（机械设计及理论专业论文）环境综合应力作用下航天电连接器可靠性分析与建模.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文以y 1 1 x 系列圆形电连接器为研究对象，对电连接器失效模式、失效机理 和可靠性建模进行了系统、深入的研究。 首先，介绍了国内外可靠性研究的发展历史和现状；对可靠性试验方法和发 展趋势，失效物理分析方法和可靠性建模，以及航天电连接器可靠性研究的现状 和存在的问题进行了回顾和评述。 其次，通过对现场、试验场电连接器的失效情况进行统计和分析，总结出电 连接器的四种主要失效模式：电接触失效、绝缘失效、机械连接失效和其他失效， 并对电连接器进行了故障树分析，指出电接触失效是电连接器失效的主要形式， 而在正常的工作条件下，造成电接触失效，即决定电连接器工作寿命的主要原因 是氧化膜层的生长、接触对磨损以及磨损腐蚀物的堆积，而影响氧化膜层的生长、 接触对磨损以及磨损腐蚀物堆积的主要因素是环境振动和温度应力，为电连接器 进行失效机理分析奠定了基础。 第三，分析了电连接器在温度应力下的失效机理；并通过对电连接器的结构 及电连接器在振动应力作用下的动态特性进行分析，探讨了电连接器在振动应力 作用下的失效机理；通过对电连接器进行环境温度、振动应力综合作用下的失效 分析，确定其主要失效机理为微动磨损，结合微动图理论对微动过程进行分析， 为电连接器的可靠性建模提供了依据。 第四，在分析了电连接器失效机理的基础上，建立了接触电阻模型，指出了 在微动磨损过程中电连接器接触表面氧化膜层对接触电阻的影响；并分别建立了 电连接器在温度应力和振动应力单独作用下以及综合作用下的失效物理方程；同 时，结合概率统计理论，确定了在温度和振动综合应力作用下的电连接器寿命的概 率分布类型，从而建立了电连接器的可靠性统计模型，为电连接器的可靠性试验 方案制定和试验数据统计奠定了基础。 最后对全文的研究内容进行了总结，并指出了电连接器可靠性试验和分析中 需要进一步研究的内容及本基金课题的下一步工作方向。 关键词：电连接器、环境综合应力、失效分析、统计模型 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ey l l xs e r i e so fe l e c t r i c a lc o n n e c t o r s f a i l u r em o d ea n d m e c h a n i s mu n d e rt e m p e r a t u r ea n dv i b r a t i o ns t r e s s e s ，t h e nm a d ep h y s i c sm o d e l so f f a i l u r ea n ds t a t i s t i c f i r s t l y , s u m m a r i z et h eh i s t o r yo fr e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g ，a n di n t r o d u c et h em e t h o d o f r e l i a b i l i t y t e s ta n d p h y s i c so ff a i l u r e ，t h e n r e v i e we l e c t r i c a lc o n n e c t o r s c u r r e n t r e l i a b i l i t yr e s e a r c ha n di m p e n d i n gp r o b l e m s s e c o n d l y , b e e ng e n e r a l i z e dt h ef a i l u r ed a t ao fe l e c t r i c a lc o n n e c t o r sf r o mw o r k i n ga n d t e s t i n ge n v i r o n m e n t ，e l e c t r i cc o n t a c tf a i l u r e ，i n s u l a t i o nf a i l u r e ，m e c h a n i c a lc o n n e c t i o n f a i l u r ea n do t h e rf a i l u r ea r ef o u rm a i n l yf a i l u r em o d e so fc o n n e c t o r s ，m o r e o v e r ，b u i l t t h ef a u l t y - t r e et oa i l a l y z et h e i rr e l i a b i l i t yl e v e l h o w e v e r , c o n t a c tf a u l tf a i l u r ew a st h e m o s tp r e v a l e n tm o d eo fe l e c t r i c a lc o n n e c t o r s u n d e rn a t u r a lw o r k i n ga n dr e s e r v i n