航天电连接器的可靠性分析

　　电连接器及其组件是航天系统工程重要的配套接口元件，散布在各个系统和部位，负责着信号和能量的传输。其连接好坏，直接关系到整个系统的安全可靠运行。由电连接器互连组成各种电路，从高频到低频、从圆形到矩形、从通过上百安培的大电流连接器到通过微弱信号的高密度连接器、从普通印制板连接器到快速分离脱落等特种连接器，几乎所有类型品种的电连接器在航天系统工程中都得到了大量应用。
    例如某型号地面设备就使用了各种电连接器400套。任何一个电连接器接点失灵，都将导致航天器的发射和飞行失败。战术导弹弹体内的导引头、战斗机、发动机、自动驾驶仪等关键部件，都是通过由电连接器为基础器件，使成百上千个接点的电缆网组成一个完整的武器互连系统，一个接点出现故障，即会导致整个武器系统的失效。
    一、航天电连接器的可靠性分析
    电连接器的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性两方面。图1列出了影响电连接器可靠性的主要因素。

    1．固有可靠性
    电连接器的固有可靠性一般是指电连接器制造完成时所具有的可靠性，它取决于电连接器的设计、工艺、制造、管理和原材料性能等诸多因素。电连接器制作完成后，其失效模式和失效机理已固定，因此只有在可靠性设计的基础上，保证生产线上严格采取可靠性技术措施（如生产工艺的严格控制、生产环境条件的控制、各工序过程中的质量检测等），才能保证电连接器的固有可靠性。
    (1)设计可靠性
    ①合理选材
    选材是保证电连接器电性能和可靠性的重要前提，电连接器所用材料决定了工作温度上限，而起决定作用的是绝缘材料、环境密封电连接器所用的密封材料、胶粘材料、壳体和接触件所用材料等。材料选用涉及连接器的力学、电气、环境等性能要求和材料本身的理化性能等。其中材料热学性能（耐热温度、热导率、高温强度及热变形等）是设计必须考虑的主要因素。电连接器绝缘体选用不同的绝缘材料，其绝缘耐压等电气性能也有明显差异。电连接器壳体和接触件选用时，除考虑导电、导热和结构刚度外，还应考虑相互配合和接触材料的电化学相容性和硬度匹配性。
    ②结构型式
    结构型式是决定产品可靠性的重要因素，合理的结构型式既避免了误插，又提高了结构的稳定性。
    (2)工艺可靠性
    壳体的加工工艺、绝缘体的注塑和胶接工艺、接触件的成型和镀金工艺、电连接器总装工艺和与线缆的端接工艺等，对产品固有可靠性至关重要。
    镀金接触件用手工滚镀，往往导致个别插孔内壁局部没有膜层，呈氧化色，而引进超声波镀金生产线，并用仪器严格监控镀金层厚度，使内壁形成均匀膜层，提高了接触可靠性。
    (3)检验可靠性
    电连接器在各关键工序加强检验，通过严格的工艺筛选，剔除失效产品。交收试验时，除检查常规电性能指标外，还应百分之百进行外观质量检查，特别是多余物检查十分重要，除目视和借助放大镜外，必要时可用体视显微镜判定缺陷性质。在交收试验和二次补充筛选过程中，必须按标准规定的质量水平严格控制。当超过不合格率时，应对每批产品进行失效分析，查清失效原因，并采取有效的改进措施。
    2．使用可靠性
    电连接器在使用过程中会遇到电、热、机械和化学等应力的作用，如忽视了正确选型和贮存使用等情况，即使使用经二次补充筛选的产品，仍会出现失效。特别是随着近年来许多小型化、高密度、多功能等新型电连接器的不断出现，许多设计工艺人员还未正确掌握这些新型电连接器的使用方法，导致由于使用不当造成的失效案例在整个电连接器失效统计中占有较大比例。
    (1)选型可靠性
    应根据现场使用实际要求选择最适当的电连接器型号，主要考虑以下几点因素。
    ①电气参数：工作电压（取耐电压值的三分之一）、额定电流、内导体和外导体的接触电阻、特性阻抗、电压驻波比、屏蔽性能及抗干扰性能等。
    ②机械参数：振动冲击、碰撞机械寿命、单孔分离和总分离力等。
    ③环境参数：温度、湿度、振动、冲击、盐雾、灰尘、辐射、电磁干扰及密封性能（包括漏率、水压、淋雨）等。
    ④安全参数：接点间和接点与外壳间的绝缘电阻、耐电压、阻燃性、质量等。
    ⑤端接方式：焊接、压接、绕接、刺破连接、螺钉连接等。
    ⑥结构形式：接触件的可拆卸性、接触件的种类和结构形式等。
    ⑦连接、锁紧方式：卡口式、直插式式、螺纹连接式、中心螺纹杆式等。
    ⑧安装方式：面板式、电缆式、螺母式、穿墙式等。
    ⑨操作适宜性：操作空间大小、防误操作结构、连接到位指示等。
    ⑩尾部附件形式。
    ⑾外形尺寸。
    ⑿应根据在整机系统中的作用和地位，选择适宜的质量等级。
    ⒀界面型谱的选择。应根据实际使用的芯数，查取接触件额定电流下降Q值（见表1）。

