電連接器組件典型失效模式特征及原因

魏振偉 ， 劉昌奎,*

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)材料檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

0 引言

事實(shí)證明，只有認(rèn)真開展失效分析，發(fā)現(xiàn)各種失效模式和失效機(jī)理，才能采取各種預(yù)防失效的措施，及時排除各種質(zhì)量隱患，為改進(jìn)設(shè)計、工藝、檢驗(yàn)和使用提供科學(xué)依據(jù)[9]。

本文綜述了電連接器及其組件的典型失效模式、失效特征及常見失效原因，并在失效原因的基礎(chǔ)上提出針對性的改進(jìn)措施。同時，電連接器及其組件的失效分析也是制修訂電連接器技術(shù)條件的重要依據(jù)，對保證和提高電連接器及其組件的質(zhì)量和可靠性具有重要意義。

1 電連接器及其組件

電連接器由插座和插頭兩部分相連而成。插座與插頭的組成結(jié)構(gòu)基本相同，只是其中的插孔變?yōu)椴遽?。典型插頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體、插針（接觸體）、絕緣體以及引出電纜構(gòu)成。其中，插針和插孔的連接實(shí)現(xiàn)電連接器的連通，位于插針以及插孔尾端的電纜連通整個系統(tǒng)。一般電纜通過壓接或焊接等方式與插孔及插針尾端相連。同時，一個電連接器內(nèi)可能存在大量的插針、插孔及電纜。因此，電連接器內(nèi)部任何一個組件的失效都可能導(dǎo)致整個電路的失效，如電纜斷裂、插針斷裂、電纜短路、插針自身短路、插針與殼體短路、電燒蝕、電磨損等。

圖1 典型電連接器插座結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical electrical connector socket structure

2 典型失效模式及特征

根據(jù)電連接器最終表現(xiàn)出的失效現(xiàn)象，將電連接器的失效模式主要?dú)w結(jié)為斷路、短路、擊穿及參數(shù)漂移等。斷路是指為連接器組件進(jìn)行導(dǎo)通檢測時，回路電阻超過儀器的通斷電阻判定值。一般造成斷路的主要原因是組成電連接器的各個部件之間或部件本身發(fā)生接觸不良或斷裂。短路是指電連接器組件（線束）中不該導(dǎo)通的回路被導(dǎo)通的故障，是危及安全使用性能的致命失效。擊穿是指因組成連接器組件（線束）的連接器絕緣體或?qū)Ь€絕緣體內(nèi)有缺陷，在施加試驗(yàn)電壓后而產(chǎn)生擊穿放電或損壞的故障。擊穿放電表現(xiàn)為飛弧（表面放電）、火花放電（空氣放電）或擊穿（擊穿放電）現(xiàn)象。短路（擊穿）主要是由于異物的進(jìn)入或絕緣不良導(dǎo)致各個組件之間連通。而參數(shù)漂移主要是由于各部件之間或部件本身接觸不良或性能退化所致。下面對電連接器不同失效模式的失效特征及失效原因進(jìn)行具體描述。

2.1 電連接器的斷路失效

1）接觸體（插針）斷裂。

接觸體是電連接器中導(dǎo)電部分的核心零件，它將來自電連接器尾部所連電纜的電信號傳遞到與其相配的電連接器對應(yīng)接觸體上。接觸體的斷裂會導(dǎo)致電連接器斷路。

在這一點(diǎn)的探討上，筆者并不認(rèn)為應(yīng)放棄傳統(tǒng)技法學(xué)習(xí)，只是在教學(xué)時，應(yīng)更注重創(chuàng)作思維的培養(yǎng)，讓學(xué)生為了完成想法而去主動學(xué)習(xí)技術(shù)，這樣遠(yuǎn)比被動的技法訓(xùn)練，要有效而有意義得多。并且應(yīng)鼓勵學(xué)生大膽探索技法，不讓他們框定在傳統(tǒng)技術(shù)的語言、方式和材料的運(yùn)用上。西方當(dāng)代陶藝之所以發(fā)展迅速，也是因?yàn)樗麄冊趥鹘y(tǒng)技法的基礎(chǔ)上，尊重個體聲音，大膽探索實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

電連接器中振動試驗(yàn)完成后，檢查發(fā)現(xiàn)插針斷裂、有機(jī)硅填充物破碎。插針斷裂于有機(jī)硅填充物內(nèi)部，斷面平齊，未見塑性變形，高倍下可見疲勞條帶特征，斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂（圖2）；插針斷裂是由于有機(jī)硅填充物破碎導(dǎo)致插針承受振動應(yīng)力增大導(dǎo)致的。

