探針電連接件的退化失效及壽命分析

鄒振東 李興圣 肖同軍 賈云飛 卞雷祥

摘要：從一款探針電連接器使用時的快速退化失效現象出發，提出了基于失效原因的可靠性建模方法。通過分析指出其失效原因是負載電流過大導致工作溫升過大，從而導致加速失效，仿真驗證時通過設置合理的仿真參數保證了仿真結果的可靠性。進行了溫度應力下的壽命建模，數據上結合了仿真給出的溫度-電流關系和使用時的壽命次數-電流關系。方法上采用了 Arrhenius溫度應力退化模型和退化速率線性假定，綜合考慮了失效閾值的動態影響，給出了壽命次數-溫度模型，建模結果與實際壽命數據有著較好的擬合效果，并利用模型給出探針使用和改良指導。該過程與一般的基于加速退化實驗的建模方法比較，數據依賴度小，可行度高，可為工程人員提供一種實用的連接器失效分析方法。

關鍵詞：電連接件;失效分析;有限元仿真;壽命建模

中圖分類號：TM56???????????? 文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0029-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Degradation Failure and Life Analysis of Probe Electrical Connector

Zou Zhendong1，Li Xingsheng2，Xiao Tongjun2，Jia Yunfei1，Bian Leixiang1

（1. School of Mechanics， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China;

2. Xili ZTE Industrial Park， ZTE， Shenzhen， Guangdong 518000， China）

Abstract： A reliability modeling method based on the failure reason was proposed according to the fast degradation failure phenomenon of a probe electrical connector. It was pointed out that the failure reason was that the load current was too high and made the temperature rise too high， which led to the acceleration failure. The reliability of the simulation results was ensured by setting reasonable simulation parameters. The life modeling under temperature stress was carried out， and the temperature current relationship given by simulation and the life times current relationship in use were combined in the data. The Arrhenius temperature stress degradation model and the linear assumption of degradation rate were adopted in the method， and the dynamic effect of failure threshold was taken into account. The model was used to guide the use and improvement of the probe. Compared with the general modeling method based on accelerated degradation experiment， the process had less data dependence and higher feasibility， which could provide a practical connector failure analysis method for engineers.

Key words： electrical connector; failure analysis; finite element simulation; life modeling

0 引言

電連接器是電力器件中的基礎元件，主要用來完成信號的運輸，導通。電連接的失效并不少見，據統計，電子系統中40%的故障都是由電連接器的失效造成的[1]，因此，分析連接器的失效形式并進行壽命預測是十分重要的。

本文基于一種探針電連接器過快失效的現象，進行了失效分析和壽命建模兩部分的工作。針對連接器的失效，楊奮為[2]指出研究過程應分為原因分析，故障假設和最終判定等過程。而在分析與判定過程中，有限元分析可直觀揭示出其結構或載荷不合理之處，降低分析難度。如白永恩等[3]利用有限元分析實現了連接件的疲勞分析和優化。程毅等[4]通過有限元法揭示了鏈輪軸的失效問題。本文也同樣采用了有限元方法揭示失效原因，并通過合理的仿真參數設置確保仿真結果的準確性。

在獲得失效原因后，進行連接器的可靠性指標建模，郭婧宜等[5]對連接器的建模過程進行了綜述，指出建模過程一般分為加速實驗，數據處理和指標建模等部分。考慮到進行加速實驗要求較高，本文利用了加速退化速率模型和線性過程假定代替實驗過程，結合仿真數據，推導獲得了數據依賴度較小的平均使用壽命次數—溫度模型，擬合效果較好。整個分析過程可行性高，提供了一種實用的連接器失效分析建模方法。

1 探針連接器失效分析

1.1 探針失效類型分析

該探針是一種 Pogo—pin彈簧針，用于一套測試設備的連接，每次測試時間恒定，按照額定壽命換算，其使用次數在12000次左右，但是實際使用幾千次后就導致了測試設備輸出失真，即探針發生失效。失效探針實物如圖1所示。

