溫濕高交變環境荷電連接器失效分析和可靠性改進

王孝利，范小平，張勇強，徐亞莉

(1.空軍裝備部駐綿陽地區第二軍事代表室； 2. 四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000)

1 前言

裝在飛行器中沒有溫度控制和非增壓艙內的電子設備，在地面的高溫高濕環境中，所有的腔體都充填濕熱的空氣，當飛行器飛離場面每升高1000米大氣溫度降低6℃，在高空中腔體內容納的濕熱空氣因為相對濕度大于水的飽和蒸汽壓而持續凝結為水膜覆于金屬和非金屬的表面，萬米高空大氣的溫度是零下30℃以下，水膜轉變為冰膜。雖然隨著氣壓的降低腔體內的水汽會隨腔內空氣釋放部分排放，但水汽排放遠遠低于空氣釋放，因為水分子凝結為主要的變化在先。飛行器返回地面的過程中，腔體內的水或冰膜來不及蒸發，而腔體內的氣壓遠遠低于地面大氣壓，地面的濕熱空氣填充到腔體內，飛行器再次升空時，腔體內濕熱空氣中的水分又多數凝結在腔體內。飛行器并不需要一定飛到高空中，因為只要有1000米高度產生的溫降，就可以產生"空氣除濕"的效果。飛行器反復的升降，可以在非氣密的腔體中產生大量的積水，對于飛行器上的電子產品必然產生電化學腐蝕甚至電解腐蝕的風險。

對于使用環境更為惡劣的水上飛機、艦載飛機而言，進入非氣密腔體的濕熱空氣，是帶有大量鹽分的，電化學腐蝕和電解腐蝕的風險比內陸機場停放的飛機要大得多。一般而言，對飛機上的電子產品的防護與控制措施，是對各種電纜插頭、插座進行清洗，并用電熱吹風加溫排潮后，均涂DJB-823保護劑，連接固定好后再用聚氯乙烯薄膜，防止潮濕空氣和水分進入其內部。對于裸露在飛機表面的特設部品件，如油泵底座、電動機構外殼等可用防水膠進行表面噴涂；對電臺鋼索天線等表面均勻涂抹一層三號船用潤滑脂[1]。

飛行器上使用的電連接器，分布在里外不同的環境中，在增壓艙內使用環境較好，而非增壓艙甚至靠近起落架附近、發動機噴氣口附近的場所，就是惡劣的環境條件。傳統的電連接器，基于重量的考慮，使用環境良好的飛行器內部可使用化學鍍鎳的鋁合金殼體，而其他環境中一般多采用鍍鎘的鋁合金殼體，近年已大量被PEEK復合材料、PEI復合材料連接器取代[2][3]，復合材料殼體的鍍層有鍍鎳和鍍鎘兩種，國內的這種替代基本上才開始，在溫濕高條件下的測試是完備的，但電解腐蝕和酸性大氣的腐蝕有待深入研究。氣密封連接器基本上沿襲可伐合金玻璃封接組件的，有一些電解腐蝕的案例是值得深入研究，以提供更可靠的電連接系統。

2 荷電連接器溫濕高條件下的電解腐蝕腐蝕案例分析

2.1 直流電源密封連接器插座內導體橫斷

如圖1、圖2、圖3是機載直流電源插座在使用過程中發生的插針根部和桿部腐蝕折斷的狀態。原因就是電源連接器頭座插合是非氣密的，始終處于帶電狀態，PIN間存在較大的電位差，斷針與周圍接觸件之間電位差最大約30伏，且處于正電位上。飛機在南方地面高溫高濕的大氣中停泊，在地面和高空之間往返，由于在橡膠界面墊上下形成大量積水，就發生玻璃體界面上插針電解腐蝕，即圖1所示上折斷；積水更多時浸到接觸對的插合部位以上時，就在插針和插孔的接觸點附近發生電解腐蝕折斷，如圖2；圖3顯示不同的插針針桿上因為正電位值不同導致不同的電解腐蝕程度。

