摘 要:介绍了航天电连接器及其组件失效分析中初步分析、详细分析、故障假设和最终鉴定四个阶段的内容及方法。阐述了断路、接触不良、瞬断、绝缘不良、短路、误配线、固定不良和密封不良等常见失效模式和失效机理。给出了失效分析的程序和若干检验方法。
关键词:航天电连接器;组件;失效分析;程序
0 引言
航天电连接器及其组件是航天系统工程重要的配套接口元件,它们广泛应用于各个系统和部位,提供信号和能量的传输。只要其中某个接点出现故障,就可能导致整个系统的失效。在航天电连接器及其组件出现失效故障后,应分析其发生原因,并在此基础上归纳失效模式和机理。通过失效分析,不仅可找出此类器件常见失效的原因,为提高设计可靠性和强化生产工艺过程控制提供条件,并且可为修订和制订技术规范、规程及标准提供重要依据。失效分析对确保航天电连接器及其组件的质量与可靠性有重要的作用,因此越来越受到人们的关注和重视。
为此,本文对航天电连接器及其组件的失效分析问题进行了探讨。
1 程序与方法
失效分析涉及设计、材料、冷热加工工艺、装配及使用维护(包括存放使用环境条件)等多方面,其主要过程所示。
失效分析程序
1.1 初步分析
其任务是通过失效故障调查、外观检查等,确定失效位置和特征并估计失效模式,初步了解失效原因。分析时应对相关器件的使用环境、制造工艺过程和失效故障历史进行调查。
a)失效故障调查 了解所用材料及其冷热加工工艺操作情况和设计图纸文件、产品标准(如电性能、力学性能、工作温度、湿度和环境介质等)要求,以及装配质量和有关存放、使用、维护等历史记录。若故障涉及被插合连接器及其组件,则还应扩大调查范围。
b)外观检查 为防止引入新的人为失效,失效分析必须遵循“先外观后内部,先整体后局部,先非破坏性后破坏性”的程序。即先用肉眼或低倍放大镜、实体显微镜等仔细观察发生接触不良(断路、瞬断或接触电阻超差等)或绝缘不良(绝缘电阻超差、短路、火花放电或击穿等)部位零件的外貌特征,观察金属零件表面是否有弯曲变形、开裂或裂纹扩展,非金属零件表面是否有金属多余物、污损、表面烧蚀放电等痕迹,以初步判断连接器使用过程中的受力和通电状态,推断导致失效的原因。
1.2 详细分析
综合利用如层层剥皮、推理演绎、故障树分析等各种失效分析方法,以及试验方法和分析技术进行仔细分析,得出初步结论。
a)实物外观检查 观察失效部位的外貌特征,记录最重要的特征。对发生内部击穿的绝缘体,必要时可解剖失效部位,再进行外观检查分析。
b)无损检测 用磁粉、渗透、超声、射线等无损检测方法,分析失效部位相关零件的表面及内在缺陷,观察内部零件的结构组成和相对位置等。
c)裂纹(断口)分析 材质不良或热处理质量控制不当,会造成电连接器锁紧装置中弹簧、压簧等弹性零件脆断和疲劳破坏等失效。对此类故障常先用肉眼或低倍放大镜进行宏观观察,以确定断裂位置和裂纹扩展方向,然后依次增大观察倍数,用光学或电子显微镜观察断口形貌。分析断裂性质和原因时,必须同时进行低倍宏观分析和高倍观察。
d)微观分析 采用光学、电子显微镜等对失效零件进行显微组织分析,观察材料质量,如检查断口边沿或裂缝内是否存在氧化物或其他夹杂,裂缝两侧有无脱碳,表层有否过烧、氧化、腐蚀和表面脱碳,晶粒大小、显微组织是否正常(有无有害相析出等),以及裂纹分布等。必要时可采用X射线结构分析或其他相分析方法。
