射頻同軸連接器與電纜組件的失效分析

一.引言

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子設(shè)備的應用范圍也日益廣泛，幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個部門，其中包括軍事、公安、通訊、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，所以電子設(shè)備的可靠性越來越引起人們的關(guān)心和重視。而接插件、繼電器等電接觸元件是電子設(shè)備中使用最多的元件之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，一臺電子計算機、雷達或一架飛機，其接點數(shù)都數(shù)以萬計，而電子設(shè)備的可靠性與所用元件的數(shù)量、質(zhì)量有著極為密切的關(guān)系。特別是在串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備中，任何一個元件、器件或節(jié)點的失效都有可能導致局部或各個系統(tǒng)的失效。本文側(cè)重對射頻同軸連接器、電纜組件的失效模式和機理進行了分析，并對如何提高其可靠性進行了較詳細的討論。

二.射頻同軸連接器、電纜組件的失效模式及機理

目前國內(nèi)、外使用的射頻同軸連接器的品種雖很多，但從連接類型來分主要有以下三種：

(1)螺紋連接型：如：APC-7、N、TNC、SMA、SMC、L27、L16、L12、L8、L6等射頻同軸連接器。這種連接形式的連接器具有可靠性高、屏蔽效果好等特點，所以應用也最為廣泛。

(2)卡口連接型：如：BNC、C、Q9、Q6等射頻同軸連接器。這種連接器具有連接方便、快捷等特點，也是國際上應用最早的射頻連接器連接形式。

(3)推入連接型：如：SMB、SSMB、MCX等，這種連接形式的連接器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、易于小型化等特點。

雖然連接器品種很多，但是從可靠性的角度來分析，許多問題是相同的。本文側(cè)重對目前應用最廣泛、品種最多螺紋連接型的射頻同軸連接器的失效模式和機理進行分析。根據(jù)我們十余年的實踐，常見的主要失效模式有以下幾種。

2.1連接失效

(1)連接螺母脫落

在日常生活中，部分用戶反映有時出現(xiàn)連接螺母脫落現(xiàn)象，致使影響正常工作，特別是小型連接器，如SMA、SMC、L6出現(xiàn)會更多些，經(jīng)我們分析大致有下列原因造成：

a.設(shè)計人員選材不當，為降低成本，誤用非彈性的黃銅座卡環(huán)材料，使螺母易脫落。

b.加工時，螺母安裝卡環(huán)的溝槽槽深不夠，所以連接時稍加力矩螺母即脫落。

c.雖然材料選擇正確，但工藝不穩(wěn)定，鈹青銅彈性處理未達到圖紙規(guī)定硬度值，卡環(huán)無彈性，導致螺母脫落。

d.使用人員在測試時，沒有力矩扳手，而使用普通扳手來擰緊螺母，使擰緊力矩大大超過軍標規(guī)定值，所以螺母(卡環(huán))遭到損壞而脫落。

　　(2)配對失誤

自改革開放以來，我國進口儀器不斷增多，經(jīng)常碰到用戶反映，他們把市場上買到的Q9的電纜頭誤認為是國際上通用的BNC電纜頭。因其形狀和BNC電纜頭完全一樣，只是尺寸稍有差別，所以與進口儀器BNC不能兼容，這些現(xiàn)象也屢見不鮮。

(3)內(nèi)導體松動或脫落

有些設(shè)計人員在內(nèi)導體介質(zhì)支撐處把內(nèi)導體分為兩體，然后用螺紋連接起來。但是對小型射頻同軸連接器而言，內(nèi)導體本身尺寸是Φ1～2mm，在內(nèi)導體上加工螺紋，若不在螺紋連接處涂以導電膠，那么內(nèi)導體連接強度是很差的。因此，當連接器在多次連接，在扭力和拉力長期作用下，內(nèi)導體螺紋松動、脫落，致使連接失效。

2.2反射失效

(1)反射增大

任何一種連接器都有一定的使用壽命。以SMA連接器為例，美軍標和我國軍標規(guī)定其壽命為500次。這是因為當連接器經(jīng)長期使用，反復插拔超過500次后，插針、插孔已造成不同程度的磨損，接觸已不是最佳狀態(tài)，所以在使用時，反射可能急劇增加。許多用戶較多的從經(jīng)濟角度考慮，把應報廢的連接器仍然使用。這種做法是不可取的。因為超過使用壽命的連接器性能已明顯下降，苦不及時更換新的連接器是難以保證測試精度和數(shù)據(jù)的可信度。

