汽車控制單元連接器端子失效的原因

趙令國,趙目龍,張 靖

(1.中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長春 130011； 2.一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長春 130011)

汽車控制單元連接器作為控制單元與外界連接的橋梁，其工作穩(wěn)定性將直接影響控制單元的供電及電信號的傳輸質(zhì)量，甚至影響整車可靠性與車輛安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%～60%的電氣故障與連接器有關(guān)[1-2]。

汽車用原廠標(biāo)準(zhǔn)連接器在開發(fā)過程中通常需要經(jīng)過各類嚴(yán)格的測試驗(yàn)證[3]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，受控制單元機(jī)械本體接口尺寸的限制，控制單元端連接器往往是各控制單元廠家專門定制，而線束端連接器則使用原廠標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。由于出現(xiàn)這種新的連接器組合，在控制單元的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程中，應(yīng)特別關(guān)注與連接器相關(guān)的電氣性能。

造成連接器失效的外部因素主要包括溫度、氣體腐蝕、濕度和震動[1]。端子是連接器的核心部件，負(fù)責(zé)給控制單元提供低阻抗的導(dǎo)電通路，需適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。震動和溫度變化會引起端子之間的摩擦腐蝕，導(dǎo)致端子接觸區(qū)域材料磨損產(chǎn)生碎片及發(fā)生氧化，是端子失效的主要原因。國內(nèi)外研究者對端子失效過程進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究[4-8]。研究發(fā)現(xiàn)端子之間的摩擦腐蝕主要受微滑摩的頻率、幅值，所處溫度，施加接觸力，施加電流的影響。適當(dāng)提高溫度及施加電流可以減緩微滑摩的不利影響，這是由于溫度的提升可以使得表面金屬變得柔軟，降低材料磨損，而施加電流則可以通過電擊穿氧化層延遲接觸電阻的增加，但過高的溫度和電流均會加速接觸表面材料的氧化。此外，駱燕燕等[9]在溫度循環(huán)試驗(yàn)中研究了導(dǎo)致端子接觸力降低的材料微觀組織演化機(jī)理。

本工作以某實(shí)際應(yīng)用的汽車控制單元連接器為例，通過溫度交變的溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)?zāi)M控制單元的工作情況，分析了導(dǎo)致連接器端子失效的相關(guān)原因。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

控制單元端端子基材為CuZn30，表面鍍錫，并且在CuZn30基材和錫鍍層中間增加鎳鍍層作為中間層。 線束端端子基材為CuFe1.5, 表面鍍錫。錫鍍層厚度控制在3 μm左右，鎳鍍層厚度約1.75 μm。

1.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)可以模擬汽車在使用壽命期間由于環(huán)境溫度及自身工作發(fā)熱導(dǎo)致的產(chǎn)品熱負(fù)荷變化情況。針對控制單元和對配線束在整車的安裝位置，設(shè)計(jì)了溫度循環(huán)曲線，并通過Coffin-Manson模型公式[10]計(jì)算得到溫度循環(huán)次數(shù)為1 000次，具體條件見圖1。其中，最高溫度和最低溫度的保持時(shí)間均為30 min。在每次低溫階段結(jié)束前5 min，控制單元開始工作，并在整個(gè)升溫及高溫保持時(shí)間內(nèi)持續(xù)工作。控制單元的實(shí)際應(yīng)用共設(shè)置4個(gè)工作模式，分別代表準(zhǔn)備工況、怠速工況、最惡劣工作工況、正常工作工況，各個(gè)工作模式依次交替進(jìn)行，控制單元工作電壓設(shè)定為14 V，工作電流設(shè)定為0.5～8 A，控制單元和對配線束連接器保持連接狀態(tài)。試驗(yàn)中溫度控制采用VTS7048-15型快速溫度交變測試箱。

