環(huán)境溫濕度對航天電連接器可靠性的影響

馬 杰，姚靜波，辛朝軍

(裝備學院航天裝備系，北京101416)

1 引言

航天電連接器作為一種機電元件，用于實現(xiàn)電子與電氣設(shè)備的電連接，具有高可靠、長壽命的特點，在航天領(lǐng)域被大量使用，主要用于實現(xiàn)電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設(shè)備之間的電連接，而環(huán)境因素會對電連接器的可靠性造成影響。美國Hughes航空公司的研究資料非常明確地表示了電子產(chǎn)品失效與各種環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系，如下圖1所示。

圖1 產(chǎn)品失效與環(huán)境應(yīng)力關(guān)系圖

從圖1可以看出，環(huán)境溫濕度對電氣產(chǎn)品的可靠性有重要影響，溫濕度造成電子產(chǎn)品的失效占到了電子產(chǎn)品失效總數(shù)的58%。因此，環(huán)境溫濕度對電連接器可靠性的影響也不能忽視，航天電連接器的可靠性關(guān)系到航天任務(wù)的成敗，在航天系統(tǒng)中起著非常重要的作用。

2 電連接器的失效模式分析

航天電連接器在航天任務(wù)中起著非常重要的作用，經(jīng)過實踐總結(jié)，引起航天電連接器失效的常見現(xiàn)象有:多余物、接觸不良、絕緣不良、彈性零件斷裂、漏氣、誤插拔、裝配失誤等，造成這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因如表1所示［1］。

上世紀九十年代，七九六廠則通過對用戶反饋信息的收集和可靠性摸底試驗結(jié)果的分析，把電連接器的失效模式分為接觸失效、絕緣失效、機械連接失效和其他失效四種。經(jīng)過統(tǒng)計試驗和現(xiàn)場兩種情況下的失效，得到了各種模式占總的失效的百分比如表2 所示［2］:

表1 電連接器失效現(xiàn)象及原因

表2 電連接器失效模式百分比

從表中可以看出接觸失效和絕緣失效占比最大，總共占到了電連接器失效的67.4%。而環(huán)境溫濕度是造成電連接器接觸失效和絕緣失效的主要環(huán)境因素。

3 環(huán)境溫度對電連接器可靠性的影響

由于電連接器的接觸件的材料一般為金屬銅，而銅的物理化學性質(zhì)比較活潑，在環(huán)境溫度應(yīng)力的作用下，銅會發(fā)生氧化反應(yīng)，在接觸件表面生成氧化膜層。經(jīng)過對電連接器接觸件表面氧化膜層的測試，其成分主要是氧化亞銅，其反應(yīng)方程式為［3］:

其主要過程是:由于空氣中的氧氣被吸附在電連接器接觸件表面，并被分解為氧原子，而氧原子與接觸件的金屬銅原子發(fā)生化學反應(yīng)，生成一層氧化膜層。隨著氧化膜層的生長，氧化膜層不斷加厚，由于生成的氧化膜層導(dǎo)電性能差，使電連接器的接觸電阻增大，最終導(dǎo)致電連接器的接觸失效。

電連接器的絕緣體是由高分子聚合物等材料制成，在溫度應(yīng)力的作用下，高分子材料內(nèi)部分子的運動會加快，其分子鏈上會產(chǎn)生空位，空氣中的有害氣體等介質(zhì)就會滲透到、擴散到材料內(nèi)部，并且在環(huán)境溫度的影響下，材料會發(fā)生熱降解和交聯(lián)反應(yīng)，材料發(fā)生劣化，材料的物理性能和電氣性能降低，導(dǎo)致絕緣體的絕緣性能降低，引起電連接器的絕緣失效。

4 環(huán)境濕度對電連接器可靠性的影響

電連接器在潮濕環(huán)境中使用時，由于空氣中的水分會由于接觸件鍍層微孔的毛細管作用，進入到電連接器基體金屬表面，形成一層液膜。又因為電連接器鍍層和基體金屬銅之間存在電位差，而形成腐蝕電池。由于接觸件表面鍍層金的電位高成陰極，銅的電位高成陽極，發(fā)生電化學腐蝕［3］。電化學反應(yīng)過程如下式所示:

隨著電化學反應(yīng)的進行，電連接器表面氧化膜層厚度不斷增加，從而造成電連接器的接觸電阻不斷增大，最終造成電連接器發(fā)生接觸失效。

另外，潮濕氣體中的水分會對電連接器的絕緣體產(chǎn)生破壞作用。電連接器在潮濕空氣中使用時，空氣中的水分會吸附在絕緣體表面，同時由于絕緣體材料內(nèi)部存在大量空穴，水分在這些空穴的毛細管作用下進入絕緣體內(nèi)部，形成導(dǎo)電通道，最終造成電連接器的絕緣體的絕緣電阻下降，使電連接器發(fā)生絕緣失效。

5 結(jié)束語

在環(huán)境溫度和濕度共同作用下，溫度升高會加速潮濕空氣中水分的擴散，使電連接器的腐蝕速度加快。因此，在使用電連接器的過程中要注意電連接器的使用環(huán)境和工作條件。特別是在航天任務(wù)當中，每一個元器件故障，都會造成航天任務(wù)的失敗。因此，在嚴酷環(huán)境中使用電連接器時，要對電連接器的各項電氣參數(shù)進行檢查，以確保電連接器能可靠地工作。

［1］ 楊奮為.航天用電連接器的失效分析［J］.機電元件，1996(1):40 －43，47.

［2］ 張菊花，孔憲寶.低頻電連接器失效模式的分析［J］.機電元件，1989，9(1):36 －43.

［3］ 陳文華.航天電連接器可靠性試驗和分析的研究［D］.杭州:浙江大學機械工程學系，1997.