電連接器熱循環(huán)加速試驗與失效分析研究

駱燕燕,王振,李曉寧,劉磊

(河北工業(yè)大學電氣工程學院,天津 300130)

電連接器熱循環(huán)加速試驗與失效分析研究

駱燕燕,王振,李曉寧,劉磊

(河北工業(yè)大學電氣工程學院,天津 300130)

空間技術的迅猛發(fā)展對電連接器可靠性提出了更高的要求,主要研究溫度循環(huán)條件下電連接器的可靠性問題。結(jié)合加速壽命試驗理論,設計了一種電連接器熱循環(huán)加速試驗方案并進行了試驗。在試驗中,試品接觸件的接觸電阻值隨循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢增長,利用灰色模型預測出了試品的熱循環(huán)壽命。此外,對試驗后試品插孔的分析發(fā)現(xiàn):插孔的晶粒尺寸增大且不均勻,亞結(jié)構(gòu)的碎化程度、位錯密度及有序的β′相均有增加。由此可知,連接器插孔中微觀結(jié)構(gòu)的變化是引發(fā)其綜合力學性能下降,插孔出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象,而導致接觸可靠性逐步蛻化的根本原因。

飛行器儀表、設備;電連接器;熱循環(huán);加速試驗;失效分析

0 引言

電連接器是一種依靠插針插孔(即接觸件)的插合和分離,來實現(xiàn)電路通斷的機電元件。電連接器廣泛應用于各種尖端技術系統(tǒng)及大型軍用、民用系統(tǒng)中,其質(zhì)量的好壞與可靠性的高低對電氣電子設備的性能及系統(tǒng)的安全運行有重要的影響[1]。

接觸失效是電連接器的主要失效模式之一,具體表現(xiàn)為接觸電阻增大和接觸對瞬斷[2]。接觸件是電連接器導電的核心元件,接觸件的可靠接觸是靠插針插孔之間穩(wěn)定的接觸壓力實現(xiàn)的。插孔是彈性元件,在長期受到接觸壓力和熱應力的作用下,其微觀上將會發(fā)生組織的演變,宏觀上則表現(xiàn)為由彈性變形不斷轉(zhuǎn)化為塑性形變,從而使接觸壓力降低,接觸電阻增大,接觸性能蛻化。因此,熱應力對電連接器可靠性的影響不容忽視,而不同形式的熱應力如高溫、低溫及熱沖擊等引發(fā)的電連接器的失效模式各不相同[3-4]。本文主要研究熱循環(huán)應力對電連接器可靠性的影響。

電連接器具有可靠性高、壽命長的特點,對于長壽命產(chǎn)品,一般采用加速壽命試驗方法對其可靠性進行研究。加速壽命試驗自1967年由美羅姆航展中心提出以來,在產(chǎn)品可靠性評估中得到廣泛應用。目前電連接器加速壽命試驗研究主要采用恒定應力加速壽命試驗和步進加速壽命試驗;應力類型主要采用溫度、振動單應力或溫度和振動綜合應力。在研究中:1)確定了常溫應力下接觸可靠性參數(shù)估計值;2)提出了電連接器貯存可靠性的快速評定方法;3)驗證了非失效情況下電連接器可靠性評估的可行性[5-7]。本文主要討論電連接器熱循環(huán)加速試驗理論與方法,研究熱循環(huán)加速試驗中電連接器接觸件微觀組織演變規(guī)律。

1 熱循環(huán)加速試驗

1.1 試驗方案的設計

1.1.1 熱循環(huán)的設定

根據(jù)電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗相關標準GB/T 2423.22—2002,試驗方法Nb是具有規(guī)定變化速率的溫度變化試驗,用于評定產(chǎn)品耐環(huán)境溫度變化的能力和在環(huán)境溫度變化期間的工作能力,本文的電連接器熱循環(huán)加速試驗的基本試驗方案如圖1所示[8-9]。

圖1所示熱循環(huán)試驗中的每個循環(huán)周期包含有高溫期、低溫期及兩個條件試驗溫度間的交替轉(zhuǎn)換期。其中,TA為循環(huán)中的低溫應力值,TB為循環(huán)中的高溫應力值,t1為低溫、高溫應力值下的暴露時間。