圖1 機載直流電源插座在玻璃絕緣界面折斷

圖2 機載直流電源插座在針孔插合部位折斷

圖3 機載直流電源插座在針孔插合部位折斷面放大圖

2.2 非氣密的矩形多芯連接器帶電溫濕高試驗的腐蝕

2.2.1 產品描述

圖4為早期溫濕高帶電測試試驗發生過電解腐蝕的J29M插頭座結構圖。

圖4 J29M插頭座結構圖

產品為機柜間使用的矩形產品，具備多模塊混裝、多級浮動、快速鎖緊等功能。能實現多信號組合傳輸(差分、光、電源、普通信號等)，能提供較大的安裝誤差補償，能實現快速盲插。

外殼為鋁合金鍍化學鎳，接觸件為銅合金基材鍍鎳1.27微米鍍金1.27微米。

2.2.2 溫濕高試驗條件

根據GJB150-19-86軍用設備環境試驗方法 溫度-濕度-高度試驗[4]，荷電狀態試驗曲線如圖5

圖5 溫度-濕度-高度試驗曲線

2.2.3 試驗的結果

圖6為非密封的J29MZ2P2-AE15H-BD14H-CR49H-M和J29MZ1P1-AE16H-BD22H-CR66H-M矩形連接器插座，在隨整機按GJB150.19做完兩天溫濕高試驗(每天有14個小時通電狀態，PIN間最高電壓30V)之后，安裝板端面有綠色多余物出現的現象。

圖6 通電溫濕高試驗后PPS安裝板表面出現綠色多余物

該產品為機柜間使用的矩形產品，具備多模塊混裝、多級浮動、快速鎖緊等功能，能實現多信號組合傳輸(差分、光、電源、普通信號等)，能提供較大的安裝誤差補償，能實現快速盲插，初期未得到溫濕高工況條件輸入，在帶25V-31V負載電壓(連接器外殼接地、內導體間存在電位差)的情況下按GJB150.19-1986中第4.3節進行了兩天溫濕高試驗，因為此型號連接器頭座之間不具備密封性能，試驗時水汽進入連接器頭座對插面之間形成的腔體內，溫度從高溫轉變為低溫時，在接觸件與外殼之間的玻纖增強聚苯硫醚安裝板表面結露形成水膜，接觸件之間和接觸件與外殼之間絕緣電阻大大下降，接觸件之間和接觸件與外殼之間形成電壓差，據了解該電位在25V左右，足以使絕緣安裝板表面高電位處的水膜離解產生原子氧，氧化聚苯硫醚等高分子成CO2、SO2等電解質分子并溶解入水膜中，加上殘留的氯離子等形成比純水導電性高成百上千倍的電解質，加速水分子電解過程，并形成正反饋電解腐蝕機制。在陽極電位作用下接觸件的底鍍層透過鍍金層孔隙發生電化學溶蝕，內部底鎳鍍層在陽極下失去電子，形成水合鎳離子和碳酸氫鎳水膜溶液；在相對的低電位或接地的金屬表面，水膜電解析氫，形成含氫氧根的堿性水膜；在電場作用下水合鎳離子、碳酸氫鎳往負電位區域遷移，并與從陰極區域擴散出來的氫氧根離子反應，在安裝板表面生成淺綠色堿式碳酸鹽。

雖然該失效模式通過插針涂覆電接觸保護劑、頭座插合界面增加硅橡膠壓縮密封、頭座尾部電線界面灌膠密封得到解決，但這些不是解決電解腐蝕的全部，而且不能作為解決電解腐蝕的治本方案。

2.2.4 產品的改善和持續改進方向

初始狀態的連接器頭座對插到位后，頭座外殼之間最大間隙0.2mm，頭座對插面安裝板間間隙0.5mm。針對該產品改善的方案是用硅橡膠界面墊填補頭座對插面之間的間隙，水汽進入外殼之間間隙卻無法到達頭座對插面之間的安裝板表面，無水膜形成，接觸件之間和接觸件與外殼之間絕緣電阻得到了保障。同時，也阻擋了電解溶蝕環境的產生，保證連接器在濕熱環境下的正常使用，增加了連接器的可靠性，模擬試驗證明能有效防范溫濕高情況下的電解腐蝕。

