超微矩形电连接器0.28mm弹性绞线插针腐蚀质量问题及工艺改进.pdf

产品质量管理一核量多性超微矩形电连接器0.2 8 mm弹性绞线插针腐蚀质量问题及工艺改进李娟，赵立友，刘寅傲，王骏（上海精密计量测试研究所，上海2 0 110 9)摘要对某超微矩形电连接器0.2 8 mm弹性绞线插针腐蚀质量问题进行了失效分析，问题原因是由于针头镀层不致密、耐腐蚀能力不足，同时含氟导线释放微量氟加速了产品腐蚀。根据腐蚀原因对原弹性绞线插针制作工艺进行了改进，解决了0.2 8 mm弹性绞线插针针头熔焊点塌陷、褶皱、变形的问题，同时将带线电连接器产品的包装更改为真空包装，保证了宇航用含氟导线制作带线电连接器的贮存可靠性。关键词超微矩形电连接器；0.2 8 mm弹性绞线插针；氟腐蚀；工艺改进Corrosion and Process Improvement of 0.28mm Elastic Stranded Wire Pinof Ultra-micro Rectangular Electrical ConnectorsLi Juan,Zhao Liyou,Liu Yinao,Wang Jun(Shanghai Institute of Precision Measurement and Test,Shanghai 201109,China)Abstract Failure analysis on the corrosion of 0.28mm elastic stranded wire pin of ultra-microrectangular electrical connectors is carried out.The corrosion reason is that the coating quality is not denseenough and the corrosion resistance is insufficient,and the release of trace fluorine from the fluorinecontaining wire accelerates the corrosion of the product.According to the corrosion reason,the manufacturingprocess of elastic strand pin is improved,which solved the problem of collapse,wrinkles and deformation ofthe 0.28mm elastic stranded wire pin.At the same time,the packaging of electrical connectors with wires ischanged to vacuum packaging,which ensures the storage reliability of electrical connectors with fluorineconductors used in aerospace.Keywords ultra-micro rectangular electrical;0.28mm elastic stranded pin;fluorine corrosion;processimprovement麻花针）的连接器就称为微矩形电连接器。弹性绞引言线插针是由3 根铜线作内圈，7 根铍青铜线作外在传统电连接器中，一般插孔是弹性件，随着圈，内外圈反向绞合在一起，它的结构特点使其具电连接器小型化的要求，弹性插孔已无法进一步进有良好弹性和接触性能及抗震性能-2 1。行小型化，不能满足连接器向小型化、高密度方向目前宇航产品常用的微矩形电连接器的接点间发展的需求。随着弹性绞线插针的出现，彻底克服距为1.91mm1.2 7 m m，随着宇航产品结构向小型了这一致命弱点，采用弹性绞线插针类型（俗称：化发展，电连接器安装空间紧缩，电缆组件可敷设QUALITY AND RELIABILITY142023年第3 期总第2 2 5期产品质量管理空间越来越有限，AIRBORN公司的NM和NK系列接点间距0.6 3 5mm的超微矩形电连接器每平方英寸可以放置16 0 0 只接触件，可节省更多的板空间，因而逐步在宇航产品中得到广泛应用，相对1.27mm接点间距微矩形电连接器，其弹性绞线插针直径下降一半，从0.56 mm降至0.2 8 mm，国内基于传统弹性绞线插针制作工艺加工的超微矩形电连接器在进行宇航级产品认证时，发现0.2 8 mm弹性绞线插针在密闭贮存一定时间后针头发黑，个别接点存在散丝现象。