1.1.2 加速應力水平的確定

熱循環(huán)試驗中,高/低溫的交替往復作用是一種周期性交變的溫度應力,可看作是多個高/低溫恒定應力作用的疊加。這種應力對產(chǎn)品可靠性造成的影響是一個緩慢而復雜的發(fā)展過程,為了縮短試驗周期,節(jié)約試驗運行成本,加速循環(huán)熱應力引發(fā)的連接器失效進程,本文結(jié)合恒定應力加速壽命試驗理論對上述基本試驗方案中的高溫值進行設定。循環(huán)中的低溫值均設定為5℃.

根據(jù)加速應力水平數(shù)k的選取不宜過大或過小的原則,本文將高溫加速應力水平設為4個等級。

根據(jù)IEC國際電工標準相關規(guī)定,最低加速溫度應不超過所預測溫度的20～25℃,在不改變失效機理的前提下,最高應力應盡可能比正常應力高一些[3]。所以,本文將循環(huán)中的高溫值的最低溫度應力值定為55℃;最高溫度應力值設定為125℃.根據(jù)加速壽命試驗理論,加速應力為溫度時,可采用阿倫尼斯模型來描述導致產(chǎn)品失效的內(nèi)部物理化學過程與溫度的關系。阿倫尼斯模型中,各應力可按其倒數(shù)呈等間隔選取,即

由此,本文得到熱循環(huán)加速試驗方案中高溫值的4個應力水平分別為:328.15 K、348.55 K、371.75 K和398.15 K(即55℃、75.4℃、98.6℃和125℃).

1.1.3 熱循環(huán)加速試驗參數(shù)的確定

熱循環(huán)試驗的嚴酷等級由試驗的低溫、高溫值,溫度變化速率和循環(huán)次數(shù)決定。因此,本文對試驗的主要參數(shù)進行了分析選取。

除非相關規(guī)范另有規(guī)定,試驗箱內(nèi)的溫度升降變化速率應不高于(5±1)℃/min.可按(1± 0.2)℃/min、(3±0.6)℃/min或者(5±1)℃/min進行合理的選擇。本試驗采用ESPEC自動調(diào)溫調(diào)濕試驗箱施加試驗應力。若模擬晝夜溫度變化,推薦選擇(1±0.2)℃/min.循環(huán)次數(shù)推薦為10、20、30、50、100、200、300、500次等。

本文通過-40℃溫度突變試驗得到電連接器試驗樣品的冷卻曲線后估算出電連接器試品的熱時間常數(shù)為7.5 min.又依據(jù)低溫、高溫應力值下的暴露時間t1的選取原則,若t1≥5τ,則d＜0.01D,τ為試驗樣品的熱時間常數(shù),d為試驗介質(zhì)溫度和試驗樣品溫度之差,D為熱冷條件試驗溫度之差,選定熱循環(huán)加速試驗中低溫、高溫應力值下的暴露時間t1為1 h.

1.1.4 試驗樣品類型與數(shù)量的確定

試驗樣品應為有代表性的產(chǎn)品規(guī)格,且應在本質(zhì)上是同一設計。對于高可靠性長壽命的產(chǎn)品,為了節(jié)省試驗時間,應投試較大數(shù)量的試樣,最好不低于30只[10];產(chǎn)品成本及試驗費用較高的,可酌情減少。電子元器件產(chǎn)品在每個應力水平下的樣品數(shù)量不少于10只[10],特殊產(chǎn)品不少于5只[10]。

1.1.5 試驗中的測試問題

試驗過程中,一般應及時測量可顯示失效機理發(fā)展的所有參數(shù)。接觸失效占電連接器總失效的45.1%,接觸電阻是其失效反映敏感的主要電參數(shù),因此,在試驗過程中,本文將接觸電阻作為主要檢測參數(shù)。

考慮到熱循環(huán)試驗的周期性和高低溫交替的特點,本文推薦試驗中每個周期的高、低溫穩(wěn)定期在40%內(nèi),對參數(shù)進行定期測試;測試時,數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min,將采集數(shù)據(jù)與樣品接觸電阻極限值比較進行失效判定;若無失效發(fā)生,采集數(shù)據(jù)的平均值可作為該次測試的接觸電阻值。

