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如何提高射频连接器的可靠性
- 发布日期 : 2019-01-04 17:00
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随着科学技术的迅猛发展，电子设备的应用范围也日益广泛，几乎渗透到国民经济的各个部门，其中包括军事、公安、通讯、医疗等各个领域，所以电子设备的可靠性越来越引起人们的关心和重视。而接插件、继电器等电接触元件是电子设备中使用最多的元件之一。据不完全统计，一台电子计算机、雷达或一架飞机，其接点数都数以万计，而电子设备的可靠性与所用元件的数量、质量有着极为密切的关系。特别是在串联结构的电子设备中，任何一个元件、器件或节点的失效都有可能导致局部或各个系统的失效。本文侧重对射频同轴连接器、电缆组件的失效模式和机理进行了分析，并对如何提高其可靠性进行了较详细的讨论。
二。射频同轴连接器、电缆组件的失效模式及机理
目前国内、外使用的射频同轴连接器的品种虽很多，但从连接类型来分主要有以下三种：
（1）螺纹连接型：如：APC-7、N、TNC、SMA、SMC、L27、L16、L12、L8、L6等射频同轴连接器。这种连接形式的连接器具有可靠性高、屏蔽效果好等特点，所以应用也最为广泛。
（2）卡口连接型：如：BNC、C、Q9、Q6等射频同轴连接器。这种连接器具有连接方便、快捷等特点，也是国际上应用最早的射频连接器连接形式。
（3）推入连接型：如：SMB、SSMB、MCX等，这种连接形式的连接器具有结构简单、紧凑、体积小、易于小型化等特点。
虽然连接器品种很多，但是从可靠性的角度来分析，许多问题是相同的。本文侧重对目前应用最广泛、品种最多螺纹连接型的射频同轴连接器的失效模式和机理进行分析。根据我们十余年的实践，常见的主要失效模式有以下几种。
2.1连接失效
（1）连接螺母脱落
在日常生活中，部分用户反映有时出现连接螺母脱落现象，致使影响正常工作，特别是小型连接器，如SMA、SMC、L6出现会更多些，经我们分析大致有下列原因造成：
a.设计人员选材不当，为降低成本，误用非弹性的黄铜座卡环材料，使螺母易脱落。
b.加工时，螺母安装卡环的沟槽槽深不够，所以连接时稍加力矩螺母即脱落。
c.虽然材料选择正确，但工艺不稳定，铍青铜弹性处理未达到图纸规定硬度值，卡环无弹性，导致螺母脱落。
d.使用人员在测试时，没有力矩扳手，而使用普通扳手来拧紧螺母，使拧紧力矩大大超过军标规定值，所以螺母（卡环）遭到损坏而脱落。
（2）配对失误
自改革开放以来，我国进口仪器不断增多，经常碰到用户反映，他们把市场上买到的Q9的电缆头误认为是国际上通用的BNC电缆头。因其形状和BNC电缆头完全一样，只是尺寸稍有差别，所以与进口仪器BNC不能兼容，这些现象也屡见不鲜。
（3）内导体松动或脱落
有些设计人员在内导体介质支撑处把内导体分为两体，然后用螺纹连接起来。但是对小型射频同轴连接器而言，内导体本身尺寸是Φ1～2mm，在内导体上加工螺纹，若不在螺纹连接处涂以导电胶，那么内导体连接强度是很差的。因此，当连接器在多次连接，在扭力和拉力长期作用下，内导体螺纹松动、脱落，致使连接失效。
2.2反射失效
（1）反射增大
任何一种连接器都有一定的使用寿命。以SMA连接器为例，美军标和我国军标规定其寿命为500次。这是因为当连接器经长期使用，反复插拔超过500次后，插针、插孔已造成不同程度的磨损，接触已不是最佳状态，所以在使用时，反射可能急剧增加。许多用户较多的从经济角度考虑，把应报废的连接器仍然使用。这种做法是不可取的。因为超过使用寿命的连接器性能已明显下降，苦不及时更换新的连接器是难以保证测试精度和数据的可信度。
