连接器可靠性及其测试方法.ppt

1,电子连接器可靠性及其測試方法,2,一、产品的可靠性,“可靠性”译自英文“Reliability”，日本人将之译为“信赖性”，指在给定条件下、规定期间中，一个产品执行某种功能的可能性。开始发展于第二次世界大战期间，发展历程如下： 1，真空管时代 二战期间，美军作战的战斗机使用的通信设备中半数以上无法使用，经过详细调查发现几乎都为真空管不良引起。但对真空管进行品质全面检查时，从进料、生产、出货整个过程都完全达到图面要求的规格水准。此时才发现产品还需要考虑坚固耐用，并将其导入设计规范和图面中，开始以制造不易故障的产品为目标。 2，阿波罗计划 将可靠性技术导入阿波罗计划中，使原本落后于前苏联的太空计划，因阿波罗登月成功而后来居上、一举成名。,3,一、产品的可靠性,3，1965年IEC(国际电气标准委员会)设立可靠性技术委员会。1975年正式发表可靠性和可维护性规范(Reliability & Maintainability) 4，可靠性技术引入日本约在1960年前后，最成功的例子是日本新干线。到目前为止，新干线已累积运行近10亿公里，足可环绕地球25,000圈以上，从未发生重大事故。 可靠性包括三个方面的要素 1，给定的条件，亦即使用条件或环境条件 2，规定的期间，亦即产品寿命 3，要求的性能，性能或故障的定义,4,二、产品品质与可靠性,产品品质,技术特性,产品特性,功能方面,实用方面,尺寸配合,使用特性 (性能),坚固耐用,维修容易,可靠性,可维护性,狭义品质,广义可 靠性,Q、C、D,Q: Quality; C: Cost; D: Delivery,5,三、电子连接器的可靠性,1，简介 连接器的可靠性考虑如下几种因素： A、产品设计和产品制造的材料 B、操作环境 C、功能要求 应用的环境，特别是温度、湿度、腐蚀性，决定了哪些自身的失效机理会发生作用，而连接器功能的要求，决定了怎样的失效程度是允许的。 2，可靠性评估的程序 连接器可 靠性评估程序包括如下内容： A、决定应用的可接受的标准，包括端子电阻和其它的失效模式。按照应用的重要性确认发生作用的失效机理并分类。 B、开发测试程序处理预测的应用中的失效机理，排列并分等级。 C、定下加速因子 (规定X天暴露的A试验相当于Y年的B项应用) ，如有可能，做特别的测试。 D、根据从鉴定程序得来的数据，作适当的数据分析和数据统计处理。 E、评估可靠性 以上的步骤依赖于工程上的判断。连接器的制造商和用户应该对鉴定程序的内容和方法一致同意认可。,6,三、电子连接器的可靠性,3，连接器的定义 从功 能上定义： 电子连接器：在一个电子系统中的两个子系统之间提供一个可分离的连接，而又不会对 系统的性能产生不可接受的影响。 可分离性是我们要使用连接器的理由，方便对一个系统的子系统或零件的维修、升级。 同时，这种连接对系统的性能不能产生任何不可接受的影响。例如信号的吸收、衰减、 电力的损耗。 可分离和不可接受的的限度的要求，决定于连接器的具体应用要求。 从结构上定义： 连接器有四个结构性的元素，它们是： A、端子(间)的接触界面 B、端子的表面处理 C、端子的簧片 D、连接器的壳体 请参考图1-1。,7,三、电子连接器的可靠性,连接器的结构,端子(间)的接触界面,端子的表面处理,端子的簧片,连接器的壳体,图1,8,三、电子连接器的可靠性,A、端子(间)的接触界面 端子间的接触界面决定了端子的电阻、连接器的寿命(性能不失效的情况下插拨次数) 和失效的发生。 端子间的接触界面有两种形式： 可分离性接触-连接器的每次插入时形成的联接 永久性接触-连接器固定在子系统上的点，这些点是当作永久连接的 。 B、端子的表面处理 端子的表面处理有两个主要功能： a、保护端子簧片的基材不生锈 b、优化端子间的接触界面 端子的表面处理主要分为两大类： a、贵金属表面处理 我们所讲的贵金属即惰性金属。主要有金(Au)、钯(Pd)及其合金。 b、非贵金属的表面处理 锡是最常用的非贵金属表面处理，因为它的表面氧化层很容易在连接器插入过程 中被破坏掉。,9,三、电子连接器的可靠性,C、端子的簧片 端子簧片提供如下三个功能： a、传输电力或信号 b、提供端子正向力来建立和维持可分离的端子接触界面 c、提供永久性端子接触界面的连接点 D、连接器壳体(HOUSING) 连接器壳体提供如下四项功能： a、端子间的电气绝缘 b、固定端子的几何位置，利于插入和尺寸稳定 c、为端子提供机械保护和支撑 d、将端子从应用环境中隔离开来，减少对腐蚀的敏感,10,三、电子连接器的可靠性,4，连接器的电阻 R总体电阻=R(永久性接触)+R(体电阻)+R(接触电阻) 公式 1 如 图 2所示的连接器，通过测量两个PCB板的引线可以测量连接器的整体电阻。电阻范围大约为220微欧姆。电阻包含三个方面： a、永久性接触界面的电阻的范围为几个至几十个微欧； b、体电阻 是端子弹簧片的电阻，图2指的是公型弹簧片和母型弹簧片的电阻，取决于弹簧片的材料、 几何形状，其范围也一般为几至几十微欧。 C、可分离式的接触电阻一般只有几个微欧或更低。 低的和稳定的电阻是连接器的一个主要要求之一，永久性接触电阻和体电阻是稳定的，总体电阻的不稳定是由接触电阻引起的。 