针头腐蚀引起电接触失效是连接器的主要失效模式之一，本文对该例超微矩形电连接器0.2 8 mm弹性绞线插针腐蚀原因进行了分析，并通过对加工工艺和包装方式进行针对性改进，显著提升了0.28mm弹性绞线插针的加工质量和耐环境能力，解决了后续贮存过程中针头腐蚀的问题1腐蚀案例分析本文案例涉及的产品为进行宇航级认证的某型超微矩形电连接器，接收样品时对所有超微矩形电连接器进行了外观检查，发现0.2 8 mm弹性绞线插针针头不圆不饱满，表面镀层有褶皱，但镀层光亮且未发现腐蚀。样品接收后按原包装密闭贮存，当准备再次进行试验时，打开包装进行试验前检查时，发现所有带线连接器的0.2 8 mm弹性绞线插针针头均发黑，个别接点还存在散丝现象，而不带线连接器的0.28mm弹性绞线插针针头表面相比接收时无明显变化，针头表面未发现大面积黑色腐蚀物，但针头塌陷、褶皱、不饱满，且个别针头存在发绿的点，典型形貌如图1所示。采用机械方法，取出腐蚀接触件，对黑色腐蚀产物进行成分分析，分析结果显示腐蚀物内氟元素含量达2 5%，基材铜含量为52.5%，氧含量为17.7%，镀层金仅为2.2%。由于宇航产品对于抗辐照有着非常严格的指标要求，通常空间飞行器选用CXX系列交联乙烯-四氟乙烯导线用于带线连接器制作，其绝缘材料为辐照交联乙烯四氟乙烯共聚物，经辐照交联改性，能进一步提高绝缘材料的耐高温性能、耐开裂性能和耐辐照性能，耐辐照指标能达5X10rad(Si），但宇航用CXX系列交联乙烯四氟乙烯导线为含氟导线，因绝缘材料经过辐照加工，辐照过程中C-F分子键断裂，长时间在密闭空间中含氟绝缘导线内部聚合物分子链段会产生自由基，自由基与链段中的氟原子结合，生成氟化氢（H F）小分子，HF遇潮湿环境形成氢氟酸，而过量的氢氟酸会影响人体健康并对金属器件产生腐蚀 3-。(a)不带线(b)带线图10.2 8 mm弹性绞线插针表面形貌分析复查发现同类产品的氟腐蚀案例也曾发生过，将其在用户库房密闭包装条件下贮存6 年后的腐蚀程度与本文案例贮存半年的腐蚀程度进行比对，该次验证样品贮存半年的腐蚀程度比以往案例中存储6年的失效样品的腐蚀程度更厉害。本文案例中，带线连接器超微矩形电连接器0.28mm弹性绞线插针针头在密闭包装条件下贮存半年后发生了严重的氟腐蚀，同时不带线产品0.28mm弹性绞线插针虽无大面积黑色腐蚀物，但QUALITY AND RELIABILITY152023年第3 期总第2 2 5期产品质量管理针头塌陷、褶皱、不饱满，且个别针头存在发绿的点，综合分析认为本文案例在短时间内出现严重氟腐蚀的主要原因是由于该0.2 8 mm弹性绞线插针工艺性差，从而导致针头镀层质量不够致密，本身耐腐蚀能力不足，同时由于连接器包装未进行抽真空处理或开放气孔，含氟导线在贮存过程中释放的微量氟化物在潮湿环境下加速了产品腐蚀。2工艺改进和试验验证本文针对该质量问题，协同厂家在原传统弹性绞线插针制作工艺基础上，针对案例针头熔焊点塌陷、褶皱、不饱满等问题，从0.2 8 mm弹性绞线插针切断、熔焊工艺和电镀前处理两个方面进行工艺改进，提高超微矩形电连接器0.2 8 mm弹性绞线插针针头焊点质量，并进行了试验验证。2.1切断、熔焊工序合并原弹性绞线插针制作工艺为先机械切断后再进行激光熔焊，切断、熔焊为独立工序，线束机械切断后需经过再次装夹后才能进行激光熔焊，切断熔焊不同步，导致绞线线束切断端面变形、不齐，进而引起弹性绞线插针针头熔焊后焊点不饱满、表面不光滑。为消除0.2 8 mm弹性绞线插针二次装夹造成绞线线束切断端面变形、不齐，引起弹性绞线插针针头熔焊后焊点不饱满、表面不光滑，引入激光切割代替原机械切割，厂家对设备进行改造，合并激光切割、激光焊接工序，并根据焊接工艺需要将激光熔焊功率从0.4 kW0.8kW提高到2.1kW2.6kW。2.2引入情性气体保护切断、熔焊工序合并有效提高了针头熔焊点饱满度，但熔焊点周圈还存在较多针孔，经成分分析，孔内氧含量达6 7%，铜含量为19.7%，金含量仅6%。分析结果表明熔焊点周圈针孔内基本未覆盖金层，内部铜基材氧化严重，其原因主要是由于0.28mm弹性绞线插针尺寸更小，更容易受到激光切割、熔焊产生的高温影响，进而造成熔焊针头表面大面积氧化，导致后续工序难以对其彻底清洗，进而影响电镀质量。