融合失效物理和3F方法的電連接器可靠性分析方法研究*

高 成 王長鑫，2 黃姣英

（1.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 北京 100191）（2.航天科工防御技術(shù)研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

電連接器廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信等行業(yè)，可以在電氣終端之間進行電信號的傳遞及控制。電連接器分布在各個系統(tǒng)和部位，其故障可能導(dǎo)致斷電或信號傳輸失敗，甚至影響整個系統(tǒng)的正常運行，因此電連接器的可靠性分析工作不可忽視［1］。

蔣杰等［2～3］研究得接觸失效是電連接器最主要的失效模式。靳方建等［4～5］分析了電連接器的接觸電阻和接觸可靠性的影響因素，如接觸件結(jié)構(gòu)、接觸壓力、溫度、材料等。賈博賢等［6］關(guān)注電連接器的分離可靠性，建立了電連接器分離阻力計算模型。

可靠性分析技術(shù)中應(yīng)用較多的是3F方法，即：故障報告、分析及糾正措施系統(tǒng)（FRACAS），故障模式影響及危害性分析（FMECA），和故障樹分析（FTA）。3F方法已在系統(tǒng)和單機層面廣泛應(yīng)用［7～8］，而在元器件層面應(yīng)用較少。近年來，隨著元器件復(fù)雜程度的提升和對可靠性要求的增加，國內(nèi)已有部分研制企業(yè)嘗試應(yīng)用3F技術(shù)開展質(zhì)量問題分析，以控制和改善元器件可靠性［9］。

失效物理（PoF）方法是物理學(xué)與可靠性相結(jié)合的新學(xué)科，是可靠性工程的一個重要的新興發(fā)展階段。它以理化分析為基礎(chǔ)關(guān)注失效機理，從原子、分子學(xué)觀點來闡明與失效有關(guān)的物理、化學(xué)過程，從而為產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)乃至貯存使用提供科學(xué)的信息與依據(jù)。目前，國內(nèi)外已將失效物理方法廣泛應(yīng)用于可靠性分析，并建立了許多失效機理模型［10～12］。

但集成運用上述理論在元器件領(lǐng)域的可靠性分析研究尚未系統(tǒng)開展。失效物理分析方法主要是從元器件的失效模式入手，尋找造成失效的機理和原因，是從失效模式往前推的工作。3F方法是在整機故障后定位失效元器件，進而從整機、系統(tǒng)層面針對發(fā)生的失效找到底層的失效模式，以及對整機系統(tǒng)層面的影響，是失效模式向后的工作。為了實現(xiàn)兩個不同應(yīng)用對象在元器件可靠性分析方面有效融合，需要研究一種合理易行的融合策略。

本文結(jié)合某廠分離脫落電連接器實際失效案例，在可靠性分析過程中實現(xiàn)失效物理與3F分析技術(shù)的有機融合，形成系統(tǒng)的電連接器可靠性分析方法流程。

2 失效物理與3F方法的融合策略

2.1 融合策略分析

將失效物理方法和3F方法融合在電連接器可靠性分析流程中。首先以失效模式為切入點，結(jié)合PoF理論，針對FTA中的每種底事件，從電連接器材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造工藝環(huán)節(jié)等方面研究開展失效機理的研究，將FTA的底事件，即失效模式，與失效機理對應(yīng)。然后借助FMECA和FRACAS，以失效模式為切入點，結(jié)合電連接器的生產(chǎn)、制造、使用的整個生命周期等生產(chǎn)工藝實際情況，準(zhǔn)確地把電連接器的失效原因及機理映射到其實際生產(chǎn)使用的環(huán)節(jié)。向后分析對電連接器整體層面造成的危害及影響，并提出糾正措施。采用這種“同步、反向”的研究策略，得到融合失效物理與3F方法的可靠性分析流程如圖1所示。

圖1 融合失效物理與3F方法的可靠性分析流程圖

整個可靠性分析流程可分為研究電連接器失效模式與PoF模型，及電連接器可靠性分析與質(zhì)量提升策略提出兩個部分。

2.2 電連接器失效模式與PoF模型研究

以失效模式為切入點，在FTA分析方法中融合PoF理論，從物理與化學(xué)等角度研究電連接器基本失效事件的深層機理和PoF模型，以此為消除或減少失效的依據(jù)。主要分析步驟如下。

1）剖析電連接器的功能結(jié)構(gòu)，復(fù)現(xiàn)電連接器故障演化邏輯，梳理電連接器失效模式。建立故障樹，故障樹最末端的底事件，表示電連接器可能的失效模式。

