探针电连接件的退化失效及寿命分析

邹振东 李兴圣 肖同军 贾云飞 卞雷祥

摘要：从一款探针电连接器使用时的快速退化失效现象出发，提出了基于失效原因的可靠性建模方法。通过分析指出其失效原因是负载电流过大导致工作温升过大，从而导致加速失效，仿真验证时通过设置合理的仿真参数保证了仿真结果的可靠性。进行了温度应力下的寿命建模，数据上结合了仿真给出的温度-电流关系和使用时的寿命次数-电流关系。方法上采用了 Arrhenius温度应力退化模型和退化速率线性假定，综合考虑了失效阈值的动态影响，给出了寿命次数-温度模型，建模结果与实际寿命数据有着较好的拟合效果，并利用模型给出探针使用和改良指导。该过程与一般的基于加速退化实验的建模方法比较，数据依赖度小，可行度高，可为工程人员提供一种实用的连接器失效分析方法。

关键词：电连接件;失效分析;有限元仿真;寿命建模

中图分类号：TM56             文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）12-0029-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Degradation Failure and Life Analysis of Probe Electrical Connector

Zou Zhendong1，Li Xingsheng2，Xiao Tongjun2，Jia Yunfei1，Bian Leixiang1

（1. School of Mechanics， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China;

2. Xili ZTE Industrial Park， ZTE， Shenzhen， Guangdong 518000， China）

Abstract： A reliability modeling method based on the failure reason was proposed according to the fast degradation failure phenomenon of a probe electrical connector. It was pointed out that the failure reason was that the load current was too high and made the temperature rise too high， which led to the acceleration failure. The reliability of the simulation results was ensured by setting reasonable simulation parameters. The life modeling under temperature stress was carried out， and the temperature current relationship given by simulation and the life times current relationship in use were combined in the data. The Arrhenius temperature stress degradation model and the linear assumption of degradation rate were adopted in the method， and the dynamic effect of failure threshold was taken into account. The model was used to guide the use and improvement of the probe. Compared with the general modeling method based on accelerated degradation experiment， the process had less data dependence and higher feasibility， which could provide a practical connector failure analysis method for engineers.

Key words： electrical connector; failure analysis; finite element simulation; life modeling

0 引言

電连接器是电力器件中的基础元件，主要用来完成信号的运输，导通。电连接的失效并不少见，据统计，电子系统中40%的故障都是由电连接器的失效造成的[1]，因此，分析连接器的失效形式并进行寿命预测是十分重要的。

本文基于一种探针电连接器过快失效的现象，进行了失效分析和寿命建模两部分的工作。针对连接器的失效，杨奋为[2]指出研究过程应分为原因分析，故障假设和最终判定等过程。而在分析与判定过程中，有限元分析可直观揭示出其结构或载荷不合理之处，降低分析难度。如白永恩等[3]利用有限元分析实现了连接件的疲劳分析和优化。程毅等[4]通过有限元法揭示了链轮轴的失效问题。本文也同样采用了有限元方法揭示失效原因，并通过合理的仿真参数设置确保仿真结果的准确性。

在获得失效原因后，进行连接器的可靠性指标建模，郭婧宜等[5]对连接器的建模过程进行了综述，指出建模过程一般分为加速实验，数据处理和指标建模等部分。考虑到进行加速实验要求较高，本文利用了加速退化速率模型和线性过程假定代替实验过程，结合仿真数据，推导获得了数据依赖度较小的平均使用寿命次数—温度模型，拟合效果较好。整个分析过程可行性高，提供了一种实用的连接器失效分析建模方法。

1 探针连接器失效分析

1.1 探针失效类型分析

该探针是一种 Pogo—pin弹簧针，用于一套测试设备的连接，每次测试时间恒定，按照额定寿命换算，其使用次数在12000次左右，但是实际使用几千次后就导致了测试设备输出失真，即探针发生失效。失效探针实物如图1所示。