R(接触电阻) =R(集中电阻)+R(膜层电阻) 公式 2 R(集中电阻)主要由接触的面积及接触面的表面处理有关 膜层主要有： 氧化物膜层，存在于大部分膜层 化学膜层，包含氯化物、硫化物、氮化物等，所处的环境有关，是化学粘附 吸附膜层，通常为水和有机物，松散地吸附在表面 污染物层 因此， R(膜层电阻)主要与其使用的环境有关 图 3 和 4 分别描述了集中电阻和膜层结构。,11,三、电子连接器的可靠性,图 2 连接器电阻组成示意图,R(永久性接触),R(永久性接触),R(体电阻),R(体电阻),R(接触电阻),12,三、电子连接器的可靠性,图 3 接触电阻示意图,集中区域,接触点,膜层,13,三、电子连接器的可靠性,图 4典型的覆盖的膜层结构,金属底层,冷作硬化层,氧化物层,吸附物层,污染物层,14,三、电子连接器的可靠性,5，连接器的功能 连接器分为 信号连接器和 电源连接器 这两种连接器的功能要求是不同的。,15,三、电子连接器的可靠性,6，连接器的应用 为了理解连接器的应用AMP建立了六个等级来定义系统中不同的内部连接，即电子封装的六个等级。 等级 1 ：芯片内部集成电路与金属引脚之间的连接 主要由高速自动的方法制造 非常特别 通常不是可分离的和可修补的 装入到器件的封装中 必须极端可靠 例如各种芯片 等级 2：芯片与PCB之间的连接 通常必须能耐焊接的环境 相对来说，尺寸较小，通常不需要固定硬件 低的插拨次数要求 由专业人员服务 例如 DIP Socket 例如 PGA(Pin Grid Array, 针阵列)370，mPGA478(Northwood),16,三、电子连接器的可靠性,6，连接器的应用 等级 3 ：PCB之间的连接，通常有三种，即垂直板连接(mother/daughter, )，平行板连接 (Parallel Stacked, =)和同一平面内连接(Planar, 一 一)。 插拨次数在几十至上百次。 针的数目比较多，有超过1000，属高密度连接器。 由于高的针数目，插拨力比较重要，有导向作用的硬件和键。 高速的能力支持板的处理速度，微毫秒、微微秒开关，可控制的阻抗开始变得重要。 要求可维修性。 在系统的层次，是专业人员服务，但用户直接使用的情况在增长，因此要考虑坚固性。 例如：AGP、PCI、DIMM、Card Edge系列。 等级 4 ：子系统之间的连接，由于子系统之间能常都有一定的距离，因此一般都通过Cable和 Harness 完成。 特别的结构，便于电缆的应用。 插拨次数在几百次。 由于用户自行连接，要坚固。 锁紧结构很平常，防止振动或其它器件的移动而造成的脱离接触。 考虑EMI/RFI(电磁干扰)的情况增多了。 屏蔽和过滤的要求增多了。 例如 Ultra ATA Cable, AMP-Latch, CT(Common Termination) Cable, EI/MTEI Cable,17,三、电子连接器的可靠性,6，连接器的应用 等级 5 ：系统内部子系统与 I/O 接口之间的连接 由于连接器的一半是在系统的外面，标准化很重要。 同样的原因，要坚固、易用。 考虑屏蔽、过滤和干涉很重要。 其它的要求同等级4。 例如：USB系列、IEEE 1394系列、MOD JK系列、D-Sub系列。 等级 6 ：不同系统之间的连接，包括电缆组件、电源线组件、射频同轴电缆组件及光纤 保留等级4及5的要求 坚固变得很重要 插拨次数要求增加，几百次甚至近千次。 由于更长的暴露的长度，屏蔽和过滤很重要 标准化是一个主要的考虑 工业标准如RS232、RS-449、SCSI-1、SCSI-2、IEEE 1394、IEEE 802.3， MIL-C-39012(与射频同轴接插件有关)， MIL-C-24308(与AMPLIMITE有关)， V35(系统内连接和网络工业有关)，905及906(与光纤连接器有关)。 例如 AMPLIMITE 线缆、USB Cable、MOD JK CABLE，各种同轴CABLE。,18,三、电子连接器的可靠性,图 5电子封装的六个等级,19,三、电子连接器的可靠性,7，连接器的可靠性 A、定义 在给定的应用条件下，规定的期间内，保持规定的连接器电阻范围的可能性。 B、失效模式 连接器电阻增大超出规定的范围。 C、失效机理 腐蚀 磨损 端子正向力损失,20,三、电子连接器的可靠性,8，连接器的失效机理 A、腐蚀 腐蚀主要与端子接触界面和表面处理有关。腐蚀导致端子电阻增加的两个主要机理为： 一系列的膜层形成于接触界面和 腐蚀性的的物质渗透至接触界面而导致接触区域减少 必须要考虑的三个常见的腐蚀类型有： 表面腐蚀 指腐蚀膜层覆盖在端子表面，如锡氧化物、钯/钯合金的氯化物 腐蚀迁移 指腐蚀性的物质迁移至端子表面而到接触区域。应用的环境对腐蚀迁移很敏感，例如硫和氯存在的环境 小孔腐蚀 如果腐蚀迁移位置发生于一个小孔，一个小小的电镀表面的不连续的孔，这种腐蚀机理叫小孔腐蚀。小孔本身不影响接触电阻，而只有小孔变成腐蚀源头时，才会使接触电阻下降。,21,三、电子连接器的可靠性,B、磨损 由于磨损的作用，增加了接触界面对腐蚀的敏感性，通过对基材的表面处理，保护了基层和优化了膜层表面，而磨损会使表面处理的功能丧失。 影响磨损的因素 V=(KFnI)/H 公式 3 V为每次循环磨损量，K为摩擦系数，Fn为正向力，I为滑入长度，H为接触表面材料硬度。 摩擦系数K，由几何形状、正向力、表面硬度、润滑状况和材料决定。 