电连接器可靠性设计探讨

资源类型:pdf 资源大小:520.00KB 文档分类:工业技术 上传者:曾琎

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【作者】 陈学永  董文亮 

【关键词】电连接器 可靠性 设计 探讨 

【出版日期】2005-03-25

【摘要】论述了开展电连接器可靠性设计的重要意义, 指出了电连接器可靠性设计的内涵, 从电连接器可靠性设计的指导思想、基本原则、主要依据、主要指标、基本程序、基本内容、应用技术等7个方面对几年来的工作体会进行了归纳, 条理化地阐述了电连接器可靠性设计的基本过程要求和基本工作内容。

【刊名】机电元件

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1 引 言电连接器在航空、航天、舰船、兵器、电子、雷达、野战通信等各军事领域装备的电子设备中使用的数量大,品种多,是电气设备和电气系统间实现电气连接的主要元器件之一。成千上万的电连接器将电气系统、设备、独立单元、印制线路板以及电子器件等连为一体,如同人的神经系统一样分布于系统和设备之间的各个节点,担负着电气系统的电能传输和信号传递功能。随着科学技术的发展,电子设备越来越复杂,功能需求越来越高,由此对电连接器的性能和可靠性也提出了新的、更高的要求。例如:在电连接器的长寿命、高可靠、超高频、耐环境、抗干扰、数字化高速传输、光电一体化传输以及高密度、小型化、轻重量、复合材料应用、表面贴装(SMT)等方面都有新的要求。这就使得电连接器的结构设计、制造工艺、装配等过程环节技术难度加大,不可靠因素增多,且变得更加复杂。因此,对电连接器的可靠性设计研究就显得愈加重要。例如, 2001年中国航天某重要型号就是因为电连接器可靠性问题推迟发射 3个多月,最终确认的原因是电连接器结构设计的可靠性存在问题。可靠性现今已经形成了一门独立的技术学科,就电连接器可靠性设计这一狭小的局部环节来讲,也有其成套的技术理论。单靠一篇短短的文章,很难讲清其中的经纬。本文结合我们几年来的工作实践,仅就电连接器可靠性设计的指导思想、基本原则、主要依据、主要指标、基本程序、基本内容等几个方面进行较为肤浅的探讨,以期能够引起业界同行对电连接器可靠性设计的重视。2 电连接器可靠性设计2 1 电连接器可靠性设计的内涵产品的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性两个方面。固有可靠性是产品从设计到制造整个过程中所确定的内在可靠性,它是产品的固有属性。后者则是指使用、维修对产品可靠性的影响。本文述及的电连接器可靠性设计属于固有属性的范畴。电连接器可靠性设计包括产品、工艺、试验三个环节的要求。其中产品的可靠性设计是最为关键的环节,内容主要包括性能和结构,二者之中,性能指标是可靠性设计的核心。结构以及工艺是保证性能指标得以实现的最为关键的保证措施。试验是对性能是否满足的验证。可靠性设计的关键在于提高电连接器固有可靠性。设计是基础,工艺是保证。积极地开展可靠性设计,促进电子设备可靠性增长,延长电子设备平均无故障工作时间,具有巨大的经济效益和社会效益。2 2 电连接器可靠性设计的指导思想在满足功能需求、确保性能要求的前提下,从采用最新技术、简化结构设计、优化工艺方法、方便用户使用、适于维修维护、节约成本投入等方面综合考虑是可靠性设计的指导思想。2 3 电连接器可靠性设计的基本原则电连接器的可靠性设计应遵循下列基本原则:2 3 1 贯彻“预防为主”的原则“预防为主”是可靠性工作的基本原则,可靠性设计坚持这一原则,不言而喻。全面考虑、综合分析影响电连接器可靠性的各种因素,尽力避免可能发生的情况是可靠性设计的重要内容,也是贯彻“预防为主”原则的关键。2 3 2 实施“系统管理、全过程贯穿、全方位要求”的原则可靠性设计必须贯穿于电连接器从设计、制造、试验、交付到售后服务的研制全过程,实行全过程贯穿。同时对产品可靠性设计、工艺可靠性设计、试验可靠性设计三位一体,不可偏废,应全方位要求。2 3 3 坚持“建立失效模式进行分析”的原则“建立失效模式,分析失效机理,确定失效因素,采取有效措施”是可靠性设计最为有效的手段和方法。建立失效模式是可靠性设计的基础。