表1 接触件额定电流下降Q值表

    根据接触件承载电流通过以下公式计算接触件额定电流
    单个接触件额定电流≥单个接触件承载电流／（1-Q）     (1)
    再根据计算出的接触件额定电流值查出接触件插配直径（见表2）。

表2 接触件插配直径表

    最后选择所需要的电连接器型谱。注意应使电缆线芯与接触件接线孔直径匹配，避免过粗的线芯损伤接触件端接处。
    (2)贮存可靠性
    贮存环境的温度、湿度、清洁度和腐蚀性气体都将影响电连接器的性能参数，特别是湿度对绝缘电阻尤为敏感。如H2S、SO2等气体，会使接触件镀层表面生成一层氧化物或硫化物绝缘膜，在潮湿环境中反应速度更快，生成更厚的绝缘膜，严重影响电连接器的接触可靠性。为此，对航天等高可靠电连接器的贮存环境条件要求十分严格。特别是经二次筛选的电连接器，必须十分重视贮存环境条件。根据QJ2227“航天用电子元器件贮存和超期复验要求”，电连接器的贮存环境条件分为三类，见表3。

表3 贮存环境条件分类表

    (3)安装可靠性
    安装人员应首先了解电连接器的技术特性，不得过负荷、过应力使用，应按操作使用方法正确连接和分离，避免烧坏或损伤电连接器。连接前检查是否存在多余物，是否有外壳锈蚀、针孔异样、锁紧机构不灵活等现象，避免尾罩受力松动和电缆线芯受力损伤。使用过程中应小自轻放，不能乱丢乱放，防止接触件受力弯曲和受污染。连接不具备防误操作电连接器前，必须认真核实电连接器型号和标识是否相对应，并应正确定位，防止反插或误插。电连接器长期分离时，应盖上防护罩，否则容易发生插针碰歪、变形或多余物掉人等问题。对电连接器进行性能测试时，应使用合格和新的插头（座）或模拟插针，不能用探针或铜棒插人插孔进行测量，否则会造成插孔松弛导致接触不良。为保证端接后电连接器的可靠性，应严格按规范选用型号规格适的连接导线和接线工具，掌握正确的焊接、压接、绕接等工艺。防止虚焊、虚压、端接脱落、断裂和污染等事故。特别是焊接后应及时清理焊瘤、残渣等。分解电连接器时必须按要求拆装和检查，应特别注意有无漏装、是否到位、接点序号是否准确、橡胶件有无绞结等。装配后应进行相应的试连接，以保证互换性。拆装时应妥善保管零件，防止松散失效。
    二、保证航天电连接器可靠性的措施
    1．选用列入国防科工委军用元器件管理中心公布的合格产品清单中的电连接器。
    2．选用列入航天系统工程“各型号电子元器件优选目录”中的电连接。
    3．合理选用质量等级。
    4．优先选用标准或通用型电连接器，慎用非标准或新型号电连接器。
    5．做好交收试验和二次补充筛选。
    6．重视电连接器的使用可靠性。
    三、航天电连接器的可靠性预计
    对国产电连接器的失效率可采用国军标GJB/Z299B-98“电子设备可靠性预计手册”进行预计，可根据下式求出。
        λp=λb×πE×πQ×πP×πK×πC
        式中： λp—工作失效率；
                      λb—基本失效率；
                      πE一环境系数；
                      πQ—质量系数；
                       πP—接触件系数；
                      πK—插拔系数；
                      πC—插孔结构系数。
    对进口电连接器的失效率可采用美军标MIL-HDBK-217E“电子设备可靠性预计”进行预计，可根据下式求出。
            λp=λb×πE×πP×N λcyc                (3)
    式中：N—工作插脚数，对于插拔率≤40次/1000h的电连接器，λcyc项可忽略不计。

    四、结论
    大量的统计数据表明，在航天产品的质量缺陷中，属于电连接器问题部分约占70%，剩下的30％才属于制造、装运等其它问题。航天产品的设计开发是航天产品质量的源头。因此，在航天产的设计工作中有效进行电连接器的可靠性分析工作，以提高航天产品的质量就显得尤为迫切。
    不断提高航天产品质量是装备部门、军工企业和各科研院所不可推卸的责任。开展航天电连接器的可靠性分析工作对识别并消除航天产品潜在的质量缺陷有着举足轻重的作用。事先很好地进行电连接器的可靠性分析工作，能够容易地对航天产品进行设计更改，从而减少或消除因设计带来更大损的机会。适时进行航天电连接器的可靠性分析工作，将极大地提高航天产品的质量。

参考文献：
[1]杨奋为．航天用电连接器的可靠性研究[J]．上海航天，1997，（1）．
[2]杨奋为．航天用电连接器的选用[J]．电子元件，2001，（2）．
[3]杨奋为．航天电连接器的可靠性分析与试验[J]．质量与可靠性，2005，（5）．
[4]国军标GJB/Z299B-98“电子设备可靠性预计手册”[K]．
[5]美军标MIL-HDBK-217E“电子设备可靠性预计”[K]．