通過界面墊密封阻止水汽進入防止溫濕高工況下的電解腐蝕，但是如果呼吸作用不可避免時，如何最大限度降低電解腐蝕的風險？除此之外，因為連接器常用殼體是鋁合金基材，鍍層是化學鍍鎳，屬于典型的陰極性鍍層，潮濕條件下，鍍化學鎳的鋁殼體易發生電化學腐蝕，發生鍍層起泡、掉皮的現象，鋁合金鍍鎘能抵抗較強的常規鹽霧腐蝕，但不能承受電解腐蝕。顯然，殼體和接觸的耐蝕性提升是持續改進的方向。

3 連接器在溫濕高工況條件下可靠性的改進方案

3.1 復合材料殼體連接器的應用推廣

基于重量輕、耐蝕性好的優點，耐環境復合材料連接器目前從材料、注塑和電鍍工藝技術到標準已非常成熟，與國軍標GJB3234-1998《耐環境復合材料外殼高密度小圓形電連接器及附件總規范》等效的美軍標為MIL-C-29600，是由美國海軍航空系統司令部1989年12月30日發布的，后來升級為MIL-DTL-29600，PEEK和PEI復合材料連接器已廣泛用于飛行器中。

當采用復合材料連接器時，連接器整體的技術性能也比鋁合金殼體要提高很多，表1 對這兩類連接器的基本指標進行比較。

表1 D38999系列Ⅲ復合材料與鋁合金材料連接器技術參數比較

就復合材料鍍化學鎳的殼體而言，在2000小時中性鹽霧試驗、240小時酸性鹽霧和28天酸性大氣腐蝕試驗后，都沒有鍍層腐蝕，只有外觀方面的氧化變色，遠遠優于其他材料和鍍層的抗蝕能力。圖7為復合材料連接器及2000小時鹽霧試驗后殼體的外觀比較。

圖7 復合材料連接器殼體2000小時鹽霧試驗前后外觀比較

使用電導率20μs/cm的水(模擬略有污染的濕熱空氣凝結水)作介質，室溫條件，316L不銹鋼板作陰極，以復合材料化學鍍鎳殼體陽極，陰陽極最小距離1.0mm，陰陽極之間用PP布隔開，電解電壓12V，進行電解，8小時無明顯腐蝕。

可見，PEEK復合材料連接器在機械強度方面能滿足使用，耐環境腐蝕能力遠遠優于鋁合金鍍鎳，而且殼體比鋁合金減重40%，值得溫濕高工況條件廣泛推廣。

3.1.2 內導體使用新的鍍層組合替代鍍鎳打底鍍金

銅合金基體接觸件鍍鎳打底鍍金，抗鹽霧腐蝕能力并不強，更不能抗電解腐蝕，包括手汗電解腐蝕，在連接器中也有成熟的解決方案，其中蘋果手機數據線插頭鍍層是鍍鎳、鍍金和銠釕合金的組合，成本太高，已開始采用銀鈀合金與金的組合抵抗手汗電解腐蝕。納米鎳鎢合金打底鍍金也具備良好的耐鹽霧腐蝕能力和電解腐蝕能力，這些應用都可以作為技術演進的參考。

3.1.2.1 納米銀鈀打底鍍金的可行性

同樣的銅基材接觸件，普通鍍鎳2微米打底鍍金1.27微米，耐中性鹽霧能力96小時；而含鈀10%的銀鈀合金為納米晶態鍍層，以5微米厚度的銀鈀打底再鍍金0.2微米，耐鹽霧能力從96小時提升至1000小時，機械壽命從500次提升至2000次，產品性能無任何下降。

對于抗電解腐蝕的能力，以自來水為介質，不銹鋼板作陰極，試驗對比樣件作陽極，電壓12V，電解時間對比Cu/Ep.Ni1.5/Au0.3、4J29/Cu2Ni3Au1.5、Cu/Ep.AgPd5Au0.2，電解腐蝕變化如下:

基體和鍍層組合4J29/Cu2Ni3Au1.5Cu/Ep.AgPd5Au0.2Cu/Ep.Ni1.5/Au0.3自來水中電解腐蝕表現24分鐘變金紅色,尖端變黑紅鐵銹1小時20分鐘,水和空氣交界面變黑1小時2分鐘明顯出現藍綠色銅綠自來水中12V陽極電解6小時后鍍金件外觀陽極電解腐蝕表現描述可伐合金鍍件首先出現腐蝕變色,其次是常規的銅基體鍍鎳鍍金,最后是銅基體上銀/鈀鎳加金鍍層,6小時后可伐合金和Cu/Ni/Au都嚴重腐蝕,但Cu/AgPd/Au只有界面和尖端明顯變黑

可見，銀鈀打底鍍金不僅具有優越的插拔壽命性能，優異的抗鹽霧腐蝕能力，在含有向量氯離子的水中也具有卓越的電解腐蝕能力，適合作為溫濕高荷電工況條件的接插件鍍層。

3.2 氣密封連接器的改善方案及驗證

外殼使用316L不銹鋼或者4J28合金，基于減重的考慮還有鈦合金作為更好的選擇；內導體建議使用鎢銅合金。

316L不銹鋼或者4J28合金的耐蝕性是可伐合金鍍鎳鍍金的20倍以上，鈦合金殼體的耐蝕性更加優越。

鎢銅合金作內導體有兩個重大的突破性優勢。一方面鎢銅導電率遠遠高于可伐合金，導電能力比可伐合金高5倍以上，可以用小直徑接觸件通大電流，大幅提高連接密度； 另一方面，鎢銅上鍍非晶態的高磷鎳10微米的話，耐鹽霧能力達到1000小時以上，可以長時間進行24V以下的陰極和陽極自來水電解，比如12V 8小時電解沒有顯著的腐蝕，因為高磷鎳可以作為堿性溶液電解制氫的電極，當然鎢銅上鍍高磷鎳再鍍金，可以降低接觸電阻，但因為金與鎳磷鍍層的電位差存在，抗電化學腐蝕(如鹽霧腐蝕)能力會下降，而抗電解腐蝕方面因為在薄金層孔隙下的金鎳界面產生氣體，長時間作用使薄金層起皮。從自身耐蝕性和錫釬焊接點機械強度對的焊接可靠性保證講，鎢銅基體上鍍納米晶態的鎳鎢合金打底鍍金比高磷鎳打底鍍金更為可取。

鎢銅作為內導體制造玻璃封接密封組件，鍍納米鎳鎢合金打底鍍金、或者高磷鎳打底鍍金、或者鍍納米銀鈀合金打底鍍金，都能得到遠遠優于常規鍍鎳鍍金接觸件抗陽極電解腐蝕的能力，作為溫濕高荷電工況下的非氣密插合使用是可行的。

4 結語

在溫濕高環境中荷電使用的連接器，需要特別提防電解腐蝕的發生，連接器盡量在氣密的空間中使用。如果工況環境沒法保證氣密的空間，應從連接器自身的密封性和抗電化學腐蝕和抗電解腐蝕能力去改善。鋁合金的殼體變更為高強度樹脂基復合材料，以高磷鎳實現表面金屬化，可以實現減重的同時保證超級良好的耐蝕性；對頭座插合后不能氣密的連接器，其銅合金基體的內導體，用銀/鈀/金或者銀鈀/金鍍層可獲得遠遠優于當前鎳2微米金1.27微米常規組合的耐電化學腐蝕和電解腐蝕的能力；對頭座插合后不能氣密的可伐合金玻璃封接組件，采用鎢銅合金代替可伐合金，并以銀鈀合金或鎳鎢合金代替鍍鎳打底鍍金，將得到充分的抗腐蝕能力包括電解腐蝕的能力。以上措施，是基于第一性原理對溫濕高環境中荷電使用的連接器可靠性提升的方案。