2）分別從固有可靠性范疇和使用可靠性范疇，分析影響電連接器失效的因素，主要包括電子材料和應(yīng)力環(huán)境。

3）針對FTA的每種底事件，對可能導(dǎo)致該失效模式的失效機理進行分析歸納和簡要分析。探究對應(yīng)的PoF模型，構(gòu)建基本失效模式相關(guān)的電化學(xué)腐蝕、材料蠕變斷裂等物理、化學(xué)、生物失效數(shù)學(xué)模型。

2.3 可靠性分析與質(zhì)量提升策略提出

結(jié)合FMECA分析和FRACAS分析方法，針對電連接器提出可靠性提升策略。

開展電連接器FMECA工作，包括FMEA和CA兩部分。開展FMEA工作首先進行電連接器故障模式分析，找出故障原因；將失效模式與失效機理對應(yīng)到器件結(jié)構(gòu)中；接著進行故障影響及嚴酷度分析，生成電連接器的危害性矩陣，并確定關(guān)鍵件［13］；進行CA工作，輸出電連接器FMECA報告及表格。

基于研究得到的關(guān)鍵件和關(guān)鍵故障模式，在FRACAS過程中，結(jié)合電連接器的生產(chǎn)、制造、使用的整個生命周期等生產(chǎn)工藝實際情況，準(zhǔn)確地把電連接器的失效原因及機理映射到其實際生產(chǎn)使用的環(huán)節(jié)［14］。依據(jù)這種映射關(guān)系，針對每個環(huán)節(jié)分別給出故障分析說明及對應(yīng)的糾正措施，提出相應(yīng)的改進意見，形成更加深入、全面、切實可行的電連接器可靠性分析方法研究。

3 電連接器失效模式與失效機理

3.1 確定研究對象及功能結(jié)構(gòu)

電連接器的三大基本單元為殼體、絕緣體和接觸件。電連接器中通電的核心部件就是接觸件，因此必須具備穩(wěn)定的接觸結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電能力。接觸件包括插座與插頭，插頭由連接機構(gòu)組件、電纜罩組件、插頭殼體組件組成，插座由鎖套、插座殼體組件、電纜罩組件、電磁線包組件組成。殼體主要包括插頭插座的外殼、連接螺帽和尾部附件。絕緣體用于保持插針插孔在固定位置上，并使得各接觸件之間及接觸件和殼體之間絕緣。

分析電連接器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，不同組件具有其特定的功能，如圖2所示。

圖2 電連接器結(jié)構(gòu)及對應(yīng)功能

3.2 電連接器故障樹

建立電連接器的故障樹，步驟如下。

1）首先確定頂事件為電連接器失效。

2）找出直接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種可能原因，即次頂事件。本故障樹的次頂事件是由接觸失效、絕緣失效、機械失效和其他失效等四種失效模式組成的。這些次頂事件中的任何一個發(fā)生故障都會導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，使用邏輯“或門”符號進行連接。

3）以這四個故障事件為次頂事件，對相應(yīng)的原因進行再展開。如此進行下去，直至找出各個底事件為止，并使用或門或者與門將其連接起來，最終得到電連接器失效的故障樹。

3.3 電連接器失效機理與PoF模型

電連接器的失效主要分為接觸失效、絕緣失效、機械失效和其他失效幾類。分析影響電連接器失效的因素，固有可靠性范疇包括手輪扭矩偏小、脫落彈簧力偏大或偏小等設(shè)計工藝問題，使用可靠性范疇包括環(huán)境污染、化學(xué)腐蝕、疲勞損傷等原因。分析所得其失效機理與模型如表1所示。

表1 電連接器故障樹底事件對應(yīng)的失效機理與模型

4 電連接器可靠性分析與質(zhì)量提升

4.1 電連接器故障影響與關(guān)鍵部件

基于FMECA方法，將失效模式和失效機理與電連接器的組成部件對應(yīng)起來，判定危害度等級和嚴酷度類別，生成電連接器的FMECA表格和危害性矩陣，并確定關(guān)鍵件。