（2）开路
在以往的工作中发现个别用户把N型50Ω插头误连到N型75Ω插座上。由于50Ω的插针直径远大于75Ω的插孔尺寸，致使插孔尺寸超过弹性极限，不能恢复到原来尺寸。别人再次使用发现开路，原来75Ω插座的插孔已损坏。
（3）短路
在过去我们测试密封连接器时，发现少数连接器电压驻波比很大，个别的全反射。经反复仔细检查，此密封连接在焊接内导体时，焊锡流到玻璃绝缘子表面，造成全部或局部短路，使性能不合格。
2.3电接触失效
（1）插针、插孔不接触
通常插孔零件材料应选用铍青铜或锡磷青铜做成，但有极少数生产厂为降低成本用59-1黄铜作插孔，因而插拔一、两次后插孔处于涨口状态，当再次连接插针、插孔时根本不接触。当然在我们工作中，即使都选用铍青铜作弹性件，但是由于在工作中检验不严，将铣槽后未收口的个别零件混入收口合格零件中，进行弹性处理并镀金，装配时又未发现，所以导致连接时不接触。直到测试时，才发现驻波很大，甚至全反射。经仔细检查，才发现将不合格插孔装在产品中。
（2）接触不良
接触不良常常导致信号时有时无，电性能时好时坏，这种现象在连接器使用中时有发生。原因有三：
a.由于弹性处理时欠时效，零件硬度未达到图纸要求，所以在多次插拔后弹性逐渐松弛，接触压力明显下降，从而导致接触不良。
b.发现少数批次有部分产品中插孔、插针超差，未达到图纸规定。例如，插针直径比图纸规定小了一点或插孔虽然已收口，但未达到图纸规定，尺寸略大了一些。当这种插针或插孔插合后，最容易产生接触不良（虽有接触力，但小于军标规定值）。
c.插针、插孔使用时间过长，已严重磨损，这也是常见的现象。
（3）锈蚀
目前我国加工射频同轴连接器的材料，内导体大都采用铜合金加工后镀金或镀银，极少数也有镀镍，外导体大都是采用铜合金加工后镀镍或铬。与国外产品相比，我国产品大多数镀纯金，而国外镀金合金，所以国内产品耐磨性差，镍层有时发现起皮、剥落等，也容易引起氧化，特别是国内部分工厂为降低成本而采用导体镀银，又没有涂有效的防护氧化层，所以镀银表面极易氧化发黑，尤其在恶劣环境下使用，更加速了内、外导体表面严重氧化，导致接触电阻、插损激增，电接触失效。
2.4电缆组件的失效
电缆组件通常是由电缆连接器与高频电缆两部分组成，因此前面所讨论的射频同轴连接器的失效模式与机理同样完全适合于电缆组件。但电缆组件失效模式和机理又有别于一般的连接器，即电缆与电缆连接器尾端连接部产生失效也将导致整个电缆组件的失效。由于电缆连接尾部结构不同，其失效模式与机理也不同。目前国内、外常见的电缆组件有下面三种结构，即：
（1）螺母压紧型：电缆连接器尾部与电缆屏蔽层采用螺母压紧方式进行连接
（2）焊接型：电缆连接器尾端与电缆屏蔽层采用焊接方式进行连接
（3）压接型：电缆连接器尾端与电缆屏蔽层采用专用压接工具在强大的压力作用下使金属套筒产生较大的塑性变形和塑性流动与连接器外导体进行连接
综上所述，我们根据十年来射频同轴连接器及电缆组件研制、生产中常见的失效模式和机理进行了较详细的分析讨论。必须强调指出的是这些失效模式往往不是孤立的，而是相互间有密切联系的。
若插针与插孔不接触或接触不良，不仅导致开路或接触电阻激增，同时也会导致插入损耗激增和反射失效。所以实际上任何一种失效都有可能导致连接器和整个组件失效。
当然，除了上述失效模式外，还出现零件漏工序或尺寸错差及产生误装、漏装等一些偶然失效因子。例：不同电缆连接器有时内导体尺寸、形状完全相同，唯与电缆相配的孔径尺寸略有不同，加工时把图纸误配，检验时疏忽漏检，直到装配电缆时发现内导体孔径与电缆内导体尺寸不配而无法装配。这些特殊的、非常见的失效因子，在此不再详细讨论。