根據工廠所統計的使用壽命經驗值，不同電流負載下的壽命次數平均值如表1所示。

探針失效形式主要分為電接觸失效、絕緣失效和機械失效[6]。本探針未發生絕緣效應以及結構破壞，所以屬于電接觸失效。其針桿與針套發生摩擦接觸的部分明顯變黑，可確定是由表面氧化導致的電阻增值過程，樣品的電阻測試結果表明，未使用探針的電阻在1 mΩ左右，失效連接件的整體電阻普遍增大，變化幅度在30%到100%不等。

電連接器的失效往往由多種原因混合作用導致，包括溫度、濕度、振動、塵埃[7]等等，但是分析時并不需要考慮所有因素，因為在正常工況下的使用失效是滿足壽命要求的，而加速退化失效往往是由某個因素過大導致的，本探針使用時的環境濕度、振動等因素都在合理范圍內，而工作電流較高，可判斷其加速失效原因是工作溫升較大導致的快速氧化失效。

1.2 探針工況有限元仿真

為了驗證探針失效原因，通過仿真測試頂針工作時的溫度，仿真過程如下。

基于連接件的具體形狀，測量后建立三維模型，導入 Workebench 平臺，使用金屬板作為探針觸點接觸對象，探針預先壓縮1 cm ，作為穩態連接時的接觸模型。建立觸點接觸對和彈簧與內壁的接觸對，接觸類型為 bonded。

進行網格劃分，由于小體積結構的仿真精度與網格密度相關[8]，對接觸對和針尖等進行局部網格細化，器件共劃分成84073個單元，213943個節點。如圖2所示。

接下來是施加約束條件，在端面施加電流載荷，耦合接觸面電勢，仿真結果的可靠性主要依賴于換熱邊界條件的確立。熱平衡伴隨著熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式，其穩態熱平衡方程如下：

式中： Qw 為電生熱功率;λ為熱導率; he 為對流換熱系數;σ為史蒂芬—玻爾茲曼常數;ε為材料相對黑體的輻射率; T1為壁面溫度;T0為空氣溫度;A1和AS 為導熱和換熱面積;仿真時可設置接觸處熱導率λ為材料熱導率。

對流換熱系數取值與多種因素有關，可采用以下經驗式計算[9]：

輻射換熱可作如下變換[10]：

總換熱系數可表示為：

仿真時可建立換熱系數隨溫度的表向量，并在施加對流換熱邊界條件時調用。

施加電流負載，15 A 下頂針工作電勢分布如圖3所示。 15 A 下的電壓降為0.0148 V ，電阻為0.98 mΩ，符合實際情況。

施加負載范圍為10～40 A ，獲取不同負載下的溫升數據，仿真結果表明，探針整體溫升分布較為均勻，其在不同負載下的平均溫升如圖4所示。對于連接器的溫升問題，技術人員早就注意到其影響，高溫下工作的器件其材料性能，電氣性能以及退化速率都會發生明顯變化。接觸件材料具有正溫度系數，溫度升高時其電阻率會增大，導致電阻增大。同時高溫下其材料表面彈性模量降低，材料變軟，而探針材料工藝采用的是以黃銅為基體，先鍍一層較厚的鎳，再鍍一層較薄的金，工作時伴隨著表層金變軟產生更多的摩擦損耗，漏出鍍鎳層或基體銅，在空氣中氧化，并在表面產生堆疊，氧化物導電性差，也因此導致整體電阻的增大，進而引起失效。國標 IEC61984規定了各類材料的電連接器的允許溫升一般為70～120℃，而該器件的溫升在20 A 之后都明顯過大，可確定高溫導致了退化失效的加速。

