电子连接器可靠性及其测试方法

1电子衔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“信任性〞，指在给定条件下、规定期间中，一个产品执行某种功能的能够性。开场开展于第二次世界大战期间，开展历程如下：1，真空管时代二战期间，美军作战的战斗机运用的通讯设备中半数以上无法运用，经过详细调查发现几乎都为真空管不良引起。但对真空管进展质量全面检查时，从进料、消费、出货整个过程都完全到达图面要求的规格水准。此时才发现产品还需求思索巩固耐用，并将其导入设计规范和图面中，开场以制造不易缺点的产品为目的。2，阿波罗方案将可靠性技术导入阿波罗方案中，使本来落后于前苏联的太空方案，因阿波罗登月胜利而后来居上、一举成名。3一、产品的可靠性3，1965年IEC(国际电气规范委员会)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，最胜利的例子是日本新干线。到目前为止，新干线已累积运转近10亿公里，足可环绕地球25,000圈以上，从未发生艰苦事故。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，性能或缺点的定义4二、产品质量与可靠性产品质量技术特性产品特性功能方面适用方面尺寸配合运用特性(性能)巩固耐用维修容易可靠性可维护性狭义质量广义可靠性Q、C、DQ:Quality;C:Cost;D:Delivery5三、电子衔接器的可靠性1，简介衔接器的可靠性思索如下几种要素：

A、产品设计和产品制造的资料

B、操作环境

C、功能要求

运用的环境，特别是温度、湿度、腐蚀性，决议了哪些本身的失效机理睬发生作用，而衔接器功能的要求，决议了怎样的失效程度是允许的。2，可靠性评价的程序衔接器可靠性评价程序包括如下内容：

A、决议运用的可接受的规范，包括端子电阻和其它的失效方式。按照运用的重要性确认发生作用的失效机理并分类。

B、开发测试程序处置预测的运用中的失效机理，陈列并分等级。

C、定下加速因子(规定X天暴露的A实验相当于Y年的B项运用)，如有能够，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置。

E、评价可靠性

以上的步骤依赖于工程上的判别。衔接器的制造商和用户应该对鉴定程序的内容和方法一致赞同认可。

6三、电子衔接器的可靠性3，衔接器的定义从功能上定义：

电子衔接器：在一个电子系统中的两个子系统之间提供一个可分别的衔接，而又不会对系统的性能产生不可接受的影响。

可分别性是我们要运用衔接器的理由，方便对一个系统的子系统或零件的维修、晋级。

同时，这种衔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。

可分别和不可接受的的限制的要求，决议于衔接器的详细运用要求。从构造上定义：衔接器有四个构造性的元素，它们是：

A、端子(间)的接触界面

B、端子的外表处置

C、端子的簧片

D、衔接器的壳体

请参考图1-1。

7三、电子衔接器的可靠性衔接器的构造端子(间)的接触界面端子的外表处置端子的簧片衔接器的壳体图18三、电子衔接器的可靠性A、端子(间)的接触界面端子间的接触界面决议了端子的电阻、衔接器的寿命(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方式：

可分别性接触------衔接器的每次插入时构成的联接

永久性接触------衔接器固定在子系统上的点，这些点是当作永久衔接的。B、端子的外表处置端子的外表处置有两个主要功能：

a、维护端子簧片的基材不生锈

b、优化端子间的接触界面

端子的外表处置主要分为两大类：

a、贵金属外表处置

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、非贵金属的外表处置

锡是最常用的非贵金属外表处置，由于它的外表氧化层很容易在衔接器插入过程

中被破坏掉。

9三、电子衔接器的可靠性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别的端子接触界面

c、提供永久性端子接触界面的衔接点D、衔接器壳体(HOUSING)衔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、为端子提供机械维护和支撑

d、将端子从运用环境中隔分开来，减少对腐蚀的敏感

10三、电子衔接器的可靠性4，衔接器的电阻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所示的衔接器，经过丈量两个PCB板的引线可以丈量衔接器的整体电阻。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，取决于弹簧片的资料、几何外形，其范围也普通为几至几十微欧。C、可分别式的接触电阻普通只需几个微欧或更低。

