長期貯存航天電連接器塵土污染的研究

周怡琳 王 鵬 葛世超 李 方

（1. 北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 北京 100876 2. 杭州航天電子技術(shù)有限公司 杭州 310015）

1 引言

電連接器作為一種機(jī)電元件大量用于電子系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)電子、電氣設(shè)備內(nèi)部和設(shè)備之間的電連接。每個(gè)電連接器的可靠接觸保證了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1-3]。隨著航天系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，對航天電連接器的可靠性要求也越來越高，一些航天電連接器的貯存壽命要求已達(dá)到 21年[4-6]。長期貯存環(huán)境對電連接器電接觸可靠性影響很大，涉及到基底材料的擴(kuò)散、大氣腐蝕、彈性材料的應(yīng)力松弛、微動(dòng)磨損等失效機(jī)理[7-9]。而大氣中的塵土污染是造成連接器電接觸不可靠的又一重要原因。

由于我國沙化問題嚴(yán)重，頻繁引發(fā)沙塵霧霾天氣[10,11]。高濃度顆粒物在電子產(chǎn)品加工、貯存、運(yùn)輸和使用過程中都有可能進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，沉積在電路板和各種元器件上。研究表明使用1年的手機(jī)主板上沉積顆粒尺寸為10～200μm，其中約95%是小于50μm的小顆粒[12]。帶電荷越多的塵土顆粒在表面的沉積概率越高[13]。即使是有氣體過濾的受控環(huán)境，對0.5μm以下的細(xì)塵土顆粒仍然難以屏蔽[14]。

分析北京室內(nèi)自然沉積塵土，表明塵土中無機(jī)物約占70%，其余為有機(jī)物和炭黑。無機(jī)物包含石英、長石、云母、方解石等20余種物質(zhì)。在尺寸大于 25μm的粗大顆粒中，以石英和長石為主；而小于 10μm的細(xì)顆粒中，富集方解石、石膏及云母等粘土礦物[15]。約 4%的無機(jī)物為可溶性鹽類，主要的陽離子和陰離子分別為 K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-、F-、NO3-、SO42-[16]。有機(jī)物的主要成分是約近20種的烷烴(C7-C40+)，和兩種鄰苯二羧酸酯[17]。

研究表明電觸點(diǎn)表面的塵土污染會(huì)導(dǎo)致電連接失效，甚至造成系統(tǒng)故障[18]。失效手機(jī)內(nèi)部的塵土顆粒和纖維，引發(fā)電路板上的鍍金線路腐蝕，進(jìn)入觸點(diǎn)界面的塵土造成觸點(diǎn)的磨損，加速了微動(dòng)腐蝕[19,20]。塵土不但會(huì)增加電連接器接觸界面的摩擦和磨損，還會(huì)造成閉合觸點(diǎn)的瞬斷[21,22]。觸點(diǎn)電鍍過程中絕緣塵土顆粒在待鍍元件上的沉積導(dǎo)致鍍金層的缺陷和高微孔率[23,24]。塵土顆粒具有腐蝕性，偏酸性的塵土溶液造成的腐蝕率較高[25]?？諝庵械膲m土顆粒包含多種吸水性鹽，在環(huán)境相對濕度增大時(shí)可形成電解液，直接腐蝕金屬材料，也能引發(fā)電解腐蝕，或在兩導(dǎo)體之間形成漏電流，造成通信系統(tǒng)中電路板失效[26-28]。

本文通過檢測經(jīng)過長期貯存的航天電連接器的接觸電阻和單孔分離力，結(jié)合對連接器內(nèi)部塵土顆粒的成分、尺寸、分布密度，以及塵土在連接器內(nèi)部電觸點(diǎn)鍍層中的分布情況進(jìn)行的表面微觀探測，分析接觸電阻與分離力、貯存時(shí)間、塵土污染之間的關(guān)系；研究塵土污染對于航天電連接器的貯存可靠性的影響，并從理論上探討塵土污染對航天電連接器貯存失效的可能作用機(jī)理。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)研究對象

