USB连接器作为绝大多数智能手机的充电接口被广泛地应用在市场之中,但在其使用过程中,出现了越来越多烧蚀的故障现象。研究烧蚀故障的机理,并建立合理的检测评估方法对不同的连接器产品进行检测和评估,从而选取可靠性较优的USB连接器以减小市场烧蚀故障率,具有重要的理论和实际意义。

主要分为两部分内容;

一方面是针对于USB烧蚀的故障现象,对失效样品进行检测与分析,结合故障树推断烧蚀的失效机理,并进行实验验证,进而研究导致烧蚀的主要影响因素及各因素的作用特性。

另一方面,基于USB烧蚀机理的研究,建立包含主要影响因素的加速检测系统,使其能够在较短的时间内,对不同厂家的USB产品的抗烧蚀可靠性进行区分,研究合理的统计分析方法对USB产品的性能进行评估。研究发现,烧蚀失效USB触点表面被尘土污染,VBUS触点阴离子含量高,存在大量Cu、Ni的腐蚀物,烧蚀集中在VBUS触点周围的绝缘材料上。其失效机理为一定的环境条件下,USB触点和绝缘材料表面吸附水膜,而大气中可溶性盐的沉积在水膜中形成电解液。手机充电造成正负极之间表面水分的电解和电解液中阴阳离子的定向运动,VBUS触点上表面镀Au层与中间层Ni和基底Cu之间发生原电池腐蚀,Ni和Cu的腐蚀产物造成接触电阻升高,形成较大的焦耳热,充电时手机内部散热环境较差,触点附近的温度迅速升高致使VBUS周边的绝缘材料烧蚀,经过烧蚀复现实验验证了此机理。

通过故障树分析和各因素作用特性实验研究,得到环境湿度、可溶性盐污染、电应力、磨损、温度是导致USB烧蚀失效的5个主要影响因素,其中温度和湿度是电化学反应的必备条件,通过正交实验极差分析确定了其它三个因素的影响排序依次为盐污染、电应力、磨损。温湿度是电化学腐蚀发生的基础条件,湿度越大越容易发生腐蚀。可溶性盐会与铜或镍等金属发生反应生成腐蚀物,腐蚀越严重,接触电阻越高。电压使污染物中的阴阳离子定向运动,致使腐蚀集中在VBUS附近发生,电压越大,腐蚀速度越快。插拔破坏了表面的镀金层,磨损越严重,越容易发生腐蚀。本文根据5个因素的作用特性建立了多因素复合作用的加速检测方法,对A、B、C三种型号USB的抗烧蚀可靠性进行了检测,对实验前后接触电阻值增量的分布进行估计,并验证其服从二参数的威布尔分布。以威布尔分布的特征值为主要评估依据,结合USB触点镀金层厚度和累积失效率评估USB产品抗烧蚀可靠性。三种方法的评估结论一致,均为A优于B优于C,证明了结论的可靠性与检测评估方法的可行性。