低的和稳定的电阻是衔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外表处置有关

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，松散地吸附在外表

污染物层

因此，R(膜层电阻)主要与其运用的环境有关

图3和4分别描画了集中电阻和膜层构造。

11三、电子衔接器的可靠性图2衔接器电阻组成表示图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、电子衔接器的可靠性图3接触电阻表示图集中区域接触点膜层13三、电子衔接器的可靠性图4典型的覆盖的膜层构造金属底层冷作硬化层氧化物层吸附物层污染物层14三、电子衔接器的可靠性5，衔接器的功能衔接器分为信号衔接器和电源衔接器这两种衔接器的功能要求是不同的。

15三、电子衔接器的可靠性6，衔接器的运用为了了解衔接器的运用AMP建立了六个等级来定义系统中不同的内部衔接，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衔接

主要由高速自动的方法制造

非常特别

通常不是可分别的和可修补的

装入到器件的封装中

必需极端可靠

例如各种芯片

等级2：芯片与PCB之间的衔接

通常必需能耐焊接的环境

相对来说，尺寸较小，通常不需求固定硬件

低的插拨次数要求

由专业人员效力

例如DIPSocket 例如PGA(PinGridArray,针阵列)370，mPGA478(Northwood)

16三、电子衔接器的可靠性6，衔接器的运用等级3：PCB之间的衔接，通常有三种，即垂直板衔接(mother/daughter,)，平行板衔接

(ParallelStacked,=)和同一平面内衔接(Planar,一一)。

插拨次数在几十至上百次。

针的数目比较多，有超越1000，属高密度衔接器。

由于高的针数目，插拨力比较重要，有导向作用的硬件和键。

高速的才干支持板的处置速度，微毫秒、悄然秒开关，可控制的阻抗开场变得重要。

要求可维修性。

在系统的层次，是专业人员效力，但用户直接运用的情况在增长，因此要思索巩固性。

例如：AGP、PCI、DIMM、CardEdge系列。

等级4：子系统之间的衔接，由于子系统之间能常都有一定的间隔，因此普通都经过Cable和

Harness完成。

特别的构造，便于电缆的运用。

插拨次数在几百次。

由于用户自行衔接，要巩固。

锁紧构造很平常，防止振动或其它器件的挪动而呵斥的脱离接触。

思索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、电子衔接器的可靠性6，衔接器的运用等级5：系统内部子系统与I/O接口之间的衔接

由于衔接器的一半是在系统的外面，规范化很重要。

同样的缘由，要巩固、易用。

思索屏蔽、过滤和干涉很重要。

其它的要求同等级4。

例如：USB系列、IEEE4系列、MODJK系列、D-Sub系列。

等级6：不同系统之间的衔接，包括电缆组件、电源线组件、射频同轴电缆组件及光纤保管等级4及5的要求

巩固变得很重要

插拨次数要求添加，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

规范化是一个主要的思索

工业规范如RS232、RS-449、SCSI-1、SCSI-2、IEEE4、IEEE802.3，

MIL-C-39012(与射频同轴接插件有关)，MIL-C-24308(与AMPLIMITE有关)，

V35(系统内衔接和网络工业有关)，905及906(与光纤衔接器有关)。

例如AMPLIMITE线缆、USBCable、MODJKCABLE，各种同轴CABLE。

18三、电子衔接器的可靠性图5电子封装的六个等级19三、电子衔接器的可靠性7，衔接器的可靠性A、定义在给定的运用条件下，规定的期间内，坚持规定的衔接器电阻范围的能够性。B、失效方式衔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、电子衔接器的可靠性8，衔接器的失效机理A、腐蚀腐蚀主要与端子接触界面和外表处置有关。腐蚀导致端子电阻添加的两个主要机理为：一系列的膜层构成于接触界面和腐蚀性的的物质浸透至接触界面而导致接触区域减少必需求思索的三个常见的腐蚀类型有：外表腐蚀指腐蚀膜层覆盖在端子外表，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外表而到接触区域。运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假设腐蚀迁移位置发生于一个小孔，一个小小的电镀外表的不延续的孔，这种腐蚀机理叫小孔腐蚀。小孔本身不影响接触电阻，而只需小孔变成腐蚀源头时，才会使接触电阻下降。

