融合失效物理和3F方法的电连接器可靠性分析方法研究*

高 成 王长鑫，2 黄姣英

（1.北京航空航天大学可靠性与系统工程学院 北京 100191）（2.航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

电连接器广泛应用于航空航天、电子通信等行业，可以在电气终端之间进行电信号的传递及控制。电连接器分布在各个系统和部位，其故障可能导致断电或信号传输失败，甚至影响整个系统的正常运行，因此电连接器的可靠性分析工作不可忽视［1］。

蒋杰等［2～3］研究得接触失效是电连接器最主要的失效模式。靳方建等［4～5］分析了电连接器的接触电阻和接触可靠性的影响因素，如接触件结构、接触压力、温度、材料等。贾博贤等［6］关注电连接器的分离可靠性，建立了电连接器分离阻力计算模型。

可靠性分析技术中应用较多的是3F方法，即：故障报告、分析及纠正措施系统（FRACAS），故障模式影响及危害性分析（FMECA），和故障树分析（FTA）。3F方法已在系统和单机层面广泛应用［7～8］，而在元器件层面应用较少。近年来，随着元器件复杂程度的提升和对可靠性要求的增加，国内已有部分研制企业尝试应用3F技术开展质量问题分析，以控制和改善元器件可靠性［9］。

失效物理（PoF）方法是物理学与可靠性相结合的新学科，是可靠性工程的一个重要的新兴发展阶段。它以理化分析为基础关注失效机理，从原子、分子学观点来阐明与失效有关的物理、化学过程，从而为产品的研制与生产乃至贮存使用提供科学的信息与依据。目前，国内外已将失效物理方法广泛应用于可靠性分析，并建立了许多失效机理模型［10～12］。

但集成运用上述理论在元器件领域的可靠性分析研究尚未系统开展。失效物理分析方法主要是从元器件的失效模式入手，寻找造成失效的机理和原因，是从失效模式往前推的工作。3F方法是在整机故障后定位失效元器件，进而从整机、系统层面针对发生的失效找到底层的失效模式，以及对整机系统层面的影响，是失效模式向后的工作。为了实现两个不同应用对象在元器件可靠性分析方面有效融合，需要研究一种合理易行的融合策略。

本文结合某厂分离脱落电连接器实际失效案例，在可靠性分析过程中实现失效物理与3F分析技术的有机融合，形成系统的电连接器可靠性分析方法流程。

2 失效物理与3F方法的融合策略

2.1 融合策略分析

将失效物理方法和3F方法融合在电连接器可靠性分析流程中。首先以失效模式为切入点，结合PoF理论，针对FTA中的每种底事件，从电连接器材料特性、结构设计以及制造工艺环节等方面研究开展失效机理的研究，将FTA的底事件，即失效模式，与失效机理对应。然后借助FMECA和FRACAS，以失效模式为切入点，结合电连接器的生产、制造、使用的整个生命周期等生产工艺实际情况，准确地把电连接器的失效原因及机理映射到其实际生产使用的环节。向后分析对电连接器整体层面造成的危害及影响，并提出纠正措施。采用这种“同步、反向”的研究策略，得到融合失效物理与3F方法的可靠性分析流程如图1所示。

图1 融合失效物理与3F方法的可靠性分析流程图

整个可靠性分析流程可分为研究电连接器失效模式与PoF模型，及电连接器可靠性分析与质量提升策略提出两个部分。

2.2 电连接器失效模式与PoF模型研究

以失效模式为切入点，在FTA分析方法中融合PoF理论，从物理与化学等角度研究电连接器基本失效事件的深层机理和PoF模型，以此为消除或减少失效的依据。主要分析步骤如下。

1）剖析电连接器的功能结构，复现电连接器故障演化逻辑，梳理电连接器失效模式。建立故障树，故障树最末端的底事件，表示电连接器可能的失效模式。

2）分别从固有可靠性范畴和使用可靠性范畴，分析影响电连接器失效的因素，主要包括电子材料和应力环境。

3）针对FTA的每种底事件，对可能导致该失效模式的失效机理进行分析归纳和简要分析。探究对应的PoF模型，构建基本失效模式相关的电化学腐蚀、材料蠕变断裂等物理、化学、生物失效数学模型。

2.3 可靠性分析与质量提升策略提出

结合FMECA分析和FRACAS分析方法，针对电连接器提出可靠性提升策略。

开展电连接器FMECA工作，包括FMEA和CA两部分。开展FMEA工作首先进行电连接器故障模式分析，找出故障原因；将失效模式与失效机理对应到器件结构中；接着进行故障影响及严酷度分析，生成电连接器的危害性矩阵，并确定关键件［13］；进行CA工作，输出电连接器FMECA报告及表格。

基于研究得到的关键件和关键故障模式，在FRACAS过程中，结合电连接器的生产、制造、使用的整个生命周期等生产工艺实际情况，准确地把电连接器的失效原因及机理映射到其实际生产使用的环节［14］。依据这种映射关系，针对每个环节分别给出故障分析说明及对应的纠正措施，提出相应的改进意见，形成更加深入、全面、切实可行的电连接器可靠性分析方法研究。

3 电连接器失效模式与失效机理

3.1 确定研究对象及功能结构

电连接器的三大基本单元为壳体、绝缘体和接触件。电连接器中通电的核心部件就是接触件，因此必须具备稳定的接触结构和良好的导电能力。接触件包括插座与插头，插头由连接机构组件、电缆罩组件、插头壳体组件组成，插座由锁套、插座壳体组件、电缆罩组件、电磁线包组件组成。壳体主要包括插头插座的外壳、连接螺帽和尾部附件。绝缘体用于保持插针插孔在固定位置上，并使得各接触件之间及接触件和壳体之间绝缘。

