連接器耐久性之三種故障模式解析

中心議題：

摩擦腐蝕與電鍍問題

電氣故障問題

連接器接插問題

汽車制造商對(duì)其供應(yīng)基地的要求越來越高，這對(duì)于汽車零配件供應(yīng)商來說已經(jīng)是一件眾所周知的事情。就連接器供應(yīng)商而言，這意味著對(duì)產(chǎn)品的性能、穩(wěn)定性和成本的要求更加嚴(yán)格。供應(yīng)商只有不斷革新產(chǎn)品及工藝，滿足客戶的這些需求，才能處于優(yōu)勢(shì)地位。

一輛典型輕型汽車大約有1500個(gè)連接點(diǎn)，其中50%到60%用于關(guān)鍵的配電功能。汽車連接器被用于日益惡劣的環(huán)境，包括溫度(低至零下40°C，高達(dá)零上155°C)、振動(dòng)、氧化作用以及摩擦腐蝕，我們開始認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)攻關(guān)的重要性。

實(shí)際上這件事情做起來并不簡(jiǎn)單，大多數(shù)商業(yè)電子元器件出現(xiàn)故障時(shí)最多讓人感到煩惱失意，可是如果關(guān)鍵汽車零配件連接出現(xiàn)問題，則會(huì)引起火災(zāi)報(bào)警器、制動(dòng)器或安全氣囊失靈，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

連接器制造商必須識(shí)別并分析環(huán)境中那些可能對(duì)連接器性能造成影響的物理和機(jī)械現(xiàn)象。按照汽車制造商規(guī)定的應(yīng)用條件，為了評(píng)估連接器的穩(wěn)定性，連接器制造商實(shí)施了精細(xì)的測(cè)試程序。如果出現(xiàn)連接器故障，大多可確定為下述三種故障模式 之一：摩擦腐蝕、電氣故障以及連接器接插問題。

摩擦腐蝕與電鍍問題

腐蝕性氣體、高濕度和強(qiáng)烈振蕩是引起氧化作用和摩擦腐蝕，并導(dǎo)致連接器故障 的三大條件。這些環(huán)境因素會(huì)對(duì)錫和鉛錫接觸表面造成極大的影響，有90%的連接器表面屬于這種情況。

通常，人們采用電鍍貴重金屬的方式，如鍍金或鍍銀，因?yàn)檫@些金屬不會(huì)發(fā)生氧 化作用。這些鍍層的厚度從0.5μm至1.27μm不等。然而，令人遺憾的是，由于含有這些貴重金屬以及對(duì)其加工使得這類電鍍工藝價(jià)格不菲，所以人們盡 可能少用這類電鍍材料。在汽車電氣線束應(yīng)用中，大約只有10%的連接點(diǎn)使用了這類金屬。

其結(jié)果是，一些主要的連接器供應(yīng)商，例如FCI給出了其他可供選 擇的電鍍解決方案(例如純錫電鍍、錫-特氟隆TinTeflon、NXT和壓合技術(shù))，不僅滿足了OEM的成本要求，而且產(chǎn)品具有同樣的性能。

因?yàn)楸仨毞细邩?biāo)準(zhǔn)的汽車規(guī)格要求，源于電信市場(chǎng)的壓合端子技術(shù)(連接器到電路板)備受矚目。由于汽車PCB比應(yīng)用于電信行 業(yè)PCB要薄，操作溫度(125oC)也要高很多而且使用環(huán)境有振動(dòng)，想要將這種技術(shù)引入到汽車系統(tǒng)不是一件容易的事情。

這種技術(shù)帶來了顯著的工藝成本效益，它將一個(gè)無焊錫引腳壓入到金屬PCB板孔中。為適用 于嚴(yán)格的汽車應(yīng)用條件，F(xiàn)CI壓合端子經(jīng)過專門的設(shè)計(jì)，在插入PCB時(shí)提供完全可控的力度，將阻力和變形降到最低，確保與PCB的接口穩(wěn)固。

由于比波峰焊更具成本效益，加之工藝完全自動(dòng)化，降低了PCB成本，F(xiàn)CI蝶形解決方案(和相關(guān)的應(yīng)用工具)越來越受到汽車制造 商的青睞。除性能優(yōu)越(兼容SMT工藝以及卓越地保持元件的完整性)以外，由于不存在對(duì)PCB的熱沖擊和錫橋的 風(fēng)險(xiǎn)，它還提高了附加工藝質(zhì)量。

此外，F(xiàn)CI發(fā)現(xiàn)：在壓合應(yīng)用中使用正確的電鍍工藝和引腳的條件下， 當(dāng)觸點(diǎn)受各種外部條件制約(例如：急劇的溫度變化、相對(duì)濕度變化、長(zhǎng)期處于干燥環(huán)境和氣體腐蝕)的時(shí)候，觸點(diǎn)抗阻性一 直保持較小變化。然而，隨著引腳數(shù)量的增加，壓力會(huì)變得很大，所以在將連接器插入到基座時(shí)應(yīng)非常小心。