1.1.6 試驗方案

根據(jù)上述熱循環(huán)加速試驗方法,本文選取了4組循環(huán)試驗對某型號圓形航空電連接器進行了熱循環(huán)加速試驗,具體試驗方案如表1所示。其中,每組熱循環(huán)試驗中的試品數(shù)為5只。

表1 熱循環(huán)加速試驗方案Tab.1 Accelerated thermal cycling test scheme

1.2 試驗電路設計

根據(jù)以上方案,本文進行了試驗電路設計,其原理框圖如圖2所示。負載電路主要由WYK-3020-J直流穩(wěn)壓穩(wěn)流源、負載和電連接器試驗樣品構(gòu)成。試驗樣品放置于SETH-Z-040調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)。電連接器的接觸電阻通過數(shù)據(jù)采集電路由TH2511型直流低電阻測試儀進行檢測。

圖2 試驗原理框圖Fig.2 Block diagram of test circuit

1.3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明:隨著循環(huán)次數(shù)的增加,電連接器接觸件的接觸電阻值呈緩慢上升趨勢,但增加幅度并不大;隨著溫度變化幅度增加,接觸電阻值的變化趨勢更明顯。圖3為4組熱循環(huán)試驗中各組試品接觸電阻的變化趨勢圖。

圖3 4組熱循環(huán)試驗中各組試品接觸電阻的變化曲線Fig.3 Contact resistance curves in different cycling conditions

由于4組熱循環(huán)試驗中未有失效試品,本文采用灰色模型對產(chǎn)品的熱循環(huán)壽命進行了預測。

表2所示為20℃—5℃—125℃—20℃熱循環(huán)試驗中125℃高溫暴露期間的接觸電阻值。

以5號試品的接觸電阻值為原始數(shù)據(jù)序列,即

則對x(0)進行一次累加運算(1-AGO),生成一次累加序列為

表2 循環(huán)試驗中高溫暴露期試品接觸電阻值(20℃—5℃—125℃—20℃)Tab.2 Contact resistances at 125℃during the thermal cycling test

x(1)的均值序列(MEAN)為

由(3)式～(5)式中3組序列得到中間參數(shù)包為P=(C,D,E,F)=(161.02,1.42,131.43,1739.38).

于是,序列的發(fā)展系數(shù)a與灰作用量b分別為

(9)式、(10)式即為灰色理論GM(1,1)模型的擬合與預測公式。依據(jù)試品的極限接觸電阻R= 3 mΩ,由灰色模型預測出5號電連接器的熱循環(huán)壽命為732次。表3所示為4組熱循環(huán)試驗中試驗樣品的熱循環(huán)壽命預測值的平均值;以及依據(jù)平均值利用多項式擬合方法推算出的正常溫度循環(huán)條件下的電連接器試品的熱循環(huán)壽命。

表3 電連接器熱循環(huán)壽命預測值Tab.3 Extrapolated thermal cycling life of electrical connectors

2 試品失效分析

雖然試驗中沒有失效試品,但為了研究熱循環(huán)條件對電連接器接觸性能蛻化的影響,本文對試品的接觸件做了進一步的測試與分析。測試發(fā)現(xiàn):試驗后電連接器試品的插孔端部孔徑尺寸比試驗前有一定的增大,這說明隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加,插孔的塑性應變分量逐漸升高,回彈應變分量逐漸降低,從而造成插孔變形后的恢復力逐漸減小,最終發(fā)生了塑性變形,導致接觸件的接觸壓力出現(xiàn)了應力松弛現(xiàn)象。這種變化將導致電連接器接觸件接觸壓力降低,接觸電阻增加,這與試驗中檢測到的接觸電阻緩慢增加的趨勢相吻合。接觸電阻的增加就預示著電連接器的接觸可靠性的降低,接觸性能的蛻化。

應力松弛現(xiàn)象的發(fā)生與試品微觀組織的變化有關。于是本文從接觸件材料特性分析入手,對接觸件應力松弛現(xiàn)象的微觀組織演化機理進行了分析探討。

