電連接器典型失效模式及機理分析

郭金花

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

電連接器用于實現電信號的傳輸和控制以及電子與電氣設備之間的電連接，在航天、航空、電子、通信等重要領域廣泛應用[1,2]。電連接器要求在各種環境條件下可靠地導通電路、傳遞信息、實現特定功能，其可靠性直接影響裝備、產品等工程系統的可靠性工作。美國早在20世紀70年代，制定了完善的“電連接器試驗方法”MIL-STD-1344A[3]，可進行電連接器的可靠性試驗，但后來電連接器的可靠性不靠試驗來完成，由廠家的質保體系完成。日、德、法國家對電連接器的可靠性研究主要是進行可靠性試驗和分析。國內電連接器的生產廠家和研究所對其可靠性的研究集中在失效分析、可靠性試驗和可靠性設計多方面[4-8]。

電連接器與其他電子元器件相比，失效模式不僅取決于電氣性能，還很大程度上取決于機械性能及環境因素，主要表現為接觸不良、絕緣不良、機械連接失效和其他失效模式。因電連接器的種類較多，選材、設計結構、工藝和應用條件差別甚大，可靠性試驗驗證不充分，依然會暴露出各種失效模式，目前，雖然有國軍標GJB 4027A-2006[9]對電連接器破壞性物理分析（DPA）試驗進行了規范，但實際應用中電連接器DPA試驗開展較少，很多檢測項目也不能完全暴露潛在隱患，缺乏針對性的分析試驗。

本文研究內容作為電連接器可靠性分析的一部分，重點關注電連接器的失效問題及機理分析，選擇不同機械連接問題導致的失效，結合工藝、使用和環境因素分析機械連接失效機理，提出同類問題的改進措施。

1 分析過程

1.1 案例1：焊接連接失效

某視頻電纜在使用中起視頻信號傳輸作用，在調試時發現該電纜芯線與屏蔽層短路。用體視顯微鏡對失效電纜進行外觀觀察，可見：該電纜的導線外絕緣層未見明顯異常，插針接頭未見明顯異常，形貌如圖1所示。

為了進一步確定視頻電纜的失效狀態，使用萬用表對插針、線芯與接頭外殼、屏蔽層分別進行測試，測得插針與接頭外殼、屏蔽層出現短路現象，線芯與接頭外殼、屏蔽層也出現短路現象。將接頭部分與導線部分剪開，測得接頭部分連接狀態同上述現象，導線線芯與屏蔽層未短路，故失效位置定位于接頭部分的內部。

使用X射線檢查視頻電纜的內部連接狀態，可見：插針與線芯連接在一起，屏蔽層與接頭外殼連接在一起。但發現與插針根部連接的線芯同其他位置相比較松散，需要進行下一步的解剖分析，其余位置未見明顯異常，射線局部形貌如圖2所示。

采用機械法將視頻電纜接頭的局部金屬外殼去除，再使用萬用表測量插針與剩余接頭外殼的連接狀態，此時不短路，故短路點出現在已開封位置。對已開封部位進行觀察發現：插針與線芯通過焊料連接，連接處線芯中的一根導線從焊接根部與線芯分離，且與插針連接的線芯一定長度內（約5 mm長度）無絕緣保護，使從線芯中分離的一根導線直接與殼體接觸，造成短路。電纜接頭內部形貌如圖3所示。

從線芯中分離的單根導線外表面無焊料，斷口端面平整，被焊料覆蓋，無明顯受力斷裂特征，斷口端面形貌如圖4所示。視頻電纜短路是由于在插針與線芯連接處，線芯中的一根導線與插針焊接不良，從焊接根部與線芯分離，且與插針連接的線芯一定長度內（約5 mm長度）無絕緣保護，使分離的一根導線直接與殼體接觸，造成短路。

1.2 案例2：壓接連接失效

某型連接器用于信息處理器，在完成電裝后，檢測發現該連接器第12點開路。用體視顯微鏡對失效連接器進行外觀觀察，可見連接器塑封外殼、插針、引線未見明顯異常，具體形貌如圖5所示。

圖1 視頻電纜外觀形貌

圖2 視頻電纜接頭局部射線圖

圖3 線芯與插針連接處

圖4 分離導線斷口形貌

圖5 失效連接器外觀形貌

為了進一步確定連接器的失效狀態，采用萬用表對失效件進行非功能測試，測試結果為：第12點的插針與引線表現為開路，其余點的插針與引線處于導通狀態。

用X射線檢測儀對連接器的內部結構進行檢查，可見連接器插針和引線是通過中間的套管連接，套管將插針和引線卡緊后實現導通，中間無焊料連接。第12點的套管和引線之間疑似存在小間隙，不緊密接觸，比對第13點套管和引線之間無間隙，緊密接觸。通過局部CT掃描進一步觀察第12點連接狀態，可見該點套管內引線緊密束縛在一起，與套管內壁存在間隙，而其余點的引線處于松散狀態，與套管內壁無間隙，形貌如圖6所示。該點的引線與套管連接存在問題，通過開封進行下一步的驗證。