本文選取了經(jīng)過生產(chǎn)廠家室內(nèi)貯存 13年～25年的航天電連接器樣品進(jìn)行塵土污染實(shí)驗(yàn)分析，并與新連接器進(jìn)行了比較。包括三種圓形連接器（Y形）和一種矩形連接器（J形）。無論是圓形還是矩形，電連接器中每個(gè)接觸對均由一個(gè)插針和一個(gè)插孔配合形成，在長期貯存過程中接觸對始終處于配合狀態(tài)，如圖1所示。各圓形連接器外殼封裝結(jié)構(gòu)相同，接觸對直徑均為 Φ1mm，接觸對數(shù)量在 8～55對之間，而矩形連接器結(jié)構(gòu)與Y形不同，內(nèi)部接觸對直徑為 Φ1.1mm，接觸對數(shù)量為 206對。接觸對中插針和插孔均為銅合金基底表面鍍金，鍍金層厚度約2μm。連接器的單針分離力和額定接觸電阻等參數(shù)見表1。

圖1 連接器中一對插針插孔接觸對Fig.1 A pair of contact formed by a pin and a socket in a connector

表1 貯存電連接器相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of the stored electrical connectors

2.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

首先，保持長期貯存連接器原有配合狀態(tài)，使用微歐微伏表（DM-100A）根據(jù)四點(diǎn)法對連接器中每對接觸對進(jìn)行接觸電阻測量，并使用箱線圖表示同一連接器中多個(gè)接觸對接觸電阻的分布情況，以評估貯存環(huán)境對連接器電氣特性的影響。箱線圖包括五個(gè)統(tǒng)計(jì)量：接觸電阻的最小值 Min、第一四分位數(shù) Q1、中位數(shù) Q2、第三四分位數(shù) Q3與最大值Max，圖中的異常點(diǎn)定義為小于Q1-1.5IQR或大于Q3+1.5IQR的值（IQR是四分位差）。然后分離連接器，使每對電觸點(diǎn)分開，之后再把連接器重新配合復(fù)測接觸電阻，以考察貯存后連接器插拔操作對接觸電阻的影響，評估連接器電接觸穩(wěn)定性。

其次，由于插孔的預(yù)變形提供了電觸點(diǎn)界面的接觸正壓力，因此在貯存連接器分離后，采用與插孔匹配的鍍金插針做探頭，使用手持式數(shù)字測力計(jì)（日本 SHIMPO，F(xiàn)GP-1）對每個(gè)插孔進(jìn)行分離力測試，可分析貯存連接器觸點(diǎn)殘余接觸壓力對接觸電阻的影響。

最后，對長期貯存的連接器樣品進(jìn)行拆解，使用碳導(dǎo)電膠帶在連接器殼體內(nèi)部不同位置處通過粘接采集塵土顆粒，然后使用掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀對塵土顆粒的成分、形貌、尺寸進(jìn)行檢測，并使用圖像分析軟件進(jìn)行顆粒分布密度統(tǒng)計(jì)。進(jìn)而，在插針接觸表面進(jìn)行微觀檢測，分析塵土在接觸點(diǎn)鍍金層中的分布特征。

3 長期貯存電連接器性能和塵土污染分析結(jié)果

3.1 長期貯存電連接器的接觸電阻

圖2和表2為相似直徑（Φ1mm，Φ1.1mm）的連接器接觸對接觸電阻與貯存時(shí)間的關(guān)系，圖2縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)。隨著貯存時(shí)間增長，接觸電阻均有升高。貯存13年和16年的連接器Y2和Y3接觸電阻分布相似，中值電阻比新品連接器 Y1接觸電阻中值分別升高了 20.6%和 17.5%，接觸電阻最大值均未超過額定接觸電阻值。從接觸電阻的分布上可以看出，新連接器和貯存了13年和16年的連接器中各接觸對的接觸電阻分布較集中，接觸電阻四分位差均在0.5mΩ之內(nèi)。而貯存25年的連接器J1接觸電阻明顯升高，最大值達(dá)62.87mΩ，超過額定值（20mΩ），失效接觸對數(shù)為8對（占4%），而且電阻分布離散性加大，四分位差達(dá)3.03mΩ。