接觸件是電連接器的核心元件,為了保證其可靠接觸,本試驗選用的電連接器接觸件采用工藝性能和力學性能好、導電性能好的銅合金,插孔選H59銅鋅合金。銅-鋅二元合金相圖如圖4所示,隨著鋅含量的增加固態(tài)下可出現(xiàn)α、β、γ 3種相。α相為鋅在銅中的固溶體,屬面心立方晶格,退火后晶粒的平均直徑在0.025～0.045 mm之間。鋅在450℃時溶解度的最高可達39%,當含鋅在39%以下為單向α固溶體,呈樹枝狀,在顯微鏡下通常呈亮白色。β相是以電子化合物CuZn為基的成分可變的固溶體,屬體心立方晶格,β相易受侵蝕,具有較高塑性的高溫β相緩冷卻至456℃～468℃以下時將發(fā)生無序的β相向有序的β′相轉(zhuǎn)變,β′相明顯變脆。γ相是以電子化合物Cu5Zn8為基的固溶體,性硬而脆不宜浸蝕呈灰藍色顆粒或星花狀[11-12]。

圖4 銅-鋅二元合金相圖Fig.4 Phase diagram of Cu-Zn binary alloy

為了進一步研究其微觀組織演化機理,本文對試驗前后試品的插孔進行了金相對比分析,圖5、圖6所示為5號試品插孔的金相分析圖。

圖5 試驗前5號試品插孔金相圖分析Fig.5 Metallograph of sample 5 before test

圖6 試驗后5號試品插孔金相圖分析Fig.6 Metallograph of sample 5 after test

從圖6可以看出,試品插孔存在兩種相(即兩種組織),其中淺色部分是α相呈卵石狀,它是一種Zn溶于Cu中所形成的固溶體;黑色部分是電子化合物CuZn為基的β固溶體[13]。α相在β相析出時首先在β相的晶界大量出現(xiàn),α相構(gòu)成的連續(xù)基體對材料的變形十分有利。通過對比分析可知,經(jīng)過熱循環(huán)加速試驗后,α相晶粒略微增大,晶粒明顯變得不均勻。這是由于晶粒的不均勻在二次結(jié)晶過程中發(fā)生的大晶粒吞并小晶粒出現(xiàn)的晶粒的長大、亞結(jié)構(gòu)的碎化程度增大、位錯密度增加。這樣會使合金的強度特別是韌性降低、變形抗力增大。而α相中Zn的析出也會使合金的強度降低,孿晶的產(chǎn)生說明插孔在經(jīng)受熱循環(huán)試驗后已經(jīng)發(fā)生了塑性變形。由此導致插孔逐步由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形,使試件的接觸壓力變小,從而導致試件應力松弛、接觸電阻增大。同時,β′相的增加還會使插孔發(fā)生脆裂的幾率增加。

3 結(jié)論

本文對電連接器熱循環(huán)加速試驗的研究結(jié)果表明:

1)試品的接觸電阻值隨循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢增長。

2)循環(huán)應力中高低溫差的幅值越大,連接器接觸電阻的增長變化越快,熱循環(huán)壽命越低。

3)試驗后樣品插孔的亞結(jié)構(gòu)的碎化程度、位錯密度和β′相均有增加。

由此可推斷:溫度循環(huán)條件下,連接器插孔中微觀組織結(jié)構(gòu)的變化是引發(fā)其綜合力學性能下降,插孔出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象,從而導致接觸可靠性逐步蛻化的根本原因。

本文提出的試驗方案為預測高可靠長壽命產(chǎn)品的熱循環(huán)壽命提供了一種思路,對溫度變化引起的產(chǎn)品可靠性緩慢蛻化問題的研究是可行的。而本文的探索性研究,還需進一步完善,如試驗方案中高低溫應力值組合方法,溫度變化速率等參數(shù)的選擇,應力松弛微觀組織演變規(guī)律的深度探索以及影響該演變的關鍵因素的確定。

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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

國家自然科學基金項目(51107028)

駱燕燕(1971—),女,教授,博士生導師。E-mail:luoyy@hebut.edu.cn;

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