电连接器的到寿失效模式

文/陈建建

电连接器的到寿失效模式

文/陈建建

在武器装备的各类电子系统中，电连接器在器件与器件、组件与组件、系统与系统之间进行电气连接和信号传递，是构成一个完整系统所必须的基础元件。电连接器的可靠性直接影响系统的可靠性。要提高电连接器的使用可靠性，必须了解其失效过程及失效原因，特别是那些无法通过早期检验发现的，出现在使用寿命中后期的失效模式。本文对电连接器的到寿失效模式进行简要分析，讨论通信行业用弱电领域的电连接器，对强电领域电连接器不进行详述，站在电连接器用方的角度，期望通过这样的分析，改进电连接器的选型、质检和使用的方式方法，达到提高电连接器使用可靠性的目的。

电连接器 失效 接触件 到寿

在电连接器的质量控制工作中，用方单位容易进入两个困境：

（1）认为电连接器是连接器件/组件/系统的重要元件，从而认为所有的电连接器都是关重件，使工作没有重点，关注范围过大，违反“实现低成本经营”的质量管理目的；

（2）国内电连接器的总体质量状况和技术水平与国际主流厂家相比，还有较大距离，特别在标准化生产管理方面，尤其不理想。造成国产电连接器质量参差，低水平质量问题时有发生、反复发生，使质量管理工作受到频繁扰乱，有限的资源不能更好的集中在电连接器可靠性的提高研究上。因此了解和研究电连接器的常见失效模式，是质量管理工作走出困境的基础，也是电连接器用方选型、质检、使用（包括加工）、分析的基础。

1 使用到寿失效的原因

根据电连接器到寿失效的主因，我把电连接器的寿命概括如下：电连接器的使用寿命是磨损和疲劳的综合考量，电连接器的贮存寿命是氧化、受潮和老化的综合考量。考量的对象是机械性能和电性能的下降。

在各种环境应力中，温度、湿度及振动所引起的失效占所有环境应力引起失效的86%。磨损、疲劳、氧化、老化等失效模式在分析的时候离不开这三个因素的考虑，需留意其相关性。

1.1 磨损

使用寿命指电连接器正常使用的寿命，行业内特指插拔寿命。磨损是接触件使用过程中最主要的破坏形式。磨损按其行为特征分为：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损及微动磨损。这几种类型的磨损在电连接器实际使用中是复合存在的，任何一种都不一定是磨损的主要机理。

1.1.1 氧化磨损

插拔过程摩擦破坏氧化层，暴露出金属后重新形成新的氧化层，继续遭到摩擦破坏，使表面金属逐渐损耗，此为氧化磨损的过程。行业内通常用镀金工艺避免氧化，减少氧化磨损，但镀层被破坏后，氧化速度将显著上升。

氧化磨损涉及到多个材料和工艺要素：接触件表面镀层主要是防止电连接器在使用前或静态贮存期间氧化，同时必须兼顾导电性。一旦经过多次插拔，镀层必然受损，这就涉及到镀层的厚度和耐磨性。镀层的消耗使设计方必须考虑底材的耐磨性和抗氧化抗腐蚀性。所以厂家选材必须在成本和诸多性能中找到平衡点，本身就是一个妥协的过程。因此用方必须清醒，不同的厂家的产品，其可靠性有可能存在较大落差，要实际观察产品的镀层，有没有镀层以及镀层的完整性。由于镀金一般是化学镀工艺，所以接触端的插孔和焊接端的焊杯是镀金的薄弱环节，由于上述的两种结构是相对封闭的状态，内部溶液不易流通，所以容易镀金失败，外观检查可以发现插孔或焊杯内部存在色差。用方可借助显微镜等工具观察这些细节以评判厂家的工艺水平。

1.1.2 咬合磨损

咬合磨损是指接触件表面基体金属相互结合、粘着，后随相对滑动而被撕裂，往复循环，造成的磨损。咬合磨损的程度与接触正压力成正相关关系，因此线簧插孔的咬合磨损相对要轻微很多。咬合磨损只发生在滑动摩擦条件下，因此也与滑动顺畅程度有关，接触件表面加工得更光滑或在接触部位涂覆润滑剂可有效降低插拔滑动磨损。用方可实际观察电连接器接触件表面毛刺的严重程度以评判厂家的工艺水平。