21三、电子衔接器的可靠性B、磨损由于磨损的作用，添加了接触界面对腐蚀的敏感性，经过对基材的外表处置，维护了基层和优化了膜层外表，而磨损会使外表处置的功能丧失。影响磨损的要素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为接触外表资料硬度。摩擦系数K，由几何外形、正向力、外表硬度、光滑情况和资料决议。正向力Fn，Fn添加，添加了粘结和相应的研磨的磨损，因此添加了磨损。滑入长度I，很明显，I添加，磨损会添加，因此要限制插入深度。外表处置硬度H，影响接触区域的面积，硬的和软的外表处置的搭配的对拼，软的磨损物质会转移至硬的外表，所以在衔接器中，通常衔接器对拼的两个部分的电镀资料是一样的。小结：磨损可以经过慎重地选择适宜的资料(外表硬度)控制正向力和运用光滑剂来降至最低。

22三、电子衔接器的可靠性C、端子正向力损失对于衔接器的失效，正向力的损失，会呵斥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，从而添加接触电阻。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呵斥梁偏移减少，因此正向力降低。是由插拔过程中的过应力，通常是由于不正确的或粗鲁的插拔引起的，要通壳体和/或端子的构造设计来处理，例如添加导向构造防过插入等。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。应力松驰是不可防止的，只能控制，应力松驰的速度与设计选择的资料和施加的应力及运用环境的温度有关。应力松驰依赖于时间和温度。

23四、衔接器可靠性要求的测试EnvironmentalTest(Thermal,Humid.)環境实验(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、衔接器可靠性要求的测试ElectricalParameter電气特性*Low-levelTerminationresistance.微欧姆的衔接電阻*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、坚持力*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、觉得*Visual.*Feeling.25TerminationResistance接触阻抗

TestMethod測定方法RAB二端点法四端点法mVRCDI2ProbeMethod二端点法*IncludeallresistancefromAtoBProbeanditscontactresistance,R.*Suitableforhighresistanceas1kΩ-2kΩ.4ProbeMethod四端点法*MeasureonlyR,betweenCandD.Notincludeprobeanditscontactresistance.*SuitableforlowresistanceasmΩlevel.四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-6EIA364-23A&IEC60512-2-126LowLevelTerminationResistance

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*Over50mVvoltageisrequiredtobreakthrough50Åoxidizedfilmthickness.*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、衔接器可靠性测试方法27InsulationResistance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１分鐘、並測定得到的電阻。＊＊MΩminimumat500VDC,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缘由而影響。*Mainlyaffectedbytemperature,humidity,andresidualelectriccharge.影響絶缘電阻的主要要素有：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、衔接器可靠性测试方法Tyco109-28EIA364-21C&IEC60512-3-128DielectricWithStandingVoltage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能否平安動作、過大電压時能否能接受、零件间的间隔*Mainlyaffectedbytemperature,humidity,atmosphericpressure,featureandsoon.影響耐压的主要要素有温度、湿度、大气压、電極的状態及外形、頻率、電磁波形、加压時的上昇率及继续時間、試品的外形、等〕

