汽車電連接器失效模式及失效機(jī)理分析與研究

陳鵬，何帆

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215129）

0 引言

電連接器，也被稱為接插件、插頭或插座，即連接兩個(gè)有源器件的器件，用于傳輸電流或信號(hào)，在航空航天、汽車和電子等諸多行業(yè)中都有大量的應(yīng)用，具有十分重要的作用。隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子系統(tǒng)在整車中已經(jīng)具備了不可替代的作用[1]，一輛汽車當(dāng)中可能存在幾千個(gè)信號(hào)的連接，并且都是經(jīng)由電連接器來實(shí)現(xiàn)的。而電連接器需要確保在汽車面臨各類惡劣環(huán)境下依舊能夠完成相應(yīng)的功能，其環(huán)境適應(yīng)性及可靠性會(huì)直接影響到整車的安全性。因此，本文對(duì)電連接器的失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 汽車連接器的失效機(jī)理分析

連接器在電器產(chǎn)品中的應(yīng)用十分普遍，在我們的生產(chǎn)生活中也隨處可見，由于電連接器的大量廣泛使用，也使人們開始關(guān)注電連接器的失效形式，并致力于找到一種合適的方式來提升電連接器的使用可靠性，根據(jù)具體的使用實(shí)踐結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，電連接器的失效分為接觸失效、絕緣失效、機(jī)械連接失效和其他失效[2]4種類型。通過對(duì)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)中的電連接器失效形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納了不同失效模式的占比，具體的結(jié)果如圖1所示。

圖1 各種失效模式的占比

1.1 接觸失效

從圖1中可知，在所有的失效形式中，接觸失效的占比最高，幾乎達(dá)到一半左右。因此，若要提升電連接器在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性，需要重點(diǎn)研究電連接器的接觸失效問題；對(duì)電連接器的構(gòu)造和使用原理、場(chǎng)合進(jìn)行分析可知，電連接器的接觸失效的表現(xiàn)形式包含接觸電阻的增大和接觸對(duì)的瞬斷兩種形式。

相互接觸是連接器實(shí)現(xiàn)電傳導(dǎo)的途徑，判定汽車連接器性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一是連接器的接觸電阻是否穩(wěn)定。汽車連接器在使用過程中的接觸電阻分為電流畸變所產(chǎn)生的收縮電阻和接觸氧化物污染所產(chǎn)生的膜層電阻兩大類。接觸面即使外觀上看起來非常光滑，但從微觀角度來看都是粗糙不平的，接觸件之間的相互接觸是由接觸凸起所組成的，并非面接觸，因此接觸器的實(shí)際接觸面積要遠(yuǎn)小于理論接觸面積，不足1%，接觸部分的放大圖形如圖2所示[3]。

圖2 接觸部分的放大圖形

在電連接器的金屬表面可能會(huì)有一層由于金屬氧化等導(dǎo)致的污染物并在表面上覆蓋的膜層，在金屬片接觸點(diǎn)等位置也同樣存在膜層；當(dāng)膜層在外力或電壓擊穿的作用下會(huì)使金屬之間發(fā)生直接接觸，實(shí)際的電流則通過這些接觸點(diǎn)發(fā)生導(dǎo)通。由此可知，當(dāng)電流通過接觸界面時(shí)可能會(huì)使其在導(dǎo)電斑點(diǎn)附近產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，如圖3所示；這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)附近產(chǎn)生附加電阻，附加電阻也被稱之為收縮電阻[4]。

圖3 導(dǎo)電斑點(diǎn)附近的電流發(fā)生收縮現(xiàn)象

若導(dǎo)電斑點(diǎn)處含有膜層，則此時(shí)還會(huì)產(chǎn)生其他的附加電阻，這類電阻被稱之為膜層電阻，從電路原理層面分析可知該電阻和收縮電阻之間為相互串聯(lián)的關(guān)系。在電連接器的實(shí)際應(yīng)用過程中可以通過接觸電阻來對(duì)其接觸狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