(2)開路

在以往的工作中發(fā)現(xiàn)個別用戶把N型50Ω插頭誤連到N型75Ω插座上。由于50Ω的插針直徑遠大于75Ω的插孔尺寸，致使插孔尺寸超過彈性極限，不能恢復到原來尺寸。別人再次使用發(fā)現(xiàn)開路，原來75Ω插座的插孔已損壞。

(3)短路

在過去我們測試密封連接器時，發(fā)現(xiàn)少數(shù)連接器電壓駐波比很大，個別的全反射。經(jīng)反復仔細檢查，此密封連接在焊接內(nèi)導體時，焊錫流到玻璃絕緣子表面，造成全部或局部短路，使性能不合格。

2.3電接觸失效

(1)插針、插孔不接觸

通常插孔零件材料應選用鈹青銅或錫磷青銅做成，但有極少數(shù)生產(chǎn)廠為降低成本用59-1黃銅作插孔，因而插拔一、兩次后插孔處于漲口狀態(tài)，當再次連接插針、插孔時根本不接觸。當然在我們工作中，即使都選用鈹青銅作彈性件，但是由于在工作中檢驗不嚴，將銑槽后未收口的個別零件混入收口合格零件中，進行彈性處理并鍍金，裝配時又未發(fā)現(xiàn)，所以導致連接時不接觸。直到測試時，才發(fā)現(xiàn)駐波很大，甚至全反射。經(jīng)仔細檢查，才發(fā)現(xiàn)將不合格插孔裝在產(chǎn)品中。

　　(2)接觸不良

接觸不良常常導致信號時有時無，電性能時好時壞，這種現(xiàn)象在連接器使用中時有發(fā)生。原因有三：

a.由于彈性處理時欠時效，零件硬度未達到圖紙要求，所以在多次插拔后彈性逐漸松弛，接觸壓力明顯下降，從而導致接觸不良。

b.發(fā)現(xiàn)少數(shù)批次有部分產(chǎn)品中插孔、插針超差，未達到圖紙規(guī)定。例如，插針直徑比圖紙規(guī)定小了一點或插孔雖然已收口，但未達到圖紙規(guī)定，尺寸略大了一些。當這種插針或插孔插合后，最容易產(chǎn)生接觸不良(雖有接觸力，但小于軍標規(guī)定值)。

c.插針、插孔使用時間過長，已嚴重磨損，這也是常見的現(xiàn)象。

(3)銹蝕

目前我國加工射頻同軸連接器的材料，內(nèi)導體大都采用銅合金加工后鍍金或鍍銀，極少數(shù)也有鍍鎳，外導體大都是采用銅合金加工后鍍鎳或鉻。與國外產(chǎn)品相比，我國產(chǎn)品大多數(shù)鍍純金，而國外鍍金合金，所以國內(nèi)產(chǎn)品耐磨性差，鎳層有時發(fā)現(xiàn)起皮、剝落等，也容易引起氧化，特別是國內(nèi)部分工廠為降低成本而采用導體鍍銀，又沒有涂有效的防護氧化層，所以鍍銀表面極易氧化發(fā)黑，尤其在惡劣環(huán)境下使用，更加速了內(nèi)、外導體表面嚴重氧化，導致接觸電阻、插損激增，電接觸失效。

2.4電纜組件的失效

電纜組件通常是由電纜連接器與高頻電纜兩部分組成，因此前面所討論的射頻同軸連接器的失效模式與機理同樣完全適合于電纜組件。但電纜組件失效模式和機理又有別于一般的連接器，即電纜與電纜連接器尾端連接部產(chǎn)生失效也將導致整個電纜組件的失效。由于電纜連接尾部結(jié)構(gòu)不同，其失效模式與機理也不同。目前國內(nèi)、外常見的電纜組件有下面三種結(jié)構(gòu)，即：

(1)螺母壓緊型:電纜連接器尾部與電纜屏蔽層采用螺母壓緊方式進行連接

(2)焊接型：電纜連接器尾端與電纜屏蔽層采用焊接方式進行連接

(3)壓接型：電纜連接器尾端與電纜屏蔽層采用專用壓接工具在強大的壓力作用下使金屬套筒產(chǎn)生較大的塑性變形和塑性流動與連接器外導體進行連接

綜上所述，我們根據(jù)十年來射頻同軸連接器及電纜組件研制、生產(chǎn)中常見的失效模式和機理進行了較詳細的分析討論。必須強調(diào)指出的是這些失效模式往往不是孤立的，而是相互間有密切聯(lián)系的。

