電連接器的概述和研究現(xiàn)狀分析

李茜，李景育，陳星昊，李念林，佘祖新,3，王玲,3

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，萬寧 571522；3.環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

引言

電連接器是電子設(shè)備中重要的元器件之一，起著連接或斷開電路的作用，與人體的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)類似，主要起電信號(hào)傳輸控制和設(shè)備間的電氣連接作用[1]，被廣泛應(yīng)用于航天航空、艦載船舶、電子通信裝備、兵器裝備、汽車以及醫(yī)療等軍、民品行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。電連接器性能的好壞成為整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)顯示[2]，在各種電氣系統(tǒng)的失效和故障中，70 %的失效是由元器件引起的，其中由電連接器直接或間接導(dǎo)致的失效占40 %左右。然而應(yīng)用于我國海洋環(huán)境中的航空航天、艦載船舶等裝備通常受海洋主要環(huán)境因素溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射和誘發(fā)環(huán)境因素振動(dòng)等環(huán)境因素的影響較大，面臨的環(huán)境異常惡劣，長期處于該環(huán)境中裝備的電連接器容易出現(xiàn)各類復(fù)雜的問題，這就要求電連接器應(yīng)具有更好的耐環(huán)境性和可靠性。為了提升裝備中電連接器在我國海洋環(huán)境中服役的適應(yīng)性，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電連接器的基礎(chǔ)研究，本文根據(jù)電連接器目前的現(xiàn)狀介紹了電連接器的基本組成和分類方式，結(jié)合其基本結(jié)構(gòu)梳理了電連接器常見的典型失效模式及主要原因，由此簡略分析了我國電連接器的研究現(xiàn)狀，并針對(duì)性提出了合理的建議和展望。

1 電連接器的結(jié)構(gòu)及其作用

常用的電連接器一般由三大部分組成，主要包括：殼體、絕緣體和接觸體[3]，圖1給出了常用電連接器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電連接器結(jié)構(gòu)示意圖[4]

1.1 殼體

電連接器殼體主要由接觸體的外殼、連接螺帽和附件等組成，其中外殼內(nèi)部通常帶有鍵槽，在插合過程中起定位作用。我們?nèi)粘Ｋ姷碾娺B接器殼體材料一般有鋁合金、不銹鋼、復(fù)合材料鍍層以及鈦合金等，同時(shí)殼體材料一般均帶有不同的工藝，例如涂鍍層、陽極氧化、鈍化。常見的外殼工藝有鋁合金鍍軍綠鎘、鋁合金陽極氧化、不銹鋼鈍化、復(fù)合材料鍍鎳等，見圖2。電連接器殼體主要發(fā)揮兩項(xiàng)作用，一是盡可能保護(hù)電連接器的內(nèi)部零件如絕緣體、接觸體等不受外界氣候環(huán)境的腐蝕破壞，同時(shí)又能承受因外界誘發(fā)環(huán)境如振動(dòng)和沖擊等引起的損傷；二是為了實(shí)現(xiàn)電連接器良好的電磁屏蔽性和耐環(huán)境腐蝕的能力，因此電連接器殼體上一般帶有鍍層和材料處理工藝。

圖2 常見的電連接器殼體

1.2 絕緣體

由插針、插孔四周的絕緣材料、界面灌封材料、封線體等組成，絕緣體普遍使用塑料和橡膠等有機(jī)高分子材料組成，具有很大的電阻系數(shù)[5]。不僅可以對(duì)插針和插孔進(jìn)行定位、支撐以及防護(hù)，同時(shí)還起到了接觸體與殼體之間以及接觸體之間充分的隔離作用，保證了電連接器良好的絕緣和耐電壓等性能。

1.3 接觸體

插孔和插針均統(tǒng)稱為接觸體。兩者通過相互接觸實(shí)現(xiàn)電路連接。軍用電連接器的插針、插孔的基材多為銅合金，其表面經(jīng)過鍍鎳后再噴金，在實(shí)際應(yīng)用過程中鎳合金中間層可有效阻止基底銅合金與表面噴金層之間的擴(kuò)散，基底銅也可以起到良好導(dǎo)電的作用，接觸電阻相對(duì)較低[6]。表面噴金層在盡可能不影響接觸電阻的情況下，進(jìn)一步防止接觸體在使用環(huán)境中被腐蝕和氧化，以此提高電連接器的耐環(huán)境性能。研究表明，噴金層的孔隙率這一關(guān)鍵指標(biāo)，將直接關(guān)系到插針插孔的防護(hù)性能好壞，而插針插孔作為電連接器的關(guān)鍵組件，對(duì)整個(gè)電連接器發(fā)揮著決定性影響[7]。統(tǒng)計(jì)目前電連接器的應(yīng)用數(shù)據(jù)可知，圓柱形插針和圓筒形插孔的應(yīng)用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 圓形接觸體結(jié)構(gòu)圖

2 電連接器的典型分類方式

電連接器分類方式有很多種，常按外形、連接方式、工作頻率、接觸體端接形式、環(huán)境保護(hù)、用途等分為不同類型的電連接器，本文列舉了電連接器最為常見的兩種分類方式：

