連接器失效工程案例分析

林金炳，韋祥楊，黎 明

(中興通訊股份有限公司，廣東深圳，518055)

1 引言

近年來(lái)由于環(huán)境的影響，產(chǎn)品在使用過(guò)程中問(wèn)題越發(fā)明顯。連接器很多失效都是在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)生，其可靠性不僅與產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)、工藝有關(guān)，也與應(yīng)用環(huán)境息息相關(guān)。本文結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際工程故障分析，淺談連接器應(yīng)用的重要性。

2 失效案例1

故障背景：某司X產(chǎn)品在使用過(guò)程中出現(xiàn)重啟故障，故障主要集中在局方某地，故障單板自動(dòng)重啟。

圖1 故障連接器

故障發(fā)生在單板與背板連接上，而單板與背板連接是通過(guò)連接器進(jìn)行電連接，通過(guò)對(duì)單板結(jié)構(gòu)、壓接、接觸及插座進(jìn)行驗(yàn)證分析，給合現(xiàn)場(chǎng)分析，故障原因確定為單板上連接器插座接觸不良導(dǎo)致，以下對(duì)接觸不良原因進(jìn)一步分析。

失效連接器為2mm插座，故障品牌為A， 基本結(jié)構(gòu)包括塑膠、端子模組，拆開(kāi)故障插座，觀察端子接觸區(qū)，在接觸區(qū)有明顯的黑色異物。

圖2 故障插座

同時(shí)單板上也可見(jiàn)污染物，通過(guò)SEM/EDS對(duì)插座及單板的污染物進(jìn)行分析，結(jié)果顯示污染物均含有C、O、Na、Al、Si、Ca,進(jìn)一步分析比對(duì)該污染物成分，確認(rèn)其與周?chē)覊m成分一致，圖3。

圖3 污染物分析

通過(guò)FIB、SEM方法對(duì)插座鍍層進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)鍍層表面有一層30nm左右厚度的封孔劑，圖4，懷疑失效故障與封孔劑有一定的關(guān)聯(lián)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此故障與封孔劑的關(guān)聯(lián)程度，特設(shè)計(jì)四組對(duì)比實(shí)驗(yàn)：1組樣品為鍍層未使用封孔劑無(wú)塵環(huán)境，2組樣品為鍍層未使用封孔劑有粉塵環(huán)境，3組為鍍層使用封孔劑無(wú)塵環(huán)境，4組為鍍層使用封孔劑有粉塵環(huán)境，實(shí)驗(yàn)樣品為同類樣品，相同的粉塵環(huán)境條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出：鍍層使用封孔劑在有粉塵應(yīng)用環(huán)境下接觸電阻明顯增大，不適合用于有粉塵的應(yīng)用環(huán)境；無(wú)粉塵的應(yīng)用環(huán)境中，鍍層有無(wú)使用封孔劑均可滿足接觸使用要求，圖5。

圖4 鍍層表面封孔劑

圖5 鍍層有無(wú)封孔劑在粉塵環(huán)境

從故障插座結(jié)構(gòu)來(lái)看，此插座不具備防塵功能，如果在應(yīng)用上沒(méi)有設(shè)計(jì)防塵保護(hù)，則在有粉塵的環(huán)境中粉塵可以進(jìn)入到插座內(nèi)部，故該插座不適合應(yīng)用在有粉塵的環(huán)境中。

進(jìn)一步對(duì)機(jī)框的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，故障插座正好安裝在風(fēng)道口上，而此位置最為容易堆積污染物。

失效機(jī)理：故障產(chǎn)品使用吊裝方式，在風(fēng)扇的流道作用下，空氣中粉塵顆粒隨著氣流進(jìn)入到機(jī)框內(nèi)部，在粉塵顆粒的自身重力作用和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)作用下使其到接觸區(qū)鍍層表面，鍍層表面附有封孔劑更容易吸附空氣中的粉塵，聚積在接觸區(qū)的粉塵為非導(dǎo)電物，導(dǎo)致接觸不良。

連接器在鍍層上為了達(dá)到更好的防腐蝕效果，減小鍍層孔隙，通常在電鍍的后工藝進(jìn)行封孔，該工藝在一般的無(wú)粉塵應(yīng)用環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)接觸故障。本例連接器失效是由于該連接器在室外灰塵環(huán)境使用，而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮環(huán)境的影響，也未進(jìn)行防塵設(shè)計(jì)，同時(shí)在機(jī)框內(nèi)位置不當(dāng)，當(dāng)插座上污染物沉積到一定量時(shí)即觸發(fā)了故障。要解決連接器此類故障，只有通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)，從設(shè)備機(jī)框上做防護(hù)，或者通過(guò)插座進(jìn)行防護(hù)，都可以有效的解決失效。

3 失效案例2

故障背景：某司某產(chǎn)品上連接器品牌B在使用一年到兩年后出現(xiàn)連接器與相鄰電路微短路，導(dǎo)致單板不斷重啟故障，經(jīng)過(guò)電路分析確定為連接器與背板上的地線出現(xiàn)短路。