　　若插針與插孔不接觸或接觸不良，不僅導致開路或接觸電阻激增，同時也會導致插入損耗激增和反射失效。所以實際上任何一種失效都有可能導致連接器和整個組件失效。

當然，除了上述失效模式外，還出現(xiàn)零件漏工序或尺寸錯差及產(chǎn)生誤裝、漏裝等一些偶然失效因子。例：不同電纜連接器有時內(nèi)導體尺寸、形狀完全相同，唯與電纜相配的孔徑尺寸略有不同，加工時把圖紙誤配，檢驗時疏忽漏檢，直到裝配電纜時發(fā)現(xiàn)內(nèi)導體孔徑與電纜內(nèi)導體尺寸不配而無法裝配。這些特殊的、非常見的失效因子，在此不再詳細討論。

三.狠抓設(shè)計、加工等環(huán)節(jié)，努力提高連接器的可靠性

眾所周知，高質(zhì)量、高可靠的電子產(chǎn)品，不僅是設(shè)計出來的，而且是制造出來的。正如MIL-STD-785B指出，可靠性工程任務(wù)的焦點應當集中在對可靠性設(shè)計的缺陷、薄弱環(huán)節(jié)及工藝缺陷的預防、檢測和糾正上。所以，只有狠抓設(shè)計、加工、使用等各個環(huán)節(jié)，才能不斷提高產(chǎn)品的可靠性。

3.1精心設(shè)計奠定了產(chǎn)品的可靠性

設(shè)計是可靠性的基礎(chǔ)。設(shè)計人員在設(shè)計時除保證連接器的電性能外，還應該同時考慮產(chǎn)品的可靠性，因為設(shè)計的缺陷對連接器的可靠性常常是帶有批次性的，只有及時改進設(shè)計缺陷，產(chǎn)品可靠性才能得到不斷提高。例：有一次在設(shè)計壓接電纜連接器時，由于缺乏經(jīng)驗，設(shè)計的壓接套筒與接頭尾部間隙偏大，因而產(chǎn)生壓接不足，抗拉力低，電纜組件使用了一段時間發(fā)現(xiàn)拉脫現(xiàn)象，這時立即分析原因，暫停裝配，及時調(diào)整間隙，重新設(shè)計、加工了新套筒。改進后的套筒再未發(fā)生拉脫現(xiàn)象，從而提高電纜組件的可靠性。因此，一個好設(shè)計人員，應善于及時研究和解決可靠性設(shè)計缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，把不可靠因素消滅在萌芽狀態(tài)。

3.2精心加工保證了產(chǎn)品的可靠性

誠然，設(shè)計是可靠性的基礎(chǔ)，那么精心加工同樣是非常重要的環(huán)節(jié)，因為如果加工不當，即使有了一個好的設(shè)計圖，同樣得不到高性能、高可靠的產(chǎn)品。

例如：幾年前曾經(jīng)加工過一小批SMA電纜連接器的插針，圖紙規(guī)定的尺寸為φ0.930-0.02結(jié)果誤加工成φ0.9800.02,檢驗時又漏檢，個別用戶裝成電纜組件后與被連的SMA插座聯(lián)接后把插針弄壞了找來，最后檢驗發(fā)現(xiàn)插針尺寸加大了。這樣的差錯雖偶有出現(xiàn)，但說明加工中加強對工藝缺陷的預防、檢測是何等的重要。對防止失效、提高連接器可靠性有著重要的意義。

3.3正確使用才能保持產(chǎn)品的可靠性

任何一個產(chǎn)品都有一個規(guī)定的壽命或額定的承載能力，即使一個可靠性高的產(chǎn)品，由于沒有正確使用或超過其額定的承載能力，同樣可變成“不可靠”。例如，部分用戶在連接連接器時，沒有用力矩扳手，而采用通常的固定扳手聯(lián)接，稍不注意力矩遠遠超過了額定破壞力矩值，致使連接器損壞，有些雖然未完全破壞，但是參考面產(chǎn)生嚴重變形而導致電性能大大下降。還有個別用戶在超過電壓額定值條件下使用，導致連接器介質(zhì)擊穿而失效。類似這樣的例子還有許多，在此不一一例舉。由此可以看到，即使是一個好產(chǎn)品，只有正確使用，才能避免人為失誤，保持產(chǎn)品的高可靠性。