正向力Fn， Fn增加，增加了粘结和相应的研磨的磨损，因而增加了磨损。 滑入长度I，很明显，I增加，磨损会增加，因此要限制插入深度。 表面处理硬度H，影响接触区域的面积，硬的和软的表面处理的搭配的对拼，软的磨损物质会转移至硬的表面，所以在连接器中，通常连接器对拼的两个部分的电镀材料是一样的。 小结： 磨损可以通过慎重地选择合适的材料(表面硬度)控制正向力和使用润滑剂来降至最低。,22,三、电子连接器的可靠性,C、端子正向力损失 对于连接器的失效， 正向力的损失，会造成端子接触界面的机械稳定性降低，而机械稳定性的降低又会引起接触界面对机械或热诱发的应变的扰动的敏感性提高，从而增加接触电阻。 正向力损失主要有两个方面： 永久变形。 永久变形指端子梁由于塑性变形而偏离原始位置造成梁偏移减少，因此正向力降低。是由插拔过程中的过应力，通常是因为不正确的或粗鲁的插拔引起的，要通壳体和/或端子的结构设计来解决，例如增加导向结构防过插入等。 应力松驰 应力松驰的结果是应力S的减少，从而正向力下降。 应力松驰是不可避免的，只能控制，应力松驰的速度与设计选择的材料和施加的应力及应用环境的温度有关。应力松驰依赖于时间和温度。,23,四、连接器可靠性要求的测试,Environmental Test (Thermal, Humid.) 環境试验(耐熱、湿度) * Heat. * Temp. cycling. * Cold. * Humidity. 耐熱、温度循环測試、 * Shower * Soldering heat resistance. 耐湿、喷淋、焊錫耐熱測試 Environmental Test (Corrosion, Others) 環境试 验(腐蚀、其它) * SO2 gas. * H2S gas. * Salt spray. SO2气体、H2S气体、 * Weather. * Dust 盐霧、耐气候性、耐灰塵 Electrical Test 電气測試 * Current cycling. * Current aging. 電流循环、電流老化、 * Rush current. 過度電流測試 Mechanical Test 機械測試 * Vibration. * Shock. * Durability. 振動、衝击、耐久性、 * Fretting corrosion 摩擦腐蚀测試 Chemical Test 化学金属测试 * Solvent. * Flammability. * Oil. 抗溶剂性、耐火性、耐油性、 * Stress corrosion cracking. 应力腐蝕开裂 Mixed Test 混合測試 * Vibration + Humidity. 振動 + 耐湿,24,四、连接器可靠性要求的测试,Electrical Parameter 電气特性 * Low-level Termination resistance. 微欧姆的连接電阻 * Voltage drop. * Insulation resistance. 絶缘電阻、耐压、洩漏電流 * Dielectric withstanding voltage. 压降、振荡、瞬間断電 * Leak current. * Chattering. * Electrical discontinuity. Mechanical Parameter 機械方面的特性 * Mate/Unmate force. * Retention Force. 插入/拔出力、保持力 * Locking strength. * Stress-Strain curve. 锁紧強度、应力-应变曲線 * Torque. 扭力 High Frequency 高频特性 * Impedance. * Capacitance. 電磁抵抗、静電容量、電磁誘導 * Inductance. * Cross-talk. * VSWR. 回路間串話、電压驻波比 Chemical, Metallurgical 化学、金属特性 * Plating thickness. * Hardness. * PH. 鍍金厚度、硬度、PH值 Appearance 外观 * Solderability. * Cross-section. 可焊接性、断面、外观、感觉 * Visual. * Feeling.,25,Termination Resistance 接触阻抗 Test Method 測定方法,2 Probe Method 二端点法 * Include all resistance from A to B Probe and its contact resistance, R. * Suitable for high resistance as 1k- 2k.,4 Probe Method 四端点法 * Measure only R, between C and D. Not include probe and its contact resistance. * Suitable for low resistance as m level.,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-6 EIA 364-23A & IEC 60512-2-1,26,Low Level