FCI研制了一種名為“NXT”的新型電鍍工 藝?；谝环N非晶態(tài)鎳的化學(xué)性質(zhì)，它可以提供非常平滑均勻的電鍍表面，能夠大幅度減少金鍍層的厚度(大約減少80%)。在安全關(guān)鍵 應(yīng)用中，這種技術(shù)能支持極低的信號(hào)電流。

多引腳連接器向連接電鍍系統(tǒng)提出了另一個(gè)考驗(yàn)。出于人體工程學(xué)的考慮，連接 器插入力應(yīng)盡可能小，但隨著電路計(jì)數(shù)的增加，插入連接器所需的力將會(huì)成比例增加。然而，電性能通常表明每個(gè)觸點(diǎn)都獲得高觸點(diǎn)壓力(通常引起高插入力)，這與獲取低連接器 插入力的目標(biāo)是相抵觸的。

為解決這個(gè)問題，人們研制了一種新型接觸表面。特氟隆(Teflon)微顆 粒在普通錫槽內(nèi)經(jīng)過相同處理并有選擇性地電鍍到接觸表面。微顆粒可將一個(gè)典型的鍍錫的端子插入力降低40%以上。這種解決方 案可使連接器擁有更多的引腳，且無需插入輔助裝置——增強(qiáng)人機(jī)工程學(xué)并提高連接器穩(wěn)定性。此外，經(jīng)測(cè)量顯示，當(dāng)端子易受振動(dòng)影響時(shí)，錫-特氟隆(Tin-Teflon)表面比其他任何鍍錫觸點(diǎn)具有更好的防摩擦腐蝕效果。

電氣故障：加強(qiáng)式新型壓接技術(shù)

線纜與端子的連接問題是引發(fā)保修和連接器系統(tǒng)故障主要原因之一。對(duì)于汽車配 線系統(tǒng)，壓接是一種非常普遍的方法，用于將端子連接到線纜上。這種工藝已被證明可靠。與焊接法相比，在提高壓接可靠性方面它更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、簡(jiǎn)單易操作。為 改善端子夾頭幾何形狀，連接器制造商投入了大量精力。通過一項(xiàng)廣泛的分析實(shí)驗(yàn)研究，F(xiàn)CI不僅研制出一種新型的用于壓接優(yōu)化的解析工具，還提出一 種具有創(chuàng)新意義的新型壓接幾何形狀。

FCI的“兩步法”壓接解決方案提出一種可以在傳統(tǒng)壓接沖床上 以典型高速壓接率生產(chǎn)的壓接方法。“兩步法”壓接完成時(shí)模具內(nèi)部會(huì)發(fā)生兩次沖擊。

第一步，在端子夾頭區(qū)域任意一側(cè)進(jìn)行普通壓接操作。和其他任何壓接一樣，在 壓縮沖程結(jié)束后沖壓機(jī)和鐵砧分離，壓接會(huì)稍微松弛。絞線不再像此前那樣緊湊地結(jié)合在一起，電阻擁有更高阻值。

在壓接工藝的第二步驟中這個(gè)問題得到解決。壓接模具第二次沖擊夾頭區(qū)域。在 之前經(jīng)壓接處理的位置之間有一個(gè)夾頭部分，這一次沖擊的是這個(gè)夾頭部分的中間位置。廣泛的測(cè)試已表明：通過“兩步法”工藝可以獲得最佳的、長(zhǎng)期的絞線壓縮 效果。由于消除了壓縮回跳，壓接地帶產(chǎn)生的冷焊得到了加強(qiáng)和穩(wěn)固，壓接具備了較高的可靠性。兩步壓接適用于需要極低電流和過渡電阻的所有應(yīng)用。安全氣囊傳 感器和控制器就是這類應(yīng)用的例子。

連接器接插問題

在裝配廠向汽車內(nèi)安裝配線時(shí)，連接器的不當(dāng)接插可能會(huì)導(dǎo)致連接器故障。為克 服這個(gè)問題，設(shè)計(jì)工程師研發(fā)了各種各樣的連接器鎖止裝置，其中一個(gè)例子就是FCI研制的彈簧鎖(Spring-Lock)。當(dāng)連接器的兩個(gè)半部接插在一起的時(shí)候，彈簧裝置會(huì)被壓縮。如果正確接插，連接器彈簧鎖將發(fā)揮作用， 使兩個(gè)連接器結(jié)合在一起。如果連接器沒有完全接插到位，彈簧則會(huì)彈開兩個(gè)半部(當(dāng)安裝人員松手放開連接器時(shí))，這表明連接失敗。