赵昊，莫富尧，董武广，傅小敏

（中国电子产品可靠性与环境试验研究所，广东广州，510610）

0 引言

X射线自被发现以来，以其非破坏性检测的优势，在医疗诊断、资源勘探、工业检测中发挥着重要作用[1]。近十几年来，由X射线成像原理发展而来的三维CT在分辨率、测试速度、成像等方面快速进步，已经广泛应用在电子科学、微纳制造、新材料等领域[2]。

目前，连接器正向着结构复杂化、材料多样化、尺寸微小化发展[3,4]，而三维CT正以其无损、快速、精确的测试分析能力，填补传统光学测试以及无损探伤等测试方法的不足，逐渐成为连接器测试分析的重要技术手段。

本文对X射线无损检测基本原理和三维CT工作原理进行了概述，并探讨了三维CT在复杂连接器结构分析、连接器原位状态检测以及连接器失效定位方面的应用。

1 三维CT技术概述

X射线具有极强的穿透能力，在其穿透物体时会发生吸收和散射，如果样品的结构和材质不同，则穿过其中的X射线由于吸收和散射所产生的衰减程度也不同，那么通过检测穿透样品的X射线强度和分布来检测样品结构和材质，这就是X射线无损检测的基本原理。

三维CT的工作原理如图1所示。样品固定于样品台上，与X射线源呈一定的偏角度。样品台匀速旋转，X射线就匀速照射样品。检测器接收透过样品的X射线并将其转化为电信号，电信号经过二次转化成为二维图像。计算机软件算法将所有的二维图像重构成样品的三维图像[5]。

图1 三维CT工作原理示意图

近年来，随着微焦点射线源、非晶硅面阵列探测器、高精度机械扫描装置、三维重构图像算法等相关技术的突破，三维CT同时具备了快速测试、高分辨率、低失真等优异特性，可以快速准确获取样品信息，逐渐成为工业无损检测的一大利器，在产品设计改进、产线监测、失效分析方面具备巨大的应用潜力[6]。

2 三维CT在连接器中的应用

2.1 复杂连接器结构分析

传统电子系统中，模块单元之间最常见的互联方式主要有电缆连接、钎焊、表贴焊接、球栅阵列焊接等方式。随着电子系统的小型号、高密度化、信号高频化的要求，毛纽扣以其可立体组装、集成度高、易拆卸、抗振动、电性能稳定优良等优点，在射频微波电路等系统中得到了广泛应用。

毛纽扣是由细金属丝按照一定工艺编织、缠绕、压制成型的一种弹性连接器，为保证毛纽扣的高频性能优异，其内部金属丝就必须随机分配；同时，毛纽扣金属丝的填充密度过小，会导致其电阻值剧烈变化，一般其填充密度为25%。因此，为保证优良性能，毛纽扣金属丝要均匀且填充密度一致[7]。

毛纽扣金属丝的空间位置分布非常复杂，随机无序，且结构尺寸小，普通的光学显微镜在非破坏形式下难以观测毛纽扣金属丝的空间分布。而三维CT不仅可以对结构进行三维重构，而且还能对任意界面进行观测，用以评估毛纽扣金属的空间分布均匀性和填充密度。图2所示，为毛纽扣的横向、竖向和纵向截面图像及三维重构图像。图3为三维重构图像的横向和纵向截面图像。显微CT图像易识别，分辨率达到微米级，并且内部结构可成像，不仅可以用来检测毛纽扣的生产合格率，还可以将金属丝的空间信息反馈给设计端，改进缠绕等生产工艺参数，提升产品质量水平。

图2 毛纽扣三维CT图像

图3 毛纽扣截面三维CT重构图像

2.2 连接器原位状态检测

连接器的连接状态直接决定了电接触的可靠性和稳定性。过往，连接器的状态主要是通过电测和插拔力试验，测试连接器的各连接端的通断情况以及连接器的插拔力大小。传统的测试方法无法从物理结构上直接对连接器状态进行表征，如果对其进行拆解或者固封制样，可能会破坏其状态，后续无法开展原位测试。而借助三维CT，可以对连接器内部结构进行无损原位表征，分析判断连接器状态。

某矩形连接器在使用过程中发现某些插针电连接不稳定，时断时续，振动环境下尤为明显。对图4所示的连接器截面1进行三维CT测试，其E1、E2针脚的三维CT图像如图5所示。图5(a)中可以观测到，针脚E2的插针深度比E1小，有明显的缩针现象，而缩针会导致连接器针脚接触不牢固，振动环境下插针会窜动和晃动，与插孔发生相对运动，引起电接触的不稳定。图5(b)是(a)的放大图，图中E1的棘爪完全卡住了插针的接触偶，插针插孔完全接触，连接状态良好且稳定。而E2的插针接触偶未与插孔的接触偶连接，造成该针脚接触电阻大，或者短路；并且E2的插针未被棘爪卡死，容易造成接触的不稳定。

图4 连接器正面图

图5 连接器针脚三维CT图像

图6 连接器针脚三维重构图像

对连接器针脚的原位状态进行三维重构，如图6所示。从重构图中可以更加直观地看出，E2插针的接触偶没有完全插入插孔中，插孔的棘爪未卡住插针的接触偶。对比旁边的针脚，E2针脚处于不稳定状态。

2.3 连接器失效定位

连接器在各类系统中广泛应用，并且是这些系统的可靠性薄弱环节。据统计，目前各种系统故障的70%是由元器件失效引起的，而这些失效中40%是连接器的失效[8]。因此，对连接器开展失效分析，是规避元器件风险、提升系统可靠性的重要手段。

失效定位是开展失效分析的第一步，关乎后续分析工作的准确性和有效性。目前常用的连接器失效定位技术包括有电学测试、显微形貌分析、显微结构分析、微区成分分析等，其中显微结构分析是快速判断失效位置，鉴别裂纹、空洞等失效机理的重要手段。三维CT以其高分辨率、无损原位测试、三维图像重构等优点，正在逐渐成为失效定位的最有利的技术手段，尤其是在复杂结构连接器的失效定位与分析方面。

某连接器出现失效，经过电测试后发现其失效模式为1号引脚阻值大，达到兆欧级，甚至开路，如图7。为对1号引脚失效快速定位，通过三维CT对该连接器进行三维结构重构，如图8所示。根据图8，1号引脚与内部电感的连接处出现断裂，该处即为连接器1号引脚电阻增大失效位置。

图7 连接器外部形貌图

图8 连接器三维重构图

图9 连接器1号引脚侧面图

为进一步确认失效位置、分析失效机理，对1号引脚的侧面进行成像，如图9所示，可以看到1号引脚引线断裂形貌。

如图10所示，断裂失效发生在引脚引线根部，靠近固定焊点的位置，该位置为引线弯曲应力集中部位，是引线的可靠性薄弱环节。

图10 连接器1号引脚引线断裂图

3 总结

（1）三维CT在复杂连接器的空间位置分布、结构形状、材质分布等结构分析上具备传统测试方法无法比拟的优势。（2）三维CT无需进行破坏性样品处理，就可以对连接器状态进行原位测试。（3）三维CT是连接器的失效快速定位、失效形貌与失效机理分析的重要技术手段。