一種HDMI 高清座母座連接故障的研究分析與改進

張華

（深圳市計量質量檢測研究院，深圳 518055）

引言

HDMI， 高清晰度多媒體接口（ 英文：High Definition Multimedia Interface，簡寫HDMI）是一種數字化視頻／音頻接口技術，是適合影像傳輸的專川型數字化接口，可同時傳送音頻和影音信號．最高數據傳輸速度為5 Gbps。HDMI 高清座接頭是數字音視頻傳輸中不可或缺的組成部分，已成為現代電子產品的主流接口。

HDMI 連接器最初在2004年出現，能夠同時傳輸視頻與音頻信號，而且質量很高。比起VGA 的模擬信號傳輸，HDMI 傳輸數字信號可提供質量更好的圖像信號；比起DVI 僅傳輸視頻信號，HDMI 可以傳輸除視頻信號之外的音頻信號、字幕信號或其他的控制信號，被廣泛使用，現已成為主流的視聽數字傳輸線，產品包括電視、電腦、無人機、云臺、VR 頭盔等。如其發生失效，會導致數據傳輸中斷、數據丟失，視聽產品無法使用的情況，對用戶體驗產生負面影響。因此，研究HDMI 連接器部件的失效原因及失效機理，采取有效的改善措施，具有非常重要的意義。

本文通過對15 %存在接觸不良的HDMI 高清座樣品進行失效分析，最終確定了該產品的失效根本原因，并為企業提出了相應的改進建議。這對生產企業的工藝改進提供了有力證據支撐，有助于企業提高產品的質量和可靠性，同時也為企業后續的產品研發和生產提供了相關的經驗和教訓，有助于企業提升產品設計水平和生產工藝，不斷提升企業所生產產品的可靠性水平。通過本文的研究，我們可以看到失效分析手段在產品研發、生產和使用過程中的重要性，同時也突出體現了工藝改進和質量監控在企業產品質量管理中的重要性[1]。

1 失效樣品描述

企業送檢失效樣品為其所生產的一種HDMI 高清座母座，該產品可應用于多種數據、視頻傳輸及通信產品。

企業所送樣品為5 個，均為HDMI 高清座母座單體，沒有外殼。樣品具體情況如下：3#為上線前樣品，1#、2#、4#、5#為上線后從PCBA 上取下的爐后樣品，1#、4#、5#為不良品，2#為良品。具體樣品信息見表1。

表1 樣品信息表

2 確認失效現象

為確認導致失效樣品接觸不良的的故障原因，必須先確認導致樣品失效的直接原因，樣品的故障原因是斷路和接觸不良。經過導電回路分析測試，發現HDMI 高清座接觸不良的故障，是由于HDMI 高清座母座被污染，而導致連接器的接觸電阻過大所引起，且發現HDMI 高清座母座金手指表面粘染有黑色異物，初步懷疑是黑色異物導致接觸不良，引起通信、音視頻等數據傳輸信號中斷的重要原因。

2.1 外觀檢查

失效位置初步確認為HDMI 高清座母座金手指，顯微鏡發現，樣品結構設計外觀觀察，樣品金手指的前端部分嵌入了高清母座的塑膠外殼里面。經顯微鏡觀察，確認1#～5#樣品金手指表面均粘染有灰黑色異物，1#、4#、5#不良樣品金手指表面黑色異物較多；另外，從外觀檢查的圖片中，可以發現，樣品金手指上有連接器插拔時所產生的摩擦痕跡。典型圖片見圖1和圖2。

圖1 1#樣品金手指顯微鏡觀察圖片（100 X）

圖2 2#樣品金手指顯微鏡觀察圖片（150 X）

通過外觀檢查，可形成外觀檢查結果：

1）1#～5#樣品金手指上的異物為黑色物質，可以初步判斷其為不良導電物質；

2）1#～5#樣品金手指上都有黑色異物，1#、4#、5#不良樣品金手指表面黑色異物較多；

3）樣品金手指上，有接觸對經過插拔后，留下的摩擦痕跡，且有黑色異物聚集在摩擦通道上面。

根據上述外觀檢查結果，下一步需要研究分析以下幾點：

1）用EDS 能譜分析黑色異物的成分分析，確認其是否為非導電物質，從而得到由于黑色物質導致HDMI高清座接觸不良的可能性；

2）確認黑色物質的來源。異物可能來自生產過程、產品其它材料以及使用過程中引入或產生的物質；需要采集產品生產過程中的可能相關物質、產品本身構成材料等分別進行外觀及成分分析，根據各物質分析結果，進行研究比較分析，確認黑色異物的來源。

