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

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

一輛典型輕型汽車大約有1500個連接點，其中50%到60%用于關鍵的配電功能。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，高達零上155°C)、振動、氧化作用以及摩擦腐蝕，我們開始認識到設計攻關的重要性。

實際上這件事情做起來并不簡單，大多數商業(yè)電子元器件出現故障時最多讓人感到煩惱失意，可是如果關鍵汽車零配件連接出現問題，則會引起火災報警器、制動器或安全氣囊失靈，導致嚴重后果。

連接器制造商必須識別并分析環(huán)境中那些可能對連接器性能造成影響的物理和機械現象。按照汽車制造商規(guī)定的應用條件，為了評估連接器的穩(wěn)定性，連接器制造商實施了精細的測試程序。如果出現連接器故障，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、高濕度和強烈振蕩是引起氧化作用和摩擦腐蝕，并導致連接器故障 的三大條件。這些環(huán)境因素會對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，因為這些金屬不會發(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其加工使得這類電鍍工藝價格不菲，所以人們盡 可能少用這類電鍍材料。在汽車電氣線束應用中，大約只有10%的連接點使用了這類金屬。

其結果是，一些主要的連接器供應商，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)，不僅滿足了OEM的成本要求，而且產品具有同樣的性能。

因為必須符合高標準的汽車規(guī)格要求，源于電信市場的壓合端子技術(連接器到電路板)備受矚目。由于汽車PCB比應用于電信行 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，想要將這種技術引入到汽車系統(tǒng)不是一件容易的事情。

這種技術帶來了顯著的工藝成本效益，它將一個無焊錫引腳壓入到金屬PCB板孔中。為適用 于嚴格的汽車應用條件，FCI壓合端子經過專門的設計，在插入PCB時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，加之工藝完全自動化，降低了PCB成本，FCI蝶形解決方案(和相關的應用工具)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PCB的熱沖擊和錫橋的 風險，它還提高了附加工藝質量。

此外，FCI發(fā)現：在壓合應用中使用正確的電鍍工藝和引腳的條件下， 當觸點受各種外部條件制約(例如：急劇的溫度變化、相對濕度變化、長期處于干燥環(huán)境和氣體腐蝕)的時候，觸點抗阻性一 直保持較小變化。然而，隨著引腳數量的增加，壓力會變得很大，所以在將連接器插入到基座時應非常小心。

FCI研制了一種名為“NXT”的新型電鍍工 藝?；谝环N非晶態(tài)鎳的化學性質，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%)。在安全關鍵 應用中，這種技術能支持極低的信號電流。

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

為解決這個問題，人們研制了一種新型接觸表面。特氟隆(Teflon)微顆 粒在普通錫槽內經過相同處理并有選擇性地電鍍到接觸表面。微顆?？蓪⒁粋€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——增強人機工程學并提高連接器穩(wěn)定性。此外，經測量顯示，當端子易受振動影響時，錫-特氟隆(Tin-Teflon)表面比其他任何鍍錫觸點具有更好的防摩擦腐蝕效果。

電氣故障：加強式新型壓接技術

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濟實惠、簡單易操作。為 改善端子夾頭幾何形狀，連接器制造商投入了大量精力。通過一項廣泛的分析實驗研究，FCI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的壓接方法。“兩步法”壓接完成時模具內部會發(fā)生兩次沖擊。

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

在壓接工藝的第二步驟中這個問題得到解決。壓接模具第二次沖擊夾頭區(qū)域。在 之前經壓接處理的位置之間有一個夾頭部分，這一次沖擊的是這個夾頭部分的中間位置。廣泛的測試已表明：通過“兩步法”工藝可以獲得最佳的、長期的絞線壓縮 效果。由于消除了壓縮回跳，壓接地帶產生的冷焊得到了加強和穩(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用。安全氣囊傳 感器和控制器就是這類應用的例子。

連接器接插問題

在裝配廠向汽車內安裝配線時，連接器的不當接插可能會導致連接器故障。為克 服這個問題，設計工程師研發(fā)了各種各樣的連接器鎖止裝置，其中一個例子就是FCI研制的彈簧鎖(Spring-Lock)。當連接器的兩個半部接插在一起的時候，彈簧裝置會被壓縮。如果正確接插，連接器彈簧鎖將發(fā)揮作用， 使兩個連接器結合在一起。如果連接器沒有完全接插到位，彈簧則會彈開兩個半部(當安裝人員松手放開連接器時)，這表明連接失敗。