e)化学分析 用化学光谱分析等方法鉴定相关零件材料(包括镀层成分、厚度和结构)是否符合设计工艺要求。必要时可进行微量有害元素分析和微区电子探针分析,以配合相分析工作。
f)电性能检测 采用导通和绝缘电阻等电性能检验方法,验证失效部位和模式是否属实。在进行此类验证时,决不能加重或改变原有的失效特征。
g)力学性能试验 根据产品标准规定,采用相应的力学性能试验设备,对发生失效的同一批次连接器及其组件进行接触件的单孔分离力、接触件在绝缘体上的保持力和位置、绝缘体在外壳上的保持力和位置、连接器组件的电缆拉脱力、连接器的耐力矩等试验,以验证相关零件的力学性能是否符合要求,剔除发生失效的不合格品。
1.3 失效原因假设
归纳整理初步和详细分析的结果,列出要素和证据,对失效机理和原因作出假设,并补充数据。
1.4 最终鉴定
在上述分析的基础上完成失效分析报告(如有条件,可进行重现失效故障的验证试验)。失效分析报告主要内容为:
a)来样简历 记录失效产品的使用历史和环境条件,以及失效部位的外貌特征;
b)观察试验 描述采用各种失效分析手段和试验方法进行详细观察试验的结果;
c)分析意见 运用各种逻辑方法,对失效模式和机理进行分析;
d)结论 对失效故障分析作最终鉴定;
e)改进建议 提出防止发生类似失效的措施。
2 常见失效模式及机理
航天电连接器及其组件的常见失效故障主要有:
a)断路 产生断路的原因很多,如设计选材不合理或热处理工艺质量差,插孔材料硬脆造成插孔簧片断裂,或插孔材料太软造成插孔松弛;胶接工艺质量差,插孔与插针插合部位粘有多余胶液;装配工艺质量差,二次锁紧装置装配不到位;生产过程中导线线芯因剥线操作不当或受机械损伤而断裂;压接孔与导线线径不匹配、压接钳使用不当造成虚压等。断路表现为连接器组件导通检测时,回路电阻高于仪器的通断电阻判定值。
b)接触不良 接触件是连接器组件的核心导电部分,它将来自接触件尾部所连电缆、电线的电压或信号传递到对应的接触件。故接触件必须具备优良的结构、稳定可靠的接触保持力和良好的导电性能。造成连接器接触不良的因素很多,如接触件结构设计不合理,材料选用错误,机械加工尺寸超差,表面粗糙,热处理、胶接及表面处理等工艺不合理,贮存使用环境恶劣和操作使用不当等。设计、制造、检验、贮存和使用等环节都会造成连接器接触不良[1]。电连接器接触不良失效因果关系所示。
电连接器接触不良失效因果关系
接触不良不同于断路,其检测目的是剔除某些因存在高阻抗接点而导致回路电阻增大的产品。当用一般的导通仪进行导通检测时,若回路电阻低于通断电阻判定值,则仪器均示为通路。而实际上在导通回路中可能存在接触不良的高阻抗接点。航天系统工程中部分组件的回路工作电流和电压仅为数十毫安和数十毫伏,因此要求回路电阻尽可能低,一般为几欧至数十毫欧。若回路中存在虚焊、虚压、线芯损伤等造成的高阻抗接点,就会使回路电阻超过规定值而影响信号的正常传输。为此,连接器电缆组件都应进行导通回路电阻检测,以确保电接触和连接的可靠性。用户可根据被检测产品技术标准规定,选用可设定导通回路电阻判定值的仪器,如日本Nac公司的EEDX64/128/192导通检测仪。
c)瞬间断电 连接器组件端子(接触件)接触电阻主要与接触压力有关。当接触压力保持不变或其变化几乎可忽略时,所对应的是静态接触电阻;若连接器处于振动、冲击、碰撞等动态使用环境中,其接触电阻(动态接触电阻)会随接触压力的量值、方向和时间而变。由于这种变化是在极短时间内发生的,其间,插合的一对接触件有可能因受挤压或牵引而导致接触电阻减小或增大,甚至造成瞬间断电[2]。这种瞬间断电现象虽仅持续数微秒,仍足以导致系统死机。
