探針電連接件的退化失效及壽命分析

鄒振東 李興圣 肖同軍 賈云飛 卞雷祥

摘要：從一款探針電連接器使用時的快速退化失效現(xiàn)象出發(fā)，提出了基于失效原因的可靠性建模方法。通過分析指出其失效原因是負(fù)載電流過大導(dǎo)致工作溫升過大，從而導(dǎo)致加速失效，仿真驗證時通過設(shè)置合理的仿真參數(shù)保證了仿真結(jié)果的可靠性。進(jìn)行了溫度應(yīng)力下的壽命建模，數(shù)據(jù)上結(jié)合了仿真給出的溫度-電流關(guān)系和使用時的壽命次數(shù)-電流關(guān)系。方法上采用了 Arrhenius溫度應(yīng)力退化模型和退化速率線性假定，綜合考慮了失效閾值的動態(tài)影響，給出了壽命次數(shù)-溫度模型，建模結(jié)果與實際壽命數(shù)據(jù)有著較好的擬合效果，并利用模型給出探針使用和改良指導(dǎo)。該過程與一般的基于加速退化實驗的建模方法比較，數(shù)據(jù)依賴度小，可行度高，可為工程人員提供一種實用的連接器失效分析方法。

關(guān)鍵詞：電連接件;失效分析;有限元仿真;壽命建模

中圖分類號：TM56???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0029-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Degradation Failure and Life Analysis of Probe Electrical Connector

Zou Zhendong1，Li Xingsheng2，Xiao Tongjun2，Jia Yunfei1，Bian Leixiang1

（1. School of Mechanics， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China;

2. Xili ZTE Industrial Park， ZTE， Shenzhen， Guangdong 518000， China）

Abstract： A reliability modeling method based on the failure reason was proposed according to the fast degradation failure phenomenon of a probe electrical connector. It was pointed out that the failure reason was that the load current was too high and made the temperature rise too high， which led to the acceleration failure. The reliability of the simulation results was ensured by setting reasonable simulation parameters. The life modeling under temperature stress was carried out， and the temperature current relationship given by simulation and the life times current relationship in use were combined in the data. The Arrhenius temperature stress degradation model and the linear assumption of degradation rate were adopted in the method， and the dynamic effect of failure threshold was taken into account. The model was used to guide the use and improvement of the probe. Compared with the general modeling method based on accelerated degradation experiment， the process had less data dependence and higher feasibility， which could provide a practical connector failure analysis method for engineers.

Key words： electrical connector; failure analysis; finite element simulation; life modeling

0 引言

電連接器是電力器件中的基礎(chǔ)元件，主要用來完成信號的運輸，導(dǎo)通。電連接的失效并不少見，據(jù)統(tǒng)計，電子系統(tǒng)中40%的故障都是由電連接器的失效造成的[1]，因此，分析連接器的失效形式并進(jìn)行壽命預(yù)測是十分重要的。

本文基于一種探針電連接器過快失效的現(xiàn)象，進(jìn)行了失效分析和壽命建模兩部分的工作。針對連接器的失效，楊奮為[2]指出研究過程應(yīng)分為原因分析，故障假設(shè)和最終判定等過程。而在分析與判定過程中，有限元分析可直觀揭示出其結(jié)構(gòu)或載荷不合理之處，降低分析難度。如白永恩等[3]利用有限元分析實現(xiàn)了連接件的疲勞分析和優(yōu)化。程毅等[4]通過有限元法揭示了鏈輪軸的失效問題。本文也同樣采用了有限元方法揭示失效原因，并通過合理的仿真參數(shù)設(shè)置確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在獲得失效原因后，進(jìn)行連接器的可靠性指標(biāo)建模，郭婧宜等[5]對連接器的建模過程進(jìn)行了綜述，指出建模過程一般分為加速實驗，數(shù)據(jù)處理和指標(biāo)建模等部分?？紤]到進(jìn)行加速實驗要求較高，本文利用了加速退化速率模型和線性過程假定代替實驗過程，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，推導(dǎo)獲得了數(shù)據(jù)依賴度較小的平均使用壽命次數(shù)—溫度模型，擬合效果較好。整個分析過程可行性高，提供了一種實用的連接器失效分析建模方法。

1 探針連接器失效分析

1.1 探針失效類型分析

該探針是一種 Pogo—pin彈簧針，用于一套測試設(shè)備的連接，每次測試時間恒定，按照額定壽命換算，其使用次數(shù)在12000次左右，但是實際使用幾千次后就導(dǎo)致了測試設(shè)備輸出失真，即探針發(fā)生失效。失效探針實物如圖1所示。

根據(jù)工廠所統(tǒng)計的使用壽命經(jīng)驗值，不同電流負(fù)載下的壽命次數(shù)平均值如表1所示。

探針失效形式主要分為電接觸失效、絕緣失效和機(jī)械失效[6]。本探針未發(fā)生絕緣效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)破壞，所以屬于電接觸失效。其針桿與針套發(fā)生摩擦接觸的部分明顯變黑，可確定是由表面氧化導(dǎo)致的電阻增值過程，樣品的電阻測試結(jié)果表明，未使用探針的電阻在1 mΩ左右，失效連接件的整體電阻普遍增大，變化幅度在30%到100%不等。