分析电连接器的工作原理及结构特点，不同组件具有其特定的功能，如图2所示。

图2 电连接器结构及对应功能

3.2 电连接器故障树

建立电连接器的故障树，步骤如下。

1）首先确定顶事件为电连接器失效。

2）找出直接导致顶事件发生的各种可能原因，即次顶事件。本故障树的次顶事件是由接触失效、绝缘失效、机械失效和其他失效等四种失效模式组成的。这些次顶事件中的任何一个发生故障都会导致顶事件的发生，使用逻辑“或门”符号进行连接。

3）以这四个故障事件为次顶事件，对相应的原因进行再展开。如此进行下去，直至找出各个底事件为止，并使用或门或者与门将其连接起来，最终得到电连接器失效的故障树。

3.3 电连接器失效机理与PoF模型

电连接器的失效主要分为接触失效、绝缘失效、机械失效和其他失效几类。分析影响电连接器失效的因素，固有可靠性范畴包括手轮扭矩偏小、脱落弹簧力偏大或偏小等设计工艺问题，使用可靠性范畴包括环境污染、化学腐蚀、疲劳损伤等原因。分析所得其失效机理与模型如表1所示。

表1 电连接器故障树底事件对应的失效机理与模型

4 电连接器可靠性分析与质量提升

4.1 电连接器故障影响与关键部件

基于FMECA方法，将失效模式和失效机理与电连接器的组成部件对应起来，判定危害度等级和严酷度类别，生成电连接器的FMECA表格和危害性矩阵，并确定关键件。

1）画出其可靠性框图

电连接器的任务可靠性框图如图3。

图3 电连接器任务可靠性框图

2）约定分析层次

初始约定层次为电连接器，最低约定层次为电缆罩组件、插头壳体组件、连接机构组件、锁套组件、插座壳体组件、电磁线包组件、绝缘体组件、引线等。

3）分析形成FMECA表格

电连接器FMECA表格如表2所示。

表2 电连接器FMECA表格

4）画出危害性矩阵图确定关键件

将每种故障模式的危害性标注在危害性矩阵图上，成为故障模式分布点，然后投影在对角线上，如图4所示。投影点离原点O越远，对应的故障模式危害性越大。求出基本单元件每一故障模式投影点到原点O的距离之和，并按大小排序，距离之和最大者对应的基本单元件为可靠性关键件，较大者为重要件。分析得电连接器的关键件为连接机构组件，重要件为绝缘体组件。

将式(4)中的投影点代入方程(8)，进而得到空间圆的圆心坐标和l值，将圆心坐标代入即可解出空间圆的半径R。

图4 电连接器FMECA危害性矩阵

4.2 针对故障的纠正措施

经FMECA分析得到电连接器的关键件为连接机构组件，重要件为绝缘体组件。针对生产、制造、使用的生命周期每个环节，提出相应的改进意见。

1）连接机构组件

连接机构组件故障的外在表现形式主要有，插头插座不能对接到位、接触件不能正常插合、绝缘件组件固定失效、脱落弹簧力偏大或偏小等。

针对故障表现形式进行分析，得出可能原因：（1）手轮扭矩偏小；（2）连接套管螺纹副传动效率较低；（3）毛刺多余物带进插头，或接触件断裂或变形；（4）脱落弹簧力偏大，手轮扭矩无法克服；（5）固定绝缘件的螺母脱落，造成零件松动；（6）接触件固定性差。

针对连接机构组件，提出故障纠正措施：手轮扭矩量化控制；接触件采用台阶固定；对脱落弹簧力进行分组筛选；插头、插座采用大小导柱的方式实现定位和导向。

绝缘体组件故障的外在表现形式主要有，绝缘电阻下降或耐电压指标下降，漏电流增加，产生电路串音和电信号失真。

针对故障表现形式进行分析，得出可能原因：（1）绝缘体开裂；（2）绝缘材料吸潮；（3）金属多余物；（4）贮存过程污染；（5）接点间空气击穿；（6）吸潮、长霉、老化等。

针对绝缘体组件，提出故障纠正措施：设定绝缘电阻、耐电压设计值远高于产品技术指标规定值；出厂前对产品绝缘电阻、耐电压进行100%检验；采取镀层厚度、致密性、耐蚀性等检验措施控制镀金层质量；绝缘体材料表面胶木化处理并浸清漆；在头座连接面、连接机构内、电缆罩与壳体之间等部位设置密封圈，并设计防尘盖。

5 结语

本文基于失效物理和3F方法的特点，研究两种方法在元器件可靠性分析流程中的融合策略。从FTA底事件切入，引入PoF理论模型，分析电连接器的绝缘体、接触件与壳体结构中的不同组件，复现故障演化逻辑，探究深层的失效机理模型。构建基本失效模式相关的电化学腐蚀、材料蠕变断裂等物理、化学、生物失效机理模型，定量分析电连接器失效演化潜在因素，揭示实际失效数据中没有暴露的潜在失效危险。使用FMECA方法，从固有可靠性与使用可靠性两个角度，将失效模式与失效机理对应到器件结构中，判断故障严酷度类别与危害度等级，判定关键件为连接机构组件，重要件为绝缘体组件。使用FRACAS方法，从工艺、材料、使用层面分析，把元器件的失效原因及机理映射到其实际生产使用的环节中，对故障树每个底层事件，给出具体详尽的纠错建议，对FTA每个底事件，给出具体详尽的纠错建议，最终形成系统的融合PoF与3F方法的电连接器可靠性分析方法流程。

研究PoF与3F方法的融合策略，一方面可以得到一套较完善的电连接器可靠性分析方法，另一方面也可以验证该融合策略在元器件可靠性分析上的有效性，以便能够在更广泛的元器件类别中推广使用。