接觸力和熱應(yīng)力的作用下，其彈性形變會(huì)不斷轉(zhuǎn)化為塑性形變，從而使接觸力降低，接觸電阻增大，接觸性能蛻化。因此，熱疲勞對(duì)電連接器可靠性的影響不容忽視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于溫度對(duì)電連接器可靠性的影響研究主要包括三個(gè)方面：仿真研究。Santosh等利用耦合多物理場(chǎng)模型和多尺度正弦粗糙表面（MARS）有限元分析模型分析了不同表面光潔度和不同材料的電連接器的結(jié)構(gòu)、電氣和熱性能口;Liao等研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在固定高溫條件下或一定時(shí)間周期后的熱循環(huán)過(guò)載條件下，CPU插槽連接器端子的接觸力仍然滿足相關(guān)的最低要求，且接觸力的變化與接觸電阻關(guān)聯(lián)度不高;Rebecca等用ABAQUS建模，研究了單個(gè)連接器接觸件在恒定溫度和熱循環(huán)條件下的微動(dòng)磨損機(jī)理。試驗(yàn)驗(yàn)證或評(píng)估，靳哲峰等分別研究了電連接器在恒定熱應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力及綜合應(yīng)力下的可靠性，建立了相應(yīng)的可靠性模型，并對(duì)不同工作環(huán)境下電連接器的失效機(jī)理進(jìn)行了分析;Lficke等對(duì)插入式連接器的接觸電阻和剩余彈簧力進(jìn)行測(cè)量，以此評(píng)估應(yīng)力松弛對(duì)鈹銅接觸片插人式連接器性能的影響;Essone—Obame等采用了一種非侵入式的激光技術(shù)觀測(cè)了同一連接器內(nèi)不同剛度彈簧的線性偏移并討論了熱循環(huán)條件下連接器老化與彈簧剛度間的依賴關(guān)系。材料性能蛻化機(jī)理研究。著名學(xué)者Duhame研究發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)材料失效的主要原因是材料內(nèi)部所受熱應(yīng)力不均勻，并推導(dǎo)了熱應(yīng)力計(jì)算公式，但并沒(méi)有將熱應(yīng)力與熱疲勞聯(lián)系在一起;Manson和Coffin相繼提出了著名的Coffin.Manson公式，指出材料的塑性變形對(duì)其疲勞壽命有很大的影響。我國(guó)學(xué)者也對(duì)一些金屬材料熱疲勞問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。但研究并未涉及工況下具體產(chǎn)品的性能蛻化。在實(shí)際使用環(huán)境條件中，不同形式的熱應(yīng)力如高溫、低溫及熱沖擊等引發(fā)的電連接器的失效模式各不相同。交變熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致連接器的插孔產(chǎn)生熱疲勞現(xiàn)象，從而影響其接觸可靠性，最終引發(fā)失效。本文主要通過(guò)熱疲勞試驗(yàn)來(lái)研究溫差及溫度變化率對(duì)航空電連接器性能蛻化的影響規(guī)律，并由微觀組織演變來(lái)分析其失效機(jī)理。

4可靠性研究

金屬材料宏觀性能的改變通常源于其微觀組織的變化。本文試圖從微觀組織構(gòu)成及演變的角度對(duì)熱疲勞試驗(yàn)后連接器性能蛻化機(jī)理進(jìn)行推理分析。本文所選的電連接器試品接觸件的材料是銅一鋅二元合金（即黃銅），隨鋅固溶于銅中含量的增加，固態(tài)下可以出現(xiàn)a、盧、y三種相。通常把a(bǔ)相區(qū)、“+盧相區(qū)和JB相區(qū)的合金分別稱為a黃銅、理+盧黃銅和口黃銅。本文研究的電連接器接觸件銅材是H59黃銅，屬于d+口黃銅，a相占比較大。a相是鋅在銅中的固溶體，屬于面心立方晶格結(jié)構(gòu);口相是以化合物CuZn為基的可變固溶體，為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，極易腐蝕，在明場(chǎng)下顏色較深、易變黃或變里。試品插孔存在兩種相（即兩種組織），其中淺色部分是a相，成卵石狀;黑色部分是口相。Ol相在JB相析出時(shí)首先在盧相的晶界大量出現(xiàn)，a相構(gòu)成的連續(xù)基體對(duì)材料的變形有促進(jìn)作用。由對(duì)比分析可知，隨著熱疲勞試驗(yàn)中溫差范圍或溫度變化率的增加，a相在JB相晶界析出現(xiàn)象更為明顯，插孔材料的晶粒尺寸也有所增大。由此可以推斷，熱疲勞試驗(yàn)后，插孔中晶粒尺寸增大，插孔的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性均會(huì)有所下降，即綜合力學(xué)性能下降;僅相中zn的析出也會(huì)使合金的強(qiáng)度降低，欒晶的產(chǎn)生也說(shuō)明插孔在經(jīng)受熱疲勞試驗(yàn)后已經(jīng)發(fā)生了塑性變形。由微觀組織演變機(jī)理可知，交變熱應(yīng)力作用下，超過(guò)接觸件材料的彈性極限后，晶體中生層片間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，即晶體的一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）相對(duì)于晶體的另一部分作相對(duì)移動(dòng)。大量的片層之間的滑動(dòng)積累就構(gòu)成了宏觀上的塑性變形"6。試驗(yàn)樣品插孔的滑移線掃描電鏡中可以看出，熱疲勞試驗(yàn)后，插孔的微觀組織出現(xiàn)了滑移：溫差范圍增加后，晶粒中滑移線密度明顯增大;相同溫差條件下，溫度變化率增加，滑移線密度明顯增大，而且滑移方向增多，使滑移呈區(qū)域化趨勢(shì)較為明顯。由材料熱力學(xué)理論可知，溫度變化率增大導(dǎo)致了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加，并使許多位錯(cuò)源同時(shí)起作用，增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，導(dǎo)致滑移方向差異化程度增強(qiáng)，材料塑性變形減弱。

5結(jié)束語(yǔ)

電連接器在應(yīng)用的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的耦合失效問(wèn)題在生產(chǎn)工藝中有著極為嚴(yán)重的負(fù)面影響，因而需要深刻理解其失效的原理，針對(duì)性的采取措施。

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（作者單位：沈陽(yáng)興華航空電器有限責(zé)任公司）