一种穿缸连接器振动的失效分析

韦维 刘传奇 仵雁飞

关键词：连接器；端子；振动；瞬断

0引言

连接器是电子系统中信号传输的媒介，也是动力输出的主要连接渠道。目前，连接器已经应用到电子产品、汽车工业和航空航天等领域，并发挥着不可替代的作用。

连接器在实际应用和运输过程中受到多种环境因素的影响，其中影响连接器可靠性的关键因素是振动和环境温度。在振动试验中，当设备动圈的激励频率和样品的固有频率接近时，连接器会出现共振现象。在环境温度、振动等因素的共同作用下，公母端子由于不同步会产生移动现象，进而发生微动磨损并出现间隙。当间隙增大到一定程度时，连接器的电阻急剧变大，从而出现瞬断，造成产品失效。

本文对一种穿缸连接器分别在X、Y、Z三轴进行振动试验，分析拆解的样品和数据，验证不同振动条件对其端子材料和端子弹片镀层磨损程度的影响，从而可以准确地选择满足图纸和标准要求的端子，同时通过提高连接端子线体的稳定度，有效提升连接器的可靠性。

1穿缸连接器振动试验

1.1试验对象

穿缸连接器项目是科世达（上海）连接器制造有限公司年度重点开发项目，单款产品集成了6款连接器，年产值达3000佘万元。本文的试验产品集成连接器多，通道交叉连接，振动需要监控的点多，试验较复杂。

1.2连接器瞬断判定

在振动试验过程中，通过电阻设备进行量测，按照标准进行连接器瞬断判定。若连接器端子电阻连续大于7，且持续时间大于1us时，则连接器振动试验不合格。

1.3振动条件

正弦测试参数、随机振动测试参数分别如表1、表2所示。同时进行正弦测试和随机振动测试以及-40～140℃的温度循环试验。

1.4试验失效

振动试验中，监控通道发生了50次的极限瞬断现象（设备单个通道可以检测到瞬断次数的上限是50次）。经检查确认，这个通道监控试验样品是与母端M0.6和公端Splice互配的连接器（图1）。表3是发生瞬断的M0.6端子参数。结果表明，M0.6端子所在的连接器在振动试验中发生异常，导致试验不合格。

2试验失效分析

2.1电阻量测

将样品从振动夹具中取出，样品外观正常。分别量测样品发生瞬断的M0.6端子所在连接器的电阻，结果显示试验后通道电阻异常，异常连接器试验前后电阻变化如表4所示。

2.2样品拆解分析

将样品拆解并分离出母端M0.6和公端Splice，发现公端Splice镀层只是轻微磨损，电阻值满足图纸要求，因此排除公端Splice的异常。测量母端M0.6开口尺寸，上下弹片和左右弹片的直径分别为405um和374um，明显大于初始250um的均值。将M0.6端子拆解开，弹片的接触点磨损严重，镀层部分有严重的缺失（图2）。

使用X射线膜厚仪测量接触点的Sn厚度，结果显示Sn镀层绝大部分被磨掉（剩余0.1～0.3um），几乎无残留。

振动试验失效可能有两个方面的原因：一是M0.6端子弹片变形以及镀层微动磨损；二是试验产品是一款非密封连接器，因此连接端子的尾线未固定密封圈，无固定的尾线加剧了端子振动，导致其振幅过大而发生失效。

M0.6端子的弹片材料为CuSn8，是一种Sn含量为8%的锡青铜合金，锡青铜力学性能如表5所示。

为了满足连接器弹片硬度的要求，通常会在铜中增加Sn的含量，材料硬度会随着Sn含量的增加而急剧增加，但锡青铜导电性随着Sn含量的增加而直线下降，这类材料通常应用于信号传输领域。采用CuSn8材料做成的弹片强度、弹性较高，具有优良的冷加工性能、电镀性能、热浸镀性能以及焊接性能，同时具有良好的耐磨性，且耐海水和工业气氛腐蚀。当温度低于110℃时，锡青铜的抗应力松弛性能较强，但超过该温度，其弹性会急剧下降。

M0.6端子的镀层材料为Sn，Sn的化学性质相对活泼，在环境中易于氧化。Nabeta等研究了镀Sn材料在不同的温度下生成的物质，在低于120℃的环境下主要生成Sn0，高于1200C的环境时生成Sn02。ITO等研究了在不同的接触压力条件下，汽车连接器的Sn镀层和微动周期的关系。

