电连接器热循环加速试验与失效分析研究

骆燕燕,王振,李晓宁,刘磊

(河北工业大学电气工程学院,天津 300130)

电连接器热循环加速试验与失效分析研究

骆燕燕,王振,李晓宁,刘磊

(河北工业大学电气工程学院,天津 300130)

空间技术的迅猛发展对电连接器可靠性提出了更高的要求,主要研究温度循环条件下电连接器的可靠性问题。结合加速寿命试验理论,设计了一种电连接器热循环加速试验方案并进行了试验。在试验中,试品接触件的接触电阻值随循环次数的增加而缓慢增长,利用灰色模型预测出了试品的热循环寿命。此外,对试验后试品插孔的分析发现:插孔的晶粒尺寸增大且不均匀,亚结构的碎化程度、位错密度及有序的β′相均有增加。由此可知,连接器插孔中微观结构的变化是引发其综合力学性能下降,插孔出现应力松弛现象,而导致接触可靠性逐步蜕化的根本原因。

飞行器仪表、设备;电连接器;热循环;加速试验;失效分析

0 引言

电连接器是一种依靠插针插孔(即接触件)的插合和分离,来实现电路通断的机电元件。电连接器广泛应用于各种尖端技术系统及大型军用、民用系统中,其质量的好坏与可靠性的高低对电气电子设备的性能及系统的安全运行有重要的影响[1]。

接触失效是电连接器的主要失效模式之一,具体表现为接触电阻增大和接触对瞬断[2]。接触件是电连接器导电的核心元件,接触件的可靠接触是靠插针插孔之间稳定的接触压力实现的。插孔是弹性元件,在长期受到接触压力和热应力的作用下,其微观上将会发生组织的演变,宏观上则表现为由弹性变形不断转化为塑性形变,从而使接触压力降低,接触电阻增大,接触性能蜕化。因此,热应力对电连接器可靠性的影响不容忽视,而不同形式的热应力如高温、低温及热冲击等引发的电连接器的失效模式各不相同[3-4]。本文主要研究热循环应力对电连接器可靠性的影响。

电连接器具有可靠性高、寿命长的特点,对于长寿命产品,一般采用加速寿命试验方法对其可靠性进行研究。加速寿命试验自1967年由美罗姆航展中心提出以来,在产品可靠性评估中得到广泛应用。目前电连接器加速寿命试验研究主要采用恒定应力加速寿命试验和步进加速寿命试验;应力类型主要采用温度、振动单应力或温度和振动综合应力。在研究中:1)确定了常温应力下接触可靠性参数估计值;2)提出了电连接器贮存可靠性的快速评定方法;3)验证了非失效情况下电连接器可靠性评估的可行性[5-7]。本文主要讨论电连接器热循环加速试验理论与方法,研究热循环加速试验中电连接器接触件微观组织演变规律。

1 热循环加速试验

1.1 试验方案的设计

1.1.1 热循环的设定

根据电工电子产品环境试验相关标准GB/T 2423.22—2002,试验方法Nb是具有规定变化速率的温度变化试验,用于评定产品耐环境温度变化的能力和在环境温度变化期间的工作能力,本文的电连接器热循环加速试验的基本试验方案如图1所示[8-9]。

图1所示热循环试验中的每个循环周期包含有高温期、低温期及两个条件试验温度间的交替转换期。其中,TA为循环中的低温应力值,TB为循环中的高温应力值,t1为低温、高温应力值下的暴露时间。

1.1.2 加速应力水平的确定

热循环试验中,高/低温的交替往复作用是一种周期性交变的温度应力,可看作是多个高/低温恒定应力作用的叠加。这种应力对产品可靠性造成的影响是一个缓慢而复杂的发展过程,为了缩短试验周期,节约试验运行成本,加速循环热应力引发的连接器失效进程,本文结合恒定应力加速寿命试验理论对上述基本试验方案中的高温值进行设定。循环中的低温值均设定为5℃.

根据加速应力水平数k的选取不宜过大或过小的原则,本文将高温加速应力水平设为4个等级。

根据IEC国际电工标准相关规定,最低加速温度应不超过所预测温度的20～25℃,在不改变失效机理的前提下,最高应力应尽可能比正常应力高一些[3]。所以,本文将循环中的高温值的最低温度应力值定为55℃;最高温度应力值设定为125℃.根据加速寿命试验理论,加速应力为温度时,可采用阿伦尼斯模型来描述导致产品失效的内部物理化学过程与温度的关系。阿伦尼斯模型中,各应力可按其倒数呈等间隔选取,即

由此,本文得到热循环加速试验方案中高温值的4个应力水平分别为:328.15 K、348.55 K、371.75 K和398.15 K(即55℃、75.4℃、98.6℃和125℃).