圖2 插針疲勞斷裂形貌[5]Fig.2 Morphology of pin fatigue fracture[5]

飛機(jī)起落架艙門不能正常打開，經(jīng)分解后發(fā)現(xiàn)，終點(diǎn)電門機(jī)構(gòu)中電連接器接觸體在根部位置發(fā)生斷裂[5]。斷口平直，沒有剪切唇，沒有明顯的塑性變形，斷口表面呈暗褐色，部分位置可見銀灰色，斷口邊緣可見腐蝕凹坑以及沿晶特征，局部可見疲勞條帶（圖3）。電連接器接觸體在應(yīng)力腐蝕的作用下發(fā)生開裂，經(jīng)工作振動應(yīng)力作用，最終發(fā)生疲勞斷裂。鍍層未開裂位置存在沿晶裂紋（圖3e），表明插針制備過程中過酸洗導(dǎo)致的Cl殘留是導(dǎo)致其應(yīng)力腐蝕的直接原因。

圖3 接觸體應(yīng)力腐蝕開裂及疲勞斷裂特征Fig.3 Morphology of contact stress corrosion cracking and fatigue fracture

壓力信號器墨盒在進(jìn)行完振動試驗(yàn)后，第二個方向后插座插針發(fā)生斷裂，斷裂位置均位于插座的絕緣層處。局部表面鍍金層被磨損，斷口附近鍍金層保持完整。插針斷口平齊，未見有塑性變形，局部磨損嚴(yán)重。斷口明顯存在左右2個源區(qū)，且左右兩側(cè)擴(kuò)展區(qū)面積大致相同，高倍下可見類解理特征及疲勞條帶，且瞬斷區(qū)面積很?。▓D4）。插針和插座之間裝配不緊導(dǎo)致應(yīng)力增大是引起插針根部斷裂的主要原因。

圖4 接觸體雙向彎曲疲勞斷裂特征Fig.4 Morphology of bi-direction bending fatigue of contactor

2）引線/電纜斷裂。

無論任何形式的接觸件，總需要通過端接連接電纜將電信號聯(lián)通。航空電連接器常用的端接方式有焊接和壓接，電纜的斷裂或者脫出會導(dǎo)致電連接器的斷路失效。

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中被迫關(guān)車，測量綜調(diào)插頭阻值為斷路，分解發(fā)現(xiàn)插針焊接引線在焊杯根部斷裂。導(dǎo)線內(nèi)的所有線芯斷口周圍均未見明顯塑性變形，斷面顏色整體發(fā)暗，局部較亮，個別線芯表面可見明顯損傷，這些損傷應(yīng)為剝線時被剝線鉗卡扁或刮傷；高倍下觀察導(dǎo)線斷口可見磨損較重，大部分區(qū)域呈脆性斷裂特征（圖5）。導(dǎo)線的斷裂性質(zhì)為在振動應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞斷裂；導(dǎo)線斷裂與振動應(yīng)力及剝線時的表面損傷有關(guān)；焊接時間過長導(dǎo)致導(dǎo)線脆性增加。

圖5 焊接電纜疲勞斷裂Fig.5 Fatigue fracture of welding cable

插座電纜在濕熱環(huán)境例行試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)1處跨接導(dǎo)線焊點(diǎn)部位發(fā)生斷裂。斷口可見明顯的塑性變形，側(cè)表面可見清晰、嚴(yán)重的周向剝線損傷，導(dǎo)線沿剝線機(jī)械損傷處斷裂，高倍下可見扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的剪切韌窩（圖6）。導(dǎo)線沿剝線機(jī)械損傷處扭轉(zhuǎn)過載斷裂；線芯扭轉(zhuǎn)過載斷裂應(yīng)與焊接裝配過程中產(chǎn)生的異常扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及剝線損傷有關(guān)。

圖6 焊接電纜機(jī)械損傷及扭轉(zhuǎn)過載特征Fig.6 Mechanical damage and torsional overload of welding cable

發(fā)動機(jī)電纜信號出現(xiàn)故障，多次插拔檢查后信號恢復(fù)正常。交付使用后，在試飛中發(fā)生信號中斷，飛機(jī)降落后發(fā)現(xiàn)電纜用電連接器其中1根導(dǎo)線承受較大應(yīng)力過載斷裂，導(dǎo)線芯斷口處頸縮明顯，斷口為典型韌窩特征（圖7）。

