第1期2014年2月机电元件ELECTROMECHANICALCOMPONENTSVol．34No．1Feb．2014　收稿日期:2014-01-02试验与检测

环境温湿度对航天电连接器可靠性的影响马　杰,姚静波,辛朝军(装备学院航天装备系,北京101416)

摘要:文章介绍了环境因素对电子产品可靠性的影响和电连接器的失效模式,并对环境温湿度引起电连接器失效的原因进行了分析。在环境温湿度应力作用下,电连接器主要会发生接触失效和绝缘失效。关键词:航天电连接器;温湿度;可靠性Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2014.01.007

中图分类号:TG172 文献标识码:A 文章编号:1000-6133(2014)01-0028-03

TheEffectofTemperatureandHumidityonReliabilityofElectricalAerospaceConnector

MAJie,YAOJing-bo,XINChao-jun(DepartmentofSpaceEquipment,TheAcademyofEquipment,Beijing101416China)

Abstract:Thepaperintroducestheaffectofelectronicproductswhichcausedbytheenvironmentalfactor,andthefailuremodeofaerospaceelectricalconnector,andanalyzedthefailurewhichcausedbytemperatureandhu-midity.Underthetemperatureandhumiditystresses,theaerospaceelectricalconnectormainlyoccurcontactfail-ureandinsulationfailure.Keywords:aerospaceelectricalconnector,temperatureandhumidity,reliability

1　引言航天电连接器作为一种机电元件,用于实现电子与电气设备的电连接,具有高可靠、长寿命的特点,在航天领域被大量使用,主要用于实现电信号的传输和控制以及电子与电气设备之间的电连接,而环境因素会对电连接器的可靠性造成影响。美国Hughes航空公司的研究资料非常明确地表示了电子产品失效与各种环境应力的关系,如下图1所示。

图1　产品失效与环境应力关系图 从图1可以看出,环境温湿度对电气产品的可靠性有重要影响,温湿度造成电子产品的失效占到了电子产品失效总数的58%。因此,环境温湿度对电连接器可靠性的影响也不能忽视,航天电连接器的可靠性关系到航天任务的成败,在航天系统中起着非常重要的作用。2　电连接器的失效模式分析

航天电连接器在航天任务中起着非常重要的作用,经过实践总结,引起航天电连接器失效的常见现象有:多余物、接触不良、绝缘不良、弹性零件断裂、漏气、误插拔、装配失误等,造成这些现象产生的原因如表1所示[1]。

表1　电连接器失效现象及原因

序号失效现象原 因

1多余物电连接器选材不当,结构设计不合理接触件表面镀层起泡、掉皮加工精度低、尺寸一致性差,造成外壳有加工毛刺或多余的金属切削残留物

2接触不良

收缩电阻增大

膜层电阻增大

3绝缘不良

绝缘电阻低

绝缘体漏电绝缘体电击穿

4弹性零件断裂

材料性能差

热处理不当

5漏气气密性差,封线体和界面封严体做工不精

6误插拔产品设计不合理,没有设计相应的对正标识和防误插构件

7装配失误固定电连接器的插针和插孔的绝缘体错位或装反

上世纪九十年代,七九六厂则通过对用户反馈

信息的收集和可靠性摸底试验结果的分析,把电连接器的失效模式分为接触失效、绝缘失效、机械连接失效和其他失效四种。经过统计试验和现场两种情况下的失效,得到了各种模式占总的失效的百分比如表2所示[2]:

表2　电连接器失效模式百分比序号失效模式百分比1接触失效45.1%

2绝缘失效22.3%3机械连接失效19.8%4其它失效12.8%

从表中可以看出接触失效和绝缘失效占比最

大,总共占到了电连接器失效的67.4%。而环境温湿度是造成电连接器接触失效和绝缘失效的主要环境因素。3　环境温度对电连接器可靠性的影响

由于电连接器的接触件的材料一般为金属铜,而铜的物理化学性质比较活泼,在环境温度应力的作用下,铜会发生氧化反应,在接触件表面生成氧化膜层。经过对电连接器接触件表面氧化膜层的测试,其成分主要是氧化亚铜,其反应方程式为[3]:

4Cu+O2➝2Cu2O

其主要过程是:由于空气中的氧气被吸附在电连接器接触件表面,并被分解为氧原子,而氧原子与接触件的金属铜原子发生化学反应,生成一层氧化膜层。随着氧化膜层的生长,氧化膜层不断加厚,由于生成的氧化膜层导电性能差,使电连接器的接触电阻增大,最终导致电连接器的接触失效。电连接器的绝缘体是由高分子聚合物等材料制成,在温度应力的作用下,高分子材料内部分子的运动会加快,其分子链上会产生空位,空气中的有害气体等介质就会渗透到、扩散到材料内部,并且在环境温度的影响下,材料会发生热降解和交联反应,材料发生劣化,材料的物理性能和电气性能降低,导致绝缘体的绝缘性能降低,引起电连接器的绝缘失效。4　环境湿度对电连接器可靠性的影响

电连接器在潮湿环境中使用时,由于空气中的水分会由于接触件镀层微孔的毛细管作用,进入到电连接器基体金属表面,形成一层液膜。又因为电连接器镀层和基体金属铜之间存在电位差,而形成腐蚀电池。由于接触件表面镀层金的电位高成阴

92　第1期马　杰等:环境温湿度对航天电连接器可靠性的影响极,铜的电位高成阳极,发生电化学腐蚀[3]。电化学反应过程如下式所示:O2+2H2O+4e➝4HO-Cu++HO-➝CuHO2CuHO➝Cu2O+H2O随着电化学反应的进行,电连接器表面氧化膜层厚度不断增加,从而造成电连接器的接触电阻不断增大,最终造成电连接器发生接触失效。另外,潮湿气体中的水分会对电连接器的绝缘体产生破坏作用。电连接器在潮湿空气中使用时,空气中的水分会吸附在绝缘体表面,同时由于绝缘体材料内部存在大量空穴,水分在这些空穴的毛细管作用下进入绝缘体内部,形成导电通道,最终造成电连接器的绝缘体的绝缘电阻下降,使电连接器发生绝缘失效。5　结束语在环境温度和湿度共同作用下,温度升高会加速潮湿空气中水分的扩散,使电连接器的腐蚀速度加快。因此,在使用电连接器的过程中要注意电连接器的使用环境和工作条件。特别是在航天任务当中,每一个元器件故障,都会造成航天任务的失败。因此,在严酷环境中使用电连接器时,要对电连接器的各项电气参数进行检查,以确保电连接器能可靠地工作。

参考文献:[1]　杨奋为.航天用电连接器的失效分析[J].机电元件,1996(1):40-43,47.[2]　张菊花,孔宪宝.低频电连接器失效模式的分析[J].

机电元件,1989,9(1):36-43.[3]　陈文华.航天电连接器可靠性试验和分析的研究

[D].杭州:浙江大学机械工程学系,1997.

(上接第10页)造成负载电源短路或功率器件烧毁。我们根据该产品的电路特点,利用分立器件设计了一个逻辑互锁电路,避免了输出部分H桥的上、下桥臂不会因输入控制信号问题而直通,造成负载电源或MOSFET短路烧毁。4　结构设计

4.1　总体设计该固体继电器内部主要由底座、功率输出部分(H桥)、分立元件组装部分(控制和驱动电路部分)

及罩子等组成。该固体继电器在结构设计时,针对其密封性的要求,底板选用钢带材料,罩子选用白铜带材料,这两种材料易于进行激光熔焊密封,同时可保证产品的机械强度、防腐耐热;引出端采用铁镍钴合金,可以保证与玻璃绝缘子的封接,满足产品密封性的要求。4.2　外形尺寸

该固体继电器器外形尺寸图见图5。

图5　外形尺寸图5　结束语该固体继电器已通过鉴定试验,各项技术指标均符合产品标准。经过用户在整机上使用,证明产品性能稳定,工作可靠,完全满足整机系统的应用。

参考文献:[1]　黄庶,肖丹.自举式H桥电机驱动电路的优化设计.[J].应用能源技术,2009.(10).[2]　孙启林.新型开关电源优化设计与实例详解全书[M].北京工业大学出版社,2006.[3]　许晓峰.电机拖动[M].高等教育出版社,2004.[4]　杜坤梅,李铁才.电机控制技术[M].哈尔滨工业大学

出版社,2002.

03机电元件2014年　环境温湿度对航天电连接器可靠性的影响作者：马杰， 姚静波， 辛朝军， MA Jie， YAO Jing-bo， XIN Chao-jun作者单位：装备学院航天装备系,北京,101416刊名：机电元件

英文刊名：Electromechanical Components年，卷(期)：2014(1)

引用本文格式：马杰.姚静波.辛朝军.MA Jie.YAO Jing-bo.XIN Chao-jun 环境温湿度对航天电连接器可靠性的影响[期刊论文]-机电元件 2014(1)