基于步進加速退化試驗的航天電連接器接觸可靠性評估

潘 駿 劉紅杰 陳文華， 錢 萍 劉 娟

1.浙江理工大學，杭州，310018 2.浙江大學，杭州，310027

基于步進加速退化試驗的航天電連接器接觸可靠性評估

潘 駿1劉紅杰1陳文華1，2錢 萍1劉 娟2

1.浙江理工大學，杭州，310018 2.浙江大學，杭州，310027

航天電連接器具有壽命長、可靠性高的特點，為解決其接觸可靠性的快速評定問題，分析了航天電連接器的接觸失效機理，建立了溫度應力下的加速退化模型，提出了基于偽失效壽命的步進加速退化試驗數據統計分析方法。對某型航天電連接器步進加速退化試驗和試驗數據進行了統計分析，結果表明，所提出的步進加速退化試驗方法與基于失效數據的加速壽命試驗相比，試驗時間大為縮短。

加速退化試驗；偽失效壽命；航天電連接器；可靠性評估

0 引言

科學技術的發展使得電子工業、航空航天等領域出現大量高可靠、長壽命的產品，如用于實現電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設備之間連接的某型號航天電連接器，要求可靠度在95%以上的接觸壽命能達到15年。針對這類產品的可靠性評定問題，若按照傳統的壽命試驗方法，甚至采用加速壽命試驗方法都難以在可行的時間和許可的經費范圍內獲得失效數據。由于產品的失效機理最終能夠追溯到產品潛在的性能退化過程，因此性能退化數據能夠提供比失效時間數據更多的信息。早在1988年，Nair［1］就指出退化數據對可靠性評估來說是一個豐富的信息源。姚增起［2］研究了系統退化和系統可靠性的相關問題，并指出利用退化的觀點來研究系統可靠性是一個新課題。Carey等［3］使用加速退化模型估計了一種新一代海底電纜組件的可靠性，假設退化量和絕對溫度之間的關系可以用Arrhenius模型來描述，并使用極大似然方法估計關系參數，然后預測產品在常溫下工作的退化量。Meeker等［4］在研究高可靠性產品的可靠性問題時指出，退化失效分析可解決目前傳統可靠性理論不適應工程應用的問題。

近十年來，許多學者在這方面開展研究并取得成效。Sun等［5］通過對金屬化膜脈沖電容器的退化數據進行分析，給出了一種Guass－Poisson聯合分布模型。Huang等［6］用截斷Weibull分布表示退化量的分布，給出一個基于退化數據的分布參數極大似然估計方法。李曉陽等［7］針對在貯存期內具有長壽命、高可靠特點的系統級微波電子產品，使用加速退化試驗，結合線性漂移布朗運動的首達時分布服從逆高斯分布的特點，建立其可靠性評估模型。鐘強暉等［8］提出不假定退化軌道模型的評估方法，利用試驗得到產品的退化信息，進而獲得產品在各檢測時刻的可靠度，并用具有保證參數的分布族對壽命變量分布進行假設，通過分布擬合獲得參數的估計值進行可靠性評估。Yang［9］把試驗費用作為樣本量和試驗時間的函數，根據試驗費用最少的原則，對樣本量和試驗截止時間進行了優化。

為實現航天電連接器接觸可靠性的快速評定，本文在前期航天電連接器接觸失效機理與溫度應力加速壽命試驗方法研究［10－12］的基礎上，探討基于性能退化數據的航天電連接器步進加速退化試驗方法，并通過試驗進行了應用驗證。

1 航天電連接器接觸失效機理與退化模型

航天電連接器（圖1）的失效模式主要有接觸失效、絕緣失效和機械連接失效三種，其中接觸失效約占總失效數的45.1%。航天電連接器的接觸壽命主要受環境溫度影響，環境溫度的作用引起插針表面腐蝕物加速生成，接觸對表面腐蝕物的堆積促使接觸電阻不斷增大，最終導致接觸失效。