圖1 溫度循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature cycle

1.3 供電電壓監(jiān)控

通過采集電壓信號監(jiān)控控制單元在高溫階段結(jié)束前的供電電壓Vin的變化情況，監(jiān)控電路如圖2所示。Vin可以表征供電環(huán)路的阻值增加情況。正常Vin應(yīng)該與外部供電電壓Vb基本相同，但隨著端子接觸電阻阻值的增加，Vin會不斷減小。當(dāng)Vin的壓降(較試驗(yàn)開始的初始值)達(dá)到0.5 V時(shí)，判定端子失效。

圖2 控制單元供電電壓監(jiān)控電路Fig.2 Monitoring circuit of controller′s supply voltage

1.4 分析方法

使用MERLIN COMPACT型掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)后失效端子的接觸區(qū)域、非接觸區(qū)域及橫截面進(jìn)行形貌觀察和成分分析。通過端子橫截面形狀變化判斷端子接觸力的變化。此外，通過熱成像技術(shù)分析控制單元電路板的發(fā)熱對端子失效的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 失效端子外觀

在溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)中后期，控制單元連接器端子出現(xiàn)損壞情況。由圖3可以看出，相對于線束端端子，控制單元端端子損壞情況更為嚴(yán)重，端子周圍護(hù)套材料甚至出現(xiàn)了融化的現(xiàn)象。其中，損壞最嚴(yán)重的為供電電源和供電地端子。

2.2 供電電壓

在溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)中，對3個(gè)樣品在每個(gè)溫度循環(huán)的供電電壓進(jìn)行監(jiān)控，如圖4所示。其中，樣品3中途兩次插拔連接器，可以看出插拔動作使得控制單元供電電壓得到暫時(shí)恢復(fù)，但并沒有因此改變其失效的速度。其主要原因?yàn)椋翰灏慰梢郧宄舳俗颖砻娓咦钁B(tài)的氧化材料，從而使端子之間的接觸電阻阻值得到短暫恢復(fù)。從3個(gè)樣品的數(shù)據(jù)可以看出，樣品2數(shù)據(jù)表現(xiàn)穩(wěn)定，滿足壓降低于0.5 V的要求。而樣品1、3則分別在450和200個(gè)循環(huán)附近出現(xiàn)失效，這說明端子失效存在離散性。因此，只有樣品達(dá)到一定數(shù)量且全部樣品通過試驗(yàn)才能視為試驗(yàn)通過[10]。

2.3 電路發(fā)熱分析

在常溫下讓控制單元連接器按照最惡劣工作工況進(jìn)行工作，得到其熱成像圖，如圖5所示。由圖5可以看出，在工作10 min后，失效嚴(yán)重的供電電源和供電地端子區(qū)域溫度明顯高于其他端子區(qū)域，而這些端子與控制單元電路板發(fā)熱嚴(yán)重的芯片區(qū)域接近，這說明電路板不均衡發(fā)熱會通過熱傳導(dǎo)的方式影響端子本身的工作溫度。

(a) 線束端端子

(b) 控制單元端端子圖3 失效端子的外觀Fig.3 Appearance of failed terminals on harness side (a) and controller side (b)

(a) 樣品1

(b) 樣品2

(c) 樣品3圖4 循環(huán)數(shù)與控制單元供電電壓的關(guān)系Fig.4 Relationship between supply voltage of controller and cycle number for samples from No.1 to No.3 (a, b, c)