三。狠抓设计、加工等环节，努力提高连接器的可靠性
众所周知，高质量、高可靠的电子产品，不仅是设计出来的，而且是制造出来的。正如MIL-STD-785B指出，可靠性工程任务的焦点应当集中在对可靠性设计的缺陷、薄弱环节及工艺缺陷的预防、检测和纠正上。所以，只有狠抓设计、加工、使用等各个环节，才能不断提高产品的可靠性。
3.1精心设计奠定了产品的可靠性
设计是可靠性的基础。设计人员在设计时除保证连接器的电性能外，还应该同时考虑产品的可靠性，因为设计的缺陷对连接器的可靠性常常是带有批次性的，只有及时改进设计缺陷，产品可靠性才能得到不断提高。例：有一次在设计压接电缆连接器时，由于缺乏经验，设计的压接套筒与接头尾部间隙偏大，因而产生压接不足，抗拉力低，电缆组件使用了一段时间发现拉脱现象，这时立即分析原因，暂停装配，及时调整间隙，重新设计、加工了新套筒。改进后的套筒再未发生拉脱现象，从而提高电缆组件的可靠性。因此，一个好设计人员，应善于及时研究和解决可靠性设计缺陷和薄弱环节，把不可靠因素消灭在萌芽状态。
3.2精心加工保证了产品的可靠性
诚然，设计是可靠性的基础，那么精心加工同样是非常重要的环节，因为如果加工不当，即使有了一个好的设计图，同样得不到高性能、高可靠的产品。
例如：几年前曾经加工过一小批SMA电缆连接器的插针，图纸规定的尺寸为φ0.930-0.02结果误加工成φ0.9800.02，检验时又漏检，个别用户装成电缆组件后与被连的SMA插座联接后把插针弄坏了找来，最后检验发现插针尺寸加大了。这样的差错虽偶有出现，但说明加工中加强对工艺缺陷的预防、检测是何等的重要。对防止失效、提高连接器可靠性有着重要的意义。
3.3正确使用才能保持产品的可靠性
任何一个产品都有一个规定的寿命或额定的承载能力，即使一个可靠性高的产品，由于没有正确使用或超过其额定的承载能力，同样可变成“不可靠”。例如，部分用户在连接连接器时，没有用力矩扳手，而采用通常的固定扳手联接，稍不注意力矩远远超过了额定破坏力矩值，致使连接器损坏，有些虽然未完全破坏，但是参考面产生严重变形而导致电性能大大下降。还有个别用户在超过电压额定值条件下使用，导致连接器介质击穿而失效。类似这样的例子还有许多，在此不一一例举。由此可以看到，即使是一个好产品，只有正确使用，才能避免人为失误，保持产品的高可靠性。
目前国内、外使用的射频同轴连接器的品种虽很多，但从连接类型来分主要有以下三种：
（1）螺纹连接型：如：APC-7、N、TNC、SMA、SMC、L27、L16、L12、L8、L6等射频同轴连接器。这种连接形式的连接器具有可靠性高、屏蔽效果好等特点，所以应用也最为广泛。
（2）卡口连接型：如：BNC、C、Q9、Q6等射频同轴连接器。这种连接器具有连接方便、快捷等特点，也是国际上应用最早的射频连接器连接形式。
（3）推入连接型：如：SMB、SSMB、MCX等，这种连接形式的连接器具有结构简单、紧凑、体积小、易于小型化等特点。
虽然连接器品种很多，但是从可靠性的角度来分析，许多问题是相同的。本文侧重对目前应用最广泛、品种最多螺纹连接型的射频同轴连接器的失效模式和机理进行分析。根据我们十余年的实践，常见的主要失效模式有以下几种。
2.1连接失效
（1）连接螺母脱落
在日常生活中，部分用户反映有时出现连接螺母脱落现象，致使影响正常工作，特别是小型连接器，如SMA、SMC、L6出现会更多些，经我们分析大致有下列原因造成：
a.设计人员选材不当，为降低成本，误用非弹性的黄铜座卡环材料，使螺母易脱落。
b.加工时，螺母安装卡环的沟槽槽深不够，所以连接时稍加力矩螺母即脱落。
c.虽然材料选择正确，但工艺不稳定，铍青铜弹性处理未达到图纸规定硬度值，卡环无弹性，导致螺母脱落。
