电子连接器可靠性及其测试方法ppt课件.ppt

1 电子连接器可靠性及其測試方法 TycoElectronicsAMPGuandongMichellepeng15 Dec 2003 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2 20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2R 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DIPSocket 例如PGA PinGridArray 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 ParallelStacked 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 CardEdge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UltraATACable AMP Latch CT CommonTermination Cable EI MTEICable 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 IEEE1394系列 MODJK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 IEEE1394 IEEE802 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 USBCable MODJKCABLE 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3V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 EnvironmentalTest Thermal Humid 環境试验 耐熱 湿度 Heat Temp cycling Cold Humidity 耐熱 温度循环測試 Shower Solderingheatresistance 耐湿 喷淋 焊錫耐熱測試EnvironmentalTest Corrosion Others 環境试验 腐蚀 其它 SO2gas H2Sgas Saltspray SO2气体 H2S气体 Weather Dust盐霧 耐气候性 耐灰塵ElectricalTest電气測試 Currentcycling Currentaging 電流循环 電流老化 Rushcurrent 過度電流測試MechanicalTest機械測試 Vibration Shock Durability 振動 衝击 耐久性 Frettingcorrosion摩擦腐蚀测試ChemicalTest化学金属测试 Solvent Flammability Oil 抗溶剂性 耐火性 耐油性 Stresscorrosioncracking 应力腐蝕开裂MixedTest混合測試 Vibration Humidity 振動 耐湿 24 四 连接器可靠性要求的测试 ElectricalParameter電气特性 Low levelTerminationresistance 微欧姆的连接電阻 Voltagedrop Insulationresistance 絶缘電阻 耐压 洩漏電流 Dielectricwithstandingvoltage 压降 振荡 瞬間断電 Leakcurrent Chattering Electricaldiscontinuity MechanicalParameter機械方面的特性 Mate Unmateforce RetentionForce 插入 拔出力 保持力 Lockingstrength Stress Straincurve 锁紧強度 应力 应变曲線 Torque 扭力HighFrequency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 Platingthickness 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 TerminationResistance接触阻抗TestMethod測定方法 2ProbeMethod二端点法 IncludeallresistancefromAtoBProbeanditscontactresistance R Suitableforhighresistanceas1k 2k 4ProbeMethod四端点法 MeasureonlyR betweenCandD Notincludeprobeanditscontactresistance Suitableforlowresistanceasm level 四 连接器可靠性测试方法 Tyco109 6EIA364 23A IEC60512 2 1 26 LowLevelTerminationResistance低的接触电阻 DryCircuit ApplyingverylowvoltageandcurrentthoseaffectnooxidizedfilmbreakageatContactpoint Rt Rb Rc RfTotalResistanceBulkResistanceConstrictionResistanceFilmResistance总電阻体電阻集中電阻膜层電阻ContactResistance接触電阻 Over50mVvoltageisrequiredtobreakthrough50 oxidizedfilmthickness Drycircuit 50mV 50mAmaximum 根据AMP的理論為50mV以下 但IEC標準為20mV以下 Lowlevelterminationresistance Measuredby4ProbeMethodinDrycircuit 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 InsulationResistance絶缘電阻 Resistancetoleakcurrentatappliedspecifieddirectvoltage 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 minimumat500VDC 1minute Checkinsulationperformancebytheeffectofstain deteriorationandoxidizing 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 Mainlyaffectedbytemperature humidity andresidualelectriccharge 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 Tyco109 28EIA364 21C IEC60512 3 1 28 DielectricWithStandingVoltage耐压 Applyspecifiedvoltagebetweencontacts 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 Noflashover 1mAMax leakcurrent at500VAC 1minute Checkworkinsafeatratedvoltage passingovervoltageandspacingofcomponents 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 Mainlyaffectedbytemperature humidity atmosphericpressure featureandsoon 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 Tyco109 29EIA364 20B IEC60512 4 1 29 Vibration振動 Addvibrationofspecifiedfrequency accelerationorvibrationwidth directionandperiod 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 Lowfrequency 10 55Hz Normallytransportation vehicleandtrain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 Highfrequency 10 500 10 2000Hz Airvehicle 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 Checkphysical