一種穿缸連接器振動的失效分析

韋維 劉傳奇 仵雁飛

關鍵詞：連接器；端子；振動；瞬斷

0引言

連接器是電子系統(tǒng)中信號傳輸的媒介，也是動力輸出的主要連接渠道。目前，連接器已經應用到電子產品、汽車工業(yè)和航空航天等領域，并發(fā)揮著不可替代的作用。

連接器在實際應用和運輸過程中受到多種環(huán)境因素的影響，其中影響連接器可靠性的關鍵因素是振動和環(huán)境溫度。在振動試驗中，當設備動圈的激勵頻率和樣品的固有頻率接近時，連接器會出現共振現象。在環(huán)境溫度、振動等因素的共同作用下，公母端子由于不同步會產生移動現象，進而發(fā)生微動磨損并出現間隙。當間隙增大到一定程度時，連接器的電阻急劇變大，從而出現瞬斷，造成產品失效。

本文對一種穿缸連接器分別在X、Y、Z三軸進行振動試驗，分析拆解的樣品和數據，驗證不同振動條件對其端子材料和端子彈片鍍層磨損程度的影響，從而可以準確地選擇滿足圖紙和標準要求的端子，同時通過提高連接端子線體的穩(wěn)定度，有效提升連接器的可靠性。

1穿缸連接器振動試驗

1.1試驗對象

穿缸連接器項目是科世達（上海）連接器制造有限公司年度重點開發(fā)項目，單款產品集成了6款連接器，年產值達3000佘萬元。本文的試驗產品集成連接器多，通道交叉連接，振動需要監(jiān)控的點多，試驗較復雜。

1.2連接器瞬斷判定

在振動試驗過程中，通過電阻設備進行量測，按照標準進行連接器瞬斷判定。若連接器端子電阻連續(xù)大于7，且持續(xù)時間大于1us時，則連接器振動試驗不合格。

1.3振動條件

正弦測試參數、隨機振動測試參數分別如表1、表2所示。同時進行正弦測試和隨機振動測試以及-40～140℃的溫度循環(huán)試驗。

1.4試驗失效

振動試驗中，監(jiān)控通道發(fā)生了50次的極限瞬斷現象（設備單個通道可以檢測到瞬斷次數的上限是50次）。經檢查確認，這個通道監(jiān)控試驗樣品是與母端M0.6和公端Splice互配的連接器（圖1）。表3是發(fā)生瞬斷的M0.6端子參數。結果表明，M0.6端子所在的連接器在振動試驗中發(fā)生異常，導致試驗不合格。

2試驗失效分析

2.1電阻量測

將樣品從振動夾具中取出，樣品外觀正常。分別量測樣品發(fā)生瞬斷的M0.6端子所在連接器的電阻，結果顯示試驗后通道電阻異常，異常連接器試驗前后電阻變化如表4所示。

2.2樣品拆解分析

將樣品拆解并分離出母端M0.6和公端Splice，發(fā)現公端Splice鍍層只是輕微磨損，電阻值滿足圖紙要求，因此排除公端Splice的異常。測量母端M0.6開口尺寸，上下彈片和左右彈片的直徑分別為405um和374um，明顯大于初始250um的均值。將M0.6端子拆解開，彈片的接觸點磨損嚴重，鍍層部分有嚴重的缺失（圖2）。

使用X射線膜厚儀測量接觸點的Sn厚度，結果顯示Sn鍍層絕大部分被磨掉（剩余0.1～0.3um），幾乎無殘留。

振動試驗失效可能有兩個方面的原因：一是M0.6端子彈片變形以及鍍層微動磨損；二是試驗產品是一款非密封連接器，因此連接端子的尾線未固定密封圈，無固定的尾線加劇了端子振動，導致其振幅過大而發(fā)生失效。

M0.6端子的彈片材料為CuSn8，是一種Sn含量為8%的錫青銅合金，錫青銅力學性能如表5所示。

為了滿足連接器彈片硬度的要求，通常會在銅中增加Sn的含量，材料硬度會隨著Sn含量的增加而急劇增加，但錫青銅導電性隨著Sn含量的增加而直線下降，這類材料通常應用于信號傳輸領域。采用CuSn8材料做成的彈片強度、彈性較高，具有優(yōu)良的冷加工性能、電鍍性能、熱浸鍍性能以及焊接性能，同時具有良好的耐磨性，且耐海水和工業(yè)氣氛腐蝕。當溫度低于110℃時，錫青銅的抗應力松弛性能較強，但超過該溫度，其彈性會急劇下降。

M0.6端子的鍍層材料為Sn，Sn的化學性質相對活潑，在環(huán)境中易于氧化。Nabeta等研究了鍍Sn材料在不同的溫度下生成的物質，在低于120℃的環(huán)境下主要生成Sn0，高于1200C的環(huán)境時生成Sn02。ITO等研究了在不同的接觸壓力條件下，汽車連接器的Sn鍍層和微動周期的關系。