電連接器的失效往往由多種原因混合作用導(dǎo)致，包括溫度、濕度、振動、塵埃[7]等等，但是分析時并不需要考慮所有因素，因為在正常工況下的使用失效是滿足壽命要求的，而加速退化失效往往是由某個因素過大導(dǎo)致的，本探針使用時的環(huán)境濕度、振動等因素都在合理范圍內(nèi)，而工作電流較高，可判斷其加速失效原因是工作溫升較大導(dǎo)致的快速氧化失效。

1.2 探針工況有限元仿真

為了驗證探針失效原因，通過仿真測試頂針工作時的溫度，仿真過程如下。

基于連接件的具體形狀，測量后建立三維模型，導(dǎo)入 Workebench 平臺，使用金屬板作為探針觸點接觸對象，探針預(yù)先壓縮1 cm ，作為穩(wěn)態(tài)連接時的接觸模型。建立觸點接觸對和彈簧與內(nèi)壁的接觸對，接觸類型為 bonded。

進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于小體積結(jié)構(gòu)的仿真精度與網(wǎng)格密度相關(guān)[8]，對接觸對和針尖等進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，器件共劃分成84073個單元，213943個節(jié)點。如圖2所示。

接下來是施加約束條件，在端面施加電流載荷，耦合接觸面電勢，仿真結(jié)果的可靠性主要依賴于換熱邊界條件的確立。熱平衡伴隨著熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式，其穩(wěn)態(tài)熱平衡方程如下：

式中： Qw 為電生熱功率;λ為熱導(dǎo)率; he 為對流換熱系數(shù);σ為史蒂芬—玻爾茲曼常數(shù);ε為材料相對黑體的輻射率; T1為壁面溫度;T0為空氣溫度;A1和AS 為導(dǎo)熱和換熱面積;仿真時可設(shè)置接觸處熱導(dǎo)率λ為材料熱導(dǎo)率。

對流換熱系數(shù)取值與多種因素有關(guān)，可采用以下經(jīng)驗式計算[9]：

輻射換熱可作如下變換[10]：

總換熱系數(shù)可表示為：

仿真時可建立換熱系數(shù)隨溫度的表向量，并在施加對流換熱邊界條件時調(diào)用。

施加電流負(fù)載，15 A 下頂針工作電勢分布如圖3所示。 15 A 下的電壓降為0.0148 V ，電阻為0.98 mΩ，符合實際情況。

施加負(fù)載范圍為10～40 A ，獲取不同負(fù)載下的溫升數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果表明，探針整體溫升分布較為均勻，其在不同負(fù)載下的平均溫升如圖4所示。對于連接器的溫升問題，技術(shù)人員早就注意到其影響，高溫下工作的器件其材料性能，電氣性能以及退化速率都會發(fā)生明顯變化。接觸件材料具有正溫度系數(shù)，溫度升高時其電阻率會增大，導(dǎo)致電阻增大。同時高溫下其材料表面彈性模量降低，材料變軟，而探針材料工藝采用的是以黃銅為基體，先鍍一層較厚的鎳，再鍍一層較薄的金，工作時伴隨著表層金變軟產(chǎn)生更多的摩擦損耗，漏出鍍鎳層或基體銅，在空氣中氧化，并在表面產(chǎn)生堆疊，氧化物導(dǎo)電性差，也因此導(dǎo)致整體電阻的增大，進(jìn)而引起失效。國標(biāo) IEC61984規(guī)定了各類材料的電連接器的允許溫升一般為70～120℃，而該器件的溫升在20 A 之后都明顯過大，可確定高溫導(dǎo)致了退化失效的加速。

應(yīng)用冪函數(shù)模型來擬合初態(tài)工作溫度和電流的關(guān)系，擬合工具采用 Matlab的 Cftool ，結(jié)果如下：

確定系數(shù) R-square為0.9991，擬合結(jié)果較好。

2 加速退化模型

2.1 Arrhenius模型

針對溫度應(yīng)力下的器件加速失效過程，可采用 Arrhenius模型[11]來描述其反應(yīng)速率與溫度應(yīng)力的關(guān)系。其表達(dá)式如下：

式中： V 為溫度應(yīng)力下的退化速率; T 為溫度應(yīng)力水平; A 為常數(shù);Ea 為材料相關(guān)的激活能;k 為玻爾茲曼常數(shù)。