g c o n d i t i o n s ，t h ec o n t a c ts t r e s sd e c r e a s i n g ，f r e t t i n ga n ds u r f a c ef i l mg r o w i n ga r em a i n l y r e a s o n st om a k ee l e c t r i c a lc o n n e c t o rf a i l u r e w h i l et h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c t e dt h e m w e r ee n v i r o n m e n t a lv i b r a t i o na n dt e m p e r a t u r e t h e s ec o u l dm a k ef o n n d a t i o nf o r f a i l u r em e c h a n i s m a i a a l y z i n g t h i r d l y , u n d e rt e m p e r a t u r e s t r e s st h ec o n n e c t o r s f a i l u r em e c h a n i s mi so x i d ef i l m t h i c k e n i n g ，w h i l et h r o t 曲a n a l y z i n gt h es t m c t u r ea n dd y n a m i cc h a r a c t e ro f e l e c t r i c a 】 c o n n e c t o r s ，t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fe l e c t r i c a lc o n n e c t o r si sf r e t t i n gu n d e rv i b r a t i o n s t r e s s c o m b i n e dt h e s et w os t r e s s e s ，t h e i rf a i l u r em e c h a n i s ma r ef r e t t i n ge i t h e r , b u tt h e v e l o c i t yo fd e g e n e r a t i o na r ea c c e l e r a t i n g ，b e c a u s et e m p e r a t u r es t r e s sc r e a t em o r eo x i d e p r o d u c t i o nl e tc o n n e c t o r sf a i l u r em o r ee a s i l y i naf o l l o w i n gp a r to fd i s s e r t a t i o nw e c o u l dm a k er e l i a b i l i t ym o d e la c c o r d i n gt ot h e s ea n a l y z i n g f o u r t h l y , b a s e do na n a l y z i n gt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fe l e c t r i cc o n n e c t o r s ，m a d et h e c o n t a c tr e s i s t a n c em o d e lw h i c hi n d i c a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u f f i c eo x i d ef i l m a n dc o n t a c tr e s i s t a n c e ，t h e nb u i l tt h ep h y s i c so ff a i l u r em o d e l sa n ds t a t i s t i cm o d e l s a l lo ft h e s em o d e l sc o u l dh e l pf o rp l a n n i n ga c c e l e r a t e dl i f et e s ta n ds t a t f a i l u r ed a t a e v e n t u a l l y , g a v eac o n c l u s i o nt or e s e a r c hc o n t e n to f e n t i r ed i s s e r t a t i o n ，a n dp r o p o s e d t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h er e l i a b i l i t yt e s ta n d a n a l y s i so f e l e c t r i c a lc o n n e c t o r s ，a n dt h e i i 