1.1.3 热循环加速试验参数的确定

热循环试验的严酷等级由试验的低温、高温值,温度变化速率和循环次数决定。因此,本文对试验的主要参数进行了分析选取。

除非相关规范另有规定,试验箱内的温度升降变化速率应不高于(5±1)℃/min.可按(1± 0.2)℃/min、(3±0.6)℃/min或者(5±1)℃/min进行合理的选择。本试验采用ESPEC自动调温调湿试验箱施加试验应力。若模拟昼夜温度变化,推荐选择(1±0.2)℃/min.循环次数推荐为10、20、30、50、100、200、300、500次等。

本文通过-40℃温度突变试验得到电连接器试验样品的冷却曲线后估算出电连接器试品的热时间常数为7.5 min.又依据低温、高温应力值下的暴露时间t1的选取原则,若t1≥5τ,则d＜0.01D,τ为试验样品的热时间常数,d为试验介质温度和试验样品温度之差,D为热冷条件试验温度之差,选定热循环加速试验中低温、高温应力值下的暴露时间t1为1 h.

1.1.4 试验样品类型与数量的确定

试验样品应为有代表性的产品规格,且应在本质上是同一设计。对于高可靠性长寿命的产品,为了节省试验时间,应投试较大数量的试样,最好不低于30只[10];产品成本及试验费用较高的,可酌情减少。电子元器件产品在每个应力水平下的样品数量不少于10只[10],特殊产品不少于5只[10]。

1.1.5 试验中的测试问题

试验过程中,一般应及时测量可显示失效机理发展的所有参数。接触失效占电连接器总失效的45.1%,接触电阻是其失效反映敏感的主要电参数,因此,在试验过程中,本文将接触电阻作为主要检测参数。

考虑到热循环试验的周期性和高低温交替的特点,本文推荐试验中每个周期的高、低温稳定期在40%内,对参数进行定期测试;测试时,数据采集频率为1次/min,将采集数据与样品接触电阻极限值比较进行失效判定;若无失效发生,采集数据的平均值可作为该次测试的接触电阻值。

1.1.6 试验方案

根据上述热循环加速试验方法,本文选取了4组循环试验对某型号圆形航空电连接器进行了热循环加速试验,具体试验方案如表1所示。其中,每组热循环试验中的试品数为5只。

表1 热循环加速试验方案Tab.1 Accelerated thermal cycling test scheme

1.2 试验电路设计

根据以上方案,本文进行了试验电路设计,其原理框图如图2所示。负载电路主要由WYK-3020-J直流稳压稳流源、负载和电连接器试验样品构成。试验样品放置于SETH-Z-040调温调湿箱内。电连接器的接触电阻通过数据采集电路由TH2511型直流低电阻测试仪进行检测。

图2 试验原理框图Fig.2 Block diagram of test circuit

1.3 试验结果分析

试验结果表明:随着循环次数的增加,电连接器接触件的接触电阻值呈缓慢上升趋势,但增加幅度并不大;随着温度变化幅度增加,接触电阻值的变化趋势更明显。图3为4组热循环试验中各组试品接触电阻的变化趋势图。

图3 4组热循环试验中各组试品接触电阻的变化曲线Fig.3 Contact resistance curves in different cycling conditions

由于4组热循环试验中未有失效试品,本文采用灰色模型对产品的热循环寿命进行了预测。

表2所示为20℃—5℃—125℃—20℃热循环试验中125℃高温暴露期间的接触电阻值。

以5号试品的接触电阻值为原始数据序列,即

则对x(0)进行一次累加运算(1-AGO),生成一次累加序列为

表2 循环试验中高温暴露期试品接触电阻值(20℃—5℃—125℃—20℃)Tab.2 Contact resistances at 125℃during the thermal cycling test

x(1)的均值序列(MEAN)为

由(3)式～(5)式中3组序列得到中间参数包为P=(C,D,E,F)=(161.02,1.42,131.43,1739.38).

于是,序列的发展系数a与灰作用量b分别为

(9)式、(10)式即为灰色理论GM(1,1)模型的拟合与预测公式。依据试品的极限接触电阻R= 3 mΩ,由灰色模型预测出5号电连接器的热循环寿命为732次。表3所示为4组热循环试验中试验样品的热循环寿命预测值的平均值;以及依据平均值利用多项式拟合方法推算出的正常温度循环条件下的电连接器试品的热循环寿命。

表3 电连接器热循环寿命预测值Tab.3 Extrapolated thermal cycling life of electrical connectors

2 试品失效分析

虽然试验中没有失效试品,但为了研究热循环条件对电连接器接触性能蜕化的影响,本文对试品的接触件做了进一步的测试与分析。测试发现:试验后电连接器试品的插孔端部孔径尺寸比试验前有一定的增大,这说明随着热循环次数的增加,插孔的塑性应变分量逐渐升高,回弹应变分量逐渐降低,从而造成插孔变形后的恢复力逐渐减小,最终发生了塑性变形,导致接触件的接触压力出现了应力松弛现象。这种变化将导致电连接器接触件接触压力降低,接触电阻增加,这与试验中检测到的接触电阻缓慢增加的趋势相吻合。接触电阻的增加就预示着电连接器的接触可靠性的降低,接触性能的蜕化。