應用冪函數模型來擬合初態工作溫度和電流的關系，擬合工具采用 Matlab的 Cftool ，結果如下：

確定系數 R-square為0.9991，擬合結果較好。

2 加速退化模型

2.1 Arrhenius模型

針對溫度應力下的器件加速失效過程，可采用 Arrhenius模型[11]來描述其反應速率與溫度應力的關系。其表達式如下：

式中： V 為溫度應力下的退化速率; T 為溫度應力水平; A 為常數;Ea 為材料相關的激活能;k 為玻爾茲曼常數。

2.2 IPL模型

IPL （逆冪率）模型是與 Arrhenius 模型類似的常用模型，主要用于電壓擊穿，機械疲勞等場景下的退化過程。

式中：A 為常數;m 為與激活能有關的數。

2.3 綜合應力加速模型

廣義 Eyring模型[12]可用來衡量兩種不同應力作用時的退化速率和加速應力的關系：

式中： T、V為表征兩種加速應力水平的大小。

由于該探針使用時只受到溫度加速應力的影響，所以采用 Arrhenius模型衡量其退化失效的速率。

3 壽命—溫度模型

3.1 失效閾值分析

本探針退化失效的結果是結構電阻的增大，屬于軟失效過程，而衡量失效的依據是測試設備的輸出電壓波形出現一定程度的失真。本探針中的失效量為結構上的附加接觸電阻，附加電阻作為電路上的參數，經過電路上一系列轉化。放大過程最后導致輸出失真。而在通以不同的電流負載時，同一探針所產生的影響程度往往不同，生產測試時，在大電流下無法應用的探針往往在小電流負載下仍可以正常使用，失效探針測量時的電阻波動性也證明了這一點。所以需針對不同的電流負載情況，對失效閾值進行動態調整。考慮該探針所應用的設備為電壓輸出，以探針壓降作為恒定參考值，即電流負載較大時電阻閾值較小，負載較小時閾值較大。兩者應成反比關系。即： H = S/I 。

結合仿真擬合公式（5），閾值 H 與初始溫度的關系為：

3.2 退化速率分析

根據 Arrhenius模型，退化速率是溫度的函數。在退化過程中，隨著整體電阻的增大，探針工作溫度也在增加，所以退化反應速率也在增加。假設探針使用接近失效時的溫度與初始溫度的關系為：

則最高退化速率為：

將退化速率的變化視為線性過程。則平均速率可表示為：

式中：前后兩項分別為最小和最大退化速率。

3.3 建模

建模流程如圖5所示。

假設探針一次工作時間為 t ，使用次數為φ，則壽命次數表示如下：

結合式（7） 和式（8），整合式中參數，總的壽命次數與溫度應力關系可表示為：

利用表1中的壽命次數平均值作為壽命期望值，電流自變量變換為仿真結果中對應的溫度值，利用 cftool進行多次擬合，取最佳擬合狀態。可得平均壽命次數與溫度應力的關系為：

其擬合確定系數 R-square為0.9688，顯示該模型與結果的退化規律適應性較好。模型表明，使用壽命次數隨工作溫度的增加而減少，程度趨于平緩。溫度壽命曲線擬合如圖6所示

4 應用分析

在對電連接器進行失效分析之后，需要針對失效原因進行改進，措施主要有兩種，一種是減少引起加速退化的因素，其二是提高連接器的抗老化能力。如本探針中可考慮減小負載電流，若需求壽命為6000次以上，可將溫度控制在140℃以下，換算得負載電流不超過20 A。

若導致加速退化的因素本身是設備所要提供的功能，如設備工作時必須承受較高的應力或較大的電流等，則需要對連接器進行改進，同類型連接器的退化規律大致相同，因此可考慮改變連接器的尺寸參數。該探針若想保證大電流下擁有較好的使用壽命，可通過增大結構厚度來降低總電阻，從而降低工作溫度。通過仿真可快速揭示工作溫度和結構厚度的關系，該探針30 A下使用溫度和結構厚度的關系如圖7所示。

由仿真數據所揭示的關系可知，將溫度控制在70℃以下時可考慮將結構厚度即探針的直徑增大至3.4 mm 以上。

5 結束語

本文主要分析了探針現象及原因，進行了仿真驗證，在分析結論接觸上，建立了探針溫度應力下的壽命模型，結論如下。

（1） 電連接器在正常機械應力下工作時，電流過載產生較高溫升，容易導致存在摩擦接觸部位的器件加速退化失效。

（2） 利用壽命數據與退化速率模型，綜合考慮失效閾值與速率變化，擬合得到了參數 b=4499、c=532、d=138的溫度-壽命次數模型。

（3） 基于失效原因，通過建立壽命與溫度應力的關系模型可有效地指導探針的使用與改進。

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作者簡介：

鄒振東（1996-），男，安徽廣德人，碩士研究生，研究領域為機械設計及仿真。

賈云飛（1977-），男，博士，副研究員，研究領域為嵌入式控制系統，已發表論文20多篇。

（編輯：王智圣）