射頻同軸連接器的失效原因分析及可靠性提高方法

射頻同軸連接器作為無源器件的一個重要組成部分，具有良好的寬帶傳輸特性及多種方便的連接方式，因而被廣泛應(yīng)用于測試儀器、武器系統(tǒng)、通訊設(shè)備等產(chǎn) 品當(dāng)中。由于射頻同軸連接器的應(yīng)用幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，其可靠性也越來越引起人們的關(guān)心和重視。本文針對射頻同軸連接器失效模式進(jìn)行了分析，并 就如何提高其可靠性進(jìn)行了討論。

射頻同軸連接器的品種雖然很多，但無論是螺紋連接型如：N型、SMA、3.5mm，卡口連接型如：BNC、 C，還是推入連接型如：SMB、SSMB、MCX其連接原理大體相同。下面以N型連接器為例，就其失效形式及提高可靠性的方法展開分析。圖0-1是N型連 接器的結(jié)構(gòu)示意圖。

N 型連接器對連接好后，連接器對的外導(dǎo)體接觸面(電氣和機(jī)械基準(zhǔn)面)依靠螺紋的拉力相互頂緊，從而實現(xiàn)較小的接觸電阻(<5mΩ)。插針內(nèi)導(dǎo)體的插針部分插 入插孔內(nèi)導(dǎo)體的孔內(nèi)，并通過插孔壁的彈性保持兩個內(nèi)導(dǎo)體在插孔內(nèi)導(dǎo)體的口部良好的電接觸(接觸電阻<3mΩ)。此時插針內(nèi)導(dǎo)體的臺階面與插孔內(nèi)導(dǎo)體 端面并未頂緊，而是留有<0.1mm的間隙，這個間隙對同軸連接器的電氣性能和可靠性有重要影響。N型連接器對的理想連接狀態(tài)可歸納為以下幾點：外 導(dǎo)體的良好接觸、內(nèi)導(dǎo)體的良好接觸、介質(zhì)支撐對內(nèi)導(dǎo)體的良好支撐、螺紋拉力的正確傳遞。以上連接狀態(tài)一旦發(fā)生改變將導(dǎo)致連接器的失效。下面我們就從這幾個 要點入手，對連接器的失效原理進(jìn)行分析，從而找到提高連接器可靠性的正確途徑。

1、外導(dǎo)體的不良接觸導(dǎo)致的失效

為 保證電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，外導(dǎo)體接觸面之間的力一般都很大。以N型連接器為例，當(dāng)螺套的擰緊力矩Mt為標(biāo)準(zhǔn)的135N.cm時，由公式 Mt=KP0×10-3N.m(K為擰緊力矩系數(shù)，此處取K=0.12)，可以計算出外導(dǎo)體受到的軸向壓力P0可達(dá)712N，如果外導(dǎo)體的強(qiáng)度較差，就有 可能造成外導(dǎo)體連接端面磨損嚴(yán)重甚至變形潰縮。例如SMA連接器陽頭外導(dǎo)體連接端面的壁厚較薄，僅0.25mm，所用材料多為黃銅，強(qiáng)度較弱，連接力矩稍 大，連接端面就可能被過度擠壓產(chǎn)生變形，損壞內(nèi)導(dǎo)體或介質(zhì)支撐;且連接器外導(dǎo)體的表面通常都有鍍層，較大的接觸力會破壞掉連接端面的鍍層，導(dǎo)致外導(dǎo)體之間 的接觸電阻增大，連接器電氣性能下降。另外如果射頻同軸連接器的使用環(huán)境比較惡劣，一段時間后，外導(dǎo)體的連接端面上就會沉積一層灰塵，這層灰塵使外導(dǎo)體之 間的接觸電阻激增，連接器的插入損耗變大，電氣性能指標(biāo)下降。