圖7 壓接電纜過載斷裂特征Fig.7 Overload fracture of crimping cable

發(fā)動機(jī)被迫停車。地面檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)電纜分支1根電纜從插孔尾端斷裂。斷裂位置位于壓接孔內(nèi)部，不同線束的斷裂位置不同，斷口平齊，局部顯示為黑色；電纜側(cè)斷裂線束分散，斷口高低不同，部分線芯扭轉(zhuǎn)纏結(jié)，靠近斷口處線束表面可見磨損痕跡（表面鍍銀層消失，顯示出黃色銅基體），線芯斷口可見疲勞條帶和磨損痕跡（圖8）。由于電纜松散導(dǎo)致其在工作振動應(yīng)力下疲勞斷裂。

圖8 壓接電纜疲勞斷裂特征Fig.8 Fatigue fracture of crimping cable

2.2 電連接器的短路/擊穿失效

裝備選用自動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試后，發(fā)現(xiàn)分離插頭1枚供電插針頂端損傷[10]。受損插針顏色發(fā)暗，可見金屬堆積現(xiàn)象，比完好插針短1.9 mm。插針靠近頂端表面可見白亮色重熔層，其中局部可見典型鑄態(tài)枝晶組織，并包裹氣泡（圖9）。由于分離受到約束，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。

圖9 插針電擊穿特征Fig.9 Electrical breakdown of pin

3l芯圓形連接器組件（線束）耐壓要求l000 V、1 min 不擊穿，絕緣電阻要求大于 1000 MΩ。產(chǎn)品復(fù)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)有一圓形連接器插座的絕緣體第1與第2接觸件間絕緣電阻、耐壓均不合格[11]。絕緣電阻僅有20 MΩ，耐壓700 V即擊穿。解剖分析發(fā)現(xiàn)，絕緣體芯間有碳黑狀擊穿痕跡（圖10）。分析認(rèn)為，這是由于膠接絕緣體采用的灌封膠不潔，混有個別金屬多余物所致。

圖10 炭黑狀擊穿痕跡[11]Fig.10 Marks of carbon black breakdown[11]

衛(wèi)星部件在振動試驗(yàn)時信號不穩(wěn)定，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該部件中選用的玻璃燒結(jié)密封插座第28號接觸件與殼體間有短路現(xiàn)象[11]。經(jīng)故障解剖分析發(fā)現(xiàn)：有1條由鍍層起皮產(chǎn)生的金屬多余物搭接在插針與殼體間，由此造成短路（圖11）。

圖11 金屬多余物導(dǎo)致短路[11]Fig.11 Short cut due to metallic foreign material[11]

2.3 電連接器的功能參數(shù)漂移

功能參數(shù)漂移是指電性能參數(shù)發(fā)生改變，不符合設(shè)計要求。對于電連接器，其主要表現(xiàn)是接觸電阻增大。

機(jī)載設(shè)備進(jìn)行三向振動試驗(yàn)，在完成水平方向X軸與Z軸試驗(yàn)后，產(chǎn)品正常；在進(jìn)行垂直方向Y軸振動 2 h 18 min 后，產(chǎn)品出現(xiàn)故障，工作電流變小，接插件電阻增大。分解檢查發(fā)現(xiàn)接插件有明顯損傷，發(fā)黑掉渣，插針磨損變形、發(fā)黑（圖12）。如果單獨(dú)進(jìn)行不通電的振動試驗(yàn)，則不會產(chǎn)生黑色物質(zhì)。插針表面變黑是由于插針表面覆蓋有銅的氧化物；導(dǎo)致本次故障的根本原因是插針和插座內(nèi)的簧片發(fā)生了電磨損。因此接插件之間連接要穩(wěn)固，避免相互磨損。

圖12 電磨損特征Fig.12 Morphology of electrical wear

飛機(jī)試車過程中，發(fā)現(xiàn)3號交流發(fā)電機(jī)通道差動保護(hù)故障。經(jīng)現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)3號交流發(fā)電機(jī)A相輸出電纜穿墻插頭處燒蝕嚴(yán)重，電阻增大。分解檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部燒蝕較外部燒蝕嚴(yán)重，熱源發(fā)生在線芯內(nèi)部；導(dǎo)線直徑較大，但采用四點(diǎn)壓接導(dǎo)致接觸電阻增大，通電工作過程中發(fā)熱嚴(yán)重最終導(dǎo)致內(nèi)部燒蝕（圖13）。壓接方式不當(dāng)是導(dǎo)致故障的根本原因。

圖13 尾部附件及電纜燒蝕特征Fig.13 Ablation morphology of tail attachment and cable

2.4 電連接器附件損傷

電連接器殼體為伸出的接觸件提供精準(zhǔn)的對中和保護(hù)，同時也是把連接器固定到設(shè)備上的支架。尾部附件可作為連接器與電纜消除應(yīng)力的構(gòu)件，使電纜端接位置不易斷裂。