2.2 IPL模型

IPL （逆冪率）模型是與 Arrhenius 模型類似的常用模型，主要用于電壓擊穿，機(jī)械疲勞等場景下的退化過程。

式中：A 為常數(shù);m 為與激活能有關(guān)的數(shù)。

2.3 綜合應(yīng)力加速模型

廣義 Eyring模型[12]可用來衡量兩種不同應(yīng)力作用時的退化速率和加速應(yīng)力的關(guān)系：

式中： T、V為表征兩種加速應(yīng)力水平的大小。

由于該探針使用時只受到溫度加速應(yīng)力的影響，所以采用 Arrhenius模型衡量其退化失效的速率。

3 壽命—溫度模型

3.1 失效閾值分析

本探針退化失效的結(jié)果是結(jié)構(gòu)電阻的增大，屬于軟失效過程，而衡量失效的依據(jù)是測試設(shè)備的輸出電壓波形出現(xiàn)一定程度的失真。本探針中的失效量為結(jié)構(gòu)上的附加接觸電阻，附加電阻作為電路上的參數(shù)，經(jīng)過電路上一系列轉(zhuǎn)化。放大過程最后導(dǎo)致輸出失真。而在通以不同的電流負(fù)載時，同一探針?biāo)a(chǎn)生的影響程度往往不同，生產(chǎn)測試時，在大電流下無法應(yīng)用的探針往往在小電流負(fù)載下仍可以正常使用，失效探針測量時的電阻波動性也證明了這一點。所以需針對不同的電流負(fù)載情況，對失效閾值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。考慮該探針?biāo)鶓?yīng)用的設(shè)備為電壓輸出，以探針壓降作為恒定參考值，即電流負(fù)載較大時電阻閾值較小，負(fù)載較小時閾值較大。兩者應(yīng)成反比關(guān)系。即： H = S/I 。

結(jié)合仿真擬合公式（5），閾值 H 與初始溫度的關(guān)系為：

3.2 退化速率分析

根據(jù) Arrhenius模型，退化速率是溫度的函數(shù)。在退化過程中，隨著整體電阻的增大，探針工作溫度也在增加，所以退化反應(yīng)速率也在增加。假設(shè)探針使用接近失效時的溫度與初始溫度的關(guān)系為：

則最高退化速率為：

將退化速率的變化視為線性過程。則平均速率可表示為：

式中：前后兩項分別為最小和最大退化速率。

3.3 建模

建模流程如圖5所示。

假設(shè)探針一次工作時間為 t ，使用次數(shù)為φ，則壽命次數(shù)表示如下：

結(jié)合式（7） 和式（8），整合式中參數(shù)，總的壽命次數(shù)與溫度應(yīng)力關(guān)系可表示為：

利用表1中的壽命次數(shù)平均值作為壽命期望值，電流自變量變換為仿真結(jié)果中對應(yīng)的溫度值，利用 cftool進(jìn)行多次擬合，取最佳擬合狀態(tài)。可得平均壽命次數(shù)與溫度應(yīng)力的關(guān)系為：

其擬合確定系數(shù) R-square為0.9688，顯示該模型與結(jié)果的退化規(guī)律適應(yīng)性較好。模型表明，使用壽命次數(shù)隨工作溫度的增加而減少，程度趨于平緩。溫度壽命曲線擬合如圖6所示

4 應(yīng)用分析

在對電連接器進(jìn)行失效分析之后，需要針對失效原因進(jìn)行改進(jìn)，措施主要有兩種，一種是減少引起加速退化的因素，其二是提高連接器的抗老化能力。如本探針中可考慮減小負(fù)載電流，若需求壽命為6000次以上，可將溫度控制在140℃以下，換算得負(fù)載電流不超過20 A。

若導(dǎo)致加速退化的因素本身是設(shè)備所要提供的功能，如設(shè)備工作時必須承受較高的應(yīng)力或較大的電流等，則需要對連接器進(jìn)行改進(jìn)，同類型連接器的退化規(guī)律大致相同，因此可考慮改變連接器的尺寸參數(shù)。該探針若想保證大電流下?lián)碛休^好的使用壽命，可通過增大結(jié)構(gòu)厚度來降低總電阻，從而降低工作溫度。通過仿真可快速揭示工作溫度和結(jié)構(gòu)厚度的關(guān)系，該探針30 A下使用溫度和結(jié)構(gòu)厚度的關(guān)系如圖7所示。

由仿真數(shù)據(jù)所揭示的關(guān)系可知，將溫度控制在70℃以下時可考慮將結(jié)構(gòu)厚度即探針的直徑增大至3.4 mm 以上。

5 結(jié)束語

本文主要分析了探針現(xiàn)象及原因，進(jìn)行了仿真驗證，在分析結(jié)論接觸上，建立了探針溫度應(yīng)力下的壽命模型，結(jié)論如下。

（1） 電連接器在正常機(jī)械應(yīng)力下工作時，電流過載產(chǎn)生較高溫升，容易導(dǎo)致存在摩擦接觸部位的器件加速退化失效。

（2） 利用壽命數(shù)據(jù)與退化速率模型，綜合考慮失效閾值與速率變化，擬合得到了參數(shù) b=4499、c=532、d=138的溫度-壽命次數(shù)模型。

（3） 基于失效原因，通過建立壽命與溫度應(yīng)力的關(guān)系模型可有效地指導(dǎo)探針的使用與改進(jìn)。

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作者簡介：

鄒振東（1996-），男，安徽廣德人，碩士研究生，研究領(lǐng)域為機(jī)械設(shè)計及仿真。

賈云飛（1977-），男，博士，副研究員，研究領(lǐng)域為嵌入式控制系統(tǒng)，已發(fā)表論文20多篇。

（編輯：王智圣）