接觸電阻受材料、膜層和具體的結(jié)構(gòu)形式等多種因素的影響，當(dāng)電連接器在使用過程中發(fā)生失效時(shí)，可從這些因素層面分析其具體的失效類型和原因。具體而言，首先，接觸壓力的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致接觸不良，進(jìn)而使得電連接器在使用的過程中發(fā)生瞬斷。在外界振動(dòng)或沖擊力作用下，當(dāng)外力作用在接觸對(duì)彈性簧片上且外力和簧片壓力相反時(shí)，簧片會(huì)產(chǎn)生彈性變形進(jìn)而導(dǎo)致接觸不穩(wěn)定，當(dāng)彈性變形量較大時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生瞬斷，當(dāng)彈性元件在變形時(shí)受反作用力的影響會(huì)使簧片出現(xiàn)不能復(fù)原的變形；此外，溫度也是導(dǎo)致連接器接觸不良的重要原因之一。其次，在電連接器金屬接觸表面之間產(chǎn)生的氧化膜也是導(dǎo)致接觸失效的重要原因。通常而言，連接器的基層材料為銅，在潮濕環(huán)境中銅的表面將會(huì)產(chǎn)生一層致密氧化膜，銅的氧化膜導(dǎo)電性較差，因此氧化膜覆蓋在接觸表面將會(huì)影響接觸對(duì)的導(dǎo)電性。為了對(duì)此進(jìn)行改善，通常需要在接觸表面上鍍上其他金屬，以提升接觸對(duì)的導(dǎo)電性。另外，在電連接器插拔過程中將會(huì)使接觸對(duì)之間發(fā)生干摩擦，此時(shí)表面鍍層可能被磨掉，最終使底層金屬被空氣氧化，導(dǎo)致接觸不良或失效[4]。

綜上，在外界激振力作用下電連接器可能會(huì)發(fā)生瞬斷現(xiàn)象；此外，在不斷插拔的過程中也會(huì)使接觸對(duì)之間發(fā)生磨損，最終使鍍層被破壞，在金屬氧化物的覆蓋下導(dǎo)致接觸不良，最終造成電連接器失效。

1.2 絕緣失效

根據(jù)圖1所歸納的失效形式可知，絕緣失效是導(dǎo)致連接器在實(shí)際的應(yīng)用中失效的次要原因，當(dāng)電連接器發(fā)生絕緣失效時(shí)會(huì)使連接器之間的各個(gè)接觸對(duì)功能相互影響，難以保持原來的相互獨(dú)立工作狀態(tài)，因此可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤甚至短路等后果。

從電連接器的絕緣失效產(chǎn)生原因及結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行分析可知，導(dǎo)致絕緣失效的主要因素是材料選擇不合理所致，當(dāng)電連接器在潮濕環(huán)境下長時(shí)間工作時(shí)，若選擇的電連接器材料具有一定的吸水功能，則環(huán)境中的水分子會(huì)不斷地與連接器的絕緣材料發(fā)生作用，長期下去必然會(huì)降低材料的絕緣效果；從結(jié)構(gòu)層面上而言，若電連接器的各個(gè)接觸對(duì)之間沒有保持設(shè)定的安全距離，則在特殊工況下可能導(dǎo)致兩個(gè)接觸對(duì)之間的空氣發(fā)生導(dǎo)通，繼而使絕緣失效；在安裝絕緣板時(shí)，若安裝環(huán)境較為惡劣，則可能會(huì)導(dǎo)致有金屬碎屑附著到絕緣表面上，繼而導(dǎo)致絕緣失效；除此之外，在連接器使用的過程中可能會(huì)受到不同形式的污染和破壞，這些不可控的因素也是引起電連接器絕緣失效的重要原因之一[5]。