電連接器在性能試驗(yàn)后拆解時發(fā)現(xiàn)1處附件金屬斷裂。試驗(yàn)過程中附件承受導(dǎo)線懸垂的靜力。裂紋為T型裂紋，外表面可見受壓變形，斷口為脆性斷裂，同時可見大量疏松特征（圖14）。附件尾部一側(cè)受到異常擠壓應(yīng)力作用是導(dǎo)致附件金屬發(fā)生過載斷裂的直接原因，材料中大量疏松缺陷及脆性相降低其力學(xué)性能。

圖14 裂紋形態(tài)與斷口特征Fig.14 Morphology of cracks and fracture

電連接器后端通過壓線卡將熱縮膜固定，放置一段時間（約0.5 a），60件產(chǎn)品中有3件壓線卡發(fā)生斷裂[12]。源區(qū)可見腐蝕凹坑，斷口為沿晶斷裂（圖15）。壓線卡本身承受拉應(yīng)力，當(dāng)同時存在外來腐蝕作用后發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

圖15 壓線卡應(yīng)力腐蝕斷裂Fig.15 Stress corrosion cracking of line pressing card

電連接器裝機(jī)使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)電連接器保護(hù)蓋以及內(nèi)部插座鍍鎘層表面出現(xiàn)白色斑點(diǎn)（圖16）。白色斑點(diǎn)主要成分為乙酸鎘。造成腐蝕的主要原因?yàn)榧t色膠黏劑主要成分為丙烯酸乙二醇酯類物質(zhì)，在固化過程中釋放的有機(jī)氣氛，結(jié)合空氣中的氧、水分以及二氧化碳等，與鍍鎘層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。膠粘劑的使用要關(guān)注附件器件的成分和使用環(huán)境。

圖16 殼體表面白色腐蝕及紅色膠粘劑Fig.16 White corrosion and red adhesive of the shell surface

3 分析與討論

電連接器組件作為機(jī)電元件中失效率最高的零件，其失效模式主要為斷路、短路(擊穿)、電參數(shù)漂移等，但不論是哪種失效模式，均可以導(dǎo)致致命的系統(tǒng)性故障。但是僅僅確定其失效模式明顯是不夠的，因此，本文通過總結(jié)具有不同失效模式電連接器的失效特征、失效機(jī)理去分析其失效原因，為電連接器組件的設(shè)計、加工、試驗(yàn)及使用提供數(shù)據(jù)支撐，最終提高電連接器組件的可靠性。

1）電連接器組件斷路主要是由于接觸體和接觸體尾端電纜的斷裂，而導(dǎo)致接觸體斷裂的原因有接觸體材料缺陷、接觸體裝配等；導(dǎo)致電纜斷裂的主要原因?yàn)殡娎|剝線損傷、焊接工藝不當(dāng)致脆、線束松散、應(yīng)力過大等。針對組件斷裂問題，建議在電連接器制備過程中嚴(yán)格控制接觸體裝配、線纜剝線以及連接點(diǎn)焊接的工藝。

2）電連接器組件的短路（擊穿）主要是由于本該絕緣的2個零件距離過近或?qū)щ姸嘤辔锏倪M(jìn)入等所致。針對此問題，建議嚴(yán)格控制絕緣組件間隔距離、保證連接器清潔。

3）電連接器組件的電參數(shù)漂移主要是由于接觸體之間、接觸體尾端與壓接電纜之間接觸電阻過大所致，接觸體之間接觸電阻過大的原因是振動所致的電磨損、接觸壓力不足等，接觸體尾端與壓接電纜之間接觸電阻過大的原因是壓接方式不正確或壓力過小等。參數(shù)漂移故障的發(fā)生主要與連接處存在異常有關(guān)，建議在電連接器裝配和插接過程中，保證連接位置穩(wěn)固且不隨服役時間發(fā)生性能改變。

4）電連接器附件的失效雖然不會立即導(dǎo)致電連接器的失效，但是隨著服役時間延長，最終會影響電連接器內(nèi)部零件的性能從而導(dǎo)致電連接器的失效。針對電連接器附件的失效問題，要提高附件的關(guān)注度。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)電連接器組件部分典型失效模式、特征及原因，通過典型失效特征可以快速確定失效原因，而電連接器組件失效的根本原因有材料、設(shè)計、工藝、服役等。同時電連接器組件失效概率在電子元器件失效中所占比例較大，因此必須收集更多的失效案例，分析其失效特征及原因，并提出針對性的改進(jìn)措施，為使用電連接器產(chǎn)品的失效預(yù)防具有重要意義。