圖5 控制單元熱成像圖Fig.5 Thermal imaging picture of controller

2.4 材料分析

對全新控制單元端端子、控制單元端端子損傷區(qū)域和非損傷區(qū)域的SEM圖和EDS譜進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6～8。由SEM圖可以看出，端子接觸區(qū)域存在明顯的損傷，這是由于溫度交變過程中端子發(fā)生熱脹冷縮，引起端子之間的摩擦腐蝕，造成表面錫鍍層不斷磨損，而電路板不均衡發(fā)熱產(chǎn)生的熱量通過熱傳遞方式加速了摩擦腐蝕過程，其磨損區(qū)域直徑約為300 μm。從EDS譜可以看出，與全新端子相比，溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)后控制單元端端子損傷區(qū)域的氧原子衍射峰明顯增強(qiáng)，表明其存在明顯的氧化現(xiàn)象；同時(shí)，也可以明顯觀察到Ni、Cu、Zn等元素的衍射峰，這也說明摩擦腐蝕會導(dǎo)致表面金屬層的磨損。控制單元端端子非損傷區(qū)域不明顯的氧衍射峰說明在非磨損區(qū)表面金屬氧化并不明顯，而明顯的鎳衍射峰說明高溫導(dǎo)致的金屬擴(kuò)散并會在錫鍍層和鎳鍍層之間形成金屬化合物[11-12](IMC)，增加端子的接觸電阻，見圖9。

2.5 高溫蠕變

由圖10可見，經(jīng)過溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)后，線束端端子夾緊部分尺寸由494 μm增至556 μm，說明線束端端子發(fā)生了蠕變現(xiàn)象。所謂蠕變就是材料在長時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，且蠕變會隨著溫度的升高而加快[13]。蠕變造成的應(yīng)力釋放會減少端子之間的接觸力，接觸力的減小則使得端子的接觸電阻進(jìn)一步增大[14-15]，如式(1)所示，從而造成局部發(fā)熱嚴(yán)重。

Rc=KcFc-n

(1)

式中：Rc為接觸電阻；Fc為接觸力；Kc,n均為計(jì)算系數(shù)。

(a) SEM圖

(b) EDS譜圖6 全新控制單元端端子的SEM圖和EDS譜Fig.6 SEM image (a) and EDS spectrum (b) of new terminal on controller side

(a) SEM圖

(b) EDS譜圖7 控制單元端端子損傷區(qū)域的SEM圖和EDS譜Fig.7 SEM image (a) and EDS spectrum (b) of damaged region of terminal on controller side

3 結(jié)論與建議

以某實(shí)際應(yīng)用的汽車控制單元連接器端子為研究對象，通過監(jiān)控供電電壓記錄了其在溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)中的失效過程，試驗(yàn)結(jié)果表明端子失效存在一定的離散性。

(a) SEM圖

(b) EDS譜圖8 控制單元端端子非損傷區(qū)域的SEM圖和EDS譜Fig.8 SEM image (a) and EDS spectrum (b) of normal region of terminal on controller side

圖9 控制單元端端子截面圖Fig.9 Cross-section diagram of terminal on controller side

通過電路熱成像分析、SEM及EDS觀察分析端子橫截面微觀形貌及微區(qū)化學(xué)成分可知，電路板不均衡發(fā)熱及環(huán)境溫度交變引起的摩擦腐蝕、材料氧化、金屬擴(kuò)散及金屬蠕變等因素的共同影響是造成端子失效的主要原因。

(a) 試驗(yàn)前

(b) 試驗(yàn)后圖10 溫度循環(huán)耐久試驗(yàn)前后線束端端子截面圖Fig.10 Cross-section diagrams of terminal on harness side before (a) and after (b) temperature cycle endurance test

電路板不均衡發(fā)熱涉及到控制單元的熱設(shè)計(jì)，電路板的區(qū)域集中發(fā)熱會通過熱傳導(dǎo)的方式導(dǎo)致失效端子區(qū)域溫度高于其他區(qū)域。因此，實(shí)際應(yīng)用中可以通過避免發(fā)熱器件的過度集中及增加散熱途徑等方法改善電路板的區(qū)域集中發(fā)熱，避免端子失效的再次發(fā)生。而摩擦腐蝕、金屬擴(kuò)散、金屬氧化及蠕變均會直接導(dǎo)致端子接觸電阻的增加，繼而以焦耳熱的形式提高端子溫度，加速失效過程。因此，改進(jìn)端子金屬材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升電流承載能力，也是避免端子失效的有效方法。