圖2 長期貯存連接器相似直徑接觸對接觸電阻分布Fig.2 The distribution of the contact resistance of contact pairs with similar diameter in the connectors after long-term storage

表2 長期貯存電連接器相似直徑接觸對的接觸電阻Tab.2 Contact resistance of contact pairs with similar diameter in the connectors after long-term storage

把經(jīng)過長期貯存后的連接器接觸點(diǎn)分離再重新配合后復(fù)測接觸電阻，結(jié)果如圖3和表3所示（圖3縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)）。對比圖2和圖3，可以知道Y1、Y2、Y3三個(gè)連接器經(jīng)過插拔復(fù)測的接觸電阻較貯存后直接測量的接觸電阻整體上有所降低，而有的接觸電阻反而升高，例如連接器 Y2中的最大接觸電阻值就升高了。四分位差值均增大。J1連接器經(jīng)過插拔復(fù)測的接觸電阻的最大值、上四分位值、中位值較貯存后直接測量的接觸電阻均有上升，且四分位差值也增大。接觸對失效數(shù)量明顯增多，分離前失效數(shù)為8對，重裝后失效數(shù)為 22對，其中只有4對是相同的接觸對。

圖3 長期貯存連接器分離再配合后接觸電阻分布

表3 長期貯存連接器接觸對分離再配合后接觸電阻Tab.3 Contact resistance of contact pairs in the long-term stored connectors after separating and inserting

因?yàn)榻佑|對的插拔動(dòng)作可以去除長期貯存過程中觸點(diǎn)表面形成的污染膜層，使有的接觸對接觸電阻降低。但在觸點(diǎn)界面的相對插拔運(yùn)動(dòng)過程中污染物也能進(jìn)入到觸點(diǎn)界面之中，或者長期貯存中觸點(diǎn)彈性材料發(fā)生應(yīng)力松弛，減少了接觸對正壓力，均可導(dǎo)致部分接觸對接觸電阻升高和不穩(wěn)定，使得接觸電阻的離散性增大，這還需進(jìn)一步分析。

3.2 長期貯存連接器單孔分離力

經(jīng)過長期貯存后連接器的接觸電阻均有所升高，是否與電觸點(diǎn)彈性材料應(yīng)力松弛導(dǎo)致接觸界面正壓力降低有關(guān)，可以通過對連接器進(jìn)行單孔分離力測量來分析證明，結(jié)果R如圖4和表4所示。所有連接器中觸點(diǎn)的單孔分離力均未低于額定值，說明仍能保持適當(dāng)?shù)慕佑|正壓力。

圖4 長期貯存連接器單孔分離力分布

表4 長期貯存連接器單孔分離力Tab.4 The separation force of single contact pair in the connectors after long-term storage

其中，貯存13年的連接器Y2各接觸對分離力相對較低，中位數(shù)僅1.26N，比新品Y1的分離力中位數(shù)1.88N低了33%。結(jié)合圖2和圖3接觸電阻圖對比可以說明，貯存13年的連接器Y2接觸對分離力較低導(dǎo)致其接觸電阻中位數(shù)相對新品連接器 Y1高20.6%，分離復(fù)測電阻中位數(shù)相對新品連接器Y1高 53.6%，離散度也增大。說明接觸正壓力對接觸電阻影響很大。