浙江大学硕士学位论文 r e s e a r c hd i r e c t i o no f t h i sf o u n d m i o n p r o j e c t k e y ：e l e c t r i c a lc o n n e c t o r ，e n v i r o n m e n ts t r e s s e s ，p h y s i c so ff a i l u r e ，r e l i a b i l i t y s t a t i s t i c a lm o d e l i i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【本章提要】 本章简述了可靠性工程的基本概念，国内外可靠性研究的现状和发展方向，失效物理理 论的研究内容和特点，可靠性建模，以及航天电连接器可靠性研究的现状和存在的问题，并 简要介绍本文的主要研究内容。 1 1 引言 可靠性工程( r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g ) 是一门新兴的涉及面十分广泛的综合性 工程学科i lj 。它首先是从军用航空电子设备开始的，发展到今天，已经成为一门 比较完善的应用学科，并在不断地向其它领域渗透。我国可靠性工程起步于六十 年代，经过一条曲折的道路，八十年代得到较迅速的发展，进入九十年代以后， 世界科学技术和可靠性系统工程的迅速发展，海湾战争的启示，尽快改变装备可 靠性、维修性、保障性差的局面，以及提高装备现代化水平的强烈需求，是可靠 性系统工程发展极好的机遇。江泽民同志在1 9 9 1 年6 月的一次会议上指出 2 1 ：“发 展国防科技要立足于我们自己的力量，要把技术的先进性和可靠性有机地结合起 来，不可靠，在技术应用上就没有效益。”向我们提出了更为艰巨的任务。我们应 当加强军工、民用电子、机械、能源等领域之间的交流，倡导军民之间的协作， 共同促进我国可靠性工作的全面发展。 1 2 可靠性工程的发展历史与现状 可靠性问题的严重性是在第二次世界大战中反映出来的，从而引起有关国家 的军事工业生产和科学研究部门的重视，并作为重大的科学技术问题加以研究的。 可靠性研究在当今世界科技中是仅次于计算机和环境科学的门非常活跃的学 科，其发展经历了以下三个阶段【3 】。 第一阶段：调查研究阶段( 1 9 4 3 1 9 5 7 ) 二次大战中，由于高可靠电子管的需要，美国开展了高可靠电子管的研究， 并逐步向材料等方面扩展。朝鲜战争时期，美军针对军用设备极为严重的可靠性 问题，于1 9 5 0 年从三军、参谋长联席会议、军需局、学会团体等选拔专家组成电 子设备可靠性专门工作组( a dh o c g r o u p ) ，总结当时三军装备的可靠性问题并 浙江大学硕士学位论文 对可靠性规划提出建议。1 9 5 2 年该工作组改组为国防部电子设备可靠性顾问团1 4 j ( a g r e e ，a d v i s o r yg r o u p o n r e l i a b i l i t yo f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) ，任务为制订 从技术上和组织上能够提高电子设备和元件可靠性的方法和途径。1 9 5 7 年7 月 a g r e e 报告的发表被后人称之为电子产品可靠性工程发展的里程碑，该报告建议 设立电子设备及元件的可靠性指标；提出了在研制及生产过程中对电子产品的可 靠性指标进行试验、评定和鉴定的方法；提出了电子产品在生产、包装、贮存、 运输等方面要注意的问题及要求等等。 在此阶段中，主要是开展了以电子管为重点的电子元件现场数据收集与分析 的可靠性研究；在可靠性分析与评定中，引入了概率统计方法：研究以振动、冲 击为重点的环境试验及寿命试验方法；成立了专门的可靠性组织。a g r e e 报告是 第一阶段的总结。 第二阶段：标准化及统计试验阶段( 1 9 5 7 1 9 6 2 ) 美军方贯彻并组织落实a g r e e 报告，建立可靠性管理程序，以保证军用设备 的可靠性，并在1 9 5 8 年6 月成立了元件可靠性管理标准委员会( a d h o c g r o u p o n e l e c t r o n i cp a r t ss p e c i f i c a t i o nm a n a g e m e n tf o rr e l i a b i l i t y ) ，制定并公布各种电子元 件( 后增加器件) 的可靠性军用标准，严格控制生产过程的每一个关键环节，使 得按军标生产的元器件可以保证达到一定的可靠性水平。 建立“失效数据中心”及三军数据交换网1 5j ( i d e p ，i n t e r a g e n c y d a t a e x c h a n g ep r o g r a m ) 。后来i d e p 扩大为政府与工业界数据交换网( g i d e p ， g o v e r n m e n ti n d u s t r yd a t a e x c h a n g ep o g r o m ) 负责统计并公布电子元( 器) 件的现 场失效率。美军规定三军的电子产品故障数据必须通过数据情报反馈网提供给数 据中心。 