电连接器可靠性试验方案设计

金涛

（中国船舶重工集团公司第七一六研究所，连云港 222006）

引言

在电子系统工程中，电连接器是较为重要的配套元件，从高频到低频，从圆形到矩形、从通过上百安培的大电流连接器到通过毫安级信号的高密度连接器，从普通印制板连接器，到快速分离、脱落、深水等特种连接器，几乎所有类型的电连接器都在电子系统工程及大型水利工程中得到大量的应用。同时，作为重要的接口元件，电连接器担负着系统内部以及系统之间的信号连接和电能传输的重任。对于电子系统而言，电连接器的重要性是不言而喻的，电连接器质量的优劣直接关系到整个系统的成败，因此电连接器不但要求具备一定的环境承受能力，而且还要保持良好的机械及电气性能，高可靠性也是电子系统工程对电连接器的普遍要求。

本文以J14系列矩形连接器、YMG系列圆形电连接器为主要研究对象，在经多家厂家、研究机构走访调研基础上，系统分析了电连接器在综合环境应力作用下的失效机理及失效模式，同时在失效机理分析的基础上开展电连接器可靠性试验方案设计，主要包括：

1）电连接器主要失效模式分析，以及在温度、湿度和振动综合环境应力作用下的失效机理分析，确定失效的主要影响因素，并结合微动图理论对电连接器的微动过程进行分析[1]；

2）通过对电连接器各种环境应力及参数测试技术的研究，确定电连接器各种试验方法，并对各种应力进行组合搭配，最终得出一组相对较优的电连接器可靠性试验方案，要求在最优的样品数量、试验时间条件下电连接器可靠性评估具有较高的精度；

3）与连接器生产厂家合作，选用3～4种新研制的电连接器为研究对象，开展可靠性鉴定试验，对设计实验方案进行验证。

1 电连接器失效模式分析

由于元器件失效而引起系统的失效在系统失效总数中约占70 %，而其中有40 %与电连接器的失效相关，电连接器、开关、继电器和电机已被列为公认的四种可靠性较差的元器件[2]。电连接器作为基础元件，其失效模式概括起来主要有接触、绝缘、机械联接和其他失效四种模式，从电连接器现场使用情况和失效故障数据的收集来看，电接触失效占比最大，约为现场总失效数的45.1 %，具体数据如表1所示。

表1 电连接器主要失效模式及占比

为进一步分析电连接器各失效模式下失效原因间的关系，通过可靠性分析方法中的故障树分析法（FTA）由上往下展开分析，其中顶事件为电连接器失效，二级事件为电接触失效、绝缘失效、机械失效和其他失效，三级事件（底事件）为各失效模式的失效原因，故障树如图1所示，任何一项底事件的产生都会造成电连接器的失效，而在正常的工作或贮存环境条件下，电接触失效是主要的失效模式，由故障图底事件可看出造成电接触失效的原因主要是接触力不足、镀层变化、接触磨损，而影响这些底事件的主要因素是温度、湿度和振动应力，其中又是环境温度对电连接器影响最大，温度不但影响电连接器接触件表面膜层的滋长，还会受到插孔蠕变的影响导致电连接器的接触压力发生变化，同时在振动应力作用下，振动越强，插孔与插针之间的相对运动就会越强，进而造成磨屑的产生并持续堆积，最后也会让电连接器发生接触失效。

图1 电连接器失效模式故障树

2 电连接器可靠性试验方案设计

国军标GJB 1217A《电连接器试验方法》、GJB 2446《外壳定位超小型矩形电连接器总规范》和GJB 101A《耐环境快速分离小圆形电连接器总规范》等标准规范对电连接器的各种实验方法也都作了详细的规定[3-5]，大约规定了有50种试验方法，只用一种应力进行试验有时不能发现电子产品所有问题，许多缺陷是只有在多应力组合情况下才会找到，但是所有的应力进行试验又不符合工程应用的实际，因此如何合理的组合出适合的试验方法是本文的主要目标。本文的电连接器可靠性试验方案主要是基于电连接器失效模式从环境试验方法、机械试验方法、电性能试验方法三个方面开展设计研究，具体研究方案见图2。

图2 电连接器可靠性试验方案设计

为使试验结果具有通用性，本文选用常用的具有代表性J14系列、YMG系列电连接器为研究对象，设计试验方案、开发制作夹具，并对方案进行验证。同时为保证试验结果能反映实际产品的可靠性水平，与相关单位的技术、质量、管理人员进行了多次调研、沟通协调，明确了试验检测依据和试验检测项目，在广泛调研、分析的基础上确定电连接器的可靠性试验方案，确定了每个项目的试验检测方法、测试参数、应力量值、电连接器参数测试时机、合格判据等内容。

试验时，采用随机抽样方式抽取6组（共12只）样品，编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#共12只电连接器，分为三组进行试验，样品具体试验安排见表2。

在整个综合应力的电连接器试验检测过程中需要设计制作大量的试验夹具，如何设计制作，保证试验结果的准确，有效，并具有通用性，也是测试工作者需要关心的问题。

试验夹具包括:

表2 电连接器可靠性试验分配及进度安排

表2 电连接器可靠性试验分配及进度安排（续）

1）参数检测夹具：每项试验前后，都需要检测电性能参数，国军标GJB 1217A-2009中明确规定，绝缘电阻和耐压应在间距最近的接触件之间及连接器外壳与靠近外壳的接触件之间进行测量，拿YMG27来说，有26个接触件，每个参数需要检测76个点以上，在试验后的两个小时内根本无法完成，因此需要设计制作测试夹具，既能满足国军标要求，又能节约时间，在较短的时间内完成，还要保证测试的精度满足要求，测试结果准确。

2）试验夹具：通过分析不同环境应力条件下电连接器的试验项目明确出各种环境应力条件下电连接器试验夹具应具有的特性，对各种环境应力条件下试验夹具的特性进行系统分析，找出一组最优化的试验夹具特性组合，以尽可能少的试验夹具数量满足尽可能多的环境应力条件，通过电连接器试验检测完成对试验夹具有效性的验证考核。

3 结论

本文设计的可靠性试验方案较为全面的考虑了电连接器各种失效模式以及各试验的组合应力搭配，已成功应用于多种电连接器的可靠性鉴定试验，并具有良好的通用性和扩展性。同时，筛选、可靠性鉴定等试验都有可能带来一定的负面效应，不适当的试验和测试可能引入更多的缺陷，例如：存贮、老化试验等可能会玷污元件、引起损伤；应力施加超过额度工作条件可能会造成元件的永久损伤等。因此，在进行可靠性试验时，应小心和规范操作，施加应力不能超过元件规范的规定，避免元件过应力、玷污和机械损伤。