改進(jìn)措施：要避免連接端面變形或過度磨損導(dǎo)致外導(dǎo)體不良接觸，一方面我們可以 選用強(qiáng)度更高的材料來加工外導(dǎo)體，如青銅或不銹鋼;另一方面也可以加大外導(dǎo)體連接端面的壁厚，以增加接觸面積，這樣在施加同樣連接力矩的情況下，外導(dǎo)體連 接端面單位面積上的壓力就會減小。如一種改進(jìn)型的SMA同軸連接器(美國SOUTHWEST公司的SuperSMA)，其介質(zhì)支撐的外徑由普通SMA的 Φ4.1mm減小為Φ3.9mm,外導(dǎo)體連接面的壁厚相應(yīng)增大為0.35mm，機(jī)械強(qiáng)度提高，從而增強(qiáng)了連接的可靠性。在存放和使用連接器時要保持外導(dǎo)體 連接端面的清潔，如上面有灰塵，可用酒精棉球擦洗干凈。需要注意的是擦洗時應(yīng)避免酒精浸到介質(zhì)支撐上，且要等酒精揮發(fā)完畢后才能使用連接器，否則會因為酒 精的混入，引起連接器的阻抗改變。

2、內(nèi)導(dǎo)體的不良接觸導(dǎo)致的失效

相對于外導(dǎo)體，尺寸較小，強(qiáng)度較差的內(nèi)導(dǎo)體更容易造成接觸不良而導(dǎo)致連接器失效。

內(nèi)導(dǎo)體之間多采用彈性連接方式，如插孔開槽式彈性連接、彈簧爪式彈性連接，波紋管式彈性連接等。其中插孔開槽式彈性連接結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低廉，裝配方便，應(yīng)用范圍最為廣泛。因而本文也將以此為例進(jìn)行分析。

2.1、內(nèi)導(dǎo)體固定不牢

為了裝配需要，在很多同軸連接器(如N型，3.5mm)中常采用圖2-1所示的結(jié)構(gòu)：內(nèi)導(dǎo)體被在介質(zhì)支撐處分為兩截，然后用螺紋連接起來。

但 是由于內(nèi)導(dǎo)體直徑較小，裝配時若不在螺紋連接處涂膠加以固定，那么內(nèi)導(dǎo)體連接強(qiáng)度是很差的，尤其是一些小型射頻同軸連接器，如1.85mm同軸連接器內(nèi)導(dǎo) 體的直徑僅為Φ0.804mm，其強(qiáng)度可想而知。因此，當(dāng)連接器在多次連接、斷開，在扭力和拉力長期作用下，內(nèi)導(dǎo)體螺紋可能就會松動、脫落，致使連接失 效。

圖 2-2也是同軸連接器常用的結(jié)構(gòu)之一(如SMA)：內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)支撐以及外導(dǎo)體依靠膠粘劑固定在一起。這種結(jié)構(gòu)如果在裝配時涂膠量不夠或膠的連接強(qiáng)度不 夠，那么在使用過程中，涂膠處因受力可能發(fā)生斷裂，就會造成內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動或者軸向竄動，內(nèi)導(dǎo)體之間不能形成良好的電接觸，連接失效。 改進(jìn)措施：對于圖2-2結(jié)構(gòu)的同軸連接器裝配時可在螺紋連接處涂適量的導(dǎo)電膠或螺紋鎖固劑以增加螺紋連接的可靠性。而對于圖2-3結(jié)構(gòu)，要選用粘結(jié)強(qiáng)度較 高的膠粘劑，且涂膠時一定要保證膠充滿整個涂膠孔;在內(nèi)導(dǎo)體涂膠處滾花，增加內(nèi)導(dǎo)體與膠粘劑的接觸面積，防止內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動;適當(dāng)調(diào)整內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、介質(zhì)支 撐的徑向尺寸及公差，使內(nèi)導(dǎo)體與介質(zhì)支撐、介質(zhì)支撐與外導(dǎo)體之間的配合為過盈配合，也可使三者裝配在一起更加牢固。

2.2、內(nèi)導(dǎo)體的插孔尺寸或插針尺寸不正確

如 果插孔內(nèi)導(dǎo)體孔徑小于規(guī)定尺寸，那么當(dāng)插針內(nèi)導(dǎo)體的插針進(jìn)入插孔時就會使得插孔過度擴(kuò)張，形變量超出其彈性形變范圍，產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致插孔內(nèi)導(dǎo)體損壞; 相反，如果插針直徑過小，當(dāng)插針和插孔配合時，插針與插孔壁之間的間隙過大，兩內(nèi)導(dǎo)體不能緊密接觸，接觸電阻變大，連接器的電氣性能指標(biāo)會很差。