d)绝缘不良 连接器组件中绝缘体的作用是使接触件保持正确的定位固定和相互绝缘。通过绝缘电阻检验可判定连接器组件的绝缘性能是否符合电路设计的要求,或在经受高温、潮湿等环境应力时,其绝缘性能是否符合有关技术条件的规定。
绝缘电阻主要受绝缘体材料、温度、湿度、污损、试验电压及施加测试电压的持续时间等因素的影响。绝缘体表面或内部的金属多余物、表面尘埃、焊剂等污染受潮、有机材料析出物和有害气体吸附膜与表面水膜溶合形成离子性导电通道,以及霉斑、绝缘材料老化等,都会造成短路、漏电、击穿和绝缘电阻低等绝缘不良[3]。电连接器绝缘不良失效因果关系所示。
电连接器绝缘不良失效因果关系 图4 电连接器固定不良失效因果关系
e)短路(击穿) 短路是指连接器组件中不该导通的回路被导通的故障,是危及安全使用性能的致命失效。绝缘材料质量低劣,湿热、盐雾、灰尘等恶劣环境条件,接线错误和压接质量差等都是造成短路的直接原因。可通过耐压检测判定连接器组件中是否存在短路故障。若绝缘体内存在缺陷,施加试验电压后便会产生击穿放电或损坏。击穿放电表现为飞弧(表面放电)、火花放电(空气放电)或击穿(击穿放电)等。
f)误配线 误配线是指连接器组件生产装配过程中,因操作失误引起的错接线故障。可借鉴一些成功应用于民用连接器组件(线束)的技术进行检测。
g)固定不良 一对处于插合状态的连接器组件(线束),其壳体通常也为伸出的接触件提供精确的对中和保护,同时还具有安装定位、锁紧固定的功能。固定不良轻则影响接触可靠造成瞬间断电,重则造成连接器插头与插座、绝缘体与接触件、插针与插孔不正常分离甚至解体,从而导致控制系统电能传输和信号控制中断。
设计结构不可靠,选材错误,成型工艺选择不当,由热处理、模具、压接、装配等工艺质量差引起的弹性零件变形断裂,二次锁紧机构失灵,压接装配不到位等都会造成固定不良。电连接器固定不良失效的因果关系如图4所示。
需强调的是,卡环等关键零件的材质、热处理工艺和外形几何尺寸,定位槽的尺寸精度等,均应经过大量可靠性论证试验后才能确定,否则就可能出现上述失效事故[4]。
h)密封不良 为适应严酷的航天使用环境,提高连接器组件的使用寿命和可靠性,许多型号都选用了带封线体的密封型接触件的连接器组件。造成密封不良失效故障的主要因素有:因壳体互换性差、绝缘体注塑质量差、接触件插配不良等引起的绝缘体与接触件界面处应力集中,以及微裂纹和气泡等。
3 常见失效检验
3.1 通断及导通回路电阻检测
航天电连接器及其组件装配后,都必须进行通断检测。传统的蜂鸣器、万用表或指示灯等手工逐点检查方法因操作过程十分繁琐、枯燥,极易造成漏检和错检。随着航天电连接器及其组件质量和可靠性要求的不断提高,CIRRIS,Nac等公司生产的智能化导通检测仪得到了较为广泛的使用。这些仪器可十分便捷地判定线束中有无断路、短路、误配线等失效故障。部分型号仪器还能检测因存在高阻抗接点而造成的接触不良失效故障。
3.2 瞬断检测
瞬断检测是在静态导通基础上考核连接器组件(线束)在动态环境中的接触可靠性。一般认为,当一对插合接触件两端的电压降超过电源的50%,且接触电阻瞬间增大超过规定值时,可判定为瞬间断电失效故障。故判定是否发生瞬断必须同时具备持续时间和电压降(或接触电阻增量)两个条件[3]。