故此对切断、熔焊设备进行气密性改造，引人惰性气体氮气填充设备，在弹性绞线插针切断熔焊时进行保护，减少弹性绞线插针针头高温氧化程度。在弹性绞线插针切断熔焊时引人惰性气体保护QUALITY AND RELIABILITY162023年第3 期总第2 2 5期后加工的0.2 8 mm弹性绞线插针，其针头熔焊点表面高温氧化情况等到明显改善，但仍存在少量针眼未覆盖镀金层的情况。2.3增加镀前酸洗活化工序对切断、熔焊工艺改进后加工的0.2 8 mm弹性绞线插针按照原电镀工序进度电镀后，在针头周圈仍有少量针眼未覆盖金层，为避免0.2 8 mm弹性绞线插针耐环境能力受到影响，采取在进入原弹性绞线插针电镀工序之前，增加一道专门的酸洗活化工序，将所有待电镀的0.2 8 mm弹性绞线插针浸人20%稀硫酸中连续搅拌清洗6 0 min，通过强化酸洗活化工序加工的0.2 8 mm弹性绞线插针针头表面光滑，无针孔等细小瑕疵。2.4试验验证按照相关航天标准详细规范要求对改进工艺进行了相关敏感试验验证，抽取新工艺加工的0.28mm弹性绞线插针进行了金镀层耐蚀性、盐雾和交变湿热试验验证，试验及验证结果见表1。验证试验表明：（1）金镀层耐蚀性试验插针耐硝酸腐蚀能力从原状态的5min提升到17 min，满足宇标针头3 0 s要求；（2）盐雾试验直接抽取了裸针进行试验，试验条件比宇标规定插合连接器更严酷，且试验时间加倍，试验后采用扫描电子显微镜（SEM）对插针针头进行了检查，无腐蚀现象；（3）交变湿热试验直接抽取了裸针进行试验，试验条件比宇标规定插合连接器更严酷，试验后采用SEM对插针针头进行了检查，无腐蚀现象。表1试验验证项目及结果序号验证项目1金镀层耐蚀性针头3 0 s20只针头17 min插合连接裸针96 h,SEM2盐雾3交变湿热3工艺改进实施效果上述工艺改进后加工的0.2 8 mm弹性绞线插针改进效果如图2 所示，通过工序合并和工艺参数调整后加工的0.2 8 mm弹性绞线插针针头饱满度得到明显改善，在切断熔焊引入惰性气体保护后针头表面高温氧化情况得到明显抑制，镀前专门增加一道宇标要求样品试验结果22只器4 8 h插合连接22只器10 天SEM检查合格检查合格裸针10 天，产品质量管理酸洗活化工序后，针头表面质量在7 0 0 倍下检查无明显瑕疵。（a）只合并切断、熔焊工序(b）切断熔焊引入惰性气体保护（c）增加镀前酸洗活化工序图2 0.2 8 mm弹性绞线插针工艺改进效果采用改进工艺加工的0.2 8 mm弹性绞线插针针头熔焊点饱满、圆润光滑，无孔洞，镀层连续致密且光亮，针头形状及镀层质量明显提升；同时采用改进工艺加工的0.2 8 mm弹性绞线插针通过了金镀层耐蚀性、盐雾和交变湿热等试验验证，满足相关航天标准详细规范指标要求。同时根据氟腐蚀机理，针对宇航产品选用CXX系列交联乙烯四氟乙烯导线制作的带线连接器密闭贮存时会产生F腐蚀的问题，厂家对此类带线连接器产品的包装方式进行了优化，将原自封袋封口包装更改为真空包装，同时在真空袋内放置干燥剂，该包装方式避免了连接器在贮存过程中释放的HF小分子吸收水汽形成氢氟酸从而腐蚀金属的问题。采用改进工艺加工0.2 8 mm弹性绞线插针和对带线连接器进行真空包装后，再次加工验证样品并重新提交进行结构分析、极限评估、空间环境适应和装联适应性评价，各项试验结果均满足评价要求。4结束语本文对超微矩形电连接器宇航级认证过程中0.28mm弹性绞线插针氟腐蚀问题进行了分析，并针对腐蚀原因，对传统弹性绞线插针制作工艺从切断熔焊工序合并、引人惰性气体保护和电镀前处理3个方面进行了工艺改进，解决了0.2 8 mm弹性绞线插针针头熔焊点塌陷、褶皱、变形的问题，显著提升了针头表面镀层质量，同时将带线电连接器产品的包装更改为真空包装，保证了宇航用含氟导线制作带线电连接器的贮存可靠性。参考文献1周建新，罗杰国产微矩形电连接器发展研究 J.机电元件，2 0 13，3 3（4)：54-6 0.2张义，曹永泉.宇航用国产微矩形高速电连接器可靠性研究 J.机电元件，2 0 17，3 7（3)：3-12.3张永明，李虹，张恒.含氟功能材料 M.北京：化学工业出版社，2 0 0 8.4】王征，张义，焦美荣，等.空间站用线缆氟化物析出的影响因素研究 J.电子产品可靠性与环境试验，2 0 18，3 6（1)：8-13.5纪延磊，袁翠萍，王增辉，等.航天器舱内用含氟绝缘导线的宇航环境性能研究 .光纤与电缆及其应用技术，2 0 17（4）：3 7-4 1.QUALITY AND RELIABILITY2023年第3 期总第2 2 5期17