1.3 機(jī)械失效

評(píng)價(jià)汽車連接器機(jī)械性能的另一個(gè)重要指標(biāo)為機(jī)械壽命，該指標(biāo)所反映的是設(shè)備的耐用性，即連接器的插拔次數(shù)，當(dāng)連接器插入或拔出時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致磨損，進(jìn)而影響接觸電阻，當(dāng)機(jī)械壽命達(dá)到一定程度時(shí)還可能在外力的作用下出現(xiàn)基體斷裂等，最終影響連接器的機(jī)械性能。因此，通常而言需要將汽車連接器的插拔次數(shù)控制在500～1 000左右。在交變載荷或沖擊下，連接器可能會(huì)發(fā)生瞬間斷開，因此，就具體的工程應(yīng)用而言，需要保證連接器具有良好的抗沖擊載荷性能。導(dǎo)致電連接器出現(xiàn)機(jī)械失效的主要原因包含結(jié)構(gòu)問題和工藝質(zhì)量問題等，例如:在電連接器使用的過程中可能會(huì)使連接器插座頭之間發(fā)生摩擦，長期受摩擦作用將會(huì)導(dǎo)致連接器的結(jié)構(gòu)卡死；在電連接器的使用過程中若出現(xiàn)緊固力過大則也有可能導(dǎo)致連接器變形等形式的機(jī)械失效。除此之外，操作不當(dāng)和沒有按照正確方式插拔也是導(dǎo)致機(jī)械失效的重要原因。

1.4 其他失效

其他失效包含由于操作人員誤操作或其他不確定因素而導(dǎo)致的失效。

對(duì)電連接器的失效形式進(jìn)行總結(jié)可知，其失效主要表現(xiàn)為接觸失效和接觸對(duì)之間的接觸不良，而導(dǎo)致這些現(xiàn)象的主要原因?yàn)闇囟群驼駝?dòng)。

由此可知，對(duì)電連接器失效原因進(jìn)行分析，并找到相應(yīng)的方法予以應(yīng)對(duì)是減少電連接器失效，提升連接器在使用過程中的可靠性和壽命的重要手段。具體而言，首先，在電連接器設(shè)計(jì)階段，要對(duì)電連接器的材料進(jìn)行選擇，保證電連接器插件具有良好的彈性和耐磨性，防止鍍層被破壞；其次，在電連接器儲(chǔ)存的過程中要保證環(huán)境干燥且溫度在規(guī)定的范圍之內(nèi)，防止插件表面被污染；最后，在搬運(yùn)和裝配的過程中要減少外力作用對(duì)連接器的影響[4]。

2 溫度和振動(dòng)應(yīng)力作用下電連接器的接觸失效機(jī)理

連接器失效與環(huán)境應(yīng)力之間的關(guān)系如圖4所示，從圖4中可以看出，溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力是導(dǎo)致電連接器失效的主要因素，當(dāng)電連接器在溫度和振動(dòng)應(yīng)力作用下時(shí)其接觸電阻會(huì)發(fā)生變化，具體的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5中可以看出，電連接器在剛開始進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)接觸電阻會(huì)有所上升，但是上升的值較??；當(dāng)電連接器工作一段時(shí)間以后，接觸電阻幾乎保持不變；但當(dāng)電連接器再工作一段時(shí)間之后，接觸電阻會(huì)突然上升，直到電連接器發(fā)生失效。因此，溫度和振動(dòng)應(yīng)力對(duì)接觸電阻的影響呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。其主要原因是在溫度應(yīng)力的作用下材料發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，在振動(dòng)應(yīng)力的作用下接觸材料產(chǎn)生微動(dòng)磨損，當(dāng)處于振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，連接器針孔在外力作用下會(huì)偏離預(yù)期位置而產(chǎn)生微動(dòng)[6]。

