热替换条件下电连接器软钎焊焊点的应力演变行为及失效机理研究

The failure analysis and reliability research of solder joints will be developed for laser soldering technology in electric connector. For the complex stress distribution and hot replacement function, the solder joint failure mechanism has not been definite. In this project, the electric-thermal-stress multi-physics model will be developed from the laser soldering process and static plugging analysis, the laser energy mechanism, resistance change law and soldering residual stress were quantitatively described. Furthermore, the solder stress evolution law would be researched under thermal cycle, Fretting Wear, vibration aging and hot plugging force in the hot replacement process. The coupling failure model will be established and modified to predict the solder joints fatigue life combined thermodynamic theory and multiple stress accelerated life test under periodic inspection . The research results will guide the electric connector laser soldering technology and improve the solder joints reliability, which will also enrich the failure theory of welding structure and expand the application of the laser welding technology.

针对电连接器激光软钎焊技术这一新工艺新方法，开展焊点的失效分析及可靠性研究。由于电连接器工作环境应力较为复杂，通常支持热替换功能，并采用了激光软钎焊技术，焊点的失效机制尚不明确。本项目从激光钎焊过程及静态插合两方面出发，搭建连接器电-热-力多物理场耦合模型，对激光能量作用机制、电阻变化规律及焊接残余应力与变形进行定量描述；进一步研究多次热替换条件下焊点在电阻热循环、微动磨损、振动时效和插拔冲击力作用下的应力演变规律，并结合热力学统计理论和基于定时测试的综合应力加速寿命实验，建立并修正焊点的耦合失效模型，对焊点的热替换疲劳寿命进行预测，结果将用于指导电连接器激光焊接工艺、提高焊接可靠性水平。项目成果也将丰富焊接结构强度与失效理论，拓展激光焊接应用范围，具有重要的理论意义与工程应用价值。

电连接器作为航天、汽车和电子产品中电信号传输、电路连接、机械连接和实现特定功能的重要配套元件，数量庞大、地位重要。相对于其它电子元器件而言，电连接器因其固有的热插拔特性导致失效机理较为复杂，机械故障因素突出，为保证产品的长期高效工作，拓展电连接器加工与生产的技术领域，必须解决一系列有关电连接器耦合失效和可靠性的科学问题。.针对电连接器激光软钎焊技术这一新工艺新方法，开展焊点的失效分析及可靠性研究。从激光钎焊过程及静态插合两方面出发，搭建了连接器电-热-力多物理场耦合模型，定量描述了激光能量作用机制、电阻变化规律及焊接残余应力与变形；进一步研究了多次热替换条件下焊点在电阻热循环、微动磨损、振动时效和插拔冲击力作用下的应力演变规律，并结合热力学统计理论和基于定时测试的综合应力加速寿命实验，建立并修正了焊点的耦合失效模型，对焊点的热替换疲劳寿命进行了预测。.重要研究成果包括：①搭建了电连接器激光软钎焊实验平台，可用于AWG 24-36线规的连接器线板连接实验，确定了相关焊接工艺参数，激光微焊点静态悬挂力不小于40N，悬挂时间不小于1min，其他力学和电学性能指标满足EIA-364-52标准；②建立了电连接器激光钎焊（热-力耦合）、焊点功耗（电-热耦合）、插拔热应力（电-热-力耦合）及振动模态分析等仿真模型，结果表明，连接器焊后残余应力分布极不均匀，在焊点、焊盘和同轴线缆位置均产生较大应力集中，1A工作电流下微焊点温升可达50℃以上（与电流密度密切相关），且多次热插拔后接触对出现较大的接触电阻、变形和位移。③结合综合应力加速寿命实验和数值仿真，建立了微焊点损伤模型，估算了热替换过程的疲劳寿命。与传统的热流、波峰焊接技术相比，采用激光软钎焊技术可有效提高其机械可靠性，焊点寿命在8000次以上。.项目研究成果可用于指导电连接器激光焊接工艺、提高焊接可靠性水平。项目成果也将丰富焊接结构强度与失效理论，解决制约电连接器焊接效率及可靠性提高的关键和共性问题，扩展激光焊接的应用范围，具有重要的理论意义和工程应用价值。