长期贮存航天电连接器尘土污染的研究

周怡琳 王 鹏 葛世超 李 方

（1. 北京邮电大学自动化学院 北京 100876 2. 杭州航天电子技术有限公司 杭州 310015）

1 引言

电连接器作为一种机电元件大量用于电子系统中，主要实现电子、电气设备内部和设备之间的电连接。每个电连接器的可靠接触保证了整个系统的正常运行[1-3]。随着航天系统可靠性要求的不断提高，对航天电连接器的可靠性要求也越来越高，一些航天电连接器的贮存寿命要求已达到 21年[4-6]。长期贮存环境对电连接器电接触可靠性影响很大，涉及到基底材料的扩散、大气腐蚀、弹性材料的应力松弛、微动磨损等失效机理[7-9]。而大气中的尘土污染是造成连接器电接触不可靠的又一重要原因。

由于我国沙化问题严重，频繁引发沙尘雾霾天气[10,11]。高浓度颗粒物在电子产品加工、贮存、运输和使用过程中都有可能进入产品内部，沉积在电路板和各种元器件上。研究表明使用1年的手机主板上沉积颗粒尺寸为10～200μm，其中约95%是小于50μm的小颗粒[12]。带电荷越多的尘土颗粒在表面的沉积概率越高[13]。即使是有气体过滤的受控环境，对0.5μm以下的细尘土颗粒仍然难以屏蔽[14]。

分析北京室内自然沉积尘土，表明尘土中无机物约占70%，其余为有机物和炭黑。无机物包含石英、长石、云母、方解石等20余种物质。在尺寸大于 25μm的粗大颗粒中，以石英和长石为主；而小于 10μm的细颗粒中，富集方解石、石膏及云母等粘土矿物[15]。约 4%的无机物为可溶性盐类，主要的阳离子和阴离子分别为 K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、F-、NO3-、SO42-[16]。有机物的主要成分是约近20种的烷烃(C7-C40+)，和两种邻苯二羧酸酯[17]。

研究表明电触点表面的尘土污染会导致电连接失效，甚至造成系统故障[18]。失效手机内部的尘土颗粒和纤维，引发电路板上的镀金线路腐蚀，进入触点界面的尘土造成触点的磨损，加速了微动腐蚀[19,20]。尘土不但会增加电连接器接触界面的摩擦和磨损，还会造成闭合触点的瞬断[21,22]。触点电镀过程中绝缘尘土颗粒在待镀元件上的沉积导致镀金层的缺陷和高微孔率[23,24]。尘土颗粒具有腐蚀性，偏酸性的尘土溶液造成的腐蚀率较高[25]。空气中的尘土颗粒包含多种吸水性盐，在环境相对湿度增大时可形成电解液，直接腐蚀金属材料，也能引发电解腐蚀，或在两导体之间形成漏电流，造成通信系统中电路板失效[26-28]。

本文通过检测经过长期贮存的航天电连接器的接触电阻和单孔分离力，结合对连接器内部尘土颗粒的成分、尺寸、分布密度，以及尘土在连接器内部电触点镀层中的分布情况进行的表面微观探测，分析接触电阻与分离力、贮存时间、尘土污染之间的关系；研究尘土污染对于航天电连接器的贮存可靠性的影响，并从理论上探讨尘土污染对航天电连接器贮存失效的可能作用机理。

2 研究方法

2.1 实验研究对象

本文选取了经过生产厂家室内贮存 13年～25年的航天电连接器样品进行尘土污染实验分析，并与新连接器进行了比较。包括三种圆形连接器（Y形）和一种矩形连接器（J形）。无论是圆形还是矩形，电连接器中每个接触对均由一个插针和一个插孔配合形成，在长期贮存过程中接触对始终处于配合状态，如图1所示。各圆形连接器外壳封装结构相同，接触对直径均为 Φ1mm，接触对数量在 8～55对之间，而矩形连接器结构与Y形不同，内部接触对直径为 Φ1.1mm，接触对数量为 206对。接触对中插针和插孔均为铜合金基底表面镀金，镀金层厚度约2μm。连接器的单针分离力和额定接触电阻等参数见表1。