Termination Resistance 低的接触电阻,Dry Circuit * Applying very low voltage and current those affect no oxidized film breakage at Contact point. Rt = Rb + Rc + Rf Total Resistance Bulk Resistance Constriction Resistance Film Resistance 总電阻 体電阻 集中電阻 膜层電阻 Contact Resistance 接触電阻 * Over 50mV voltage is required to break through 50 oxidized film thickness. * Dry circuit : 50mV, 50mA maximum. 根据AMP的理論為 50mV 以下、但 IEC 標準為 20mV 以下。 * Low level termination resistance : Measured by 4 Probe Method in Dry circuit.,施加的電压非常低或通過的電流非常小，而又不破坏接触点的絶缘膜的電路叫干式电路，这种小的接触电阻称為 低的電阻。,四、连接器可靠性测试方法,27,Insulation Resistance 絶缘電阻,* Resistance to leak current at applied specified direct voltage. 以規定的直流電压加在端子（CONTACT）間或端子和接地線間分鐘、並測定得到的電阻。 M minimum at 500V DC, 1 minute. * Check insulation performance by the effect of stain, deterioration and oxidizing. 本試验測定絶缘特性。該特性受絶缘物質的污染、退化、氧化及挥发成分的減少等原因而影響。 * Mainly affected by temperature, humidity, and residual electric charge. 影響絶缘電阻的主要因素有：温度、湿度、残留的電子、充電電流、測试仪及測定電路的设定参数、 測試電压、加压的时间、等。,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-28 EIA 364-21C & IEC 60512-3-1,28,Dielectric WithStanding Voltage 耐压,* Apply specified voltage between contacts. 以規定的直流或交流電（1000VAC/1500VDC）加在端子（CONTACT）間或端子和接地線之間。 No flash over (1 mA Max. leak current) at 500V AC, 1 minute. * Check work in safe at rated voltage, passing overvoltage and spacing of components. 試验测定在額定電压下是否安全動作、過大電压時是否能承受、零件间的间隔 * Mainly affected by temperature, humidity, atmospheric pressure, feature and so on. 影響耐压的主要因素有温度、湿度、大气压、電極的状態及形状、頻率、 電磁波形、加压時的上昇率及持续時間、試品的形状、等）,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-29 EIA 364-20B & IEC 60512-4-1,29,Vibration 振動,* Add vibration of specified frequency, acceleration or vibration width, direction and period. 将連接器放在振動測試器、以規定的頻率、振動加速度或以固定的振幅、方向和周期进行测试 * Low frequency (10-55Hz) : Normally transportation, vehicle and train 低頻率振動：為相当於一般的輸送工具、汽車及火車的振動頻率（10-55Hz） * High frequency (10-500, 10-2000Hz) : Air vehicle, missile, tank. 高頻率振動：為相当於飛機、导弹及液槽車的振動頻率（10-500Hz、10-2000Hz） * Check physical/electrical effect by vibration as electrical discontinuity. 測定在振動中所受的機械和電方面的影響，特別是電流的瞬間中断是否发生。 * Mainly affected as looseness of components, electrical noise by termination resistance mutation, fatigue of mechanic and breakdown. 