改 進(jìn)措施：插孔和插針的配合是否合理，我們可以利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)插針和插孔內(nèi)導(dǎo)體配合時的插入力和保持力的大小來進(jìn)行衡量。如對于N型連接器，直徑 Φ1.6760+0.005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)插針與插孔配合時的插入力應(yīng)≤9N，而直徑Φ1.6000-0.005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)插針和插孔內(nèi)導(dǎo)體配合時的保持力 ≥0.56N。因此我們可以以插入力和保持力作為一個檢驗標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)整插孔和插針的尺寸和公差，以及插孔內(nèi)導(dǎo)體的時效處理工藝，使插針與插孔之間的插入 力和保持力處于一個合適的范圍。

2.3、插孔內(nèi)導(dǎo)體彈性差

造成插孔內(nèi)導(dǎo)體彈性差的原因主要有兩個方面，一是插孔內(nèi)導(dǎo)體開槽部分設(shè)計或加工不合理，二是插孔內(nèi)導(dǎo)體時效處理不當(dāng)。

2.3.1 插孔內(nèi)導(dǎo)體開槽部分設(shè)計或加工不合理

除了材料本身的彈性，插孔部分的開槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計和加工也是影響插孔內(nèi)導(dǎo)體彈性的一個重要原因。

(1) 開槽長度：如果開槽長度過長，插針內(nèi)導(dǎo)體與插孔內(nèi)導(dǎo)體配合時二者之間的接觸力變小，就可能會導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體之間接觸不良;開槽長度過短，插針與插孔之間的接觸 力和插入力太大，造成內(nèi)導(dǎo)體磨損加劇，甚至導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體或介質(zhì)支撐變形或損壞，且插孔部分的疲勞強(qiáng)度降低，連接器的壽命也會縮短。

(2)開槽寬度：適當(dāng)增加開槽的寬度可以增大插孔和插針之間的接觸力，但隨著槽寬的增加，在圓周上插孔與插針的接觸面積減少，加劇了傳輸線的不連續(xù)性，影響電氣性能。

(3)開槽個數(shù)：開槽個數(shù)越多，單瓣插孔壁上的分?jǐn)偟牧υ叫?，能有效的減輕插孔和插針配合時對內(nèi)導(dǎo)體表面的磨損，但同樣也會減少插孔與插針的接觸面積，加劇傳輸線的不連續(xù)性。

(4)如果插孔內(nèi)壁留有加工槽時產(chǎn)生的毛刺，會導(dǎo)致連接時插孔內(nèi)壁不能完全和插針良好接觸。改進(jìn)措施：合理設(shè)計插孔內(nèi)導(dǎo)體開槽長度、開槽寬度以及開槽個數(shù);而在加工插孔上的槽時要將插孔內(nèi)的毛刺清除干凈。

2.3.2 插孔內(nèi)導(dǎo)體時效處理不當(dāng)

如果插孔內(nèi)導(dǎo)體在進(jìn)行時效強(qiáng)化處理時沒能很好的控制溫度區(qū)間或時效時間，致使其硬度達(dá)不到設(shè)計值，在多次插拔后收口逐漸松弛，接觸壓力明顯下降，從而導(dǎo)致接觸不良。

改進(jìn)措施：根據(jù)材料本身的特性結(jié)合實際經(jīng)驗，制定出合理的時效處理工藝，生產(chǎn)時嚴(yán)格執(zhí)行按工藝進(jìn)行操作。

2.4、內(nèi)導(dǎo)體表面鍍層脫落或磨損造成接觸不良

為 保證傳輸信號質(zhì)量，一般內(nèi)導(dǎo)體表面都有金鍍層。如果鍍層結(jié)合力不良，在多次的插拔之后，內(nèi)導(dǎo)體表面的鍍層會產(chǎn)生起泡、甚至剝落，造成連接時插孔和插針內(nèi)導(dǎo) 體接觸不良，連接器的電氣性能指標(biāo)變差。而反復(fù)的插拔也會導(dǎo)致鍍層磨損，表面質(zhì)量下降。由于信號傳輸時的肌膚效應(yīng)，連接器傳輸信號的頻率越高，內(nèi)導(dǎo)體表面 鍍層對電氣性能的影響就越大。