一是按電連接器的外形結(jié)構(gòu)，根據(jù)其橫截面分為兩種，即圓形電連接器和矩形電連接器。圓形連接器是目前用軍用電連接器中使用量最多的一種電連接器，該種電連接器也因材料便于加工、形成結(jié)構(gòu)牢固、適合各種規(guī)格的線纜、連接方便且快速，同時(shí)還可根據(jù)不同環(huán)境的嚴(yán)酷程度設(shè)計(jì)成需要的形式等諸多特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空、兵器裝備和電子裝備等各類軍用裝備。

二是按電連接器的連接方式來進(jìn)行分類，常見的電連接器的連接方式有螺紋、卡口、推拉式、卡鎖和直插式連接5種。其中較為常用的螺紋連接電連接器，具有連接可靠性高，適用于長期處于強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，然而在使用中也暴露出插合分離速度慢，連接不方便，在極端環(huán)境中多次使用后容易出現(xiàn)卡死和插合后難以分離的缺點(diǎn)?？谶B接電連接器因本身的連接環(huán)可實(shí)現(xiàn)120 °的大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，其插合分離較快速且方便，故又別名為快速分離電連接器。研究顯示，不同連接方式的電連接器其殼體的密封性有所差異，這將一定程度上影響電連接器在使用環(huán)境的中的可靠性和適應(yīng)性。

3 電連接器常見失效模式及其主要原因

電連接器常見的失效有多種模式，具體表現(xiàn)形式有接觸不良、信號(hào)瞬斷、絕緣耐壓降低、短路和斷路等。早在1964年美國某公司就通過應(yīng)力分析開展了電連接器的失效模式研究，國內(nèi)學(xué)者楊?yuàn)^為、陳文華和駱燕燕等人從上世紀(jì)開始專注于電連接器失效模式和失效原因的研究與分析，其中將電連接器的失效模式分為了接觸失效、絕緣失效、機(jī)械失效和其他失效[8]，實(shí)踐已表明通過加強(qiáng)對(duì)電連接器制造和安裝等方面的改善，可盡量減少電連接器使用中出現(xiàn)的絕緣失效和機(jī)械失效，統(tǒng)計(jì)電連接器的各種失效模式占比見圖4。

圖4 電連接器失效類型及其占比

3.1 接觸失效

接觸失效是電連接器的主要失效模式，通常表現(xiàn)為通電工作過程中的接觸瞬斷、電氣性能中接觸電阻增大、插針和插孔的導(dǎo)通性變差等形式。根據(jù)李曉媛、劉向禹和陳文華[8,9]的研究，引起接觸失效的原因主要可歸結(jié)為一是接觸體之間的接觸壓力不足產(chǎn)生的接觸電阻增大，電連接器接觸電阻隨接觸壓力變化規(guī)律見圖5；二是振動(dòng)等因素引起的瞬間接觸不良，使得電連接器在電信號(hào)傳輸過程出現(xiàn)接觸瞬斷；三是接觸體表面的鍍層磨損或嚴(yán)重受力出現(xiàn)彎針效應(yīng)[10]等造成導(dǎo)通性變差；四是接觸體自身的材料結(jié)構(gòu)和性能以及接觸過程中的雜物和貯存使用環(huán)境等因素均會(huì)引起電連接器的接觸失效。

圖5 電連接器的電阻隨接觸壓力變化規(guī)律[11]

3.2 絕緣失效

絕緣失效出現(xiàn)的頻率僅次于接觸失效，絕緣失效主要為短路、漏電、擊穿和絕緣耐壓性能的降低，其中絕緣電阻的降低具體為電連接器同側(cè)接觸件之間的絕緣電阻或任意接觸件與金屬殼體之間的絕緣電阻。相關(guān)研究[8,9]均表明絕緣體表面附著的灰塵和雜質(zhì)、絕緣材料（塑料或橡膠等）受潮濕環(huán)境和溫度沖擊影響出現(xiàn)吸濕、長霉、老化這些現(xiàn)象，皆有可能引起電連接器的出現(xiàn)絕緣不良。

3.3 機(jī)械失效

電連接器出現(xiàn)機(jī)械失效的占比略低于絕緣失效，把電連接器因殼體損壞、配合尺寸超差、固定不良等引起連鎖反應(yīng)統(tǒng)稱為機(jī)械失效。殼體插頭插座的螺紋連接卡緊卡死、連接螺紋損傷、殼體腐蝕引起的鍍層脫落、定位鎖緊部位的幾何形狀和尺寸發(fā)生變化、絕緣材料差的機(jī)械強(qiáng)度造成電連接器解體以及不合格固定造成插針插孔的非正常分離等現(xiàn)象均為機(jī)械失效。

3.4 其他失效

其他失效主要是人為誤用和其它原因引起的失效。例如人為操作不合理定位鍵未找準(zhǔn)；硬行插入或誤插導(dǎo)致電連接器的插針損壞；操作不當(dāng)引起的電纜引線斷裂等。