1 9 5 4 年在纽约召开了第一届国际质量控制及可靠性学术年会，以后每年均组 织一次可靠性国际年会，轮流在美国东海岸进行。1 9 6 2 年在美国召开了第一届国 际可靠性及维修性学术会议，我国第一次可靠性学术会议是1 9 7 8 年在钱学森的指 导下召开，并且于1 9 8 0 年1 2 月1 9 日成立了电子产品可靠性数据交换网，围绕可 靠性的学术活动亦积极开展。 此阶段主要工作是：制订可靠性管理标准，特别是电子元件可靠性军标；研 制环境与可靠性试验设备( 例如a g r e e 试验箱等) ，研究产品寿命的抽样试验方 法和可靠性设计技术，建立可靠性数据收集与交换网。在此阶段末尾，可靠性研 究已逐渐扩展到维修性领域，维修性工程已有从可靠性工程中分离出来的趋势。 第三阶段：全面质量及可靠性管理阶段( 1 9 6 1 以后) 浙江大学硕士学位论文 2 0 世纪6 0 年代起，对产品的可靠性要求愈来愈高。把产品可靠性作为产品 的一项重要设计指标，分配给产品的各组成部分，根据所分配的可靠性指标进行 分析、预计、设计、试验、评定和验证，把可靠性“设计到”产品中去，但单靠 设计还不能保证产品的可靠性，“产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管 理出来的。” 1 9 6 1 年，美国通用电气公司的a v f e i g e n b a u m 提出了“全面质量管理” ( t q c ，t o t a lq u m i t yc o n t r 0 1 ) 的概念：可靠性是质量的一个重要组成部分，应 把t q c 的思想贯穿到可靠性工程中去。生产部门为了要保证设计的可靠性指标得 以实现，应在元器件、原材料、外购件、工艺、环境、人员培训、检验、生产质 量控制等各个方面采取相应的可靠性措施加以保证。在产品投放市场后，还要有 一整套的使用培训、维护、修理、备件供应等工作相配合，才能保证产品在使用 中的可靠性。因此从产品的立项、开发、生产到使用服务的全过程的各个阶段， 都要贯彻以可靠性为中心的质量管理，这是第一个“全面”。由于现代技术装备 的复杂性，任何一个部门的一项小环节都有可能导致重大的不可靠事故，例如美 国航天飞机挑战者号由于后侧助推火箭密封圈的不可靠导致失事。因此产品的高 质量、高可靠性要求企业的各部门、研究室、试验室、车间以至物资供应及后勤 部门、政治部门及协作单位的共同努力做到，这是第二个“全面”。只有从企业 的最高领导到最基层的工作人员都真正认识到产品质量特别是产品可靠性的重要 性，上下- - , b ，才能真正有效地提高产品质量及可靠性，这是第三个“全面”。 科学技术的发展使得企业必须建立一个质量及可靠性管理体系，实施全面的 质量及可靠性管理( t q r c ，t o t a lq u a l i t y a n d r e l i a b i l i t yc o n t r 0 1 ) ，因此在国家及 国际范围内成立了有关的质量可靠性保证组织。 1 9 6 5 年国际电工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o m e c h a n i c a lc o m m i s s i o n ) 成立了t c5 6 ( 可靠性委员会) ，制订了一系列国际标准。 从7 0 年代末起，原电子部四所组织专家参照i e c 可靠性标准制订国标，引 入了先进电子产品的一系列可靠性标准，对促进我国可靠性工作起了积极作用。 1 9 7 1 年i e c 建立了各国相互承认的电子元器件认证机构及制度。1 9 8 2 年起 进行i e c 电子元器件质量认证( i e c q ) ，中国电子元器件质量认证委员会在i e c q 中代表中国。 i s o ( 国际标准化组织) 发布的一系列质量管理标准， i s o9 0 0 0 系列，有 一套认证制度。1 9 9 3 年发布的i s o9 0 0 0 4 i e c3 0 0 1 质量管理和质量保证标准 第4 部分可信性大纲管理指南及i s o9 0 0 0 3 质量管理和质量保证标准第3 部 分i s o9 0 0 1 在软件开发、供应和维护中的使用指南，已经明确把可靠性及软件 浙江大学硕士学位论文 质量管理列为i s o9 0 0 0 系列的不可分割的组成部分，也就是说i s o9 0 0 0 的认证 理所当然地应包括可靠性及质量管理。 此阶段的可靠性工程在组织管理上取得了巨大的进步。另一方面，在技术上 由于不能只依靠现场数据来分析或评定产品的可靠性，因此需要探索元器件等的 内在本质缺陷，研究故障产生的物理或化学机理及其规律。在某些情况下，需要 深入到分子或原子的水平，在此基础上进行分析和改进，这就是“故障物理”或 “可靠性物理学”。可靠性物理在这一阶段的发展( 包括如表面分析仪、扫描电 镜、核磁共振仪等的研制使用) 为电子元器件进而为电子设备和系统可靠性的提 高提供了有力的支持。 到7 0 年代后期美军已基本建立了完整的可靠性标准体系。我国可靠性国军 标委员会从8 0 年代中期起，将美军标转化为自己的国军标，并积极组织贯彻，对 促进我军装备的可靠性提高起了积极作用。但与国际先进水平相比，由于可靠性 工程研究与试验投资大、耗时长，因此，我国的可靠性研究从总体上讲还处于初 级阶段，尤其在可靠性工程的实际应用方面存在着很大的差距。要赶超世界先进 水平，尚需付出巨大的努力。 