2 3 4 倡导“继承成熟技术、利用成功经验”的原则从实际情况出发,积极继承可靠性设计成熟的技术、充分利用成功的经验是加快研制进度、确保取得可靠性设计成功的有效途径。经验证明:对于类型一致或结构相近的产品,在进行可靠性设计时,继承和采用现有成熟产品的设计原理、产品结构、原材料和工艺方法,不仅可以缩短研制周期,而且可以节约研制、试验费用,收到事半功倍的效果。2 3 5 实现“功能、结构、费用、进度最佳组合”的原则通过设计方案论证、可靠性大纲评审、设计定型等一系列阶段和过程,不断优化设计方案,从而最终达到性能、费用、时间等因素的最佳组合应是可靠性设计人员追求的目标。2 3 6 坚持“科技进步、技术创新”的原则积极稳妥地对新型、高性能电连接器开展最新设计理论以及新结构、新材料、新技术、新工艺的不断研究并及时收集这方面的最新成果是可靠性设计人员的重要职责,也是体现电连接器技术创新、技术进步的关键所在。2 4 电连接器可靠性设计的主要依据在进行电连接器可靠性设计时,主要依据下列几个方面的标准、法规和技术文件:(1)电连接器研制任务书、合同或技术协议书;(2)有关的国家标准、国家军用标准、行业标准、相应法规以及企业标准和管理要求;(3)电连接器的使用环境 (大多列于技术协议书之中);(4)国内外以及企业内部同类型电连接器的主要失效模式、失效机理技术文献;(5)电连接器研制的周期、研制费用、年需求量、成本、价格,以及电连接器结构、外形尺寸、安装方式等制约条件 (大多列于研制任务书、合同或技术协议书之中)。2 5 电连接器可靠性设计的主要指标电连接器可靠性设计指标一般包含以下几个方面:2 5 1 环境能力适应性指标(1)电连接器在使用过程中可能遇到的气候环境条件指标有:高温、低温、温度冲击、潮湿、低气压、盐雾、砂尘、臭氧、霉菌、淋雨、磁场、液体浸渍及电化学腐蚀等;(2)电连接器在使用过程中可能遇到的力学环境条件指标有:振动、碰撞、冲击、离心、跌落、插拔等,此外还有一些特殊环境条件下需要承受的其它单项应力或组合应力的作用。2 5 2 主要电性能参数的稳定性指标在规定条件下、规定时间内电连接器主要电性能参数稳定性指标包括:接触电阻、绝缘电阻、耐压、特性阻抗等。2 5 3 寿命质量等级、可靠性指标(1)电连接器寿命指标包括:高温寿命、插拔寿命等;(2)军用质量等级分为:航天级、特军级、军级、普军级 4个级别;(3)可靠性指标根据具体情况具有多种表示方法:可靠性指标与“规定的条件”、“规定的功能”、“时间”等因素密切相关,在不同的规定条件下,在不同的使用阶段,对不同的规定功能,电连接器的可靠性指标是变化的、各不相同的。可靠性指标的量化表示具有其自身的特点,很难用单一的量代表,在不同的场合、不同的情况下,将会用不同的指标表示电连接器的可靠性。主要使用的指标有:可靠度、失效率 (菲特 )、无故障连续工作时间、平均寿命(MTTF及MTBF)、可靠寿命、使用寿命、首次大修寿命(首翻期 )等。其中使用寿命应用较为普遍。2 5 4 电连接器应消除或控制的失效指标电连接器常见的失效指标包括:接触失效;绝缘失效;机械失效等。在进行电连接器可靠性设计时必须努力消除或加以控制。2 6 电连接器可靠性设计基本程序2 6 1 电连接器可靠性设计基本程序框图电连接器可靠性设计是电连接器产品研制过程的组成部分,其基本程序与产品研制程序具有统一、同步的特点,程序大体一致,但强调的内容各有侧重。电连接器可靠性设计基本程序框图如图 1。图 1 电连接器可靠性设计基本程序框图2 6 2 电连接器可靠性设计基本程序描述2 6 2 1 编制电连接器可靠性设计程序进度计划应根据所研究的电连接器性能要求高低、结构复杂程度、要求的环境适应性的严酷程度等因素来确定可靠性设计的指标,编制电连接器可靠性设计程序的进度计划。对一些结构简单、技术难度较低、继承性较好、失效模式及失效机理较为明确、性能要求一般的电连接器,在编制电连接器可靠性设计程序进度计划时,可以适当地合并、简化。对于关键技术研究、关键材料选用、关键工艺攻关、关键设备选择、试验方法和设备等项工作,在编制电连接器可靠性设计程序进度计划时,必须予以高度重视,并且在程序进度计划的各个环节予以体现。2 6 2 2 制定电连接器可靠性设计方案电连接器可靠性设计方案应包括实现电连接器可靠性设计指标的结构设计、性能设计、关键基础材料的选定、关键工艺、评价试验方法等内容。