四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-29EIA364-20B&IEC60512-4-129Vibration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、方向和周期进展测试*Lowfrequency(10-55Hz):Normallytransportation,vehicleandtrain低頻率振動：為相当於普通的輸送工具、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能否发生。*Mainlyaffectedasloosenessofcomponents,electricalnoisebyterminationresistancemutation,fatigueofmechanicandbreakdown.因振動能够引起以下的影響：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、衔接器可靠性测试方法Tyco109-21EIA364-28D&IEC60512-6-430Discontinuity瞬間断電VoltageTimeBaseLevel(100mAxSampleResistance)TriggerLevel500mVDiscontinuityNondiscontinuityDiscontinuitytimeIntervalConceptofDiscontinuity500mV=5Ω100mA瞬間断電的时间间隔四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-31EIA364-46A&IEC60512-2-531Discontinuity瞬間断電四、衔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规范：电阻>=10ohms，继续时间>=1microsecond，那么fail32PhysicalShock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、继续時間、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、運送及軍事运用上能够发生的各種撞击下、能否能接受。*Mainlyaffectedasloosenessofcomponents,electricalnoisebyterminationresistancemutation,mechanicalfatigue,breakdownandelectricdiscontinuity.因撞击能够引起試品的破裂、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、衔接器可靠性测试方法Tyco109-26EIA364-27B&IEC60512-6-333Plating电鍍*Method以以下的方法測定鍍金厚度。X-ray,β-scope,MicroscopeＸ射線、β-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)為防止端子资料〔銅或銀〕的硫化物通過鍍金的小孔而分散到鍍金外表。2)為防止端子资料〔銅或锌〕分散到鍍金中。铜和锌很容易分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、衔接器可靠性测试方法34PorousofGoldplating4003005002001000102060708090304050PorousPlatingthickness[µinches]ConventionalHotCyanideGold多孔性多孔率鍍金厚度常规的热氰化物金四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-14335Solderability可焊接性為測定端子的焊接性和連接器的焊接性。*Checkbymicroscope(10times).以以下的条件進行測試後、以10倍放大鏡察看焊錫的外表的付着情形。*MethodSolder:60%Sn-40%Pb焊錫：60%錫ー40%鉛Flux:Alpha100Flux：ALPHA100(AquaticwhiteRosin:25%,IPO:75%)Soldertemp.:235±5℃温度：235±5℃Duration:5sec.继续时间：5秒四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-1136StressCorrosionCracking应力腐蝕破裂*Copperalloy,especiallyBrassisoccurredStressCorrosionCrackinginAmmonia(氨)atmosphere.AmmoniaWater(28%)ConnectorDesiccator*MethodExposematedcontact(connector)intheatmosphereofAmmoniagason28%Ammoniawater40minutes.StressCorrosionCrackcertainlyoccurredtoBrasswhichhastensilestressinhumidair.四、衔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衔接器于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一定会有应力腐蚀开裂37SaltSpray盐霧实验Method*Spray5%densitysaltwateronconnector.将5%的盐水以噴霧器噴淋至衔接器中。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.判别絶縁资料的吸湿度。Thematerialwhichiseasytoabsorbmoistureiseasytogetphysical,mechanicalandelectricaldeterioration.MainlyaffecttoInsulationresistanceandterminationresistance.HSG的絶縁度劣化、因端子的腐蝕而呵斥電阻変大。

四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-510138Humidity(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.判别絶縁资料的吸湿度。Thematerialwhichiseasytoabsorbmoistureiseasytogetphysical,mechanicalandelectricaldeterioration.MainlyaffecttoInsulationresistanceandterminationresistance.HSG的絶縁度劣化、因端子的腐蝕而呵斥電阻変大。

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.判别絶缘资料因吸湿而引起的劣化。Thematerialwhichiseasytoabsorbmoistureiseasytogetphysical,mechanicalandelectricaldeterioration.MainlyaffecttoInsulationresistanceandterminationresistance.容易吸湿的资料很容易会物理、机械、絶缘性劣化、因端子的腐蝕而呵斥電阻变大。四、衔接器可靠性测试方法Tyco109-5106(Moistureabsorption)39HumidityandTemperatureCycling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.