1.1.3 热磨损

热磨损的必要条件是极高的、足以使表层金属软化的热量，主要来源于摩擦与大电流。由于电连接器一般插拔速度较低，不足以摩擦生高热，在功耗小的弱电领域，热磨损可以忽略。

1.1.4 磨粒磨损

磨粒磨损是由于硬质点摩擦接触表面引起的，其发生必须有硬质点的参与，硬质点来源于杂质灰尘、氧化微粒、磨屑，解决方法是保持电连接器内部的清洁。

用方可用显微镜实际观察接触件插孔和焊接端的焊杯内部是否存在未清洗干净的金属碎屑，金属机械精加工后的清洗，也是业内的难点之一，我在实际检验工作中发现多个厂家都有未能清除干净的碎屑残留在难以清洁的部位。这些碎屑阻挡了镀金工艺的完整性，增加了使用过程中的磨粒磨损，关键是在以后使用中一旦脱落，有可能造成不良短路，成为产品质量可靠性的隐形杀手。

另外一方面用方可以观察接触件的表面光滑程度，接触件表面越光滑：

（1）金属与空气的接触面积相对变小，氧化速度与氧化厚度降低；

（2）越能改“点接触”为“面接触”，接触对接触面积相对变大，降低接触电阻；

（3）更能减少插拔过程中的磨损消耗。

1.1.5 表面疲劳磨损

零件表面在接触应力的反复作用下将引起表面疲劳磨损。这种磨损主要作用在镀层，产生疲劳裂纹，目前相关研究较少，只能简单判定减小接触压力有利于降低磨损。

1.1.6 微动磨损

微动磨损的机理很复杂，主要是指电连接器在长期使用的过程中，交变应力（包括振动、温度变化、交变电流）的作用，导致接触表面间金属的亚微米、微米级的相对滑动，从而引起微动磨损。本文不对微动磨损的具体失效过程进行分析。既是交变应力而起，降低微动磨损的办法自然是降低交变应力，即降低振动、温变、电流的变化频率及变化幅度。

以上对不同种类磨损的描述分析，说明了磨损是必然存在的，但在实际案例中磨损的具体行为机理要具体分析，不能简单归类。而氧化、热量、接触压力、清洁程度、交变应力振幅等因素可以看做是磨损的催化剂。

1.2 疲劳

使用到寿的另一考量因素“疲劳”是指金属的形变疲劳，与上文的“表面磨损疲劳”是不同的两个概念。插孔簧片受与插针接触面的反作用力长期作用，逐渐形成永久性变，抗张强度降低，接触压力变小，影响接触电阻或接触件啮合稳定性。金属疲劳受材料硬度、热量，受力时间等因素影响，也是必然存在的，不可逆的变化。

金属疲劳尤其受接触压力的影响：接触压力不足，接触件表面氧化层不能受到足够的磨损破坏，而弱电又不足以击穿氧化层，这时容易发生接触不良；接触压力过大，一是造成接触材料磨损严重，导致过早出现镀层与基材的损耗；第二个隐患是插孔簧片受反作用力（与接触压力成对）过大，逐渐产生永久变形，即金属疲劳。金属疲劳的程度与啮合时间和插拔次数呈正相关关系。所以如何设计接触压力，对厂家来说也是两难，而且越到电连接器使用寿命后期，越是两难，氧化越来越严重容易造成接触不良，疲劳也越来越明显，所以电连接器的过寿使用隐患很大。

总之，磨损和疲劳共同“侵蚀”电连接器的机械性能，使材料变少、变薄、变弱，最后影响机械联接和电连续性。

1.3 插拔寿命

无论是方形插孔还是圆形开槽式插孔，其接触对理论插拔寿命都只有500次，不是线簧插孔，接触对插拔寿命没有质的飞跃（线簧插孔理论插拔寿命可达十万次）。这就提醒用方注意，减少不必要的插拔次数。设计师也需用六性设计中的保障性和维修性应对寿命低的风险，频繁插拔的电连接器（测试、调试用）不安排在难以更换的部位（如电路板），或适当运用转接器、电缆组件。在即将到寿时，留意电连接器互换时的插拔力、金属粉屑量、外壳变形程度、螺纹旋拧紧涩程度、镀层颜色形貌等性能和外观特征，一旦发生较大的变化，就意味着到寿。电连接器寿命到了，就要及时更换，不要想当然的继续使用。

在此还要特别提醒，即使是线簧插孔设计，也只是增加了接触件的插拔寿命，提高接触可靠性。电连接器整体的使用寿命，因使用线簧插孔而增加的程度是十分有限的。电连接器整体，除了接触件外还要考虑壳体磨损和疲劳、绝缘体磨损和老化等各方面因素，其使用寿命不可能跟随线簧接触件达到十万次的理论值，还要具体了解。