对于工作在恶劣环境条件下、结构复杂、性能要求高的电连接器可靠性设计方案应组织方案评审、论证。可靠性设计方案中的关键零部件应组织验证试验,分析、研究其性能的稳定性及失效可能,为改进可靠性设计、确定可靠性方案提供依据。这一阶段在可靠性设计时尤为关键,对复杂连接器更显得重要。此外在方案制定过程中,应当以建立的“电连接器基本失效模式”来指导方案的制定,对其有别于一般的特殊功能与要求还要充分考虑其其它失效可能,并采取预防措施。2 6 2 3 初样制造、评价试验、摸底试验初样制造时应严格按设计、工艺要求执行。初样评价试验时按技术条件所规定的技术要求、试验方法逐项进行检查、试验、测试性能。其目的是暴露电连接器存在的设计缺陷。初样摸底试验是对初样的关键性能进行逐步加大应力直至极限的破坏性试验,其目的是了解电连接器潜在的能力及出现的时效现象,一般应编制相应的试验大纲。2 6 2 4 正样制造、可靠性评价试验 (或鉴定试验)、摸底试验根据初样评价试验、摸底试验暴露出的缺陷、失效现象,分析原因,采取措施,完善电连接器的设计、工艺、检验等技术文件。正样制造应按修改完善后的技术文件要求进行。正样可靠性评价试验 (或鉴定试验 )应按照评价试验方法所规定的要求逐项检查,全面考核;充分暴露电连接器的设计、制造缺陷及失效形式,为进一步改进电连接器设计提供依据。试验的结论是电连接器能否定型、鉴定的依据。2 6 2 5 电连接器可靠性设计评审可靠性设计评审的目的是审查设计是否满足研制任务书、合同、技术条件的可靠性要求,发现设计中的薄弱环节,提出改进建议,提高设计质量,以提高电连接器的性能和可靠性。电连接器可靠性设计始终贯穿于电连接器设计的各个环节,贯穿于电连接器研制的全过程。可靠性设计评审是电连接器设计评审的一个重要组成部分,因此电连接器可靠性设计评审可以和电连接器设计评审同时进行。其评审结论是研制的电连接器能否提交鉴定、申请定型的原始依据之一。2 6 2 6 电连接器设计定型该项工作在普通电连接器上已经采用,可参照企业通常做法和上级有关规定组织设计定型工作。2 7 电连接器可靠性设计基本内容2 7 1 进行质量特性分析,编制技术条件(标准)针对使用方的质量要求和研制任务书的技术指标,进行质量特性分析,研究可靠性与性能参数的相互关系,考虑设计中需注意或需重点解决的技术、质量问题是技术条件 (标准 )编制过程中必须进行的工作。编制的技术条件(标准 )应体现出这种分析、研究的结果。2 7 2 确定并优化可靠性设计总体方案在进行电连接器总体方案设计时,要有几种总体方案进行比较,优化设计,选择出性能、可靠性、工艺性、结构性好,成本低廉的最佳方案,一般采用方案论证会的形式进行。2 7 3 设计合理结构,满足性能要求电连接器性能要求与电连接器结构设计密切相关、相互影响,不能截然分开。在确定电连接器性能、技术标准时,除必须满足使用方提出的要求外,还必须考虑电连接器结构的可行性;在电连接器结构设计时必须考虑能否达到或超过规定的性能要求、规定的技术标准,能否保证达到使用方的要求。现将电连接器的几个重要性能要求、结构设计要求列表汇总如表 1。表 1 电连接器性能要求与结构设计要求汇总性能要求结构设计要求互换性  对电连接器关键零件、关键尺寸应进行配合尺寸链的分析计算。接触电阻  接触电阻一般分为接触对接触电阻和外壳接触电阻。接触对的结构形式、材料选择、接触压力计算、表面处理形式、插拔机械寿命、接触件加工工艺、电连接器应用环境等,是电连接器结构设计时要考虑的因素,其目的在于保证接触对的接触电阻值及其稳定性要求;防止产生接触失效;防止温升过高现象发生。外壳接触电阻,对于有屏蔽要求的连接器,同样应予以重视。绝缘电阻耐电压  绝缘电阻、耐电压及稳定性不良是电连接器绝缘介质产生漏电、发热、电晕、击穿等的主要原因。结构设计应考虑绝缘零件结构、绝缘零件材料选择、接点中心距(绝缘有效间隔 )、电连接器应用环境条件等因素。结构应保证在规定的气候环境应力作用下达到或超过规定指标的能力和工作的稳定性;杜绝电连接器绝缘介质产生漏电、发热、电晕、击穿等现象。环境条件  影响电连接器可靠性

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