d.使用人员在测试时，没有力矩扳手，而使用普通扳手来拧紧螺母，使拧紧力矩大大超过军标规定值，所以螺母（卡环）遭到损坏而脱落。
（2）配对失误
自改革开放以来，我国进口仪器不断增多，经常碰到用户反映，他们把市场上买到的Q9的电缆头误认为是国际上通用的BNC电缆头。因其形状和BNC电缆头完全一样，只是尺寸稍有差别，所以与进口仪器BNC不能兼容，这些现象也屡见不鲜。
（3）内导体松动或脱落
有些设计人员在内导体介质支撑处把内导体分为两体，然后用螺纹连接起来。但是对小型射频同轴连接器而言，内导体本身尺寸是Φ1～2mm，在内导体上加工螺纹，若不在螺纹连接处涂以导电胶，那么内导体连接强度是很差的。因此，当连接器在多次连接，在扭力和拉力长期作用下，内导体螺纹松动、脱落，致使连接失效。
2.2反射失效
（1）反射增大
任何一种连接器都有一定的使用寿命。以SMA连接器为例，美军标和我国军标规定其寿命为500次。这是因为当连接器经长期使用，反复插拔超过500次后，插针、插孔已造成不同程度的磨损，接触已不是最佳状态，所以在使用时，反射可能急剧增加。许多用户较多的从经济角度考虑，把应报废的连接器仍然使用。这种做法是不可取的。因为超过使用寿命的连接器性能已明显下降，苦不及时更换新的连接器是难以保证测试精度和数据的可信度。
（2）开路
在以往的工作中发现个别用户把N型50Ω插头误连到N型75Ω插座上。由于50Ω的插针直径远大于75Ω的插孔尺寸，致使插孔尺寸超过弹性极限，不能恢复到原来尺寸。别人再次使用发现开路，原来75Ω插座的插孔已损坏。
（3）短路
在过去我们测试密封连接器时，发现少数连接器电压驻波比很大，个别的全反射。经反复仔细检查，此密封连接在焊接内导体时，焊锡流到玻璃绝缘子表面，造成全部或局部短路，使性能不合格。
2.3电接触失效
（1）插针、插孔不接触
通常插孔零件材料应选用铍青铜或锡磷青铜做成，但有极少数生产厂为降低成本用59-1黄铜作插孔，因而插拔一、两次后插孔处于涨口状态，当再次连接插针、插孔时根本不接触。当然在我们工作中，即使都选用铍青铜作弹性件，但是由于在工作中检验不严，将铣槽后未收口的个别零件混入收口合格零件中，进行弹性处理并镀金，装配时又未发现，所以导致连接时不接触。直到测试时，才发现驻波很大，甚至全反射。经仔细检查，才发现将不合格插孔装在产品中。
（2）接触不良
接触不良常常导致信号时有时无，电性能时好时坏，这种现象在连接器使用中时有发生。原因有三：
a.由于弹性处理时欠时效，零件硬度未达到图纸要求，所以在多次插拔后弹性逐渐松弛，接触压力明显下降，从而导致接触不良。
b.发现少数批次有部分产品中插孔、插针超差，未达到图纸规定。例如，插针直径比图纸规定小了一点或插孔虽然已收口，但未达到图纸规定，尺寸略大了一些。当这种插针或插孔插合后，最容易产生接触不良（虽有接触力，但小于军标规定值）。
c.插针、插孔使用时间过长，已严重磨损，这也是常见的现象。
（3）锈蚀
目前我国加工射频同轴连接器的材料，内导体大都采用铜合金加工后镀金或镀银，极少数也有镀镍，外导体大都是采用铜合金加工后镀镍或铬。与国外产品相比，我国产品大多数镀纯金，而国外镀金合金，所以国内产品耐磨性差，镍层有时发现起皮、剥落等，也容易引起氧化，特别是国内部分工厂为降低成本而采用导体镀银，又没有涂有效的防护氧化层，所以镀银表面极易氧化发黑，尤其在恶劣环境下使用，更加速了内、外导体表面严重氧化，导致接触电阻、插损激增，电接触失效。
2.4电缆组件的失效
电缆组件通常是由电缆连接器与高频电缆两部分组成，因此前面所讨论的射频同轴连接器的失效模式与机理同样完全适合于电缆组件。但电缆组件失效模式和机理又有别于一般的连接器，即电缆与电缆连接器尾端连接部产生失效也将导致整个电缆组件的失效。由于电缆连接尾部结构不同，其失效模式与机理也不同。目前国内、外常见的电缆组件有下面三种结构，即：