對于表面鍍金的銅基接觸件航天電連接器，由于鍍金層結晶呈網狀結構，且鍍金層很薄，鍍金過程中不可避免會在鍍金層中出現一些微孔和裂紋，大氣中的潮濕氣體通過鍍金層的微觀毛細作用進入并接觸到基體金屬銅，沉積下來形成電解液。金和銅間的電位差使鍍金層與銅基材料界面形成微電池，并發生氧化反應。由于電化學反應主要發生在鍍層表面（即接觸表面），故接觸表面生成一層電阻非常高的腐蝕氧化物膜層。根據膜層生長機理，表面鍍金的銅基接觸件表面氧化膜的生長速度不僅與Cu＋向鍍金層表面擴散的速度有關，還取決于Cu＋與O2反應的速度。根據Holm電接觸理論，流過這種氧化物膜層的電流通過隧道效應生成，氧化物腐蝕物膜層厚度的增加使得隧道電阻率逐漸增大，從而導致接觸電阻增大，膜層的隧道電阻率ρ隨膜層厚度h的增加基本呈線性增加，即

圖1 航天電連接器實物

式中，h0為氧化膜層的初始厚度。

由此可知，航天電連接器接觸性能退化主要是由接觸表面氧化物的生長和堆積引起的，氧化物的生長速度直接反映了航天電連接器接觸性能的退化情況。溫度是影響機電元件貯存可靠性的最主要環境因素，當氧化物的堆積致使接觸對的接觸電阻超過允許的閾值時，接觸性能不再滿足要求，即發生失效。在此假設初始時刻腐蝕氧化物膜層厚度h0＝0，則隨著接觸表面氧化物厚度的不斷增長，通過氧化物膜層的離子越來越少，氧化物的生長速度也隨之減小，膜層生長速度與膜層厚度間呈反比關系，膜層厚度h與時間t的關系［13］為

其中，K為反應系數，與溫度的關系滿足阿倫尼烏斯方程：

此式反映了接觸性能退化量與時間和溫度的關系，即為航天電連接器接觸性能加速退化模型。

2 步進加速退化試驗與試驗數據統計分析方法

步進加速退化試驗是一種把樣本依次投入步進應力水平下，在對應試驗周期內監測其性能退化數據的試驗方法。其步驟如下：

通過分析航天電連接器的接觸失效機理，確定其加速退化模型并利用各種應力水平下的性能退化數據和最小二乘方法估計接觸性能退化參數，然后通過航天電連接器接觸性能退化模型推斷正常應力水平下的偽失效壽命值，最后利用壽命試驗數據的統計分析方法進行航天電連接器在溫度應力下的接觸可靠性評估，具體步驟如下：

（1）在分析航天電連接器接觸性能退化模型的基礎上，根據樣本n在不同溫度應力水平Ti下記錄的退化量（tijn，xtijn），利用

（3）通過接觸失效閾值可得到各樣本在正常溫度條件下的偽失效壽命估計值。

（4）航天電連接器接觸失效壽命服從兩參數Weibull分布［10］：

3 實例

步進加速退化試驗以某型號航天電連接器為試驗對象，選擇樣本N＝6，溫度應力水平分別為384.16K、399.16K和414.16K，對應應力水平下的試驗時間分別為600h、200h和50h，對應監測值記錄次數分別為P1＝10、P2＝10和P3＝8。試驗過程中監測值為（tijn，xtijn），6個樣本的退化軌跡如圖2所示。

圖2 接觸電阻隨應力和時間變化曲線（6個樣本）

把試驗數據轉化為（tijn，ln xtijn）形式，然后利用式（10）得在不同應力水平下＋／Ti的估計值，如表1所示。然后利用最小二乘估計得各樣本退化模型參數估計值和。

表1 ＋／Ti 在不同應力水平下的估計值

表1 ＋／Ti 在不同應力水平下的估計值

樣本編號＾αn ＋＾βn／Ti T 1＝384.16K T 2＝399.16K T 3＝414.16K 1－4.34 －4.02 －3.73 2－4.20 －3.95 －3.62 3－4.44 －4.09 －3.82 4－4.37 －3.99 －3.76 5－4.30 －3.89 －3.65 6－4.33 －4.06 －3.79

已知該航天電池連接器正常工作環境溫度為45℃，失效閾值RC＝5mΩ，可得各樣本在正常溫度應力下的偽失效壽命估計值，結果如表2所示。

表2 參數＾αn 和＾βn 以及偽失效壽命＾T n 的估計值

圖3 Weibull分布概率圖檢驗

正常溫度應力下電連接器的可靠度如圖4所示。

圖4 正常溫度應力下電連接器的可靠度曲線

4 結束語

本文在分析航天電連接器接觸失效機理的基礎上建立了航天電連接器的退化模型，并提出基于偽失效壽命的步進加速退化試驗數據統計分析方法。利用該方法對某型航天電連接器進行步進加速退化試驗，得到該型航天電連接器在溫度應力下隨時間變化的可靠度預測曲線，與傳統加速壽命試驗相比，試驗時間大為縮短。因此，基于步進加速退化試驗的可靠性評估方法為航天電連接器接觸可靠性的快速評定提供了一條有效途徑。

［1］Nair V N.Discussion：Estimation of Reliability in Field Performance Sutdies［J］.Technometrics，1988，30（4）：379－383.