而貯存 16年的連接器 Y3分離力中位數(shù)為2.34N，比新品Y1的分離力中位數(shù)高了24.5%，比貯存13年的Y2的分離力中位數(shù)高了85.7%。但從圖2和圖3可知，貯存16年的連接器Y3的接觸電阻比連接器新品Y1的接觸電阻中位數(shù)還高了17.4%，說明在較高觸點(diǎn)正壓力下接觸電阻升高主要是由于貯存過程中的觸點(diǎn)表面形成的污染膜層所致。相比貯存13年的連接器Y2的接觸電阻來說，Y3反而低了 2.6%，說明盡管貯存時(shí)間長的觸點(diǎn)表面具有更厚的污染膜，但較高的觸點(diǎn)正壓力仍能較好地保證觸點(diǎn)接觸電阻低而穩(wěn)定。經(jīng)過分離復(fù)測 Y3的接觸電阻中位數(shù)反而低于Y1，說明分離力較大的連接器 Y3通過插拔去除了污染膜層，明顯降低了接觸電阻。

貯存25年的連接器J1分離力低于Y1和Y3，但略高于Y2，而其接觸電阻遠(yuǎn)高于Y1、Y2和Y3連接器接觸對。貯存后J1初始電阻不合格的8對接觸對和分離再配合后復(fù)測電阻不合格的 22對接觸對中有4對重復(fù)，把這26對接觸對的分離力與全部206對接觸對分離力相對比如圖5所示。發(fā)現(xiàn)失效接觸對中的 12對分離力小于所有接觸對分離力的中位數(shù)，而14對分離力卻在中位數(shù)以上，說明接觸正壓力不足不是導(dǎo)致接觸電阻升高的唯一原因。

圖5 貯存25年的連接器J1中失效接觸對分離力與全部接觸對分離力對比Fig.5 Comparison of the separation force between failed contact pairs and the whole contact pairs in the connectors after 25 years storage

3.3 長期貯存連接器內(nèi)部的塵土統(tǒng)計(jì)分析

連接器在加工、裝配、貯存過程中都暴露在大氣環(huán)境中，電接觸材料表面有可能形成腐蝕膜層，也可能因塵土等污染物沉積而形成污染膜層。分別對每個(gè)連接器殼體內(nèi)部的塵土進(jìn)行密度、顆粒度統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行成分分析可確定連接器的被污染程度。

3.3.1 連接器內(nèi)部塵土密度

在連接器插頭插座接縫處和接觸端面中心區(qū)域分別進(jìn)行塵土取樣，位置如圖6所示。使用碳導(dǎo)電膠帶采集塵土顆粒如圖7所示，為連接器Y2接觸端面中心區(qū)域塵土顆粒，然后使用圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)塵土顆粒數(shù)量，并計(jì)算每平方毫米的塵土顆粒密度。四個(gè)連接器接觸端面中心區(qū)域和插頭插座相配合的接縫處塵土顆粒密度統(tǒng)計(jì)見表5。

圖6 連接器內(nèi)部塵土取樣位置Fig.6 The positions where the dust particles are sampled in the connectors

圖7 連接器Y2接觸端面采樣塵土顆粒電鏡圖Fig.7 The dust particles sampled on the interface of Y2 connector taken by scanning electronic microscope

表5 連接器內(nèi)部塵土顆粒平均分布密度Tab.5 Distribution average density of dust particles in the connectors

可見，隨連接器貯存時(shí)間延長，連接器插頭插座接縫處的塵土密度逐漸升高，新連接器接縫處塵土密度約70個(gè)/mm2，而貯存13年、16年、25年的連接器接縫處塵土密度分別達(dá)到1 082個(gè)/mm2、1 336個(gè)/mm2、1 916個(gè)/mm2。貯存13年、16年的Y2、Y3連接器插頭插座接縫處的塵土密度約為其接觸端面塵土密度的3倍，說明Y形連接器結(jié)構(gòu)有一定的防塵作用，但是連接器Y2和Y3接觸端面塵土密度仍達(dá)330個(gè)/mm2和475個(gè)/mm2，是新連接器內(nèi)部接觸端面塵土密度的 5～8倍。J1連接器插頭插座接縫處的塵土密度約為其接觸端面塵土密度的13倍，主要是因?yàn)镴形連接器插頭插座結(jié)合處采用了凸環(huán)與凹槽配合的結(jié)構(gòu)，防塵效果較好，貯存25年后連接器J1接觸端面塵土密度僅為150個(gè)/mm2。