（1）螺母压紧型：电缆连接器尾部与电缆屏蔽层采用螺母压紧方式进行连接
（2）焊接型：电缆连接器尾端与电缆屏蔽层采用焊接方式进行连接
（3）压接型：电缆连接器尾端与电缆屏蔽层采用专用压接工具在强大的压力作用下使金属套筒产生较大的塑性变形和塑性流动与连接器外导体进行连接
综上所述，我们根据十年来射频同轴连接器及电缆组件研制、生产中常见的失效模式和机理进行了较详细的分析讨论。必须强调指出的是这些失效模式往往不是孤立的，而是相互间有密切联系的。
若插针与插孔不接触或接触不良，不仅导致开路或接触电阻激增，同时也会导致插入损耗激增和反射失效。所以实际上任何一种失效都有可能导致连接器和整个组件失效。
当然，除了上述失效模式外，还出现零件漏工序或尺寸错差及产生误装、漏装等一些偶然失效因子。例：不同电缆连接器有时内导体尺寸、形状完全相同，唯与电缆相配的孔径尺寸略有不同，加工时把图纸误配，检验时疏忽漏检，直到装配电缆时发现内导体孔径与电缆内导体尺寸不配而无法装配。这些特殊的、非常见的失效因子，在此不再详细讨论。
三。狠抓设计、加工等环节，努力提高连接器的可靠性
众所周知，高质量、高可靠的电子产品，不仅是设计出来的，而且是制造出来的。正如MIL-STD-785B指出，可靠性工程任务的焦点应当集中在对可靠性设计的缺陷、薄弱环节及工艺缺陷的预防、检测和纠正上。所以，只有狠抓设计、加工、使用等各个环节，才能不断提高产品的可靠性。
3.1精心设计奠定了产品的可靠性
设计是可靠性的基础。设计人员在设计时除保证连接器的电性能外，还应该同时考虑产品的可靠性，因为设计的缺陷对连接器的可靠性常常是带有批次性的，只有及时改进设计缺陷，产品可靠性才能得到不断提高。例：有一次在设计压接电缆连接器时，由于缺乏经验，设计的压接套筒与接头尾部间隙偏大，因而产生压接不足，抗拉力低，电缆组件使用了一段时间发现拉脱现象，这时立即分析原因，暂停装配，及时调整间隙，重新设计、加工了新套筒。改进后的套筒再未发生拉脱现象，从而提高电缆组件的可靠性。因此，一个好设计人员，应善于及时研究和解决可靠性设计缺陷和薄弱环节，把不可靠因素消灭在萌芽状态。
3.2精心加工保证了产品的可靠性
诚然，设计是可靠性的基础，那么精心加工同样是非常重要的环节，因为如果加工不当，即使有了一个好的设计图，同样得不到高性能、高可靠的产品。
例如：几年前曾经加工过一小批SMA电缆连接器的插针，图纸规定的尺寸为φ0.930-0.02结果误加工成φ0.9800.02，检验时又漏检，个别用户装成电缆组件后与被连的SMA插座联接后把插针弄坏了找来，最后检验发现插针尺寸加大了。这样的差错虽偶有出现，但说明加工中加强对工艺缺陷的预防、检测是何等的重要。对防止失效、提高连接器可靠性有着重要的意义。
3.3正确使用才能保持产品的可靠性
任何一个产品都有一个规定的寿命或额定的承载能力，即使一个可靠性高的产品，由于没有正确使用或超过其额定的承载能力，同样可变成“不可靠”。例如，部分用户在连接连接器时，没有用力矩扳手，而采用通常的固定扳手联接，稍不注意力矩远远超过了额定破坏力矩值，致使连接器损坏，有些虽然未完全破坏，但是参考面产生严重变形而导致电性能大大下降。还有个别用户在超过电压额定值条件下使用，导致连接器介质击穿而失效。类似这样的例子还有许多，在此不一一例举。由此可以看到，即使是一个好产品，只有正确使用，才能避免人为失误，保持产品的高可靠性。
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