航天电连接器及其组件大都是在动态振动环境中使用的,静态接触电阻合格并不能保证其动态环境中的接触可靠性。接触电阻合格的连接器在进行振动、冲击和离心等模拟环境试验时,往往仍会出现瞬断失效现象。因此,瞬断检测除需有符合要求的瞬断检测仪外,还必须配备一台能提供频率及加速度的振动、冲击和离心等试验条件的设备。对一些可靠性要求高的航天连接器组件,最好能进行100%的动态振动试验考核。
3.3 单孔分离力检查
单孔分离力是指插合状态的接触件由静止变为运动的分离力,用来表征插针和插孔正在接触。实验表明,单孔分离力过小,在受振动、冲击载荷时可能造成信号瞬断。用测单孔分离力的方法检查接触可靠性比测量接触电阻更有效。航天电连接器生产厂可采用自动插拔力试验机,对接触件进行100%的单孔分离力检查。
3.4 拉脱力和保持力检查
在航天电连接器及其组件的电缆、绝缘体、接触件等不同部位施加一定的轴向力,以考核整个连接器组件每个绝缘体、接触件安装定位是否牢固可靠。对电缆拉脱力及绝缘体、接触件位置和保持力的考核指标与试验方法,连接器组件的标准通常都有详细规定。通过拉脱力和保持力检查可及时发现固定不良造成的断路、接触不良、瞬间断电等失效。
3.5 绝缘耐压检测
绝缘耐压检测是保证航天电连接器及其组件安全使用性能的检测项目,通过绝缘耐压检测可及时发现绝缘不良、短路(击穿)等失效故障。日本Nac公司的30X和800等系列多功能自动电性能检测仪,内部采用自动逻辑切换数字电路,一次插合即能快速准确地完成导通、绝缘、耐压和瞬断等项目的自动检测。
耐压检测是在规定时间内施加规定电压,以考核连接器组件(线束)的每条连接线在额定电压下安全工作和耐受开关浪涌及其他类似现象导致的过电位能力,并据此判定连接器组件中的绝缘体或导线的绝缘材料及其间隙是否合适。
漏电流过大可能引起电参数或物理性能的改变。由于过电位,即使是在低于击穿电压时也可能损坏绝缘或降低其安全系数,所以作耐压检测时应慎重。例行试验中如需连续施加测试电压,那么在其后的试验中最好适当降低测试电压。
绝缘电阻检测是通过对某一检测点施加高电压,测量与非导通点间的漏电流来判定绝缘电阻是否合格。漏电流大于设定值为不合格,小于或等于设定值为合格。
试验电压对测试结果影响很大,施加不同的电压会得出不同的检测结果。
3.6 气密性检查
对有密封性要求的电连接器及其组件(线束),必须严格按标准规定,用氦质谱检漏仪等仪器进行100%的密封性检测,判定其泄漏率是否符合标准规定。
随着航天连接器及其组件应用技术的发展,一些原来没有气密性要求的连接器及其组件(线束),现也增加了气密性检查项目。
4 结束语
在失效分析过程中,必须注意航天连接器及其组件各种常见失效之间的内在联系,如误配线就会同时导致断路和短路;固定不良会导致断路或接触不良,甚至连接器组件(线束)整个解体;接触不良会导致瞬间断电;密封不良会造成端子腐蚀氧化、膜层电阻增大,从而导致接触不良。
从某种意义上说,失效预防比失效分析更重要。失效预防是一门涉及机械、电子、材料、化学等多种学科的交叉技术。除材料和工艺外,电连接器及其组件的失效还涉及压力、温度、腐蚀、尘土、绝缘、电磁干扰、微小型结构、高频分布参数影响等一系列问题,忽视其中任何一个细节,都可能造成无法估算的损失。航天电连接器及其组件的失效概率在整个电子元器件的失效统计中所占比例较大,因此必须给予更多的关注和重视。