因振動可能引起下列的影響：零件的鬆動、電阻的变化所引起的电气噪音、機械部分的 疲劳和破坏、電流的瞬間中断。,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-21 EIA 364-28D & IEC 60512-6-4,30,Discontinuity 瞬間断電,Concept of Discontinuity,500 mV = 5 100 mA,瞬間断電的时间间隔,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-31 EIA 364-46A & IEC 60512-2-5,31,Discontinuity 瞬間断電,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-31 EIA 364-46A & IEC 60512-2-5,固定电阻,恒流源,电压侦测,试样,标准：电阻=10 ohms，持续时间=1 microsecond，则fail,32,Physical Shock 物理冲击,* Add specified acceleration, duration, wave, direction and times. 将連接器放在衝击測試器中以規定的衝击加速度、持续時間、波形、衝击方法及規定的回数加以撞击。 490 m/s2 (50 G), Half sign wave, 11 msec, X,Y,Z, normal and reversed direction, 3 times each. * Check adaptability when the connector applied rough handling and transportation and military use. 為測定在不細心的搬運、運送及軍事使用上可能发生的各種撞击下、是否能承受。 * Mainly affected as looseness of components, electrical noise by termination resistance mutation, mechanical fatigue, breakdown and electric discontinuity. 因撞击可能引起試品的破裂、松动、電阻的变化所引起的电气噪音、機械部分的疲劳和破坏、電流的瞬間中断。,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-26 EIA 364-27B & IEC 60512-6-3,33,Plating 电鍍,* Method 以下列的方法測定鍍金厚度。 X-ray, -scope, Microscope 射線、-scope、电子显微镜 * Purpose of Au plating Corrosion protective covering, Decrease termination resistance, Heat resistance, Ornament and so on. 防止腐蝕、減小電阻、耐熱及装飾等目的。 * Purpose of Ni under plating Protect diffusion sulfide of contact material (Cu, Ag) come through gold plating porous. Protect diffusion of contact material (Cu, Zn) to Au.Cu and Zn are easy to diffuse to Au and make oxidized Cu and Zn. 1)為防止端子材料（銅或銀）的硫化物通過鍍金的小孔而扩散到鍍金表面。 2)為防止端子材料（銅或锌）扩散到鍍金中。铜和锌很容易扩散至金中使铜和锌氧化。数個月的保管後、被锌氧化物、銅氧化物或銅硫化物覆蓋。,四、连接器可靠性测试方法,34,Porous of Gold plating,多孔性,多孔率,鍍金厚度,常规的热氰化物金,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-143,35,Solderability 可焊接性,為測定端子的焊接性和連接器的焊接性。 * Check by microscope (10 times). 以下列的条件進行測試後、以10倍放大鏡观察焊錫的表面的付着情形。 * Method Solder : 60% Sn - 40% Pb 焊錫： 60% 錫40% 鉛 Flux : Alpha 100 Flux： ALPHA 100 (Aquatic white Rosin:25%, IPO:75%) Solder temp. : 235 5 温度： 2355 Duration : 5 sec. 