電連接器燒損失效案例研究

何驍， 蔣武， 周亮， 袁光華

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 510610）

0 引言

電連接器是各種整機系統(tǒng)中的一種基礎元件，用量較大， 其工作可靠與否直接影響裝備電路的正常工作， 涉及整個產(chǎn)品的安危。 電連接器一般由接觸件、 絕緣體、 殼體和尾部附件等組成， 主要用于實現(xiàn)電流或信號的互連傳輸， 其結(jié)構和功能看似簡單， 但由其不良引起的裝備系統(tǒng)失效問題所占比例卻相當高[1]。

電連接器常見的失效模式有絕緣不良、 接觸不良、 斷針、 瞬間斷電和燒損失效等[2-4]。 和其他諸多失效模式不同， 燒損失效不僅會造成設備故障， 還會涉及人身和財產(chǎn)安全， 是危害最為嚴重的失效模式之一。 然而， 國內(nèi)對于電連接器燒損不良失效案例的研究非常少， 而且主要集中于事故調(diào)查， 缺乏故障形成機理方面的研究[5-8]。 本文選取了漏液燒損和壓接不良燒損兩個代表性的失效案例進行了系統(tǒng)研究， 分析了兩起燒損失效的產(chǎn)生原因和機理， 并提出了相應的改善建議。

1 漏液燒損案例分析

1.1 案例背景

某整流電源模塊發(fā)生故障， 拆解發(fā)現(xiàn)整流電源矩形連接器出現(xiàn)燒損， 機箱背板上有大面積煙塵、 腐蝕現(xiàn)象， 整流電源模塊所對應的冷卻水接頭有漏液現(xiàn)象。

1.2 分析過程

用立體顯微鏡對失效樣品進行外觀檢查， 發(fā)現(xiàn)與插孔相連的導線外表熏黑， 黑色煙塵殘留在塑料外殼和導線絕緣皮表面， Pin3 和Pin5 處導線斷開， 并從插孔中脫離出來； 靠近連接器插孔處的導線可見過熱破裂， 熔融金屬附著在絕緣皮內(nèi)；對斷開脫出來的導線斷口進行觀察， 發(fā)現(xiàn)導線斷口金屬都可見明顯的過熱熔融， 如圖1 所示。

圖1 某矩形燒損連接器外觀檢查放大圖片

用3D X-ray 對失效樣品進行CT 掃描檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部多個插孔的金屬存在熔融燒毀， 其中Pin3、 Pin5 和Pin6 插孔金屬熔斷， Pin4 和Pin8 插孔金屬局部熔融缺失， 形成凹坑， 且凹坑均在插孔靠近供電電源不同相（Pin2-Pin4 為A 相， Pin5-Pin7 為B 相， Pin8-Pin10 為C 相） 的一側(cè)， 如圖2所示。

圖2 某矩形燒損連接器CT 掃描放大圖片

采用機械方法將失效樣品開封， 發(fā)現(xiàn)Pin6 插孔斷裂， 且導線側(cè)的插孔部分隨綠色膠墊一起脫開； 進一步放大觀察， 可見Pin6 插孔斷開處有金屬熱熔形貌， 說明插孔金屬斷開是過熱熔斷， 如圖3 所示。 對失效樣品塑料分開面進行觀察， 發(fā)現(xiàn)兩種塑料接觸界面的Pin9 插孔處有類似銅綠的綠色物質(zhì)附著， Pin3 和Pin5 插孔處塑料呈現(xiàn)過熱碳化形貌， Pin4 和Pin8 插孔金屬靠近Pin6 側(cè)出現(xiàn)缺失現(xiàn)象， 形成凹坑， 如圖4 所示。

采用掃描電子顯微鏡對Pin9 插孔處的綠色物質(zhì)進行放大觀察， 發(fā)現(xiàn)綠色物質(zhì)呈現(xiàn)疏松狀。 EDS分析結(jié)果顯示， 綠色物質(zhì)的主要成分為碳（C）、氮（N）、 氧（O）、 銅（Cu）、 鈉（Na）、 溴（Br）和硅（Si） 等元素， 如圖5 所示。

圖3 某矩形燒損連接器開封后內(nèi)部檢查圖片

圖4 某矩形燒損連接器開封并分離塑料面后檢查圖片

圖5 某矩形燒損連接器開封后綠色異物代表性SEM&EDS 圖片

為了分析冷卻液是否滲入到電連接器上， 對失效樣品局部清洗后的溶液進行紅外光譜分析，并與水接頭上冷卻液紅外光譜進行對比， 結(jié)果顯示， 失效樣品局部清洗后溶液與水接頭上冷卻液（乙二醇） 的主要特征峰基本一致， 如圖6 所示。

