航天電連接器的可靠性分析

　　電連接器及其組件是航天系統(tǒng)工程重要的配套接口元件，散布在各個系統(tǒng)和部位，負責著信號和能量的傳輸。其連接好壞，直接關系到整個系統(tǒng)的安全可靠運行。由電連接器互連組成各種電路，從高頻到低頻、從圓形到矩形、從通過上百安培的大電流連接器到通過微弱信號的高密度連接器、從普通印制板連接器到快速分離脫落等特種連接器，幾乎所有類型品種的電連接器在航天系統(tǒng)工程中都得到了大量應用。
    例如某型號地面設備就使用了各種電連接器400套。任何一個電連接器接點失靈，都將導致航天器的發(fā)射和飛行失敗。戰(zhàn)術導彈彈體內的導引頭、戰(zhàn)斗機、發(fā)動機、自動駕駛儀等關鍵部件，都是通過由電連接器為基礎器件，使成百上千個接點的電纜網組成一個完整的武器互連系統(tǒng)，一個接點出現故障，即會導致整個武器系統(tǒng)的失效。
    一、航天電連接器的可靠性分析
    電連接器的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性兩方面。圖1列出了影響電連接器可靠性的主要因素。

    1．固有可靠性
    電連接器的固有可靠性一般是指電連接器制造完成時所具有的可靠性，它取決于電連接器的設計、工藝、制造、管理和原材料性能等諸多因素。電連接器制作完成后，其失效模式和失效機理已固定，因此只有在可靠性設計的基礎上，保證生產線上嚴格采取可靠性技術措施（如生產工藝的嚴格控制、生產環(huán)境條件的控制、各工序過程中的質量檢測等），才能保證電連接器的固有可靠性。
    (1)設計可靠性
    ①合理選材
    選材是保證電連接器電性能和可靠性的重要前提，電連接器所用材料決定了工作溫度上限，而起決定作用的是絕緣材料、環(huán)境密封電連接器所用的密封材料、膠粘材料、殼體和接觸件所用材料等。材料選用涉及連接器的力學、電氣、環(huán)境等性能要求和材料本身的理化性能等。其中材料熱學性能（耐熱溫度、熱導率、高溫強度及熱變形等）是設計必須考慮的主要因素。電連接器絕緣體選用不同的絕緣材料，其絕緣耐壓等電氣性能也有明顯差異。電連接器殼體和接觸件選用時，除考慮導電、導熱和結構剛度外，還應考慮相互配合和接觸材料的電化學相容性和硬度匹配性。
    ②結構型式
    結構型式是決定產品可靠性的重要因素，合理的結構型式既避免了誤插，又提高了結構的穩(wěn)定性。
    (2)工藝可靠性
    殼體的加工工藝、絕緣體的注塑和膠接工藝、接觸件的成型和鍍金工藝、電連接器總裝工藝和與線纜的端接工藝等，對產品固有可靠性至關重要。
    鍍金接觸件用手工滾鍍，往往導致個別插孔內壁局部沒有膜層，呈氧化色，而引進超聲波鍍金生產線，并用儀器嚴格監(jiān)控鍍金層厚度，使內壁形成均勻膜層，提高了接觸可靠性。
    (3)檢驗可靠性
    電連接器在各關鍵工序加強檢驗，通過嚴格的工藝篩選，剔除失效產品。交收試驗時，除檢查常規(guī)電性能指標外，還應百分之百進行外觀質量檢查，特別是多余物檢查十分重要，除目視和借助放大鏡外，必要時可用體視顯微鏡判定缺陷性質。在交收試驗和二次補充篩選過程中，必須按標準規(guī)定的質量水平嚴格控制。當超過不合格率時，應對每批產品進行失效分析，查清失效原因，并采取有效的改進措施。
    2．使用可靠性
    電連接器在使用過程中會遇到電、熱、機械和化學等應力的作用，如忽視了正確選型和貯存使用等情況，即使使用經二次補充篩選的產品，仍會出現失效。特別是隨著近年來許多小型化、高密度、多功能等新型電連接器的不斷出現，許多設計工藝人員還未正確掌握這些新型電連接器的使用方法，導致由于使用不當造成的失效案例在整個電連接器失效統(tǒng)計中占有較大比例。
    (1)選型可靠性
    應根據現場使用實際要求選擇最適當的電連接器型號，主要考慮以下幾點因素。
    ①電氣參數：工作電壓（取耐電壓值的三分之一）、額定電流、內導體和外導體的接觸電阻、特性阻抗、電壓駐波比、屏蔽性能及抗干擾性能等。
    ②機械參數：振動沖擊、碰撞機械壽命、單孔分離和總分離力等。
    ③環(huán)境參數：溫度、濕度、振動、沖擊、鹽霧、灰塵、輻射、電磁干擾及密封性能（包括漏率、水壓、淋雨）等。
    ④安全參數：接點間和接點與外殼間的絕緣電阻、耐電壓、阻燃性、質量等。
    ⑤端接方式：焊接、壓接、繞接、刺破連接、螺釘連接等。
    ⑥結構形式：接觸件的可拆卸性、接觸件的種類和結構形式等。
    ⑦連接、鎖緊方式：卡口式、直插式式、螺紋連接式、中心螺紋桿式等。
    ⑧安裝方式：面板式、電纜式、螺母式、穿墻式等。
    ⑨操作適宜性：操作空間大小、防誤操作結構、連接到位指示等。
    ⑩尾部附件形式。
    ⑾外形尺寸。
    ⑿應根據在整機系統(tǒng)中的作用和地位，選擇適宜的質量等級。
    ⒀界面型譜的選擇。應根據實際使用的芯數，查取接觸件額定電流下降Q值（見表1）。