4 電連接器的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)開展電連接器的研究主要以研究院/所和高校為主。研究集中于中國航天科技集團(tuán)九院八二五廠、上海航天技術(shù)研究院808所、北京航空綜合技術(shù)研究所301等研究所以及由北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、東北大學(xué)、海軍航空大學(xué)和浙江理工大學(xué)等組成的高校團(tuán)隊(duì)，并針對(duì)電連接器開展了基本結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、失效模式和失效機(jī)理、可靠性試驗(yàn)方法與驗(yàn)證、數(shù)據(jù)建模和仿真優(yōu)化、性能退化和貯存壽命、插拔和環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)等方面的研究。

電連接器的影響因素復(fù)雜，目前的研究也逐漸趨于多樣化。其中楊?yuàn)^為等人早在上世紀(jì)90年代就提出了航天電連接器常見的失效模式和機(jī)理分析；任國泰就電連接器的基本知識(shí)及相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)做了詳細(xì)闡述；陳文華及其學(xué)生錢萍等人[12-15]20多年的研究中不僅分析了綜合環(huán)境應(yīng)力和插拔對(duì)電連接器接觸性能和貯存壽命的影響，而且針對(duì)電連接器的性能退化建立了電接觸模型和接觸壽命模型，同時(shí)還提出了電連接器加速模擬試驗(yàn)方案和壽命評(píng)估；任萬濱等人[16]研發(fā)了電連接器的綜合特性參數(shù)測試分析系統(tǒng)，并由此建立了插拔力和接觸電阻之間的模型；王東偉等人[17]針對(duì)電連接器的失效機(jī)理微動(dòng)磨損，從試驗(yàn)、影響因素、建模仿真等方面進(jìn)行了分析；郁大照等人[18]針對(duì)海軍飛機(jī)典型電連接器接觸件進(jìn)行有限元仿真，研究電連接器性能退化規(guī)律；王玲等人[19,20]分析了熱帶海洋大氣環(huán)境下電連接器的環(huán)境適應(yīng)性，不同殼體的耐腐蝕情況和電氣性能的影響分析。另一方面針對(duì)電連接器的試驗(yàn)方法，1991年國內(nèi)在參考和翻譯美軍標(biāo)MIL-STD-1334A的基礎(chǔ)上，形成并頒布了GJB 1217-91《電連接器試驗(yàn)方法》，隨后歷經(jīng)十多年，2009年修訂并形成了GJB 1217A版本，這也是我國軍用電連接器試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)之一。

圍繞環(huán)境應(yīng)力特別是綜合環(huán)境應(yīng)力引起的電連接器的失效問題一直研究的重點(diǎn)。美國Hughes 航空公司研究了電子產(chǎn)品失效與使用環(huán)境中各種環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系，見圖6。在各種環(huán)境應(yīng)力中，溫度和振動(dòng)所引起電子產(chǎn)品的失效分別達(dá)到了40 %和28 %左右，濕度引起的失效占18 %，溫度、濕度和振動(dòng)三種環(huán)境應(yīng)力引起的失效在所有失效因素中占主導(dǎo)，高達(dá)86 %[21]。與國外的研究結(jié)果相符，國內(nèi)電連接器的相關(guān)研究也表明，溫度和振動(dòng)對(duì)電連接器的影響最大[13,22,23]，針對(duì)溫度和振動(dòng)對(duì)電連接器的研究也最為廣泛和深入。環(huán)境應(yīng)力對(duì)電連接器殼體產(chǎn)生腐蝕破壞的同時(shí)亦會(huì)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)例如接觸體、絕緣材料等產(chǎn)生影響，使得電連接器的電氣性能接觸電阻和絕緣耐壓退化，在復(fù)雜的環(huán)境應(yīng)力作用下其環(huán)境適應(yīng)性降低，最終造成了電連接器的失效。

圖6 電子產(chǎn)品失效與環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系

5 總結(jié)與展望

綜上所述，我國對(duì)電連接器的研究雖取得了一定的研究成果，同時(shí)其研究也實(shí)現(xiàn)了延續(xù)性和擴(kuò)展性，但由于影響電連接器的因素非常復(fù)雜，后續(xù)需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電連接器的研究。提出了以下幾點(diǎn)展望，以期共勉。

1）受國外保密工作和國際關(guān)系以及自身研究限制的影響，為加強(qiáng)電連接器在服役環(huán)境中的可靠性和適應(yīng)性，在最大限度借鑒國外先進(jìn)水平和充分發(fā)揮國內(nèi)自主創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步提升電連接器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善材料和工藝。

2）目前國內(nèi)電連接器積累的研究數(shù)據(jù)依然相對(duì)較少，且多數(shù)停留在單因素應(yīng)力作用下的研究，為適應(yīng)電連接器多環(huán)境應(yīng)力的發(fā)展需求，應(yīng)盡可能開展電連接器多因素應(yīng)力綜合研究分析，豐富多應(yīng)力下電連接器的可靠性研究理論和方法。

3）電連接器的大氣自然環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)周期長且數(shù)據(jù)積累不易，鑒于目前開展電連接器環(huán)境適應(yīng)性的研究較少，為往后電連接器的失效研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，有必要將電連接器環(huán)境適應(yīng)性研究作為一項(xiàng)長期可持續(xù)的項(xiàng)目。