2 贮存到寿失效原因

贮存寿命指电连接器在常规仓储条件下的自然寿命。电连接器如处于常开或互换插拔频率极低的状态（例如电路板上极少用的扩展功能插槽），其失效模式应考虑贮存到寿问题。

贮存寿命主要考虑三个方面的内容：金属氧化，受潮造成的绝缘性能下降，绝缘体老化。

2.1 金属氧化

电连接器处于贮存状态，接触件暴露在空气中，没有插拔摩擦时时破坏氧化层，有利于氧化层生长堆积。所以对贮存态的电连接器来说，氧化应是最为致命的，有可能导致失效的首要因素。氧化性气体（O2、SO2）和金属发生氧化反应，或金属在潮湿环境下与空气中的腐蚀性气体（SO2、H2S、NO2、Cl2等）发生电化学腐蚀，形成体积略微膨胀的成分复杂的金属氧化物。这一层化合物将极大地提高接触电阻，造成接触不良。在长期的贮存条件下，镀金工艺也并非万能。在镀金表面微孔腐蚀的作用机理下，镀金层表面形成腐蚀晕圈，即通常观察到的色斑或黑点。有研究表明，微孔腐蚀处岛状污染物以及周围的腐蚀圈处的直流接触电阻会出现明显的上升甚至失效。

金属氧化速度主要与温度、湿度、空气成分有关，应保证低温、低湿、相对封闭的受控的贮存环境。

2.2 受潮

受潮对电连接器最严重的影响在于加速氧化腐蚀和霉菌滋长。氧化腐蚀前文已经阐述过；而发霉现象给人的视觉冲击比较大，一经发现必然报废，涉及管理问题，失效分析意义不大。

电连接器受潮，一般认为会对电连接器的绝缘性能影响较大，这里存在误区。电连接器受潮固然是会降低绝缘电阻与抗电强度，但是从绝缘电参数的下降到绝缘失效是有一段距离的。在实际使用和试验的过程中，绝缘失效的占比并不高，特别是弱电领域用低频电连接器，本身对绝缘性能的要求就比较低，也不涉及高电压，绝缘失效的案例就很少。绝缘失效的案例多与金属碎屑有关，与受潮无关。足以使电连接器发生短路、击穿飞弧等绝缘失效的潮湿条件是，具有极高的相对湿度、能使电连接器表面经常性的发生凝露的空气环境，但这种极端环境不能作为失效分析的常规考虑因素。

2.3 绝缘体老化

电连接器的绝缘结构普遍使用塑料、橡胶材料。橡胶、塑料及其他高分子聚合物在成型、贮存和使用过程中会发生结构的变化，逐渐失去应用价值，这种现象称为高分子材料的老化。主要的老化特征包括变色、变粘、裂纹、脆化、硬度变化等，同时可能伴随着绝缘电阻、击穿电压等电性能的变化。

发生上述变化的原因是各种各样的，外界的作用可概括为物理因素（热、光、应力、电场、射线等）、化学因素（氧、臭氧、重金属离子、化学介质）及生物因素（微生物、昆虫的破坏）。在外界作用的诸因素中，以光、氧、热三个因素最为重要，它们造成聚合物的降解。

绝缘体老化导致失效的案例占比比较少，我只接触过两例。一例是橡胶圈老化，肉眼可见小裂纹、变脆，弯曲断裂；一例是库存多年的低频矩形连接器壳体老化。该系列连接器无金属外壳，绝缘体即为连接器的结构主体，由于库存多年，塑料老化变硬、变脆，但常规检测不能发现机械性能问题。一直到使用时，由于紧固部位是螺钉铆紧，大力矩转化为紧固面的大压力，紧固应力区域开裂、崩缺掉块，才暴露出塑料老化问题。

绝缘体贮存老化失效的问题少见，其原因在于贮存管理。时间是绝缘体老化必不可少的条件，军用电连接器一般有严格的贮存管理制度，一般贮存期5～10年就要报废了；而民用电连接器一般库存积压现象较少，且更新换代快，调用库存多年的型号产品的情况较少，所以一般不会暴露绝缘体老化问题。但若存在非常规的，甚至违反规定的操作，则会使质量管理状态不稳，这个时候需要小心。除此以外，电连接器贮存管理应避开阳光直射和高温等外界不良因素。

3 结语

本文探讨的是电连接器到正常使用寿命时的失效模式，目的是要电连接器的选型方与使用方加强电连接器的寿命意识，防止不正确的使用、贮存造成“折寿”，以及及时更换防止过寿使用。

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[2]刘瑞堂.机械零件失效分析（第1版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2003.

[3]李雪清,章继高.镀金表面微孔腐蚀的电接触特点[J].电工技术学报,2004.

[4]刘春和,李久祥,袁玉华.橡胶、塑料的老化机理及预防措施[A].第九届全国可靠性物理学术讨论会,2001.

作者单位 中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510000

陈建建（1984-），男，电子科学与技术（固体电子）学士，元器件检验员，助理工程师。