一种HDMI 高清座母座连接故障的研究分析与改进

张华

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

引言

HDMI， 高清晰度多媒体接口（ 英文：High Definition Multimedia Interface，简写HDMI）是一种数字化视频／音频接口技术，是适合影像传输的专川型数字化接口，可同时传送音频和影音信号．最高数据传输速度为5 Gbps。HDMI 高清座接头是数字音视频传输中不可或缺的组成部分，已成为现代电子产品的主流接口。

HDMI 连接器最初在2004年出现，能够同时传输视频与音频信号，而且质量很高。比起VGA 的模拟信号传输，HDMI 传输数字信号可提供质量更好的图像信号；比起DVI 仅传输视频信号，HDMI 可以传输除视频信号之外的音频信号、字幕信号或其他的控制信号，被广泛使用，现已成为主流的视听数字传输线，产品包括电视、电脑、无人机、云台、VR 头盔等。如其发生失效，会导致数据传输中断、数据丢失，视听产品无法使用的情况，对用户体验产生负面影响。因此，研究HDMI 连接器部件的失效原因及失效机理，采取有效的改善措施，具有非常重要的意义。

本文通过对15 %存在接触不良的HDMI 高清座样品进行失效分析，最终确定了该产品的失效根本原因，并为企业提出了相应的改进建议。这对生产企业的工艺改进提供了有力证据支撑，有助于企业提高产品的质量和可靠性，同时也为企业后续的产品研发和生产提供了相关的经验和教训，有助于企业提升产品设计水平和生产工艺，不断提升企业所生产产品的可靠性水平。通过本文的研究，我们可以看到失效分析手段在产品研发、生产和使用过程中的重要性，同时也突出体现了工艺改进和质量监控在企业产品质量管理中的重要性[1]。

1 失效样品描述

企业送检失效样品为其所生产的一种HDMI 高清座母座，该产品可应用于多种数据、视频传输及通信产品。

企业所送样品为5 个，均为HDMI 高清座母座单体，没有外壳。样品具体情况如下：3#为上线前样品，1#、2#、4#、5#为上线后从PCBA 上取下的炉后样品，1#、4#、5#为不良品，2#为良品。具体样品信息见表1。

表1 样品信息表

2 确认失效现象

为确认导致失效样品接触不良的的故障原因，必须先确认导致样品失效的直接原因，样品的故障原因是断路和接触不良。经过导电回路分析测试，发现HDMI 高清座接触不良的故障，是由于HDMI 高清座母座被污染，而导致连接器的接触电阻过大所引起，且发现HDMI 高清座母座金手指表面粘染有黑色异物，初步怀疑是黑色异物导致接触不良，引起通信、音视频等数据传输信号中断的重要原因。

2.1 外观检查

失效位置初步确认为HDMI 高清座母座金手指，显微镜发现，样品结构设计外观观察，样品金手指的前端部分嵌入了高清母座的塑胶外壳里面。经显微镜观察，确认1#～5#样品金手指表面均粘染有灰黑色异物，1#、4#、5#不良样品金手指表面黑色异物较多；另外，从外观检查的图片中，可以发现，样品金手指上有连接器插拔时所产生的摩擦痕迹。典型图片见图1和图2。

图1 1#样品金手指显微镜观察图片（100 X）

图2 2#样品金手指显微镜观察图片（150 X）

通过外观检查，可形成外观检查结果：

1）1#～5#样品金手指上的异物为黑色物质，可以初步判断其为不良导电物质；

2）1#～5#样品金手指上都有黑色异物，1#、4#、5#不良样品金手指表面黑色异物较多；

3）样品金手指上，有接触对经过插拔后，留下的摩擦痕迹，且有黑色异物聚集在摩擦通道上面。

根据上述外观检查结果，下一步需要研究分析以下几点：

1）用EDS 能谱分析黑色异物的成分分析，确认其是否为非导电物质，从而得到由于黑色物质导致HDMI高清座接触不良的可能性；

2）确认黑色物质的来源。异物可能来自生产过程、产品其它材料以及使用过程中引入或产生的物质；需要采集产品生产过程中的可能相关物质、产品本身构成材料等分别进行外观及成分分析，根据各物质分析结果，进行研究比较分析，确认黑色异物的来源。