改進(jìn)措施：控制鍍層質(zhì)量，保證鍍層與基體的結(jié)合力;鍍硬金合金以提高其耐磨性。 2.5、內(nèi)導(dǎo)體各部分結(jié)構(gòu)的同軸度超差造成接觸不良

內(nèi) 導(dǎo)體屬于典型的細(xì)長軸類零件，由于刀具的切削力、材料的不均勻性以及加工設(shè)備的精度等原因，加工時內(nèi)導(dǎo)體會不可避免的產(chǎn)生變形，從而造成插針內(nèi)導(dǎo)體插針部 分與內(nèi)導(dǎo)體外圓不同軸，或者插孔內(nèi)導(dǎo)體的插孔與其外圓不同軸。如果內(nèi)導(dǎo)體的各部分結(jié)構(gòu)的不同軸，那么在連接時插孔內(nèi)導(dǎo)體與插針內(nèi)導(dǎo)體之間就會產(chǎn)生一個徑向 的擠壓力，若擠壓力過大會導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體或介質(zhì)支撐變形，甚至插孔壁斷裂。

改進(jìn)措施：加工時合理選擇切削量，或使用精度相對更高一些的設(shè)備(如縱切車床)以保證內(nèi)導(dǎo)體合適的同軸度。

3、介質(zhì)支撐不能良好的支撐內(nèi)導(dǎo)體導(dǎo)致的失效

介 質(zhì)支撐作為同軸連接器的一個組成部分，起著支撐內(nèi)導(dǎo)體、保證內(nèi)外導(dǎo)體之間的相對位置關(guān)系等重要作用。其材料的機(jī)械強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)、損耗因數(shù)、 吸水率等特性對連接器的性能都有著重要的影響。足夠的機(jī)械強(qiáng)度是對介質(zhì)支撐最基本的要求，在連接器的使用過程中介質(zhì)支撐要承擔(dān)來自內(nèi)導(dǎo)體軸向的壓力，如果 介質(zhì)支撐的機(jī)械強(qiáng)度太差，在互連時就會產(chǎn)生變形甚至損傷;而如果材料的熱膨脹系數(shù)過大，當(dāng)溫度變化程度較大時，介質(zhì)支撐就可能會過度膨脹或收縮變形，造成 內(nèi)導(dǎo)體松動、脫落，或與外導(dǎo)體不同軸，同時還會引起連接器端口尺寸的改變。而吸水率、介電常數(shù)、損耗因數(shù)則影響連接器的插入損耗、反射系數(shù)等電氣性能。

改進(jìn)措施：根據(jù)連接器的使用環(huán)境、工作頻率范圍等結(jié)合材料的特性，選擇合適的材料來加工介質(zhì)支撐。

4、螺紋拉力不能傳遞到外導(dǎo)體導(dǎo)致的失效

這種失效最常見的表現(xiàn)形式是螺套脫落，導(dǎo)致螺套脫落的原因主要為：螺套結(jié)構(gòu)設(shè)計或加工不合理以及卡環(huán)彈性差。

4.1、螺套結(jié)構(gòu)設(shè)計或加工不合理

4.1.1 螺套卡環(huán)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計或加工不合理

(1)卡環(huán)槽槽深太深或太淺;

(2)槽底部不清角;

(3)倒角過大。

4.1.2 螺套卡環(huán)槽軸向或徑向壁厚太薄

4.2、卡環(huán)彈性差

4.2.1卡環(huán)徑向厚度設(shè)計不合理

4.2.2卡環(huán)時效強(qiáng)化不合理

4.2.3卡環(huán)選材不當(dāng)

4.2.4卡環(huán)外圓倒角過大由于這種失效形式在很多文章中都有詳細(xì)闡述，這里不再進(jìn)行展開分析。

5、結(jié)束語

限于篇幅，本文僅以N型同軸連接器為例，對應(yīng)用范圍較為廣泛的螺紋連接型射頻同軸連接器的幾種失效模式進(jìn)行了分析。不同連接方式也會導(dǎo)致不同失效形式，只有深入分析每種失效模式所對應(yīng)的機(jī)理，才有可能找到提高其可靠性的改進(jìn)方法，進(jìn)而促進(jìn)射頻同軸連接器的發(fā)展。