1 3 可靠性试验 可靠性试验与通常的鉴定试验、功能试验及环境试验不同，它是对产品的可 靠性进行调查、分析和评价的一种手段。可靠性试验是为了研究产品故障及其影 响效果，为了提高产品的可靠性或评价其可靠性而进行的各种试验的总称。其目 的为： 1 发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。 2 为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修费用及保障费用提供信 息。 3 获得可靠性指标，以便鉴定是否符合可靠性定量要求。 根据可靠性试验的目的、场所、所施加应力的性质及试验方法的不同可将可 靠性试验分为工程试验和统计试验两大类【。 一工程试验 工程试验的目的在于暴露产品的可靠性缺陷并采取纠正措旄加以排除( 或使 其出现率低于允许水平) 。这种试验由承制方进行，以研制样机为受试产品。在试 验过程中，如产品出现可靠性缺陷( 故障) ，一般及时撤换故障件，修复后继续进 行试验。对故障原因进行分析，采取有效的针对性措施予以纠正，提高系统的可 靠性。 4 浙江大学硕士学位论文 工程试验包括环境筛选试验和可靠性增长试验。 1 筛选试验是一种通过检验剔除不合格或有可能早期失效产品的方法，检验 包括在规定环境条件下的目视检查，实际尺寸测量和功能测量等。其中应力筛选 试验是将机械应力、电应力和热应力施加到产品上，以使元器件和工艺方面的潜 在缺陷以早期故障的形式析出的过程。 2 为暴露产品的可靠性薄弱环节，并证明改进措施能防止可靠性薄弱环节再 现( 或使其出现率低于允许水平) 而进行的一系列可靠性试验，称为可靠性增长 试验。 二统计试验 1 可靠性测定试验 可靠性测定试验是为了确定可靠性特性或其量值而进行的试验，这是用来测 定新研制产品的可靠性特征值的试验。可靠性测定试验一般是为产品提供可靠性 信息，如确定产品寿命分布类型及参数，确定产品的可靠性特征值，确定产品的 安全余量、环境适应性及耐久性等数据。 2 可靠性验证试验 可靠性验证试验是为了确定产品可靠性特征量是否达到所要求的水平而进行 的试验。分为可靠性鉴定试验与可靠性验收试验。可靠性鉴定试验是为确定产 品可靠性与设计要求可靠性的一致性，由定购方用有代表性的产品在规定条件下 所做的试验，并以此作为该产品定型的依据。可靠性验收试验是用已交付的产 品在规定条件下所做的试验，其目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求。 3 耐久性试验 产品的耐久性试验也是一种可靠性试验，是为测定产品在规定使用和维修条 件下的使用寿命而进行的试验。它既包括耐久性测定试验也包括耐久性验证试验。 有的耐久性试验结果可以作为产品的使用寿命估计值，但许多使用寿命很长的产 品往往等不及做完试验就因性能落后而被淘汰，因此很难在正常条件下做耐久性 试验，而采用加速寿命试验的办法，即在不改变产品故障模式和失效机理的条件 下，用加大应力的方法进行试验，可缩短试验时间。 进行加速寿命试验首先要判断试验是否具有加速性，这就需要对受试产品进 行失效模式与机理分析。加速性存在的先决条件是： 1 产品失效机理不改变对于威布尔分布来讲，其形状参数肌应保持不变； 对于对数正态分布来讲，其参数盯应保持不变。 2 存在有规律的加速过程保持失效机理不变虽然是实施加速寿命试验的 必要条件，但不是充分条件，因为在实际应用中，产品的寿命和失效率往往随试 浙江大学硕士学位论文 验条件而变化。只有存在有规律的加速过程，才可以进行加速寿命试验。 加速寿命试验还可以用于剔除有缺陷的产品和材料的筛选，确定产品的安全 余量，产品的验收、鉴定、出厂分类挑选、维修验证等方面。目前有四种类型的 加速寿命试验。 i 恒定应力加速寿命试验在高于正常工作应力的几个应力水平下，将一定 数量的样品分成相应组数，每组固定一个应力水平进行试验，一直试验到每组试 图1 i 图1 2 样有一定数量的样品失效为止，然后根据失效数进行统计，其应力s 与时间t 的关 系如图1 1 所示。 2 步进应力加速寿命试验将一定数量的样品分成几组，每组固定一个时间 间隔逐级增加应力水平，直到有一定数量的样品失效为止。其应力s 与时间t 的关 系如图1 2 所示。 3 序进应力加速寿命试验将样品分成几组，每组试验应力按不同的速率线 性增加，直到有一定数量的样品失效为止。其应力s 与时间t 的关系如图i 3 所示。 4 变应力加速寿命试验1 6 j将定数量的试件在任意变动的应力载荷下进 行加速寿命试验。 上述四种加速寿命试验中，以恒定应力加速寿命试验较为成熟，它的精度也 高一些，其代价是需要较大的试验样本和较长的试验时间。但由于其试验方法简 单，对试验设备要求不高；理论较为成熟，试验容易取得成功；试验得到的信息 最多，试验结果较为精确，因而被称为“标准加速寿命试验”，在可靠性研究中得 到了广泛的应用。步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验虽然可以有效 地减少试验时间，但在精度上较差，试验设备也较复杂。变应力加速寿命试验直接 采用实际应力一一时间载荷进行试验，并且可以利用其它试验的有效数据共同进 行参数评估，因此既可以减少试验样本量，也可以提高估计精度，是加速寿命试 验的方向。 