根据工厂所统计的使用寿命经验值，不同电流负载下的寿命次数平均值如表1所示。

探针失效形式主要分为电接触失效、绝缘失效和机械失效[6]。本探针未发生绝缘效应以及结构破坏，所以属于电接触失效。其针杆与针套发生摩擦接触的部分明顯变黑，可确定是由表面氧化导致的电阻增值过程，样品的电阻测试结果表明，未使用探针的电阻在1 mΩ左右，失效连接件的整体电阻普遍增大，变化幅度在30%到100%不等。

电连接器的失效往往由多种原因混合作用导致，包括温度、湿度、振动、尘埃[7]等等，但是分析时并不需要考虑所有因素，因为在正常工况下的使用失效是满足寿命要求的，而加速退化失效往往是由某个因素过大导致的，本探针使用时的环境湿度、振动等因素都在合理范围内，而工作电流较高，可判断其加速失效原因是工作温升较大导致的快速氧化失效。

1.2 探针工况有限元仿真

为了验证探针失效原因，通过仿真测试顶针工作时的温度，仿真过程如下。

基于连接件的具体形状，测量后建立三维模型，导入 Workebench 平台，使用金属板作为探针触点接触对象，探针预先压缩1 cm ，作为稳态连接时的接触模型。建立触点接触对和弹簧与内壁的接触对，接触类型为 bonded。

进行网格划分，由于小体积结构的仿真精度与网格密度相关[8]，对接触对和针尖等进行局部网格细化，器件共划分成84073个单元，213943个节点。如图2所示。

接下来是施加约束条件，在端面施加电流载荷，耦合接触面电势，仿真结果的可靠性主要依赖于换热边界条件的确立。热平衡伴随着热传导、热对流和热辐射3种方式，其稳态热平衡方程如下：

式中： Qw 为电生热功率;λ为热导率; he 为对流换热系数;σ为史蒂芬—玻尔兹曼常数;ε为材料相对黑体的辐射率; T1为壁面温度;T0为空气温度;A1和AS 为导热和换热面积;仿真时可设置接触处热导率λ为材料热导率。

对流换热系数取值与多种因素有关，可采用以下经验式计算[9]：

辐射换热可作如下变换[10]：

总换热系数可表示为：

仿真时可建立换热系数随温度的表向量，并在施加对流换热边界条件时调用。

施加电流负载，15 A 下顶针工作电势分布如图3所示。 15 A 下的电压降为0.0148 V ，电阻为0.98 mΩ，符合实际情况。

施加负载范围为10～40 A ，获取不同负载下的温升数据，仿真结果表明，探针整体温升分布较为均匀，其在不同负载下的平均温升如图4所示。对于连接器的温升问题，技术人员早就注意到其影响，高温下工作的器件其材料性能，电气性能以及退化速率都会发生明显变化。接触件材料具有正温度系数，温度升高时其电阻率会增大，导致电阻增大。同时高温下其材料表面弹性模量降低，材料变软，而探针材料工艺采用的是以黄铜为基体，先镀一层较厚的镍，再镀一层较薄的金，工作时伴随着表层金变软产生更多的摩擦损耗，漏出镀镍层或基体铜，在空气中氧化，并在表面产生堆叠，氧化物导电性差，也因此导致整体电阻的增大，进而引起失效。国标 IEC61984规定了各类材料的电连接器的允许温升一般为70～120℃，而该器件的温升在20 A 之后都明显过大，可确定高温导致了退化失效的加速。