electricaleffectbyvibrationaselectricaldiscontinuity 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 Mainlyaffectedasloosenessofcomponents electricalnoisebyterminationresistancemutation fatigueofmechanicandbreakdown 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 Tyco109 21EIA364 28D IEC60512 6 4 30 Discontinuity瞬間断電 ConceptofDiscontinuity 500mV 5 100mA 瞬間断電的时间间隔 四 连接器可靠性测试方法 Tyco109 31EIA364 46A IEC60512 2 5 31 Discontinuity瞬間断電 四 连接器可靠性测试方法 Tyco109 31EIA364 46A IEC60512 2 5 固定电阻 恒流源 电压侦测 试样 标准 电阻 10ohms 持续时间 1microsecond 则fail 32 PhysicalShock物理冲击 Addspecifiedacceleration duration wave directionandtimes 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 490m s2 50G Halfsignwave 11msec X Y Z normalandreverseddirection 3timeseach Checkadaptabilitywhentheconnectorappliedroughhandlingandtransportationandmilitaryuse 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 Mainlyaffectedasloosenessofcomponents electricalnoisebyterminationresistancemutation mechanicalfatigue breakdownandelectricdiscontinuity 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 Tyco109 26EIA364 27B IEC60512 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 PurposeofAuplatingCorrosionprotectivecovering Decreaseterminationresistance Heatresistance Ornamentandsoon 防止腐蝕 減小電阻 耐熱及装飾等目的 PurposeofNiunderplatingProtectdiffusionsulfideofcontactmaterial Cu Ag comethroughgoldplatingporous Protectdiffusionofcontactmaterial Cu Zn toAu CuandZnareeasytodiffusetoAuandmakeoxidizedCuandZn 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 PorousofGoldplating 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 Tyco109 143 35 Solderability可焊接性 為測定端子的焊接性和連接器的焊接性 Checkbymicroscope 10times 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 MethodSolder 60 Sn 40 Pb焊錫 60 錫 40 鉛Flux Alpha100Flux ALPHA100 AquaticwhiteRosin 25 IPO 75 Soldertemp 235 5 温度 235 5 Duration 5sec 持续时间 5秒 四 连接器可靠性测试方法 Tyco109 11 36 StressCorrosionCracking应力腐蝕破裂 Copperalloy especiallyBrassisoccurredStressCorrosionCrackinginAmmonia 氨 atmosphere MethodExposematedcontact connector intheatmosphereofAmmoniagason28 Ammoniawater40minutes StressCorrosionCrackcertainlyoccurredtoBrasswhichhastensilestressinhumidair 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 SaltSpray盐霧试验 Method Spray5 densitysaltwateronconnector 将5 的盐水以噴霧器噴淋至连接器中 Purpose Checkqualityofplatingthicknessandporosity 為电鍍质量 特別是厚度及多孔性的評估 Method Exposespecimeninchamberwhichset40 temp 将試样在40 或60 90 95 and90 95 humidityforspecifiedduration 的恒温恒湿槽中 放置規定的所要実験時間 Purpose Checkdeteriorationofmaterialsbymoistureabsorption 判断絶縁材料的吸湿度 Thematerialwhichiseasytoabsorbmoistureiseasytogetphysical mechanicalandelectricaldeterioration MainlyaffecttoInsulationresistanceandterminationresistance 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 Tyco109 5101 38 Humidity Constant 湿度 常態下 Method Exposespecimeninchamberwhichset40 temp 将試样在40 或60 90 95 and90 95 humidityforspecifiedduration 的恒温恒湿槽中 放置規定的所要実験時間 Purpose Checkdeteriorationofmaterialsbymoistureabsorption 判断絶縁材料的吸湿度 Thematerialwhichiseasytoabsorbmoistureiseasytogetphysical mechanicalandelectricaldeterioration MainlyaffecttoInsulationresistanceandterminationresistance HSG的絶縁度劣化 因端子的腐蝕而造成電阻変大 Method Exposespecimeninchamberwhichset40 temp and90 95 humidityforspecifiedduration 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 Checkdeteriorationofmaterialsbymoistureabsorption 判断絶缘材料因吸湿而引起的劣化 Thematerialwhichiseasytoabsorbmoistureiseasytogetphysical mechanicalandelectricaldeterioration MainlyaffecttoInsulationresistanceandterminationresistance 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 Tyco109 5106 Moistureabsorption 39 HumidityandTemperatureCycling湿度和温度周期 Method Exposespecimen10cyclesinchamberwhichissetasfollow 样品置于恒温恒湿箱中 按如下的设定循环十次 RoomTemp 65 90 95 R T 65 90 95 10 cyclePurpose Evaluatedeteriorationofconnectorinhightemp andhighhumidityatmosphereasthetropics 験证在熱的環境的高温高湿情況下 是否不至于劣化 Mainlyaffecttocorrosionofcontact hous