圖6 某矩形燒損連接器清洗后溶液和水接頭冷卻液紅外吸收光譜比較圖

1.3 失效原因

外觀檢查及3D X-ray 的CT 掃描結(jié)果顯示，失效樣品燒毀位置位于插孔上緊鄰三相供電電源一側(cè)， 且主要集中在兩個塑料部件接觸界面。 燒毀處插孔金屬熔融缺失形成凹坑， 部分插孔金屬甚至完全熔斷， 呈現(xiàn)典型的打火燒蝕特征。

對失效樣品開封后， 發(fā)現(xiàn)Pin9 插孔位置的兩部分塑料接觸界面存在綠色物質(zhì)， 該物質(zhì)的主要成分為碳（C）、 氧（O）、 銅（Cu）， 說明插孔銅基材發(fā)生了腐蝕， 產(chǎn)生了銅綠類腐蝕產(chǎn)物。 比較燒損連接器局部清洗后溶液和水接頭冷卻液的紅外吸收光譜， 發(fā)現(xiàn)兩者基本一致， 說明有冷卻液滲入到該電連接器上。

因此， 造成整流電源矩形連接器燒損的原因為： 冷卻液 （乙二醇） 滲入到連接器兩部分塑料接觸面， 引起插孔金屬腐蝕， 腐蝕產(chǎn)物使界面介電性能下降、 耐壓降低， 導致界面處的插孔金屬之間漏電、打火而燒毀。

1.4 失效機理

當電連接器金屬件接觸腐蝕性的介質(zhì)（如含硫氣體、 酸性介質(zhì)和含氯物質(zhì)等） 時， 或者鍍層本身存在缺陷、 抗腐蝕能力較差時， 都較容易發(fā)生化學腐蝕（金屬和純的非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學作用而引起的金屬破壞）， 所產(chǎn)生的化學腐蝕產(chǎn)物形成新的電流通道， 引起表面爬電打火， 造成絕緣體熱熔碳化， 進一步地促使絕緣強度下降，形成惡性循環(huán)， 最終引起燒損失效。

1.5 改善建議

對于可能有大電流通過的連接器， 應進行充分的密封防護， 防止外部物質(zhì)滲透后引起漏電、打火甚至出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。

2 壓接不良燒損案例分析

2.1 案例背景

整機在使用過程中報故， 經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部某43 腳圓形連接器燒蝕。

2.2 分析過程

用立體顯微鏡分別對1 #與2 #失效樣品進行外觀檢查， 可以發(fā)現(xiàn)： 1 #失效樣品插座/插頭均燒毀。 插頭尾部綠色絕緣體中間位置存在碳化發(fā)黑現(xiàn)象， 插針尾部可見熱熔斷開特征。 插座燒蝕嚴重， 尾部多根導線熔斷， 綠色絕緣體中間燒蝕缺失后形成孔洞， u、 v、 x 和t 插針位置為燒蝕區(qū)域的中心， 插針與插孔接觸位置都未見明顯的熱熔，尾部導線呈現(xiàn)熱熔斷裂形貌。 典型圖片如圖7-8所示。

圖7 1 #失效圓形連接器插頭外觀檢查放大圖片

圖8 1 #失效圓形連接器插座外觀檢查放大圖片

2 #失效樣品插頭背面綠色絕緣體未見過熱變色等特征， 插孔面中間位置可見過熱變色， 且表面顏色從u、 v、 x 和t 插孔處到邊緣呈現(xiàn)由深逐漸變淺的特征， 說明溫度最高的位置為u、 v、 x 和t插孔所在的區(qū)域； 取出u、 v、 x 和t 處插孔后整體未見過熱， 但是與插孔相連的導線絕緣皮可見過熱變色。 插座尾部導線可見過熱變色， 尾部綠色絕緣體和插針面界面未見明顯的過熱變色； 取出部分插針后， 插針金屬未見燒蝕、 腐蝕或局部過熱變色等異常； 部分插針上相連的導線見過熱變色， 甚至出現(xiàn)插針和導線連接處的絕緣皮過熱燒蝕后脫落。 典型圖片如圖9-10 所示。

圖9 2 #失效圓形連接器插頭外觀檢查放大圖片

圖10 2 #失效圓形連接器插座外觀檢查放大圖片

利用微歐計對2 # 失效樣品取下的插孔/插針的金屬部位和導線之間的連接電阻進行測試， 結(jié)果顯示， 部分插針金屬部位和導線之間的連接電阻較大， 達到110～248 mΩ； 插孔金屬部位和導線之間的連接電阻較小， 僅在6～16 mΩ 之間。

利用X 光透視系統(tǒng)對1 #、 2 #失效樣品進行X-ray 檢查， 發(fā)現(xiàn)1 #插座尾部導線熔斷， 插針熔斷處位于導線和插針連接的位置， 如圖11 所示；2 #插座/插頭未見明顯的異常。