图3为微动接触过程中微动周期对接触电阻的影响，当接触压力为1N时，接触电阻在微动周期为103次左右时开始急剧增大，104次后则保持稳定。当接触压力为10N时，虽然在低于105次的试验次数内，接触电阻保持相对稳定，但随着微动次数的增加，接触载荷的增大只是延迟了微动磨损的进程，当微动周期达到一定的次数，接触电阻仍会急剧增加。

此外，环境温度的增加也会影响Sn镀层的氧化进程（图4）。当环境温度从20℃升到60℃且接触压力为0.5N时，端子的失效周期次数出现了略微下降，这是由于随着温度的上升，端子表面的Sn层出现了软化，增加了公母端的接触面积，从而导致接触电阻减小。随着温度的继续上升，端子表面Sn的氧化层逐渐变厚，造成接触电阻逐渐增大。接触压力为1.0N的端子，在整个升温趋势中除了60℃外，接触电阻的整体趋势是上升的。试验表明，高温的环境会加剧接触电阻的增大。

2.3试验结论

从上述结果可以看出，在此次振动试验过程中，当环境超出材料极限温度140℃时，M0.6端子的CuSn8材料的弹片在公端Splice的挤压下发生了不可逆的形变，造成端子的开口尺寸急剧变大。同时，M0.6端子的Sn镀层发生了超过106次的微动位移，进而发生了微动磨损，导致接触点的部分镀层消失。由于弹片的形变与微动磨损，造成公母端配合间隙过大以及接触壓力过小甚至消失，从而导致连接器发生瞬断。

经向开发此款端子的德国技术人员咨询，确认了M0.6端子不能通过此量级的振动试验，建议穿缸连接器的开发工程师寻找尺寸合适的耐高温材料以及具有耐磨损镀层的端子。

3端子更换和试验验证

3.1端子更换

结合材料、镀层的选择和产品的实际使用环境，开发工程师选择了泰科电子MQS0.63的非密封端子，此款端子的弹片材料为CuNiSi，镀层为Ag。相较于M0.6端子材料CuSn8，CuNiSi是一种新型的铜合金，具有高弹性、高强度和高硬度等性能。

雷前利用应力松弛测试方法，分别在室温、100℃和200℃的环境中测试CuNiSi合金的残余应力大小（图5）。第一阶段为0～2h，此阶段应力迅速下降；第二阶段为2～100h，此阶段应力下降缓慢，且100h后应力仍在410MPa以上。因此，CuNiSi材料的抗高温性能优异。

同时，MQS0.63端子的Ag镀层质地柔软，易于成形，Ag也是导电性和传热性最好的金属。叶志国等分析了温度对Ag镀层摩擦系数的影响，数据显示环境温度为120～240℃时，摩擦系数在总测试时间内保持稳定，说明Ag镀层的耐磨能力较强，受温度的影响较小。

3.2试验验证

分别将5个M0.6和5个MQS0.63端子与Splice公端互配后进行-40～140℃的温度循环试验，测量试验前后两种样品开口尺寸（表6）。

试验结果表明，相较于M0.6端子的开口尺寸变化，MQS0.63端子受温度的影响较小，可耐受此等级的温度试验。

对使用MQS0.63端子组装的穿缸连接器样品重新进行不同温度下的振动试验，结果显示仍有2次瞬断。这说明不受固定的尾线发生振动也是影响试验结果的重要因素，因此对连接器加装固定点也是一个必要的措施。

3.3增加尾线固定点

在考虑成本、生产可操作性等前提下，对比尾线夹、密封圈和轧带等固定方式，开发人员决定优先使用轧带固定，在所有装配有MQS0.63端子的连接器后端20mm处扎轧带，如图6所示。

再次对穿缸连接器进行振动试验，过程中没有发生瞬断现象，试验合格。试验后对MQS0.63端子的接触点进行Ag镀层测量，所有数据均满足图纸和标准要求。

4结论

（1）试验连接器发生瞬断的主要原因是：M0.6端子弹片在高温、振动等应力作用下发生了不可逆的形变；在接触位置的Sn镀层氧化脱落导致端子发生微动磨损。不同应用场合弹片材料和镀层的选择直接影响了连接器的可靠性。

（2）非密封連接器的尾线是否固定以及固定方式是影响大量级振动测试结果的重要因素。