图1 连接器中一对插针插孔接触对Fig.1 A pair of contact formed by a pin and a socket in a connector

表1 贮存电连接器相关参数Tab.1 Parameters of the stored electrical connectors

2.2 实验分析方法

首先，保持长期贮存连接器原有配合状态，使用微欧微伏表（DM-100A）根据四点法对连接器中每对接触对进行接触电阻测量，并使用箱线图表示同一连接器中多个接触对接触电阻的分布情况，以评估贮存环境对连接器电气特性的影响。箱线图包括五个统计量：接触电阻的最小值 Min、第一四分位数 Q1、中位数 Q2、第三四分位数 Q3与最大值Max，图中的异常点定义为小于Q1-1.5IQR或大于Q3+1.5IQR的值（IQR是四分位差）。然后分离连接器，使每对电触点分开，之后再把连接器重新配合复测接触电阻，以考察贮存后连接器插拔操作对接触电阻的影响，评估连接器电接触稳定性。

其次，由于插孔的预变形提供了电触点界面的接触正压力，因此在贮存连接器分离后，采用与插孔匹配的镀金插针做探头，使用手持式数字测力计（日本 SHIMPO，FGP-1）对每个插孔进行分离力测试，可分析贮存连接器触点残余接触压力对接触电阻的影响。

最后，对长期贮存的连接器样品进行拆解，使用碳导电胶带在连接器壳体内部不同位置处通过粘接采集尘土颗粒，然后使用扫描电子显微镜和X射线能谱仪对尘土颗粒的成分、形貌、尺寸进行检测，并使用图像分析软件进行颗粒分布密度统计。进而，在插针接触表面进行微观检测，分析尘土在接触点镀金层中的分布特征。

3 长期贮存电连接器性能和尘土污染分析结果

3.1 长期贮存电连接器的接触电阻

图2和表2为相似直径（Φ1mm，Φ1.1mm）的连接器接触对接触电阻与贮存时间的关系，图2纵坐标为对数坐标。随着贮存时间增长，接触电阻均有升高。贮存13年和16年的连接器Y2和Y3接触电阻分布相似，中值电阻比新品连接器 Y1接触电阻中值分别升高了 20.6%和 17.5%，接触电阻最大值均未超过额定接触电阻值。从接触电阻的分布上可以看出，新连接器和贮存了13年和16年的连接器中各接触对的接触电阻分布较集中，接触电阻四分位差均在0.5mΩ之内。而贮存25年的连接器J1接触电阻明显升高，最大值达62.87mΩ，超过额定值（20mΩ），失效接触对数为8对（占4%），而且电阻分布离散性加大，四分位差达3.03mΩ。

图2 长期贮存连接器相似直径接触对接触电阻分布Fig.2 The distribution of the contact resistance of contact pairs with similar diameter in the connectors after long-term storage

表2 长期贮存电连接器相似直径接触对的接触电阻Tab.2 Contact resistance of contact pairs with similar diameter in the connectors after long-term storage

把经过长期贮存后的连接器接触点分离再重新配合后复测接触电阻，结果如图3和表3所示（图3纵坐标为对数坐标）。对比图2和图3，可以知道Y1、Y2、Y3三个连接器经过插拔复测的接触电阻较贮存后直接测量的接触电阻整体上有所降低，而有的接触电阻反而升高，例如连接器 Y2中的最大接触电阻值就升高了。四分位差值均增大。J1连接器经过插拔复测的接触电阻的最大值、上四分位值、中位值较贮存后直接测量的接触电阻均有上升，且四分位差值也增大。接触对失效数量明显增多，分离前失效数为8对，重装后失效数为 22对，其中只有4对是相同的接触对。