圖11 1 #失效圓形連接器插座側(cè)面X-ray 照片

采用機械開封方法， 將失效樣品的插座/插頭尾部的綠色絕緣體取下后， 觀察插針/插孔、 導線及絕緣體的燒蝕情況， 可以發(fā)現(xiàn)： 1 #失效樣品插頭尾部中間位置鄰近插孔側(cè)的導線絕緣皮過熱碳化， 內(nèi)部金屬導線未見熔斷， 綠色絕緣體見過熱燒蝕， 但黑色絕緣體未見明顯的過熱碳化； 插座尾部絕大部分導線熔斷， 導線熔斷位置位于導線與插針尾部連接位置， 部分沒有連接導線的插針尾部也見熱熔， 黑色絕緣體表面絕大部分區(qū)域未見明顯的過熱碳化， 如圖12-13 所示。

圖12 1 #失效圓形連接器插頭內(nèi)部放大圖片

圖13 1 #失效圓形連接器插座內(nèi)部放大圖片

2 #失效樣品插頭尾部插孔、 導線未見明顯的燒蝕， 綠色絕緣體及黑色絕緣體均未見過熱碳化跡象； 插座尾部綠色絕緣體u、 v、 x 和t 插針安裝位置見過熱變色， 切開絕緣體后縱向觀察可見溫度較高的位置位于插針尾部與導線壓接處， 如圖14-15 所示。

圖14 2 #失效圓形連接器插頭內(nèi)部放大圖片

圖15 2 #失效圓形連接器插座內(nèi)部放大圖片

將2 # 失效樣品插座x、 v、 h 插針和插頭x、v、 u 插孔制作金相切片， 并觀察插針/插孔壓接位置的形貌， 可以發(fā)現(xiàn)： 插頭上的3 根插孔壓接位置金屬套筒未見開裂等異常， 插孔內(nèi)壁和導線接觸截面也未見明顯的熱熔特征， 如圖16 所示。

圖16 2 #失效圓形連接器插頭插孔金相切片代表性圖片

插座上的3 根插針壓接位置金屬套筒存在開裂， 裂紋從插針尾部套筒內(nèi)壁向外擴展， 在插針內(nèi)壁與導線接觸的位置局部有金屬熱熔現(xiàn)象， 插針尾部壓接處金屬套筒裂紋為沿晶開裂， 如圖17所示。

圖17 2 #失效圓形連接器插座插針金相切片代表性圖片

2.3 失效原因

失效樣品的外觀和內(nèi)部觀察結(jié)果顯示： 插座尾部是連接器上所有位置中溫度最高的區(qū)域， 插座插針尾部壓接處是燒毀起始點。

對比不同插孔/插針的金屬部位和導線之間的連接電阻測試結(jié)果， 可以發(fā)現(xiàn)： 插針連接電阻差別大， 最大值達到248 mΩ； 插孔連接電阻差別較小， 最大值也僅為16 mΩ， 這說明插座上的插針壓接位置存在連接不良的情況。

觀察插座上插針/插孔截面金相切片結(jié)果， 可見插座上的插針壓接位置的金屬套筒存在開裂，裂紋呈現(xiàn)沿晶開裂特征， 同時局部壓接點金屬套筒和導線接觸位置出現(xiàn)金屬熱熔現(xiàn)象； 插頭上插孔壓接處的金屬套筒未見裂紋。

綜上， 插座上的插針壓接處金屬套筒開裂，引起插針和導線之間接觸不良， 在使用過程中插針壓接處過熱后觸發(fā)絕緣體燒蝕， 導致插座尾部局部耐壓能力降低， 進一步地造成不同插針之間飛弧放電， 最終熔斷插針， 燒毀連接器。

2.4 失效機理

根據(jù)焦耳定律， 接觸電阻變大， 會造成發(fā)熱增加。 影響接觸電阻的因素有接觸件表面材料的電阻率、 接觸壓力、 接觸面積、 接觸件形狀、 表面條件（清潔度、 粗糙度及硬度等）、 電流大小、溫度和導熱率等。 本案例中電連接器接觸電阻異常的失效機理為： 金屬套筒沿晶開裂， 引起壓接部位套筒與導線之間接觸不良。

2.5 改善建議

為了更好地預防該類失效， 一方面需要對連接器產(chǎn)品進行充分的設計驗證， 及時改進風險點，同時對薄弱點進行充分的防護； 另一方面， 應對裝配質(zhì)量進行合理有效的檢查， 確保壓接良好、連接緊固。

3 結(jié)束語

燒損失效是涉及安全風險一類失效模式， 在業(yè)內(nèi)一直受到高度關注。 本文針對漏液燒損和壓接不良燒損兩個典型失效案例， 通過外觀檢查、金相切片、 SEM 和FTIR 等分析手段對其失效原因與機理開展了系統(tǒng)研究， 并有針對性地從密封防護、 設計驗證和壓接質(zhì)量檢查等方面提出了改善建議， 為業(yè)內(nèi)降低電連接器燒損失效的風險提供了一定的參考和借鑒。