經(jīng)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)連接器引腳上疑似有錫須生長(zhǎng)，圖6，通過(guò)SEM/EDS進(jìn)一步分析確認(rèn)，生長(zhǎng)物為錫須，長(zhǎng)度達(dá)256微米，圖7。

圖6 錫須

圖7 錫須SEM/EDS

本失效案例中連接器引腳工藝為鐵基鍍銅鍍錫，鍍層使用純錫，而純錫目前無(wú)法做到不長(zhǎng)錫須。錫須的形成很大程度上是基于內(nèi)部壓應(yīng)力引起，內(nèi)應(yīng)力存在于錫銅間、工藝沖壓、電鍍過(guò)程等。同時(shí)錫須生長(zhǎng)與使用環(huán)境有很大關(guān)聯(lián)，通過(guò)數(shù)據(jù)排查，此例故障的相同產(chǎn)品發(fā)往多個(gè)區(qū)域，而目前僅某區(qū)域出現(xiàn)連接器生長(zhǎng)錫須故障，進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)此區(qū)域常年濕度相對(duì)較大，其余環(huán)境無(wú)明顯差異，錫須生長(zhǎng)速率與濕度相關(guān)。

錫須引起電路短路失效，帶來(lái)嚴(yán)重的故障，要杜絕錫須的生長(zhǎng)，只有在設(shè)計(jì)上解決，如使用霧錫工藝、合金錫，或者使用其它鍍層材料替代。

4 失效案例3

故障背景：某產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)反饋配發(fā)的水晶頭壓接后網(wǎng)線出現(xiàn)一定比例的故障，現(xiàn)場(chǎng)寄回故障品分析為金片壓接不到位，表現(xiàn)為圖8中H高度不符合要求。

圖8 失效水晶頭

此水晶頭基本結(jié)構(gòu)由8個(gè)金片與塑膠組成，金片與雙絞線是通過(guò)壓線鉗進(jìn)行壓接后組裝成網(wǎng)線，此案例中的失效網(wǎng)線，經(jīng)分析水晶頭符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也排除了壓接操作不規(guī)范，懷疑工程現(xiàn)場(chǎng)使用的壓線鉗與水晶頭不匹配。

圖9 不同壓線鉗

為了驗(yàn)證不同壓線鉗對(duì)水晶頭壓接結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)三個(gè)不同品牌不同結(jié)構(gòu)的壓線鉗A、B、C分別壓接水晶頭，其中A為工程現(xiàn)場(chǎng)用壓線鉗，使用相同的水晶頭與雙絞線及使用相同的操作方法來(lái)進(jìn)行壓線，從三組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，圖9，壓線鉗B壓接出來(lái)的網(wǎng)線全部合格，壓線鉗C壓接出來(lái)的網(wǎng)線部分不合格，壓線鉗A壓接出來(lái)的網(wǎng)線部分合格部分不合格，在水晶頭符合標(biāo)準(zhǔn)要求的條件下，不同的壓線鉗壓接效果不一致。

圖10 不同壓線鉗數(shù)據(jù)

圖11 不同壓線鉗壓接面

圖12 使用壓線鉗A的金片

對(duì)比不同壓線鉗壓接效果，此次網(wǎng)線失效原因?yàn)樗ь^與所使用的壓接工具壓線鉗不匹配引起，其中壓線鉗A與壓線鉗C均不能與此水晶頭相匹配，壓接出來(lái)的網(wǎng)線是不符合標(biāo)準(zhǔn)的；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推薦使用穩(wěn)定的壓線鉗，在使用標(biāo)準(zhǔn)的水晶頭時(shí)，使用與之相匹配的壓線鉗，才能壓接出符合要求的網(wǎng)線。

本失效案例中的連接器水晶頭是標(biāo)準(zhǔn)件，工程現(xiàn)場(chǎng)水晶頭的使用需要配合壓線鉗壓接使用，但是壓線鉗各品牌存有差異，在連接器的可靠性設(shè)計(jì)中若是沒(méi)有考慮水晶頭與壓線鉗匹配問(wèn)題，則在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，就會(huì)壓接出良莠不齊的網(wǎng)線。為了避免故障的發(fā)生，需從設(shè)計(jì)開(kāi)始預(yù)防，如設(shè)計(jì)相匹配的壓線鉗配套使用。

5 結(jié)語(yǔ)

連接器是通信設(shè)備系統(tǒng)中的重要元件，通過(guò)連接器進(jìn)行其電和信號(hào)傳輸，其可靠性直接影響通信系統(tǒng)穩(wěn)定性。連接器應(yīng)用可靠性需要從設(shè)計(jì)開(kāi)始，在設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始分析連接器可能出現(xiàn)的各種故障，提出解決方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)，持續(xù)提高產(chǎn)品可靠性。隨著工業(yè)發(fā)展，環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)品應(yīng)用受到更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)，各類元件在產(chǎn)品上出現(xiàn)一些新的失效模式和失效機(jī)理，通過(guò)分析，在后續(xù)的產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)，固化可靠性設(shè)計(jì)要求,提升產(chǎn)品可靠性。