应力松弛现象的发生与试品微观组织的变化有关。于是本文从接触件材料特性分析入手,对接触件应力松弛现象的微观组织演化机理进行了分析探讨。

接触件是电连接器的核心元件,为了保证其可靠接触,本试验选用的电连接器接触件采用工艺性能和力学性能好、导电性能好的铜合金,插孔选H59铜锌合金。铜-锌二元合金相图如图4所示,随着锌含量的增加固态下可出现α、β、γ 3种相。α相为锌在铜中的固溶体,属面心立方晶格,退火后晶粒的平均直径在0.025～0.045 mm之间。锌在450℃时溶解度的最高可达39%,当含锌在39%以下为单向α固溶体,呈树枝状,在显微镜下通常呈亮白色。β相是以电子化合物CuZn为基的成分可变的固溶体,属体心立方晶格,β相易受侵蚀,具有较高塑性的高温β相缓冷却至456℃～468℃以下时将发生无序的β相向有序的β′相转变,β′相明显变脆。γ相是以电子化合物Cu5Zn8为基的固溶体,性硬而脆不宜浸蚀呈灰蓝色颗粒或星花状[11-12]。

图4 铜-锌二元合金相图Fig.4 Phase diagram of Cu-Zn binary alloy

为了进一步研究其微观组织演化机理,本文对试验前后试品的插孔进行了金相对比分析,图5、图6所示为5号试品插孔的金相分析图。

图5 试验前5号试品插孔金相图分析Fig.5 Metallograph of sample 5 before test

图6 试验后5号试品插孔金相图分析Fig.6 Metallograph of sample 5 after test

从图6可以看出,试品插孔存在两种相(即两种组织),其中浅色部分是α相呈卵石状,它是一种Zn溶于Cu中所形成的固溶体;黑色部分是电子化合物CuZn为基的β固溶体[13]。α相在β相析出时首先在β相的晶界大量出现,α相构成的连续基体对材料的变形十分有利。通过对比分析可知,经过热循环加速试验后,α相晶粒略微增大,晶粒明显变得不均匀。这是由于晶粒的不均匀在二次结晶过程中发生的大晶粒吞并小晶粒出现的晶粒的长大、亚结构的碎化程度增大、位错密度增加。这样会使合金的强度特别是韧性降低、变形抗力增大。而α相中Zn的析出也会使合金的强度降低,孪晶的产生说明插孔在经受热循环试验后已经发生了塑性变形。由此导致插孔逐步由弹性变形转为塑性变形,使试件的接触压力变小,从而导致试件应力松弛、接触电阻增大。同时,β′相的增加还会使插孔发生脆裂的几率增加。

3 结论

本文对电连接器热循环加速试验的研究结果表明:

1)试品的接触电阻值随循环次数的增加而缓慢增长。

2)循环应力中高低温差的幅值越大,连接器接触电阻的增长变化越快,热循环寿命越低。

3)试验后样品插孔的亚结构的碎化程度、位错密度和β′相均有增加。

由此可推断:温度循环条件下,连接器插孔中微观组织结构的变化是引发其综合力学性能下降,插孔出现应力松弛现象,从而导致接触可靠性逐步蜕化的根本原因。

本文提出的试验方案为预测高可靠长寿命产品的热循环寿命提供了一种思路,对温度变化引起的产品可靠性缓慢蜕化问题的研究是可行的。而本文的探索性研究,还需进一步完善,如试验方案中高低温应力值组合方法,温度变化速率等参数的选择,应力松弛微观组织演变规律的深度探索以及影响该演变的关键因素的确定。

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Accelerated Thermal Cycling Test and Failure Analysis of Electrical Connectors

LUO Yan-yan,WANG Zhen,LI Xiao-ning,LIU Lei
(School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

The rapid development of space technology has put forward higher requirements for electrical connector reliability.The reliability issues of electrical connectors under thermal cycling conditions are presented.A thermal cycling test scheme combined with the accelerated life test theory is proposed for electrical connectors.The accelerated thermal cycling test is carried out.It is found that the value of contact resistance increases slowly with the number of thermal cycles.The extrapolated value of thermal cycling life is calculated by gray model.Finally,the failure analysis on the jack of typical samples is illustrated.It is indicated that the crystal size rises,the fragmentation degree of the sub structure and the dislocation density increase,and there is more β′phase appearing in the jack of samples after test.The result shows that the change of microstructure is the fundamental reason for the stress relaxation phenomenon of jacks and the contact reliability degradation of electrical connectors.

instrument and equipment of aerocraft;electrical connector;thermal cycling;accelerated life test;failure analysis

TM503+.5;TB114.3

A

1000-1093(2014)11-1908-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.11.024

2014-01-21

国家自然科学基金项目(51107028)

骆燕燕(1971—),女,教授,博士生导师。E-mail:luoyy@hebut.edu.cn;

王振(1988—),男,硕士研究生。E-mail:wangzhenTOP911@163.com