图3 长期贮存连接器分离再配合后接触电阻分布

表3 长期贮存连接器接触对分离再配合后接触电阻Tab.3 Contact resistance of contact pairs in the long-term stored connectors after separating and inserting

因为接触对的插拔动作可以去除长期贮存过程中触点表面形成的污染膜层，使有的接触对接触电阻降低。但在触点界面的相对插拔运动过程中污染物也能进入到触点界面之中，或者长期贮存中触点弹性材料发生应力松弛，减少了接触对正压力，均可导致部分接触对接触电阻升高和不稳定，使得接触电阻的离散性增大，这还需进一步分析。

3.2 长期贮存连接器单孔分离力

经过长期贮存后连接器的接触电阻均有所升高，是否与电触点弹性材料应力松弛导致接触界面正压力降低有关，可以通过对连接器进行单孔分离力测量来分析证明，结果R如图4和表4所示。所有连接器中触点的单孔分离力均未低于额定值，说明仍能保持适当的接触正压力。

图4 长期贮存连接器单孔分离力分布

表4 长期贮存连接器单孔分离力Tab.4 The separation force of single contact pair in the connectors after long-term storage

其中，贮存13年的连接器Y2各接触对分离力相对较低，中位数仅1.26N，比新品Y1的分离力中位数1.88N低了33%。结合图2和图3接触电阻图对比可以说明，贮存13年的连接器Y2接触对分离力较低导致其接触电阻中位数相对新品连接器 Y1高20.6%，分离复测电阻中位数相对新品连接器Y1高 53.6%，离散度也增大。说明接触正压力对接触电阻影响很大。

而贮存 16年的连接器 Y3分离力中位数为2.34N，比新品Y1的分离力中位数高了24.5%，比贮存13年的Y2的分离力中位数高了85.7%。但从图2和图3可知，贮存16年的连接器Y3的接触电阻比连接器新品Y1的接触电阻中位数还高了17.4%，说明在较高触点正压力下接触电阻升高主要是由于贮存过程中的触点表面形成的污染膜层所致。相比贮存13年的连接器Y2的接触电阻来说，Y3反而低了 2.6%，说明尽管贮存时间长的触点表面具有更厚的污染膜，但较高的触点正压力仍能较好地保证触点接触电阻低而稳定。经过分离复测 Y3的接触电阻中位数反而低于Y1，说明分离力较大的连接器 Y3通过插拔去除了污染膜层，明显降低了接触电阻。

贮存25年的连接器J1分离力低于Y1和Y3，但略高于Y2，而其接触电阻远高于Y1、Y2和Y3连接器接触对。贮存后J1初始电阻不合格的8对接触对和分离再配合后复测电阻不合格的 22对接触对中有4对重复，把这26对接触对的分离力与全部206对接触对分离力相对比如图5所示。发现失效接触对中的 12对分离力小于所有接触对分离力的中位数，而14对分离力却在中位数以上，说明接触正压力不足不是导致接触电阻升高的唯一原因。

图5 贮存25年的连接器J1中失效接触对分离力与全部接触对分离力对比Fig.5 Comparison of the separation force between failed contact pairs and the whole contact pairs in the connectors after 25 years storage

3.3 长期贮存连接器内部的尘土统计分析

连接器在加工、装配、贮存过程中都暴露在大气环境中，电接触材料表面有可能形成腐蚀膜层，也可能因尘土等污染物沉积而形成污染膜层。分别对每个连接器壳体内部的尘土进行密度、颗粒度统计，并进行成分分析可确定连接器的被污染程度。

3.3.1 连接器内部尘土密度

在连接器插头插座接缝处和接触端面中心区域分别进行尘土取样，位置如图6所示。使用碳导电胶带采集尘土颗粒如图7所示，为连接器Y2接触端面中心区域尘土颗粒，然后使用图像分析软件统计尘土颗粒数量，并计算每平方毫米的尘土颗粒密度。四个连接器接触端面中心区域和插头插座相配合的接缝处尘土颗粒密度统计见表5。