采用機械和化學開封法去除該連接器的外包裝，直接觀察插針和引線的連接情況。將第12點的引線和套管連接情況與導通點進行比對，可見導通點的引線與套管內壁緊密接觸，而第12點的引線與套管內壁存在間隙，形貌如圖7所示。該連接器第12點出現失效是由于該點的引線與套管連接不緊密，存在間隙，進而無法實現該點引線、套管與插針的導通，出現開路失效。

1.3 案例3：裝配不當失效

某型電連接器在試驗中發現該連接器傳輸信號不穩定。用體視顯微鏡對電連接器進行外觀檢查，可見電連接器第2、13點插針縮針，其他插針高度正常，插針周圍的塑料絕緣體表面局部有磨損，形貌如圖8所示。

圖6 連接器內部連接處CT圖

用X射線檢測儀對連接器的內部結構進行檢查，可見連接器插針和引線是通過中間的壓接套管連接，套管將插針和引線卡緊后實現導通。發現第2、13兩點插針受壓應力作用而變形，變形后高度約為原長度的1/2，但基本保持軸向垂直，其余插針未見明顯變形。電連接器內部壓接套管及導線位置及形態未見明顯異常。連接器內部射線形貌如圖9所示。

圖7 連接器內部連接處剖面形貌

圖8 失效連接器外觀形貌

圖9 電連接器內部射線形貌

該電連接器第2、13點插針縮針是由于與插孔對接時，兩個插針未完全對中進入插孔，繼續加力后，插針受壓應力作用變形而縮短。

1.4 案例4：疲勞應力失效

某型SMA連接器在振動試驗過程中發現后端天線連接斷裂。用體視顯微鏡對SMA連接器進行外觀檢查，可見連接器斷裂位置位于插針根部，插針斷口殘留在插孔內部，插針與插孔緊密配合，未見明顯間隙，插孔位于天線的根部，天線另一端為自由端。插針斷口呈銀灰色，較平整，無明顯頸縮現象。形貌如圖10所示。

通過掃描電鏡對連接器斷口形貌進行觀察，可見插針斷口外層為天線插孔，斷口沿圓周邊部均已磨損，中心凸起位置也有局部磨損，內部還可見明顯的疲勞條帶，但疲勞條帶的方向不一致，斷口中心區域可見少量的拉伸韌窩，斷口形貌如圖11所示。根據以上形貌特征分析：斷口沿圓周向外表面存在多處疲勞源，在往復力的作用下，逐漸向內部擴展，瞬斷區位于斷口中心區域。該連接器插針斷裂是由于插針沿圓周向外表面存在多處疲勞源，在往復力的作用下，經疲勞擴展后最終斷裂。

圖10 失效連接器外觀及斷口宏觀形貌

圖11 SMA連接器斷口微觀形貌

天線自由端實際應用時應不與周圍任何物體接觸，處于不受力狀態，但該失效件天線在使用時由于與配套裝置不匹配，而存在接觸，造成根部應力集中疲勞斷裂。對于功能性連接器在疲勞條件使用時應避免異常損傷或應力。

2 失效預防措施及建議

電連接器的機械連接失效與電連接器的工藝水平、設計要求、使用條件存在密切聯系，為了保證電連接器機械連接的可靠性，可以采取適當的質量控制手段進行失效預防。

1）嚴格控制電連接器的制造工藝過程：電連接器的機械連接與工藝過程密切相關，產品的工藝可靠性，如焊接或壓接質量出現問題，會在早期暴露出來，通過嚴格控制電連接器的工藝過程，進行必要的檢測篩選，可以減少由于產品自身問題引起的失效。電連接器的其他問題，如電鍍工藝引起的連接問題，不會早期暴露出來，但經過一定環境或磨損后會出現批次性的問題，使用前有必要進行抽樣檢查，進行破壞性結構分析，提出改進措施，嚴格控制好鍍層的形態、厚度。

2）對使用環境、應力條件進行評價：電連接器的實際使用條件千差萬別，在產品設計及選材時并不能完全適應各種環境，因此在特定條件使用時，最好進行環境或應力水平可靠性評價試驗，避免出現批次性的失效問題。

3）安裝、使用準確到位：電連接器通常配套使用，由于安裝不到位，不對中及非正常的變形、磨損會導致連接器出現接觸不良、斷路等失效現象，應避免野蠻操作，異常應力影響。

4）可根據需要增加一些早期的試驗，如鍍層結合強度試驗、結構分析、環境試驗，振動試驗等，盡早暴露問題。

3 結論

1）電連接器機械連接失效表現為多種失效模式，與工藝過程，使用過程密不可分，焊接、壓接、安裝和應力狀態是機械連接的薄弱環節。

2）機械連接失效通常在使用過程中暴露出問題，對應用于要求比較高的產品，可進行早期的篩選和評價試驗，提高使用可靠性。