6 浙江大学硕士学位论文 1 4 失效物理分析方法 失效( 可靠性) 物理的出发点，就是想在节省时间和费用的前提下找到某种 方法来保证元件的可靠性p j 。失效物理方法，不是单纯地把元件看作是具有某种 失效率的“黑盒”来处理，而是试图站在物理、化学的微观分子结构上来进行观 察，从根本上掌握工作条件、环境应力及时问对劣化或失效的影响，以便为系统 的可靠性设计、使用、维护以及为元件本身的改良、研制提供依据。 失效物理的研究活动，在1 9 5 9 年前后开展德很活跃。如1 9 5 9 年，美国通用 电气公司的r e h a v i l a n d 发表了名为“失效物理基础”的论文1 8 】1 9 j ；到了1 9 6 2 年， 美国航空公司的d r e a r l e s 和m ，e e d d i n s 总结了失效物理的最基本方法，编写了 “可靠性物理”、“失效判据”、“失效应力”、“失效机理”、“失效模式”和“失效 率”六本书，为失效物理奠定了理论基础。但是，还应特别指出，罗姆航空研制 中心在推动失效物理的发展上起到了核心的作用，它早在5 0 年代末至1 9 6 2 年便 制定出罗姆航空研制中心的失效物理研究计划，并与九家企业签订合同以共同推 进这项综合的研究工作。 失效物理分析方法的作用： 1 可以探测出元件非表面的、真正内在的失效原因，从而可以从根本上剔 除失效因素；应用失效分析方法，只需稍微变更一下基本设计即可达到改善元件 的目的，而不必象过去那样依靠尝试法来进行；不单是剔除失效因素，而且为检 验所采取的改进措施是否切实有效提供了追查的线索； 2 为试验( 加速寿命试验、筛选) 提供理论依据和实际分析手段； 3 在进行试验前即能为设计( 可靠性、维护性设计) 提供所需的数据资料： 4 不仅能提供失效机理，而且为各负责部门如技术( 设计) 部门、制造部 门、质量管理部门、维修服务部门在采取改进措旋时提供依据；把研究部门和生 产技术部门( 包括质量管理部门) 联结在一起，使两者互得利益；从长远来看， 采取有效的失效分析方法和对失效采取相应措施是一种节省成本费用的方法； 5 失效物理的发展也使前述数据中心所收集的数据发生了质的变化、从刚 开始单纯地收集失效数据，到后来则把诸如失效率与应力的关系、失效模式及其 比例、环境系数( 即系数k ，它表示环境对于失效率的影响) 等列为可靠性设计 的基础数据而加以收集和交换。 失效物理作为解决试验时间和样品数量问题的一种核心技术已受到人们的广 泛重视。失效物理分析并非仅限于分析像元件、材料一类的比较单纯的对象，它 对于设备、系统的研制和设计同样是非常必要的。比如英国“彗星”飞机的故障 分析工作，就是进行系统分析的一个例子。就可靠性和安全性的出发点而言，它 浙江大学硕士学位论文 不是单纯地在事故发生后才采取的一种善后处理方法，而必须在故障发生之前就 及时地采取防范措旅，减少事故的发生。失效分析方法作为保证科学的基础技术， 目前正在被广泛应用于电器、电子、机械、化学等工业领域。 失效物理研究方法大抵包含以下五个方面的内容： 1 零部件材料发生失效的场所和发生失效的阶段( 外部诱因) ，包括： 材料、处理、工艺、设计、制造、试验、贮存、操作、使用和维护； 2 应力、时间、机理、模式( 内部发生的微观结构) ； 3 观测试验参数、失效时间，包括物理和化学观测； 4 通过统计分析和物理分析，使失效物理模型化、失效机理明朗化( 结 合1 ，2 ，3 项进行) ： 5 把第4 项的结果系统地反馈到第1 项的各个阶段中去。 1 5 电连接器可靠性研究的现状和存在的问题 电连接器( 以下简称连接器) 被广泛应用于各种电气线路中，起着连接或断 开电路的作用。连接器有不同的分类方法。按照频率分，有高频连接器和低频连 接器；按照外形分有圆形连接器、矩形连接器；按照用途分，有印制板用连接器、 机柜用连接器、音响设备用连接器、电源连接器、特殊用途连接器等等。电连接 器作为一种基础元件，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，在航天、电子、通信等行业中应用范围大，数量可观，地位重要。 电连接器要求在各种恶劣的环境、各种苛刻的条件下可靠地沟通电路、传递 信息、实现特定的功能，其可靠性直接影响到火箭和导弹等工程系统能否可靠地 工作，由于电连接器的失效而导致系统故障的事例时有发生。随着系统中其它电 子元器件可靠性水平的不断提高，电连接器的可靠性水平已对系统的可靠性起到 了决定性的作用。 由于可靠性试验是评价和提高产品可靠性的重要环节，因此，国外一些发达 国家对电连接器的可靠性试验及分析的工作十分重视。美国【1 5 j 早在2 0 世纪6 0 年 代就根据a g r e e 报告提出的可靠性工作的要求，提出了一部分有可靠性指标的 圆形电连接器军用规范，并以平均无故障工作周期m c b f ( m e a nc y c l eb e t w e e n f a i l u r e ) 来表示电连接器的可靠性水平。到了2 0 世纪7 0 年代，则制定了更为完善 的“电连接器可靠性试验方法”m i l - s t d - 1 3 4 4 a ，按电连接器的实际使用环境分 别进行各种可靠性模拟寿命试验。