图6 连接器内部尘土取样位置Fig.6 The positions where the dust particles are sampled in the connectors

图7 连接器Y2接触端面采样尘土颗粒电镜图Fig.7 The dust particles sampled on the interface of Y2 connector taken by scanning electronic microscope

表5 连接器内部尘土颗粒平均分布密度Tab.5 Distribution average density of dust particles in the connectors

可见，随连接器贮存时间延长，连接器插头插座接缝处的尘土密度逐渐升高，新连接器接缝处尘土密度约70个/mm2，而贮存13年、16年、25年的连接器接缝处尘土密度分别达到1 082个/mm2、1 336个/mm2、1 916个/mm2。贮存13年、16年的Y2、Y3连接器插头插座接缝处的尘土密度约为其接触端面尘土密度的3倍，说明Y形连接器结构有一定的防尘作用，但是连接器Y2和Y3接触端面尘土密度仍达330个/mm2和475个/mm2，是新连接器内部接触端面尘土密度的 5～8倍。J1连接器插头插座接缝处的尘土密度约为其接触端面尘土密度的13倍，主要是因为J形连接器插头插座结合处采用了凸环与凹槽配合的结构，防尘效果较好，贮存25年后连接器J1接触端面尘土密度仅为150个/mm2。

3.3.2 连接器内部尘土颗粒度

使用图像分析软件分析计算碳导电胶带采集尘土颗粒的尺寸分布见表 6。可以看出，能够进入到连接器内部的尘土颗粒尺寸都比较小，平均尺寸约5～10μm，最大也只有20μm左右。

表6 连接器尘土颗粒平均颗粒度Tab.6 Average size of dust particles in connectors

3.3.3 连接器内部尘土成分分析

使用X射线能谱仪进行尘土成份元素分析，根据原子百分比判断尘土的物质组成。尘土颗粒中的典型代表物质如图8所示。图8a主要含O和Si，为二氧化硅颗粒；图8b含K、Na、Al等较多，为长石颗粒；图8c主要含C、O、Ca，为方解石颗粒。

图8 代表性成分的尘土颗粒形貌Fig.8 The morphology of dust particles with typical compositions

3.3.4 尘土颗粒在触点表面的分布

由以上分析可知，对于长期贮存连接器而言，大气中的尘土颗粒是可以进入到连接器内部的。并且由于尘土污染对连接器的接触电阻产生了影响。由连接器的电阻检测了解到矩形连接器 J1中出现了失效的接触对，从失效的插针中选取一根进行扫描电子显微镜分析，见图9a。接触区域由于插针插孔的配合动作导致出现磨损现象。图9b是磨损区域中部的放大，可以看出磨损区表面有很多灰色颗粒存在，进一步放大如图9c所示。对划痕中嵌入的颗粒物进行能谱分析，如图10所示。结果表明尘土颗粒主要含有C、O、Si，说明插针表面存在石英尘土污染物。经统计，插针接触区表面尘土颗粒分布密度为830个/mm2，比连接器接触端面上尘土分布密度大得多，说明尘土颗粒是在电镀加工过程中就进入到连接器触点镀层中了。

图9 失效接触对插针表面Fig.9 The contact surface of a pin in a failed contact pair

图10 插针镀金表面尘土颗粒的X-射线能谱图Fig.10 The X-ray energy dispersive spectrum of the dust particle in the gold plated contact surface on the pin

4 分析和讨论

4.1 尘土污染对长期贮存连接器的影响

通过对长期贮存连接器接触电阻的测试，发现贮存13年、16年、25年的连接器接触电阻较新品连接器相近尺寸接触对均有升高，其中贮存25年的连接器J1中4%的接触对电阻出现失效。由于连接器经过长期贮存，其弹性材料的应力松弛会导致触点接触力降低有可能造成接触电阻升高和不稳定。但是，经过单孔分离力测试，证明所有的贮存连接器单孔分离力均未低于设计标准。