圖4 連接器失效與環(huán)境應(yīng)力關(guān)系圖

圖5 接觸電阻變化規(guī)律

在溫度和振動(dòng)應(yīng)力的雙重作用下，電連接器接觸件之間會(huì)發(fā)生微動(dòng)，導(dǎo)電斑由于位移使金屬暴露在空氣中，繼而被氧化。不僅如此，在振動(dòng)應(yīng)力的作用下接觸面表面的膜層被破壞，最終使底層金屬材料被空氣氧化；氧化膜在插拔的作用下會(huì)產(chǎn)生碎片，碎片的存在又反過來加劇了膜層的磨損；當(dāng)膜層碎片過多時(shí)會(huì)導(dǎo)致接觸電阻劇增，進(jìn)而導(dǎo)致電連接器發(fā)生接觸失效。

3 汽車電連接器的典型失效物理模型

3.1 阿倫尼斯（Arrhenius）模型

產(chǎn)品的性能偏離預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)直到出現(xiàn)失效，是由于構(gòu)成產(chǎn)品的材料性能發(fā)生變化所致，這種變化使器件的工作特性也隨之發(fā)生了變化，其結(jié)果就是反應(yīng)不斷積累直至到達(dá)一定狀態(tài)時(shí)就會(huì)使得產(chǎn)品喪失全部預(yù)期功能，即發(fā)生失效[6]。

失效意味著產(chǎn)品不能發(fā)揮預(yù)期功能，即產(chǎn)品壽命終結(jié)，通過上文所述可知，構(gòu)成產(chǎn)品的材料反應(yīng)速度和失效壽命之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

1889年，阿倫尼斯（Ahrrenins）在研究溫度對(duì)酸催化蔗糖水解轉(zhuǎn)化反應(yīng)的基礎(chǔ)上總結(jié)出:某產(chǎn)品性能退化速率與激活能的指數(shù)成反比，與溫度倒數(shù)的指數(shù)成反比。

阿倫尼斯公式為:

式（1）中:C0——比例常數(shù)；

M——產(chǎn)品某性能特征值的退化量；

Ea——活化能，單位為eV；

k——波爾茲曼（Boltzmann）常數(shù)，k=8.617×10-5eV/k；

T——絕對(duì)溫度，單位為K，T（K）=T（℃）+273。

對(duì)上述公式進(jìn)行分析可知，產(chǎn)品退化速度同產(chǎn)品壽命之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；除此之外，產(chǎn)品的壽命越高，則R（t）越小。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，溫度每升高10℃，產(chǎn)品的實(shí)際壽命就會(huì)縮短1/3～1/2，這一由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所歸納的法則也被稱之為“10℃法則”[7]。

現(xiàn)可通過上述模型推導(dǎo)器件壽命L與溫度T之間的關(guān)系，假定器件在使用初始t0時(shí)刻的退化量為M0，t1時(shí)刻的退化量為M1，則在該時(shí)間段內(nèi)（t0時(shí)刻到t1時(shí)刻）累積退化量為:

計(jì)算得到:

令:

得:

設(shè)M的極限值為Mp，即M2到達(dá)Mp時(shí)會(huì)產(chǎn)生失效，則壽命L=tp-t0，有:

或:

或:

式（8）-（9）中:C——待定系數(shù)。

式（9）可說明器件的壽命L和溫度T的倒數(shù)呈線性關(guān)系。

激活能是化學(xué)中的術(shù)語，所反映的是晶體中晶格點(diǎn)陣上的原子運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)陣或間隙位置時(shí)所需的能量。除此之外，激活能也可用來反映溫度應(yīng)力和期間壽命之間的相關(guān)性。就產(chǎn)品自身而言，產(chǎn)品從未失效轉(zhuǎn)向失效時(shí)所存在的勢(shì)壘就是激活能。

一般來說，產(chǎn)品的激活能越小，則產(chǎn)品越容易發(fā)生失效；激活能越大，加速系數(shù)越大，則越容易出現(xiàn)加速失效。

阿倫尼斯在其著作中指出，溫度不是影響活化能的因素，即當(dāng)溫度變化時(shí)激活能不會(huì)隨之變化，在基于此規(guī)律的基礎(chǔ)上可完成壽命試驗(yàn)。從實(shí)際的應(yīng)用層面而言，當(dāng)工作溫度高于500 K時(shí)，激活能并非固定常數(shù)；就電子產(chǎn)品而言，溫度應(yīng)力通常低于500 K[7]。