3.3.2 連接器內(nèi)部塵土顆粒度

使用圖像分析軟件分析計(jì)算碳導(dǎo)電膠帶采集塵土顆粒的尺寸分布見表 6。可以看出，能夠進(jìn)入到連接器內(nèi)部的塵土顆粒尺寸都比較小，平均尺寸約5～10μm，最大也只有20μm左右。

表6 連接器塵土顆粒平均顆粒度Tab.6 Average size of dust particles in connectors

3.3.3 連接器內(nèi)部塵土成分分析

使用X射線能譜儀進(jìn)行塵土成份元素分析，根據(jù)原子百分比判斷塵土的物質(zhì)組成。塵土顆粒中的典型代表物質(zhì)如圖8所示。圖8a主要含O和Si，為二氧化硅顆粒；圖8b含K、Na、Al等較多，為長石顆粒；圖8c主要含C、O、Ca，為方解石顆粒。

圖8 代表性成分的塵土顆粒形貌Fig.8 The morphology of dust particles with typical compositions

3.3.4 塵土顆粒在觸點(diǎn)表面的分布

由以上分析可知，對于長期貯存連接器而言，大氣中的塵土顆粒是可以進(jìn)入到連接器內(nèi)部的。并且由于塵土污染對連接器的接觸電阻產(chǎn)生了影響。由連接器的電阻檢測了解到矩形連接器 J1中出現(xiàn)了失效的接觸對，從失效的插針中選取一根進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析，見圖9a。接觸區(qū)域由于插針插孔的配合動(dòng)作導(dǎo)致出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。圖9b是磨損區(qū)域中部的放大，可以看出磨損區(qū)表面有很多灰色顆粒存在，進(jìn)一步放大如圖9c所示。對劃痕中嵌入的顆粒物進(jìn)行能譜分析，如圖10所示。結(jié)果表明塵土顆粒主要含有C、O、Si，說明插針表面存在石英塵土污染物。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，插針接觸區(qū)表面塵土顆粒分布密度為830個(gè)/mm2，比連接器接觸端面上塵土分布密度大得多，說明塵土顆粒是在電鍍加工過程中就進(jìn)入到連接器觸點(diǎn)鍍層中了。

圖9 失效接觸對插針表面Fig.9 The contact surface of a pin in a failed contact pair

圖10 插針鍍金表面塵土顆粒的X-射線能譜圖Fig.10 The X-ray energy dispersive spectrum of the dust particle in the gold plated contact surface on the pin

4 分析和討論

4.1 塵土污染對長期貯存連接器的影響

通過對長期貯存連接器接觸電阻的測試，發(fā)現(xiàn)貯存13年、16年、25年的連接器接觸電阻較新品連接器相近尺寸接觸對均有升高，其中貯存25年的連接器J1中4%的接觸對電阻出現(xiàn)失效。由于連接器經(jīng)過長期貯存，其彈性材料的應(yīng)力松弛會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸力降低有可能造成接觸電阻升高和不穩(wěn)定。但是，經(jīng)過單孔分離力測試，證明所有的貯存連接器單孔分離力均未低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

把配合狀態(tài)的長期貯存連接器插頭插座分離后重新插入配合并復(fù)測接觸電阻。連接器 Y1、Y2、Y3的接觸電阻均有所降低，但離散度增大。分離力高的連接器Y3，由于觸點(diǎn)界面正壓力較大，接觸電阻比Y1、Y2偏低，而且連接器插頭和插座的插拔過程有利于去除電觸點(diǎn)表面污染物，因而連接器Y1、Y2、Y3均表現(xiàn)出插拔后復(fù)測的接觸電阻降低的趨勢。但觸點(diǎn)表面的污染物在連接器插拔過程中也可能進(jìn)入接觸界面而造成電阻升高。連接器J1經(jīng)過插拔復(fù)測的接觸電阻不僅上升，而且四分位差值增大，異常點(diǎn)變多，接觸對失效數(shù)量增加到11%（22對）。而且其中 54%的失效接觸對的分離力高于全部接觸對分離力的中位值，說明接觸力下降不是接觸電阻升高的唯一影響因素，而長期貯存后觸點(diǎn)表面的污染物是增加電阻的一個(gè)不可忽視的重要因素。