［2］姚增起.系統退化和系統可靠性研究［D］.北京：中國科學院自動化研究所，1988.

［3］Carey M B，Koenig R H.Reliability Assessment Based on Accelerated Degradation［J］.IEEE Transactions on Reliability，1991，40（5）：499－506.

［4］Meeker W Q，Hamada M.Statistical Tools of the Rapid Development ＆ Evaluation of High－reliability Products［J］.IEEE Transactions on Reliability，1995，44（2）：187－198.

［5］Sun Quan，Zhou Jinglun，Zhong Zheng，et al.Guass－Poisson Joint Distribution Model for Degradation Failure［J］.IEEE Transactions on Reliability，2004，32（5）：1864－1868.

［6］Huang Wei，Duane L.An Alternative Degradation Reliability Modeling Approach Using Mxaimun Likelihood Estimation［J］.IEEE Transactions on Reliability，2005，54（2）：310－317.

［7］李曉陽，姜同敏，黃濤，等.微波電子產品貯存狀態的SSADT評估方法［J］.北京航空航天大學學報，2008，34（10）：1135－1138.

［8］鐘強暉，張志華，吳和聲.基于退化數據的可靠性評估方法探討［J］.系統工程與電子技術，2009，31（9）：2280－2284.

［9］Yang Guangbin.Reliability Demonstration through Degradation Bogey Testing［J］.IEEE Transactions on Reliability，2009，58（4）：604－610.

［10］陳文華，李平真.航天電連接器的可靠性數學模型［J］.航空學報，1997，18（6）：732－734.

［11］陳文華，崔杰，潘駿，等.威布爾分布下失效率的Bayes驗證試驗方法［J］.機械工程學報，2005，41（12）：118－121.

［12］陳文華，李紅石，連文志，等.航天電連接器綜合應力加速壽命試驗與統計分析［J］.浙江大學學報（工學版），2006，40（2）：348－351.

［13］程禮椿.電接觸理論及應用［M］.北京：機械工業出版社，1988.

Contact Reliability Assessment of Aerospace Electrical Connector Based on Step－up－stress Accelerated Degradation Testing

Pan Jun1Liu Hongjie1Chen Wenhua1，2Qian Ping1Liu Juan2
1.Zhejiang Sci－Tech University，Hangzhou，310018 2.Zhejiang University，Hangzhou，310027

In order to evaluate the contact reliability for aerospace electrical connector with high reliability and long life quickly，this paper analyzed the failure mechanism of aerospace electrical connector，then established the corresponding accelerated degradation model.On this basis，a step－upstress accelerated degradation reliability assessment algorithm based on pseudo－failure lifetime was proposed.Finally，the step－up－stress accelerated degradation testing for an aerospace electrical connector was completed.The exprimental data shows that this method to achieve the reliability assessment is compared with the accelerated life test，step－up－stress accelerated degradation testing can decrease testing time.

accelerated degradation testing；pseudo－failure lifetime；aerospace electrical connector；reliability assessment

TB114.3；V442

1004—132X（2011）10—1197—04

2010—07—22

國家自然科學基金資助項目（50935002，51075370）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2007AA04Z409）；民用航天科技預研項目（B1220062302）；浙江省自然科學基金資助項目（Y1080762）

（編輯 袁興玲）

潘 駿，男，1974年生。浙江理工大學機械設計與制造研究所副教授。主要研究方向為機械可靠性工程。發表論文15篇。劉紅杰，男，1983年生。浙江理工大學機械設計與制造研究所碩士研究生。陳文華，男，1963年生。浙江理工大學機械設計與制造研究所教授、博士研究生導師，浙江大學機械設計研究所兼職教授。錢 萍，女，1983年生。浙江理工大學機械設計與制造研究所講師。劉 娟，女，1982年生。浙江大學機械設計研究所博士研究生。