電連接器耦合失效機理及可靠性研究

呂麗娜

摘要：電連接器應用過程中如果出現了耦合失效的問題會導致連接器的應用過程受到嚴重的影響，對生產工藝整體帶來負面影響，因而對其進行研究至關重要。

關鍵詞：電連接器;耦合失效;可靠性研究

1前言

電連接器如果應用過程中出現耦合失效的話會導致生產工藝難以進行，而這對生產過程整體來說都是影響極大的，因而文章對其失效機理進行針對性的研究，希望可以給有關從業人員以幫助。

2相關研究現狀

回顧電連接器可靠性研究的發展歷程，可追溯到上世紀50、60年代，國外像美國、蘇聯、日本、法國和德國等國家相繼開展了電連接器的可靠性研究。尤其是美國通過系統地研究提出了一系列有關電連接器的規范及標準，如電連接器試驗方法的軍用標準（MIL-STD-1344A），軍用電子設備可靠性預計手冊（MIL-HDBK-217F）等。20世紀80、90年代以來，針對電連接器可靠性問題的研究主要圍繞其接觸件的電接觸失效展開，研究者致力于電連接器接觸可靠性模型的研究，并以模型為基礎定量評估它們在不同環境應力下的失效機制。隨后歐美、日本等國家又開展了電連接器可靠性加速試驗研究，從失效機理層面研究了電連接器接觸電阻的變化所產生的影響。經過數十年的發展，國外電連接器的可靠性水平已經取得了長足進步，得到了很大提高。

3失效機理

電連接器是一種基礎的機電元件，主要用于實現電信號的傳輸、控制及電子與電氣設備間的電連接，廣泛應用在航空、航天、電子、通信等領域。電連接器可靠性水平的高低對系統的安全運行有重要的影響。電連接器的可靠接觸是靠接觸件插針與插孔間穩定的接觸力實現的。插孔是彈性元件，在長期受到接觸力和熱應力的作用下，其彈性形變會不斷轉化為塑性形變，從而使接觸力降低，接觸電阻增大，接觸性能蛻化。因此，熱疲勞對電連接器可靠性的影響不容忽視。國內外學者關于溫度對電連接器可靠性的影響研究主要包括三個方面：仿真研究。Santosh等利用耦合多物理場模型和多尺度正弦粗糙表面（MARS）有限元分析模型分析了不同表面光潔度和不同材料的電連接器的結構、電氣和熱性能口;Liao等研究發現，無論是在固定高溫條件下或一定時間周期后的熱循環過載條件下，CPU插槽連接器端子的接觸力仍然滿足相關的最低要求，且接觸力的變化與接觸電阻關聯度不高;Rebecca等用ABAQUS建模，研究了單個連接器接觸件在恒定溫度和熱循環條件下的微動磨損機理。試驗驗證或評估，靳哲峰等分別研究了電連接器在恒定熱應力、振動應力及綜合應力下的可靠性，建立了相應的可靠性模型，并對不同工作環境下電連接器的失效機理進行了分析;Lficke等對插入式連接器的接觸電阻和剩余彈簧力進行測量，以此評估應力松弛對鈹銅接觸片插人式連接器性能的影響;Essone—Obame等采用了一種非侵入式的激光技術觀測了同一連接器內不同剛度彈簧的線性偏移并討論了熱循環條件下連接器老化與彈簧剛度間的依賴關系。材料性能蛻化機理研究。著名學者Duhame研究發現，誘發材料失效的主要原因是材料內部所受熱應力不均勻，并推導了熱應力計算公式，但并沒有將熱應力與熱疲勞聯系在一起;Manson和Coffin相繼提出了著名的Coffin.Manson公式，指出材料的塑性變形對其疲勞壽命有很大的影響。我國學者也對一些金屬材料熱疲勞問題進行了大量的研究。但研究并未涉及工況下具體產品的性能蛻化。在實際使用環境條件中，不同形式的熱應力如高溫、低溫及熱沖擊等引發的電連接器的失效模式各不相同。交變熱應力會導致連接器的插孔產生熱疲勞現象，從而影響其接觸可靠性，最終引發失效。本文主要通過熱疲勞試驗來研究溫差及溫度變化率對航空電連接器性能蛻化的影響規律，并由微觀組織演變來分析其失效機理。

4可靠性研究

金屬材料宏觀性能的改變通常源于其微觀組織的變化。本文試圖從微觀組織構成及演變的角度對熱疲勞試驗后連接器性能蛻化機理進行推理分析。本文所選的電連接器試品接觸件的材料是銅一鋅二元合金（即黃銅），隨鋅固溶于銅中含量的增加，固態下可以出現a、盧、y三種相。通常把a相區、“+盧相區和JB相區的合金分別稱為a黃銅、理+盧黃銅和口黃銅。本文研究的電連接器接觸件銅材是H59黃銅，屬于d+口黃銅，a相占比較大。a相是鋅在銅中的固溶體，屬于面心立方晶格結構;口相是以化合物CuZn為基的可變固溶體，為體心立方晶格結構，極易腐蝕，在明場下顏色較深、易變黃或變里。試品插孔存在兩種相（即兩種組織），其中淺色部分是a相，成卵石狀;黑色部分是口相。Ol相在JB相析出時首先在盧相的晶界大量出現，a相構成的連續基體對材料的變形有促進作用。由對比分析可知，隨著熱疲勞試驗中溫差范圍或溫度變化率的增加，a相在JB相晶界析出現象更為明顯，插孔材料的晶粒尺寸也有所增大。由此可以推斷，熱疲勞試驗后，插孔中晶粒尺寸增大，插孔的強度、硬度、塑性、韌性均會有所下降，即綜合力學性能下降;僅相中zn的析出也會使合金的強度降低，欒晶的產生也說明插孔在經受熱疲勞試驗后已經發生了塑性變形。由微觀組織演變機理可知，交變熱應力作用下，超過接觸件材料的彈性極限后，晶體中生層片間會產生相對滑移，即晶體的一部分沿著一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）相對于晶體的另一部分作相對移動。大量的片層之間的滑動積累就構成了宏觀上的塑性變形"6。試驗樣品插孔的滑移線掃描電鏡中可以看出，熱疲勞試驗后，插孔的微觀組織出現了滑移：溫差范圍增加后，晶粒中滑移線密度明顯增大;相同溫差條件下，溫度變化率增加，滑移線密度明顯增大，而且滑移方向增多，使滑移呈區域化趨勢較為明顯。由材料熱力學理論可知，溫度變化率增大導致了位錯運動速率增加，并使許多位錯源同時起作用，增加位錯密度和滑移系數目，導致滑移方向差異化程度增強，材料塑性變形減弱。

5結束語

電連接器在應用的過程中可能會出現的耦合失效問題在生產工藝中有著極為嚴重的負面影響，因而需要深刻理解其失效的原理，針對性的采取措施。

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（作者單位：沈陽興華航空電器有限責任公司）