電連接器可靠性試驗方案設計

金濤

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222006）

引言

在電子系統工程中，電連接器是較為重要的配套元件，從高頻到低頻，從圓形到矩形、從通過上百安培的大電流連接器到通過毫安級信號的高密度連接器，從普通印制板連接器，到快速分離、脫落、深水等特種連接器，幾乎所有類型的電連接器都在電子系統工程及大型水利工程中得到大量的應用。同時，作為重要的接口元件，電連接器擔負著系統內部以及系統之間的信號連接和電能傳輸的重任。對于電子系統而言，電連接器的重要性是不言而喻的，電連接器質量的優劣直接關系到整個系統的成敗，因此電連接器不但要求具備一定的環境承受能力，而且還要保持良好的機械及電氣性能，高可靠性也是電子系統工程對電連接器的普遍要求。

本文以J14系列矩形連接器、YMG系列圓形電連接器為主要研究對象，在經多家廠家、研究機構走訪調研基礎上，系統分析了電連接器在綜合環境應力作用下的失效機理及失效模式，同時在失效機理分析的基礎上開展電連接器可靠性試驗方案設計，主要包括：

1）電連接器主要失效模式分析，以及在溫度、濕度和振動綜合環境應力作用下的失效機理分析，確定失效的主要影響因素，并結合微動圖理論對電連接器的微動過程進行分析[1]；

2）通過對電連接器各種環境應力及參數測試技術的研究，確定電連接器各種試驗方法，并對各種應力進行組合搭配，最終得出一組相對較優的電連接器可靠性試驗方案，要求在最優的樣品數量、試驗時間條件下電連接器可靠性評估具有較高的精度；

3）與連接器生產廠家合作，選用3～4種新研制的電連接器為研究對象，開展可靠性鑒定試驗，對設計實驗方案進行驗證。

1 電連接器失效模式分析

由于元器件失效而引起系統的失效在系統失效總數中約占70 %，而其中有40 %與電連接器的失效相關，電連接器、開關、繼電器和電機已被列為公認的四種可靠性較差的元器件[2]。電連接器作為基礎元件，其失效模式概括起來主要有接觸、絕緣、機械聯接和其他失效四種模式，從電連接器現場使用情況和失效故障數據的收集來看，電接觸失效占比最大，約為現場總失效數的45.1 %，具體數據如表1所示。

表1 電連接器主要失效模式及占比

為進一步分析電連接器各失效模式下失效原因間的關系，通過可靠性分析方法中的故障樹分析法（FTA）由上往下展開分析，其中頂事件為電連接器失效，二級事件為電接觸失效、絕緣失效、機械失效和其他失效，三級事件（底事件）為各失效模式的失效原因，故障樹如圖1所示，任何一項底事件的產生都會造成電連接器的失效，而在正常的工作或貯存環境條件下，電接觸失效是主要的失效模式，由故障圖底事件可看出造成電接觸失效的原因主要是接觸力不足、鍍層變化、接觸磨損，而影響這些底事件的主要因素是溫度、濕度和振動應力，其中又是環境溫度對電連接器影響最大，溫度不但影響電連接器接觸件表面膜層的滋長，還會受到插孔蠕變的影響導致電連接器的接觸壓力發生變化，同時在振動應力作用下，振動越強，插孔與插針之間的相對運動就會越強，進而造成磨屑的產生并持續堆積，最后也會讓電連接器發生接觸失效。

圖1 電連接器失效模式故障樹

2 電連接器可靠性試驗方案設計

國軍標GJB 1217A《電連接器試驗方法》、GJB 2446《外殼定位超小型矩形電連接器總規范》和GJB 101A《耐環境快速分離小圓形電連接器總規范》等標準規范對電連接器的各種實驗方法也都作了詳細的規定[3-5]，大約規定了有50種試驗方法，只用一種應力進行試驗有時不能發現電子產品所有問題，許多缺陷是只有在多應力組合情況下才會找到，但是所有的應力進行試驗又不符合工程應用的實際，因此如何合理的組合出適合的試驗方法是本文的主要目標。本文的電連接器可靠性試驗方案主要是基于電連接器失效模式從環境試驗方法、機械試驗方法、電性能試驗方法三個方面開展設計研究，具體研究方案見圖2。

圖2 電連接器可靠性試驗方案設計

為使試驗結果具有通用性，本文選用常用的具有代表性J14系列、YMG系列電連接器為研究對象，設計試驗方案、開發制作夾具，并對方案進行驗證。同時為保證試驗結果能反映實際產品的可靠性水平，與相關單位的技術、質量、管理人員進行了多次調研、溝通協調，明確了試驗檢測依據和試驗檢測項目，在廣泛調研、分析的基礎上確定電連接器的可靠性試驗方案，確定了每個項目的試驗檢測方法、測試參數、應力量值、電連接器參數測試時機、合格判據等內容。

試驗時，采用隨機抽樣方式抽取6組（共12只）樣品，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#共12只電連接器，分為三組進行試驗，樣品具體試驗安排見表2。

在整個綜合應力的電連接器試驗檢測過程中需要設計制作大量的試驗夾具，如何設計制作，保證試驗結果的準確，有效，并具有通用性，也是測試工作者需要關心的問題。

試驗夾具包括:

表2 電連接器可靠性試驗分配及進度安排

表2 電連接器可靠性試驗分配及進度安排（續）

1）參數檢測夾具：每項試驗前后，都需要檢測電性能參數，國軍標GJB 1217A-2009中明確規定，絕緣電阻和耐壓應在間距最近的接觸件之間及連接器外殼與靠近外殼的接觸件之間進行測量，拿YMG27來說，有26個接觸件，每個參數需要檢測76個點以上，在試驗后的兩個小時內根本無法完成，因此需要設計制作測試夾具，既能滿足國軍標要求，又能節約時間，在較短的時間內完成，還要保證測試的精度滿足要求，測試結果準確。

2）試驗夾具：通過分析不同環境應力條件下電連接器的試驗項目明確出各種環境應力條件下電連接器試驗夾具應具有的特性，對各種環境應力條件下試驗夾具的特性進行系統分析，找出一組最優化的試驗夾具特性組合，以盡可能少的試驗夾具數量滿足盡可能多的環境應力條件，通過電連接器試驗檢測完成對試驗夾具有效性的驗證考核。

3 結論

本文設計的可靠性試驗方案較為全面的考慮了電連接器各種失效模式以及各試驗的組合應力搭配，已成功應用于多種電連接器的可靠性鑒定試驗，并具有良好的通用性和擴展性。同時，篩選、可靠性鑒定等試驗都有可能帶來一定的負面效應，不適當的試驗和測試可能引入更多的缺陷，例如：存貯、老化試驗等可能會玷污元件、引起損傷；應力施加超過額度工作條件可能會造成元件的永久損傷等。因此，在進行可靠性試驗時，應小心和規范操作，施加應力不能超過元件規范的規定，避免元件過應力、玷污和機械損傷。