把配合状态的长期贮存连接器插头插座分离后重新插入配合并复测接触电阻。连接器 Y1、Y2、Y3的接触电阻均有所降低，但离散度增大。分离力高的连接器Y3，由于触点界面正压力较大，接触电阻比Y1、Y2偏低，而且连接器插头和插座的插拔过程有利于去除电触点表面污染物，因而连接器Y1、Y2、Y3均表现出插拔后复测的接触电阻降低的趋势。但触点表面的污染物在连接器插拔过程中也可能进入接触界面而造成电阻升高。连接器J1经过插拔复测的接触电阻不仅上升，而且四分位差值增大，异常点变多，接触对失效数量增加到11%（22对）。而且其中 54%的失效接触对的分离力高于全部接触对分离力的中位值，说明接触力下降不是接触电阻升高的唯一影响因素，而长期贮存后触点表面的污染物是增加电阻的一个不可忽视的重要因素。

通过对贮存的连接器内部尘土的统计分析，发现尘土可进入连接器接触端面。Y形连接器接触端面尘土密度从新连接器中的 58个/mm2增加到贮存13年后的330个/mm2，再增加到贮存16年后的475个/mm2，约为插头插座接缝处尘土密度的 1/3。密封结构较好的 J形连接器接触端面尘土密度约 150个/mm2，约为插头插座接缝处尘土密度的1/13。尘土颗粒主要为二氧化硅、长石、方解石等成分。进入连接器内部的尘土颗粒度基本上小于 20μm，主要集中在5～10μm范围。在插针镀金层表面接触区也存在大量嵌入镀金层的二氧化硅颗粒，密度约830个/mm2。检测分析证明了尘土污染物进入连接器内部及触点接触区的可能性，并且说明尘土从连接器的加工制造开始就一直作用于电触点，在长期贮存过程中也在不断增加。尘土污染是造成长期贮存连接器接触电阻不稳定甚至失效的又一重要影响因素。

4.2 尘土造成贮存连接器失效的作用机理

尘土颗粒对连接器电接触失效的作用机理在于物理作用和化学作用两方面。尘土颗粒的主要物质组成含有二氧化硅、长石、方解石等，硬度高且尺寸较大的颗粒嵌入电触点，可直接造成触点开路。研究表明尘土颗粒进入到连接器接触界面的危险直径尺寸上限大约为 15μm[20]。在连接器的制造、装配、运输、使用过程中，接触对发生相对运动时，小于 15μm的尘土颗粒有可能会进入到接触界面，而且在正压力作用下尘土颗粒会部分嵌入触点材料表面，在接触界面发生相对滑动时刮伤触点表面贵金属材料，使底材非贵金属暴露而发生腐蚀，导致接触电阻升高失效。

由于尘土颗粒带电荷，电镀过程中吸附在待镀表面上的绝缘尘土颗粒很难去除，而溶液中的金离子无法在其上面取得电子还原成金原子，因而在绝缘物上面形成孔隙，出现大量的镀金层微孔。由于湿度、腐蚀性气体及尘土颗粒的影响，镀层表面在微孔处形成腐蚀，这些绝缘的尘土颗粒和腐蚀产物使得接触电阻呈现非线性增加，降低了连接器的可靠性。

5 结论

本文通过对长期贮存航天电连接器的接触电阻、分离力和表面尘土污染分析可知，尘土不可避免地进入连接器内部直至电触点。尘土颗粒可能在加工、装配、运输、贮存等过程中进入连接器内部甚至接触表面；也可能是在电镀过程中吸附在触点表面的镀层中。长期贮存后连接器的接触电阻有所升高，不仅仅是由于触点弹性材料的应力松弛、大气腐蚀引起的，尘土污染对长期贮存连接器的影响同样不容忽视。

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