通過對貯存的連接器內(nèi)部塵土的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)塵土可進(jìn)入連接器接觸端面。Y形連接器接觸端面塵土密度從新連接器中的 58個(gè)/mm2增加到貯存13年后的330個(gè)/mm2，再增加到貯存16年后的475個(gè)/mm2，約為插頭插座接縫處塵土密度的 1/3。密封結(jié)構(gòu)較好的 J形連接器接觸端面塵土密度約 150個(gè)/mm2，約為插頭插座接縫處塵土密度的1/13。塵土顆粒主要為二氧化硅、長石、方解石等成分。進(jìn)入連接器內(nèi)部的塵土顆粒度基本上小于 20μm，主要集中在5～10μm范圍。在插針鍍金層表面接觸區(qū)也存在大量嵌入鍍金層的二氧化硅顆粒，密度約830個(gè)/mm2。檢測分析證明了塵土污染物進(jìn)入連接器內(nèi)部及觸點(diǎn)接觸區(qū)的可能性，并且說明塵土從連接器的加工制造開始就一直作用于電觸點(diǎn)，在長期貯存過程中也在不斷增加。塵土污染是造成長期貯存連接器接觸電阻不穩(wěn)定甚至失效的又一重要影響因素。

4.2 塵土造成貯存連接器失效的作用機(jī)理

塵土顆粒對連接器電接觸失效的作用機(jī)理在于物理作用和化學(xué)作用兩方面。塵土顆粒的主要物質(zhì)組成含有二氧化硅、長石、方解石等，硬度高且尺寸較大的顆粒嵌入電觸點(diǎn)，可直接造成觸點(diǎn)開路。研究表明塵土顆粒進(jìn)入到連接器接觸界面的危險(xiǎn)直徑尺寸上限大約為 15μm[20]。在連接器的制造、裝配、運(yùn)輸、使用過程中，接觸對發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，小于 15μm的塵土顆粒有可能會(huì)進(jìn)入到接觸界面，而且在正壓力作用下塵土顆粒會(huì)部分嵌入觸點(diǎn)材料表面，在接觸界面發(fā)生相對滑動(dòng)時(shí)刮傷觸點(diǎn)表面貴金屬材料，使底材非貴金屬暴露而發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻升高失效。

由于塵土顆粒帶電荷，電鍍過程中吸附在待鍍表面上的絕緣塵土顆粒很難去除，而溶液中的金離子無法在其上面取得電子還原成金原子，因而在絕緣物上面形成孔隙，出現(xiàn)大量的鍍金層微孔。由于濕度、腐蝕性氣體及塵土顆粒的影響，鍍層表面在微孔處形成腐蝕，這些絕緣的塵土顆粒和腐蝕產(chǎn)物使得接觸電阻呈現(xiàn)非線性增加，降低了連接器的可靠性。

5 結(jié)論

本文通過對長期貯存航天電連接器的接觸電阻、分離力和表面塵土污染分析可知，塵土不可避免地進(jìn)入連接器內(nèi)部直至電觸點(diǎn)。塵土顆?？赡茉诩庸?、裝配、運(yùn)輸、貯存等過程中進(jìn)入連接器內(nèi)部甚至接觸表面；也可能是在電鍍過程中吸附在觸點(diǎn)表面的鍍層中。長期貯存后連接器的接觸電阻有所升高，不僅僅是由于觸點(diǎn)彈性材料的應(yīng)力松弛、大氣腐蝕引起的，塵土污染對長期貯存連接器的影響同樣不容忽視。

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