3）確認如果是黑色物質導致接觸故障，則需要根據分析結果，結合產品機構設計和生產工藝，為企業有針對性的提出改進建議，避免產品相同故障的再次發生。

2.2 電鏡及能譜分析

對1#～5#樣品進行電鏡及能譜分析，發現在樣品金手指表面的黑色異物為不導電物質，且均集中分布在連接器插拔的行程路線上，如果接觸對觸點剛好位于黑色物質上或黑色物質附近區域，這將會導致接觸斷路或者接觸不良現象的產生，從而導致產品連接器接觸不良，產生連接失效，數據傳輸中斷等故障。樣品電鏡及能譜分析的典型圖片見圖3 和圖4。

圖3 1#樣品金手指表面電鏡圖

圖4 3#樣品金手指表面電鏡圖

根據顯微鏡觀察現象及掃描電鏡觀察圖片，樣品金手指前端的塑料件有被摩擦破壞的現象，且黑色異物大量存在于接觸對摩擦痕跡上，有理由懷疑樣品金手指表面異物為連接器插拔時，樣品金手指前端塑膠被刮蹭下來的碎屑[2]。為確認上述推斷是否準確，我們使用SME/EDS 分別對1#、4#、5#樣品和2#、3#樣品金手指表面黑色異物和樣品金手指前端塑膠表面進行成分分析比對。

樣品金手指表面異物和樣品金手指前端塑膠表面成分經EDS 分析比對，其所含元素種類和每種元素比重接近，去除基材物質的影響，基本可以判定黑色異物和樣品金手指前端的塑料為同類物質[3-5]。典型分析數據見圖5～7。

圖5 樣品金手指前端塑膠表面能譜圖（15 kV/Mass%）

另外，為了進一步排查黑色異物是否可能來自于生產過程中，我們還通過電鏡及能譜，對樣品生產過程中用到的錫膏和助焊劑進行了成分分析。

為了保證測試結果的可比性，我們將助焊劑直接滴到樣品金手指上，模擬可能由于生產過程中的工藝問題導致助焊劑污染樣品金手指表面的情況，然后對樣品金手指上的助焊劑進行成分分析。

比較分析黑色異物、錫膏和助焊劑的能譜分析結果，可以排除黑色異物來源于樣品生產過程中所使用錫膏和助焊劑的可能。黑色異物能譜分析圖片見圖6 和圖7，錫膏和助焊劑的能譜分析分別見圖8 和圖9。

圖6 樣品金手指表面異物表面能譜圖（15 kV/Mass%）

圖7 樣品金手指表面異物表面能譜圖（15 kV/Mass%）

圖8 錫膏表面能譜圖（15 kV/Mass%）

圖9 金手指表面的助焊劑表面能譜圖（15 kV/Mass%）

3 分析結論

通過對失效樣品黑色異物、產品塑膠、生產中所用錫膏和助焊劑等各種材料試驗分析的結果，結合產品失效位置外觀檢查及失效產品結構分析。我們可以得到的分析結論是：1#、4#、5# HDMI 高清座母座金手指表面異物均為金手指前端的塑膠碎屑。這些碎屑是由于母座金手指前端的塑膠在插拔過程中被公頭金手指摩擦刮蹭而產生的。這些刮蹭下來的塑膠碎屑會被公頭金手指推動和碾壓粘附在母座金手指表面而形成塑膠膜，從而導致HDMI 高清座母座與公頭金手指的接觸不良。

4 改進建議

為避免上述失效情況，我們給企業提出了相應的改進建議：改進產品結構設計和生產工藝，取消HDMI 高清座母座金手指前端包膠設計，避免由于連接器插拔，導致公頭金手指與母座金手指前端的包膠摩擦脫落而產生的塑膠碎屑。具體改進位置標準見圖10。并且提醒企業根據相關建議，排查改善類似產品設計和生產工藝，提升企業產品整體可靠性水平。

圖10 改善建議圖示

生產企業接受了我們的改進建議，從結構設計上對接觸端子的包膠設計進行了相應的改進，規避了由于接插插拔，接觸摩擦，致器件本身非導電材料脫落，刮擦至接觸對接觸區域，而引起接觸對接觸不良的失效現象。

企業也舉一反三，對其所生產的產品進行了相關結構設計的排查，企業所生產產品的良品率有了較大的提升，產品可靠性水平整體提升，產品的市場占有率和競爭力也得到了提升，取得了良好的經濟效益。

5 結語

針對HDMI 高清座接觸不良的故障，我們通過外觀檢查和EDS 分析進行了確認，發現失效原因是樣品金手指包膠摩擦脫落導致的接觸不良，屬于產品結構設計問題。針對這一問題，我們為生產企業提出了改善建議，建議企業優化調整產品設計結構和制作工藝，加強產品檢驗等措施。企業通過相關改善措施的實施，所生產產品的良品率得到了顯著提高，產品可靠性質量得到了客戶的認可。我們將繼續為企業提供高品質的技術支持和服務，并幫助企業不斷提升產品品質和競爭力。