3.2 艾林（Eyring）模型

阿倫尼斯在其所構(gòu)造的模型中僅考慮了溫度應(yīng)力的影響，而在產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用中通常存在多個(gè)應(yīng)力作用。例如:由環(huán)境條件所引起的電連接器失效百分比如圖6所示。根據(jù)圖6可知，溫度是導(dǎo)致電連接器失效的首要因素，而振動(dòng)是導(dǎo)致電連接器失效的次要因素，其他因素也不可忽視。艾林則在阿倫尼斯所提出的模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將環(huán)境條件對(duì)壽命的影響考慮進(jìn)來構(gòu)建了對(duì)應(yīng)模型[8]。

圖6 環(huán)境條件引起的失效數(shù)百分比

艾林模型中詳細(xì)地說明了電連接器壽命L和溫度T之間的相關(guān)性，具體如公式（10）所示:

式（10）中:L（T，Si）——在溫度應(yīng)力T和其他應(yīng)力Si作用下的壽命；

T——溫度；

Si——除溫度以外的其他應(yīng)力因子。

艾林模型常用于對(duì)加速應(yīng)力為溫度時(shí)的失效數(shù)據(jù)建模，由于艾林模型可以對(duì)溫度或電場(chǎng)等其他單應(yīng)力加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模，所以它比阿倫尼斯模型更具有普遍性，可以有效地應(yīng)用于多應(yīng)力加速試驗(yàn)。

3.3 逆冪律模型

在對(duì)電連接器進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)中將電應(yīng)力作為加速應(yīng)力較為常見，例如:通過加大電壓可使產(chǎn)品在預(yù)期壽命之前發(fā)生不同形式的失效[8]。加速壽命試驗(yàn)在物理上已被證實(shí)，產(chǎn)品的諸多特征和應(yīng)力之間存在下述關(guān)系:

式（11）中:ζ——某壽命特征；

A——正常數(shù)；

c——與激活能有關(guān)的正常數(shù)；

υ——應(yīng)力。

上述模型被稱之為逆冪律模型，該模型可表示某項(xiàng)產(chǎn)品的壽命特征為應(yīng)力的負(fù)次冪函數(shù)。若將上述關(guān)系式兩邊取對(duì)數(shù)，則可將該模型進(jìn)行線性化，如式（12）所示:

式（12）中:a=lnA，b=-c。

這兩個(gè)參數(shù)均待定，除此之外還滿足條件υ＞0。阿倫尼斯模型和上述模型均為應(yīng)用最普遍的加速模型，可將其線性化形式統(tǒng)一寫成下述形式:

式（13）中:ζ——某壽命特征；

φ（s）——應(yīng)力水平s的已知函數(shù)。

當(dāng)s代表絕對(duì)溫度時(shí)，則φ（s）=1/s；當(dāng)s代表電壓時(shí)，則φ（s）=lns。a和b均為待定參數(shù)，可從試驗(yàn)中獲取。

該模型在常用壽命分布中的應(yīng)用如下所述。

a）產(chǎn)品壽命服從exp（θ）分布時(shí)，加速模型為:

b）壽命服從威布爾分布W（m，η）時(shí)，以η為壽命特征，加速模型為:

c）壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布LN（u，σ2）時(shí)，加速模型為:

通過試驗(yàn)可獲取兩個(gè)未知參數(shù)，若記a與b的估計(jì)為a^與b^，則由加速模型lnζ=a^+b^φ（s）可對(duì)S0下的壽命特征ζ予以估計(jì)。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)地介紹了電連接器的主要失效模式，分析了失效產(chǎn)生的原因，找出了導(dǎo)致電連接器失效的主要因素；并總結(jié)出了電連接器的典型的失效物理模型，為后續(xù)開展加速壽命試驗(yàn)提供了依據(jù)。