持续时间：5 秒,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-11,36,Stress Corrosion Cracking 应力腐蝕破裂,* Copper alloy, especially Brass is occurred Stress Corrosion Cracking in Ammonia(氨) atmosphere.,* Method Expose mated contact (connector) in the atmosphere of Ammonia gas on 28% Ammonia water 40 minutes.,Stress Corrosion Crack certainly occurred to Brass which has tensile stress in humid air.,四、连接器可靠性测试方法,铜合金，特别是黄铜，容易在氨的环境中 发生应力腐蚀开裂,暴露已配插的端子或连接器于28%氨水的氨 气环境中40分钟,在潮湿空气中有拉应力的黄铜肯定会有 应力腐蚀开裂,37,Salt Spray 盐霧试验,Method * Spray 5% density salt water on connector. 将 5%的盐水以噴霧器噴淋至连接器中。 Purpose * Check quality of plating thickness and porosity. 為电鍍质量、特別是厚度及多孔性的評估。,Method * Expose specimen in chamber which set 40 temp. 将試样在40或60 ,90-95% and 9095% humidity for specified duration. 的恒温恒湿槽中、 放置規定的所要実験時間。 Purpose * Check deterioration of materials by moisture absorption. 判断絶縁材料的吸湿度。 The material which is easy to absorb moisture is easy to get physical, mechanical and electrical deterioration. Mainly affect to Insulation resistance and termination resistance. HSG的絶縁度劣化、因端子的腐蝕而造成電阻変大。,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-5101,38,Humidity (Constant) 湿度（常態下）,Method * Expose specimen in chamber which set 40 temp. 将試样在40或60 ,90-95% and 9095% humidity for specified duration. 的恒温恒湿槽中、 放置規定的所要実験時間。 Purpose * Check deterioration of materials by moisture absorption. 判断絶縁材料的吸湿度。 The material which is easy to absorb moisture is easy to get physical, mechanical and electrical deterioration. Mainly affect to Insulation resistance and termination resistance. HSG的絶縁度劣化、因端子的腐蝕而造成電阻変大。,Method * Expose specimen in chamber which set 40 temp. and 9095% humidity for specified duration. 将試样在40或60 ,90- 95%湿度 的恒温恒湿槽中放置規定的時間。 Purpose * Check deterioration of materials by moisture absorption. 判断絶缘材料因吸湿而引起的劣化。 The material which is easy to absorb moisture is easy to get physical, mechanical and electrical deterioration. Mainly affect to Insulation resistance and termination resistance. 容易吸湿的材料很容易会物理、机械、絶缘性劣化、因端子的腐蝕而造成電阻变大。,四、连接器可靠性测试方法,Tyco 109-5106,(Moisture absorption),39,Humidity and Temperature Cycling 湿度和温度周期,Method * Expose specimen 10 cycles in chamber which is set as follow; 样品置于恒温恒湿箱中，按如下的设定循环十次： Room Temp. 65: 9095% R/T 65: 9095% -10/cycle Purpose * Evaluate deterioration of connector in high temp. and high humidity atmosphere as the tropics. 験证在熱的環境的高温高湿情況下、是否不至于劣化。 Mainly affect to corrosion of contact, housing deformation, d