应用幂函数模型来拟合初态工作温度和电流的关系，拟合工具采用 Matlab的 Cftool ，结果如下：

确定系数 R-square为0.9991，拟合结果较好。

2 加速退化模型

2.1 Arrhenius模型

针对温度应力下的器件加速失效过程，可采用 Arrhenius模型[11]来描述其反应速率与温度应力的关系。其表达式如下：

式中： V 为温度应力下的退化速率; T 为温度应力水平; A 为常数;Ea 为材料相关的激活能;k 为玻尔兹曼常数。

2.2 IPL模型

IPL （逆幂率）模型是与 Arrhenius 模型类似的常用模型，主要用于电压击穿，机械疲劳等场景下的退化过程。

式中：A 为常数;m 为与激活能有关的数。

2.3 综合应力加速模型

广义 Eyring模型[12]可用来衡量两种不同应力作用时的退化速率和加速应力的关系：

式中： T、V为表征两种加速应力水平的大小。

由于该探针使用时只受到温度加速应力的影响，所以采用 Arrhenius模型衡量其退化失效的速率。

3 寿命—温度模型

3.1 失效阈值分析

本探针退化失效的结果是结构电阻的增大，属于软失效过程，而衡量失效的依据是测试设备的输出电压波形出现一定程度的失真。本探针中的失效量为结构上的附加接触电阻，附加电阻作为电路上的参数，经过电路上一系列转化。放大过程最后导致输出失真。而在通以不同的电流负载时，同一探针所产生的影响程度往往不同，生产测试时，在大电流下无法应用的探针往往在小电流负载下仍可以正常使用，失效探针测量时的电阻波动性也证明了这一点。所以需针对不同的电流负载情况，对失效阈值进行动态调整。考虑该探针所应用的设备为电压输出，以探针压降作为恒定参考值，即电流负载较大时电阻阈值较小，负载较小时阈值较大。两者应成反比关系。即： H = S/I 。

结合仿真拟合公式（5），阈值 H 与初始温度的关系为：

3.2 退化速率分析

根据 Arrhenius模型，退化速率是温度的函数。在退化过程中，随着整体电阻的增大，探针工作温度也在增加，所以退化反应速率也在增加。假设探针使用接近失效时的温度与初始温度的关系为：

则最高退化速率为：

将退化速率的变化视为线性过程。则平均速率可表示为：

式中：前后两项分别为最小和最大退化速率。

3.3 建模

建模流程如图5所示。

假设探针一次工作时间为 t ，使用次数为φ，则寿命次数表示如下：

结合式（7） 和式（8），整合式中参数，总的寿命次数与温度应力关系可表示为：

利用表1中的寿命次数平均值作为寿命期望值，电流自变量变换为仿真结果中对应的温度值，利用 cftool进行多次拟合，取最佳拟合状态。可得平均寿命次数与温度应力的关系为：

其拟合确定系数 R-square为0.9688，显示该模型与结果的退化规律适应性较好。模型表明，使用寿命次数随工作温度的增加而减少，程度趋于平缓。温度寿命曲线拟合如图6所示

4 应用分析

在对电连接器进行失效分析之后，需要针对失效原因进行改进，措施主要有两种，一种是减少引起加速退化的因素，其二是提高连接器的抗老化能力。如本探针中可考虑减小负载电流，若需求寿命为6000次以上，可将温度控制在140℃以下，换算得负载电流不超過20 A。

若导致加速退化的因素本身是设备所要提供的功能，如设备工作时必须承受较高的应力或较大的电流等，则需要对连接器进行改进，同类型连接器的退化规律大致相同，因此可考虑改变连接器的尺寸参数。该探针若想保证大电流下拥有较好的使用寿命，可通过增大结构厚度来降低总电阻，从而降低工作温度。通过仿真可快速揭示工作温度和结构厚度的关系，该探针30 A下使用温度和结构厚度的关系如图7所示。

由仿真数据所揭示的关系可知，将温度控制在70℃以下时可考虑将结构厚度即探针的直径增大至3.4 mm 以上。

5 结束语

本文主要分析了探针现象及原因，进行了仿真验证，在分析结论接触上，建立了探针温度应力下的寿命模型，结论如下。

（1） 电连接器在正常机械应力下工作时，电流过载产生较高温升，容易导致存在摩擦接触部位的器件加速退化失效。

（2） 利用寿命数据与退化速率模型，综合考虑失效阈值与速率变化，拟合得到了参数 b=4499、c=532、d=138的温度-寿命次数模型。

（3） 基于失效原因，通过建立寿命与温度应力的关系模型可有效地指导探针的使用与改进。

参考文献：

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[12]钱萍， 陈文华，马子魁，等.综合应力加速寿命模型验证方法的研究[J].机械工程学报，2010，46（24）：156-161.

作者简介：

邹振东（1996-），男，安徽广德人，硕士研究生，研究领域为机械设计及仿真。

贾云飞（1977-），男，博士，副研究员，研究领域为嵌入式控制系统，已发表论文20多篇。

（编辑：王智圣）