环境温湿度对航天电连接器可靠性的影响

马 杰，姚静波，辛朝军

(装备学院航天装备系，北京101416)

1 引言

航天电连接器作为一种机电元件，用于实现电子与电气设备的电连接，具有高可靠、长寿命的特点，在航天领域被大量使用，主要用于实现电信号的传输和控制以及电子与电气设备之间的电连接，而环境因素会对电连接器的可靠性造成影响。美国Hughes航空公司的研究资料非常明确地表示了电子产品失效与各种环境应力的关系，如下图1所示。

图1 产品失效与环境应力关系图

从图1可以看出，环境温湿度对电气产品的可靠性有重要影响，温湿度造成电子产品的失效占到了电子产品失效总数的58%。因此，环境温湿度对电连接器可靠性的影响也不能忽视，航天电连接器的可靠性关系到航天任务的成败，在航天系统中起着非常重要的作用。

2 电连接器的失效模式分析

航天电连接器在航天任务中起着非常重要的作用，经过实践总结，引起航天电连接器失效的常见现象有:多余物、接触不良、绝缘不良、弹性零件断裂、漏气、误插拔、装配失误等，造成这些现象产生的原因如表1所示［1］。

上世纪九十年代，七九六厂则通过对用户反馈信息的收集和可靠性摸底试验结果的分析，把电连接器的失效模式分为接触失效、绝缘失效、机械连接失效和其他失效四种。经过统计试验和现场两种情况下的失效，得到了各种模式占总的失效的百分比如表2 所示［2］:

表1 电连接器失效现象及原因

表2 电连接器失效模式百分比

从表中可以看出接触失效和绝缘失效占比最大，总共占到了电连接器失效的67.4%。而环境温湿度是造成电连接器接触失效和绝缘失效的主要环境因素。

3 环境温度对电连接器可靠性的影响

由于电连接器的接触件的材料一般为金属铜，而铜的物理化学性质比较活泼，在环境温度应力的作用下，铜会发生氧化反应，在接触件表面生成氧化膜层。经过对电连接器接触件表面氧化膜层的测试，其成分主要是氧化亚铜，其反应方程式为［3］:

其主要过程是:由于空气中的氧气被吸附在电连接器接触件表面，并被分解为氧原子，而氧原子与接触件的金属铜原子发生化学反应，生成一层氧化膜层。随着氧化膜层的生长，氧化膜层不断加厚，由于生成的氧化膜层导电性能差，使电连接器的接触电阻增大，最终导致电连接器的接触失效。

电连接器的绝缘体是由高分子聚合物等材料制成，在温度应力的作用下，高分子材料内部分子的运动会加快，其分子链上会产生空位，空气中的有害气体等介质就会渗透到、扩散到材料内部，并且在环境温度的影响下，材料会发生热降解和交联反应，材料发生劣化，材料的物理性能和电气性能降低，导致绝缘体的绝缘性能降低，引起电连接器的绝缘失效。

4 环境湿度对电连接器可靠性的影响

电连接器在潮湿环境中使用时，由于空气中的水分会由于接触件镀层微孔的毛细管作用，进入到电连接器基体金属表面，形成一层液膜。又因为电连接器镀层和基体金属铜之间存在电位差，而形成腐蚀电池。由于接触件表面镀层金的电位高成阴极，铜的电位高成阳极，发生电化学腐蚀［3］。电化学反应过程如下式所示:

随着电化学反应的进行，电连接器表面氧化膜层厚度不断增加，从而造成电连接器的接触电阻不断增大，最终造成电连接器发生接触失效。

另外，潮湿气体中的水分会对电连接器的绝缘体产生破坏作用。电连接器在潮湿空气中使用时，空气中的水分会吸附在绝缘体表面，同时由于绝缘体材料内部存在大量空穴，水分在这些空穴的毛细管作用下进入绝缘体内部，形成导电通道，最终造成电连接器的绝缘体的绝缘电阻下降，使电连接器发生绝缘失效。

5 结束语

在环境温度和湿度共同作用下，温度升高会加速潮湿空气中水分的扩散，使电连接器的腐蚀速度加快。因此，在使用电连接器的过程中要注意电连接器的使用环境和工作条件。特别是在航天任务当中，每一个元器件故障，都会造成航天任务的失败。因此，在严酷环境中使用电连接器时，要对电连接器的各项电气参数进行检查，以确保电连接器能可靠地工作。

［1］ 杨奋为.航天用电连接器的失效分析［J］.机电元件，1996(1):40 －43，47.

［2］ 张菊花，孔宪宝.低频电连接器失效模式的分析［J］.机电元件，1989，9(1):36 －43.

［3］ 陈文华.航天电连接器可靠性试验和分析的研究［D］.杭州:浙江大学机械工程学系，1997.