1）畫出其可靠性框圖

電連接器的任務(wù)可靠性框圖如圖3。

圖3 電連接器任務(wù)可靠性框圖

2）約定分析層次

初始約定層次為電連接器，最低約定層次為電纜罩組件、插頭殼體組件、連接機構(gòu)組件、鎖套組件、插座殼體組件、電磁線包組件、絕緣體組件、引線等。

3）分析形成FMECA表格

電連接器FMECA表格如表2所示。

表2 電連接器FMECA表格

4）畫出危害性矩陣圖確定關(guān)鍵件

將每種故障模式的危害性標(biāo)注在危害性矩陣圖上，成為故障模式分布點，然后投影在對角線上，如圖4所示。投影點離原點O越遠，對應(yīng)的故障模式危害性越大。求出基本單元件每一故障模式投影點到原點O的距離之和，并按大小排序，距離之和最大者對應(yīng)的基本單元件為可靠性關(guān)鍵件，較大者為重要件。分析得電連接器的關(guān)鍵件為連接機構(gòu)組件，重要件為絕緣體組件。

將式(4)中的投影點代入方程(8)，進而得到空間圓的圓心坐標(biāo)和l值，將圓心坐標(biāo)代入即可解出空間圓的半徑R。

圖4 電連接器FMECA危害性矩陣

4.2 針對故障的糾正措施

經(jīng)FMECA分析得到電連接器的關(guān)鍵件為連接機構(gòu)組件，重要件為絕緣體組件。針對生產(chǎn)、制造、使用的生命周期每個環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的改進意見。

1）連接機構(gòu)組件

連接機構(gòu)組件故障的外在表現(xiàn)形式主要有，插頭插座不能對接到位、接觸件不能正常插合、絕緣件組件固定失效、脫落彈簧力偏大或偏小等。

針對故障表現(xiàn)形式進行分析，得出可能原因：（1）手輪扭矩偏小；（2）連接套管螺紋副傳動效率較低；（3）毛刺多余物帶進插頭，或接觸件斷裂或變形；（4）脫落彈簧力偏大，手輪扭矩?zé)o法克服；（5）固定絕緣件的螺母脫落，造成零件松動；（6）接觸件固定性差。

針對連接機構(gòu)組件，提出故障糾正措施：手輪扭矩量化控制；接觸件采用臺階固定；對脫落彈簧力進行分組篩選；插頭、插座采用大小導(dǎo)柱的方式實現(xiàn)定位和導(dǎo)向。

絕緣體組件故障的外在表現(xiàn)形式主要有，絕緣電阻下降或耐電壓指標(biāo)下降，漏電流增加，產(chǎn)生電路串音和電信號失真。

針對故障表現(xiàn)形式進行分析，得出可能原因：（1）絕緣體開裂；（2）絕緣材料吸潮；（3）金屬多余物；（4）貯存過程污染；（5）接點間空氣擊穿；（6）吸潮、長霉、老化等。

針對絕緣體組件，提出故障糾正措施：設(shè)定絕緣電阻、耐電壓設(shè)計值遠高于產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)規(guī)定值；出廠前對產(chǎn)品絕緣電阻、耐電壓進行100%檢驗；采取鍍層厚度、致密性、耐蝕性等檢驗措施控制鍍金層質(zhì)量；絕緣體材料表面膠木化處理并浸清漆；在頭座連接面、連接機構(gòu)內(nèi)、電纜罩與殼體之間等部位設(shè)置密封圈，并設(shè)計防塵蓋。

5 結(jié)語

本文基于失效物理和3F方法的特點，研究兩種方法在元器件可靠性分析流程中的融合策略。從FTA底事件切入，引入PoF理論模型，分析電連接器的絕緣體、接觸件與殼體結(jié)構(gòu)中的不同組件，復(fù)現(xiàn)故障演化邏輯，探究深層的失效機理模型。構(gòu)建基本失效模式相關(guān)的電化學(xué)腐蝕、材料蠕變斷裂等物理、化學(xué)、生物失效機理模型，定量分析電連接器失效演化潛在因素，揭示實際失效數(shù)據(jù)中沒有暴露的潛在失效危險。使用FMECA方法，從固有可靠性與使用可靠性兩個角度，將失效模式與失效機理對應(yīng)到器件結(jié)構(gòu)中，判斷故障嚴酷度類別與危害度等級，判定關(guān)鍵件為連接機構(gòu)組件，重要件為絕緣體組件。使用FRACAS方法，從工藝、材料、使用層面分析，把元器件的失效原因及機理映射到其實際生產(chǎn)使用的環(huán)節(jié)中，對故障樹每個底層事件，給出具體詳盡的糾錯建議，對FTA每個底事件，給出具體詳盡的糾錯建議，最終形成系統(tǒng)的融合PoF與3F方法的電連接器可靠性分析方法流程。

研究PoF與3F方法的融合策略，一方面可以得到一套較完善的電連接器可靠性分析方法，另一方面也可以驗證該融合策略在元器件可靠性分析上的有效性，以便能夠在更廣泛的元器件類別中推廣使用。