进入2 0 世纪8 0 年代，美国生产电连接器的几 个大公司除了做一些必要的试验外 1 7 j i ”j ，己不再进行大规模的可靠性试验，其可 靠性是由质保体系来保证，现场收集数据资料来确定的，例如，经过修正的 浙江大学硕士学位论文 m i l h d b k 一2 1 7 b 中规定的电连接器失效率模型和定量估计方法，就是m a r t i n m a r i e t t a 航空公司根据与罗姆航空研制中一5 , ( r a d c ) 的合同，从1 9 7 5 年开始通过 5 0 多个工业途径对5 6 1 个电子设备制造商和使用者进行5 个方面问题的调查研究 基础上于1 9 7 7 年分析整理出来的结果0 7 j 。在电连接器的可靠性分析方面，虽然 电连接器与其他电子元器件( 例如集成电路) 相比，其失效模式不仅取决于电气性 能，而且在很大程度上取决于其机械性能，往往呈多重分布的统计规律，其失效 率是非恒定的，但是从计算的简单和方便考虑，一般都是规定其寿命服从指数分 布，从而通过建立恒定失效率可靠性数学模型对试验数据进行统计分析，得出电 连接器的可靠性。 日本也在2 0 世纪6 0 年代开始研究电连接器的可靠性问题，进行过不少可靠 性试验，并用寿命和失效率来表示电连接器的可靠性水平 1 5 j 1 9 1 - 1 2 2 】。与此同时，前 苏联、法国和德国等国家也同时于2 0 世纪6 0 年代开始了电连接器的可靠性试验 和分析的研究，其中，德国把电连接器按使用要求，分为军用、工业用及专 用和消费类设备用三个档次迸行各种可靠性试验。 经过近2 0 年不断试验与改进，到2 0 世纪年代初发达国家的电连接器可靠 性水平得到了很大的提高，对于低频电连接器来讲，若设计合理、生产稳定，并 不考虑随机因素的影响，那么，在相当长的时间内其基本失效率是很低的，约为 1 0 4 小时 2 4 1 。在美国就连低档的电连接器，其基本失效率以在工作温度为4 5 4 。c 时也仅为1 1 2 1 0 “小时 2 5j 。然而，由于系统中其他电子元器件可靠性水平的不 断提高，而且相对于其他电子元器件来讲，电连接器的失效视理眈较复杂，以及 机械故障因素的突出，其寿命并非服从指数分布，因此，电连接器仍是导致系统 失效的主要元件之一。据统计，目前各种系统的失效或故障现象的7 0 是由元器 件的失效引起的，在这其中又有4 0 是由于电连接器的失效丽产生的，电连接器 已与电机、开关和继电器一起被列为公认的四种可靠性较差的元件之一 2 6 1 - 2 “。因 此，为了追求性能更高，工作更可靠的电连接器，美、德等发达国家正进一步致 力于电连接器失效物理的研究工作，寻求与实际更相符合的可靠性数学模型和可 靠性分析方法 2 3 j 1 2 9 j 3 0 j 。 我国的电连接器可靠性研究起步并不算晚，从2 0 世纪7 0 年代开始生产厂家 就进行电连接器的可靠性试验研究。虽经近3 0 年的努力，电连接器的可靠性水平 得到了较大的提高，例如用于航天、军事等领域的高可靠性电子设备的个别产品 其可靠性由亚5 级提高到6 级，但是由于所进行的试验多为因失效分析而需的摸 底试验，没有在失效机理和试验方法等基础方面进行系统而深入的研究，而且研 究工作组织分散，行业部门之间缺乏交流和分工合作，数据积累困难，再加上经 费投入不足和可靠性观念的淡薄，因此，与世界先进水平相比，始终存在着较大 9 浙江大学硕士学位论文 的差距，即使是用于航天等尖端领域的电连接器也是如此。具体表现为口7j ：目 前电连接器标准规定的例行试验( 即环境模拟试验) 是单项极限试验，和实际使用 环境不一致。例行试验中电连接器的寿命是以插拔次数来表征的，没有考虑到电 连接器在长期环境条件作用下性能的退化。总之，还缺乏一种模拟使用环境的电 连接器可靠性试验的方法和数理统计分析方法。由于例行试验并不反映产品的 可靠性等级，虽然已开展了一些电连接器的可靠性试验工作，但至今仍缺乏甚至 没有具有可靠性指标的性能先进的电连接器。 在电连接器的可靠性研究中，环境应力是影响电连接器寿命至关重要的影响 因素 3 1 】，并经调研和试验分析 3 2 j 表明，其中温度和振动应力则是影响电连接器寿 命最主要的两个因素，例如，我国最近几次航天发射的失败就是由于环境振动引 起机电元件接触失效而造成的，但在对环境应力和电连接器寿命之间关系的研究 中，虽然文献 3 2j 进行了电连接器在温度应力下的加速寿命试验，给出了电连接器 在温度应力下的可靠性指标，文献 3 2 】【6 7 j 进行了电连接器在振动应力作用下加速寿 命试验。对可靠性建模和数据统计方法进行了研究，但是没有考虑综合应力的影 响，实验环境和电连接器的实际使用环境并不一致；而在振动应力与温度等其他 应力综合作用下的电连接器可靠性研究中，除了用于可靠性环境筛选试验外，如 s i l v e r m a n m i k e l 3 3 j 将温度与振动作为加速因子用于印刷电路板的可靠性筛选，迄今 为止，在国内外未见有关在温度和振动应力综合作用下进行加速寿命试验的文献， 所以有必要开展电连接器在温度、振动应力作用下的可靠性研究，并逐步进行多 个应力综合作用下的可靠性研究。 1 6 本文的研究内容 综上所述，要提高我国电连接器的可靠性水平，必须从基础工作做起，模拟 实际使用环境的条件，通过对电连接器进行可靠性寿命试验以评定现有产品的可 靠性指标。为此，本文以y 1 l x 系列圆形电连接器为研究对象，在多方调研的基础 上，详细分析了电连接器在温度和振动应力综合作用下的失效模式和机理，推导 了失效物理方程和可靠性分布模型。