3）确认如果是黑色物质导致接触故障，则需要根据分析结果，结合产品机构设计和生产工艺，为企业有针对性的提出改进建议，避免产品相同故障的再次发生。

2.2 电镜及能谱分析

对1#～5#样品进行电镜及能谱分析，发现在样品金手指表面的黑色异物为不导电物质，且均集中分布在连接器插拔的行程路线上，如果接触对触点刚好位于黑色物质上或黑色物质附近区域，这将会导致接触断路或者接触不良现象的产生，从而导致产品连接器接触不良，产生连接失效，数据传输中断等故障。样品电镜及能谱分析的典型图片见图3 和图4。

图3 1#样品金手指表面电镜图

图4 3#样品金手指表面电镜图

根据显微镜观察现象及扫描电镜观察图片，样品金手指前端的塑料件有被摩擦破坏的现象，且黑色异物大量存在于接触对摩擦痕迹上，有理由怀疑样品金手指表面异物为连接器插拔时，样品金手指前端塑胶被刮蹭下来的碎屑[2]。为确认上述推断是否准确，我们使用SME/EDS 分别对1#、4#、5#样品和2#、3#样品金手指表面黑色异物和样品金手指前端塑胶表面进行成分分析比对。

样品金手指表面异物和样品金手指前端塑胶表面成分经EDS 分析比对，其所含元素种类和每种元素比重接近，去除基材物质的影响，基本可以判定黑色异物和样品金手指前端的塑料为同类物质[3-5]。典型分析数据见图5～7。

图5 样品金手指前端塑胶表面能谱图（15 kV/Mass%）

另外，为了进一步排查黑色异物是否可能来自于生产过程中，我们还通过电镜及能谱，对样品生产过程中用到的锡膏和助焊剂进行了成分分析。

为了保证测试结果的可比性，我们将助焊剂直接滴到样品金手指上，模拟可能由于生产过程中的工艺问题导致助焊剂污染样品金手指表面的情况，然后对样品金手指上的助焊剂进行成分分析。

比较分析黑色异物、锡膏和助焊剂的能谱分析结果，可以排除黑色异物来源于样品生产过程中所使用锡膏和助焊剂的可能。黑色异物能谱分析图片见图6 和图7，锡膏和助焊剂的能谱分析分别见图8 和图9。

图6 样品金手指表面异物表面能谱图（15 kV/Mass%）

图7 样品金手指表面异物表面能谱图（15 kV/Mass%）

图8 锡膏表面能谱图（15 kV/Mass%）

图9 金手指表面的助焊剂表面能谱图（15 kV/Mass%）

3 分析结论

通过对失效样品黑色异物、产品塑胶、生产中所用锡膏和助焊剂等各种材料试验分析的结果，结合产品失效位置外观检查及失效产品结构分析。我们可以得到的分析结论是：1#、4#、5# HDMI 高清座母座金手指表面异物均为金手指前端的塑胶碎屑。这些碎屑是由于母座金手指前端的塑胶在插拔过程中被公头金手指摩擦刮蹭而产生的。这些刮蹭下来的塑胶碎屑会被公头金手指推动和碾压粘附在母座金手指表面而形成塑胶膜，从而导致HDMI 高清座母座与公头金手指的接触不良。

4 改进建议

为避免上述失效情况，我们给企业提出了相应的改进建议：改进产品结构设计和生产工艺，取消HDMI 高清座母座金手指前端包胶设计，避免由于连接器插拔，导致公头金手指与母座金手指前端的包胶摩擦脱落而产生的塑胶碎屑。具体改进位置标准见图10。并且提醒企业根据相关建议，排查改善类似产品设计和生产工艺，提升企业产品整体可靠性水平。

图10 改善建议图示

生产企业接受了我们的改进建议，从结构设计上对接触端子的包胶设计进行了相应的改进，规避了由于接插插拔，接触摩擦，致器件本身非导电材料脱落，刮擦至接触对接触区域，而引起接触对接触不良的失效现象。

企业也举一反三，对其所生产的产品进行了相关结构设计的排查，企业所生产产品的良品率有了较大的提升，产品可靠性水平整体提升，产品的市场占有率和竞争力也得到了提升，取得了良好的经济效益。

5 结语

针对HDMI 高清座接触不良的故障，我们通过外观检查和EDS 分析进行了确认，发现失效原因是样品金手指包胶摩擦脱落导致的接触不良，属于产品结构设计问题。针对这一问题，我们为生产企业提出了改善建议，建议企业优化调整产品设计结构和制作工艺，加强产品检验等措施。企业通过相关改善措施的实施，所生产产品的良品率得到了显著提高，产品可靠性质量得到了客户的认可。我们将继续为企业提供高品质的技术支持和服务，并帮助企业不断提升产品品质和竞争力。