表1 接觸件額定電流下降Q值表

    根據接觸件承載電流通過以下公式計算接觸件額定電流
    單個接觸件額定電流≥單個接觸件承載電流／（1-Q）     (1)
    再根據計算出的接觸件額定電流值查出接觸件插配直徑（見表2）。

表2 接觸件插配直徑表

    最后選擇所需要的電連接器型譜。注意應使電纜線芯與接觸件接線孔直徑匹配，避免過粗的線芯損傷接觸件端接處。
    (2)貯存可靠性
    貯存環(huán)境的溫度、濕度、清潔度和腐蝕性氣體都將影響電連接器的性能參數，特別是濕度對絕緣電阻尤為敏感。如H2S、SO2等氣體，會使接觸件鍍層表面生成一層氧化物或硫化物絕緣膜，在潮濕環(huán)境中反應速度更快，生成更厚的絕緣膜，嚴重影響電連接器的接觸可靠性。為此，對航天等高可靠電連接器的貯存環(huán)境條件要求十分嚴格。特別是經二次篩選的電連接器，必須十分重視貯存環(huán)境條件。根據QJ2227“航天用電子元器件貯存和超期復驗要求”，電連接器的貯存環(huán)境條件分為三類，見表3。

表3 貯存環(huán)境條件分類表

    (3)安裝可靠性
    安裝人員應首先了解電連接器的技術特性，不得過負荷、過應力使用，應按操作使用方法正確連接和分離，避免燒壞或損傷電連接器。連接前檢查是否存在多余物，是否有外殼銹蝕、針孔異樣、鎖緊機構不靈活等現象，避免尾罩受力松動和電纜線芯受力損傷。使用過程中應小自輕放，不能亂丟亂放，防止接觸件受力彎曲和受污染。連接不具備防誤操作電連接器前，必須認真核實電連接器型號和標識是否相對應，并應正確定位，防止反插或誤插。電連接器長期分離時，應蓋上防護罩，否則容易發(fā)生插針碰歪、變形或多余物掉人等問題。對電連接器進行性能測試時，應使用合格和新的插頭（座）或模擬插針，不能用探針或銅棒插人插孔進行測量，否則會造成插孔松弛導致接觸不良。為保證端接后電連接器的可靠性，應嚴格按規(guī)范選用型號規(guī)格適的連接導線和接線工具，掌握正確的焊接、壓接、繞接等工藝。防止虛焊、虛壓、端接脫落、斷裂和污染等事故。特別是焊接后應及時清理焊瘤、殘渣等。分解電連接器時必須按要求拆裝和檢查，應特別注意有無漏裝、是否到位、接點序號是否準確、橡膠件有無絞結等。裝配后應進行相應的試連接，以保證互換性。拆裝時應妥善保管零件，防止松散失效。
    二、保證航天電連接器可靠性的措施
    1．選用列入國防科工委軍用元器件管理中心公布的合格產品清單中的電連接器。
    2．選用列入航天系統(tǒng)工程“各型號電子元器件優(yōu)選目錄”中的電連接。
    3．合理選用質量等級。
    4．優(yōu)先選用標準或通用型電連接器，慎用非標準或新型號電連接器。
    5．做好交收試驗和二次補充篩選。
    6．重視電連接器的使用可靠性。
    三、航天電連接器的可靠性預計
    對國產電連接器的失效率可采用國軍標GJB/Z299B-98“電子設備可靠性預計手冊”進行預計，可根據下式求出。
        λp=λb×πE×πQ×πP×πK×πC
        式中： λp—工作失效率；
                      λb—基本失效率；
                      πE一環(huán)境系數；
                      πQ—質量系數；
                       πP—接觸件系數；
                      πK—插拔系數；
                      πC—插孔結構系數。
    對進口電連接器的失效率可采用美軍標MIL-HDBK-217E“電子設備可靠性預計”進行預計，可根據下式求出。
            λp=λb×πE×πP×N λcyc                (3)
    式中：N—工作插腳數，對于插拔率≤40次/1000h的電連接器，λcyc項可忽略不計。

    四、結論
    大量的統(tǒng)計數據表明，在航天產品的質量缺陷中，屬于電連接器問題部分約占70%，剩下的30％才屬于制造、裝運等其它問題。航天產品的設計開發(fā)是航天產品質量的源頭。因此，在航天產的設計工作中有效進行電連接器的可靠性分析工作，以提高航天產品的質量就顯得尤為迫切。
    不斷提高航天產品質量是裝備部門、軍工企業(yè)和各科研院所不可推卸的責任。開展航天電連接器的可靠性分析工作對識別并消除航天產品潛在的質量缺陷有著舉足輕重的作用。事先很好地進行電連接器的可靠性分析工作，能夠容易地對航天產品進行設計更改，從而減少或消除因設計帶來更大損的機會。適時進行航天電連接器的可靠性分析工作，將極大地提高航天產品的質量。

參考文獻：
[1]楊奮為．航天用電連接器的可靠性研究[J]．上海航天，1997，（1）．
[2]楊奮為．航天用電連接器的選用[J]．電子元件，2001，（2）．
[3]楊奮為．航天電連接器的可靠性分析與試驗[J]．質量與可靠性，2005，（5）．
[4]國軍標GJB/Z299B-98“電子設備可靠性預計手冊”[K]．
[5]美軍標MIL-HDBK-217E“電子設備可靠性預計”[K]．