本文的主要研究内容如下。 1 分析电连接器的失效模式，说明电接触失效是电连接器的主要失效模 式，并对电连接器进行故障树分析，确定在正常的工作条件下，造成电连接器电 接触失效的主要影响因素，为进一步失效机理分析奠定基础。 2 在分别对电连接器在温度、振动应力作用下的失效机理进行分析的基 础上，确定了在温度和振动应力综合作用下的失效机理，并结合微动图理论对电 连接器的微动过程进行了分析。 1 0 浙江大学硕士学位论文 3 在对电连接器进行失效机理分析的基础上，针对电连接器接触对表面 氧化膜层对接触电阻的影响，建立接触电阻模型；若分别推导出了温度、振动应 力单独作用和综合作用下的失效物理方程，结合概率统计理论，确定了电连接器 的寿命分布类型。 4 对全文进行总结，提出改进意见和下一步工作方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章航天电连接器失效模式分析 【本章提要】 本章简述了航天电连接器的主要失效模式，分析了它们产生的原因，并进行故障树分析，指 出电接触失效是航天电连接器失效的主要模式，而环境温度和振动应力是影响电连接器接触寿命 的主要因素，为电连接器失效机理分析和数学建模奠定了基础。 2 1 引言 “失效物理分析方法”是“物理学+ 工程学”的基础性学科1 3 ，近年得到蓬勃发 展且被广为应用的物理学的一个分支。它的主要内容是从原子和分子的角度来解释元 件、材料的失效现象，以便为元件、材料的改良、评价、分类、使用以及装备、系统 的设计、维护、修理等提供依据。失效物理分析首先通过观测失效模式、特征值的变 化以及失效发生的时间，进而观测失效的诱因工作应力、环境应力和时间，从中 找出失效发生的真实过程，即失效机理，一旦明了原因，就能够为排除失效而制定相 应对策。所以首先必须收集有关失效模式的发生原因、环境应力等等这些与失效有关 的基本数据资料，不但要看失效零件本身，还得综合考虑使用该零部件的系统的结构、 使用及维护的条件，然后才能进行正确的机理分析。本章详细分析了电连接器的失效 模式，为下一章失效分析和建模奠定了基础。 2 2 航天电连接器失效模式 电连接器( 如图2 1 所示) 作为一种基础元 器件，用于实现电信号的传递和控制以及电子与 电气设备之间的连接，在航空、航天、通信等行 业中应用范围大，数量可观，地位重要。由于元 器件失效而引起系统的失效在系统失效总数中 约占6 0 ，元器件中失效率较高的依次为电机、 开关、继电器和电连接器【2 6 】一【2 8 】。 电连接器的失效概括起来有接触、绝缘、机 械联接和其他失效四种模式，下面详细分析电连 接器的四种失效模式和它们产生的原因。 图2 1 电器结构示意图 浙江大学硕士学位论文 2 2 1 接触失效 一电连接器的电传导特性 电连接器是依靠接触件的界面相互接触来实现电传导的。总电阻包括两部分：体 电阻和表面接触电阻。体电阻凡是接触体基底材料的电阻；表面接触电阻r ，由收缩 电阻砰和膜层电阻r ，组成。由于基体电阻在工作和贮存条件下变化不大，引起电连 接器失效主要因素就是表面接触电阻的变化，因此，下面重点研究表面接触电阻的特 性。 从微观物理观点来看，任何外观光滑的固体表面都是粗糙的、凹凸不平的，因 此接触件的接触界面不是面接触，而是一些点的接触，其实际接触面积大大小于视在 接触面积，一般不到实际接触面积的1 【3 4 】。此外，由于金属表面一般都覆盖着不导 电的氧化膜和其它种类的膜层( 如有机气体吸附膜或尘埃等形成的沉积膜) ，如图2 2 示，因而在实际接触面内，只有少部分界面膜被压破或电压击穿的地方才能形成金属 金甩 图2 2 接触部断面放大图 与金属的直接接触或准金属接触，而大部份是通过接触界面的膜层而相互接触的，电 流实际上只能从这些称之为“导电斑点”的金属或准金属接触点通过。由此可见，当 电流通过两接触件的界面时，电流将集 中流过那些极小的导电斑点，因而在导 电斑点附近电流线必然发生收缩( 图 2 3 ) 。由于电流线在导电斑点附近发生 收缩，使电流流过的路径增长，有效导 电面积减少，因而出现局部的附加电 阻，称为“收缩电阻”或者称为“集中 电阻”，用r ，表示。如果电流流过的导 电斑点不是纯金属接触，而是含有薄膜 的准金属接触，则电子由量子力学的 图2 3 导电斑点附近电流线发生收缩效应 “隧道效应”通过薄膜时还会遇到另一种附加电阻，称为“膜层电阻”用r ，表示。 1 3 浙江大学硕士学位论文 这两部分电阻在电路上是串联相加的，其总和称为表面接触电阻r ，即 r l = r 。七r f 作为评价电连接器的主要参数，接触电阻在某种程度上可以集中反映电连接器接 触状态的变化及对实际使用的影响，它主要受到材料、结构、工艺、接触压力、表面 膜等因素的影响，一旦电连接器出现接触失效便可追踪到这些因素来追查失效原因。 二电连接器失效原因 分析电连接器失效情况，结合电接触理论，可以得出引起电接触失效的原因如下： 1 接触压力不足。电连接器的电接触是由接触对来实现的，接触对又是由插孔 和插针组成的，插孔是弹性零件，其质量的优劣对接触是否良好起着决定性的作用。 当插针插入插孔时，插孔产生弹性变形，对插针产生接触压力，接触压力的大小及其 稳定性，对电接触产生直接影响。接触压力不稳定或减小，会引起电接触不稳定，甚 至在一定机