圖3為微動接觸過程中微動周期對接觸電阻的影響，當接觸壓力為1N時，接觸電阻在微動周期為103次左右時開始急劇增大，104次后則保持穩(wěn)定。當接觸壓力為10N時，雖然在低于105次的試驗次數內，接觸電阻保持相對穩(wěn)定，但隨著微動次數的增加，接觸載荷的增大只是延遲了微動磨損的進程，當微動周期達到一定的次數，接觸電阻仍會急劇增加。

此外，環(huán)境溫度的增加也會影響Sn鍍層的氧化進程（圖4）。當環(huán)境溫度從20℃升到60℃且接觸壓力為0.5N時，端子的失效周期次數出現了略微下降，這是由于隨著溫度的上升，端子表面的Sn層出現了軟化，增加了公母端的接觸面積，從而導致接觸電阻減小。隨著溫度的繼續(xù)上升，端子表面Sn的氧化層逐漸變厚，造成接觸電阻逐漸增大。接觸壓力為1.0N的端子，在整個升溫趨勢中除了60℃外，接觸電阻的整體趨勢是上升的。試驗表明，高溫的環(huán)境會加劇接觸電阻的增大。

2.3試驗結論

從上述結果可以看出，在此次振動試驗過程中，當環(huán)境超出材料極限溫度140℃時，M0.6端子的CuSn8材料的彈片在公端Splice的擠壓下發(fā)生了不可逆的形變，造成端子的開口尺寸急劇變大。同時，M0.6端子的Sn鍍層發(fā)生了超過106次的微動位移，進而發(fā)生了微動磨損，導致接觸點的部分鍍層消失。由于彈片的形變與微動磨損，造成公母端配合間隙過大以及接觸壓力過小甚至消失，從而導致連接器發(fā)生瞬斷。

經向開發(fā)此款端子的德國技術人員咨詢，確認了M0.6端子不能通過此量級的振動試驗，建議穿缸連接器的開發(fā)工程師尋找尺寸合適的耐高溫材料以及具有耐磨損鍍層的端子。

3端子更換和試驗驗證

3.1端子更換

結合材料、鍍層的選擇和產品的實際使用環(huán)境，開發(fā)工程師選擇了泰科電子MQS0.63的非密封端子，此款端子的彈片材料為CuNiSi，鍍層為Ag。相較于M0.6端子材料CuSn8，CuNiSi是一種新型的銅合金，具有高彈性、高強度和高硬度等性能。

雷前利用應力松弛測試方法，分別在室溫、100℃和200℃的環(huán)境中測試CuNiSi合金的殘余應力大?。▓D5）。第一階段為0～2h，此階段應力迅速下降；第二階段為2～100h，此階段應力下降緩慢，且100h后應力仍在410MPa以上。因此，CuNiSi材料的抗高溫性能優(yōu)異。

同時，MQS0.63端子的Ag鍍層質地柔軟，易于成形，Ag也是導電性和傳熱性最好的金屬。葉志國等分析了溫度對Ag鍍層摩擦系數的影響，數據顯示環(huán)境溫度為120～240℃時，摩擦系數在總測試時間內保持穩(wěn)定，說明Ag鍍層的耐磨能力較強，受溫度的影響較小。

3.2試驗驗證

分別將5個M0.6和5個MQS0.63端子與Splice公端互配后進行-40～140℃的溫度循環(huán)試驗，測量試驗前后兩種樣品開口尺寸（表6）。

試驗結果表明，相較于M0.6端子的開口尺寸變化，MQS0.63端子受溫度的影響較小，可耐受此等級的溫度試驗。

對使用MQS0.63端子組裝的穿缸連接器樣品重新進行不同溫度下的振動試驗，結果顯示仍有2次瞬斷。這說明不受固定的尾線發(fā)生振動也是影響試驗結果的重要因素，因此對連接器加裝固定點也是一個必要的措施。

3.3增加尾線固定點

在考慮成本、生產可操作性等前提下，對比尾線夾、密封圈和軋帶等固定方式，開發(fā)人員決定優(yōu)先使用軋帶固定，在所有裝配有MQS0.63端子的連接器后端20mm處扎軋帶，如圖6所示。

再次對穿缸連接器進行振動試驗，過程中沒有發(fā)生瞬斷現象，試驗合格。試驗后對MQS0.63端子的接觸點進行Ag鍍層測量，所有數據均滿足圖紙和標準要求。

4結論

（1）試驗連接器發(fā)生瞬斷的主要原因是：M0.6端子彈片在高溫、振動等應力作用下發(fā)生了不可逆的形變；在接觸位置的Sn鍍層氧化脫落導致端子發(fā)生微動磨損。不同應用場合彈片材料和鍍層的選擇直接影響了連接器的可靠性。

（2）非密封連接器的尾線是否固定以及固定方式是影響大量級振動測試結果的重要因素。