張華

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

引言

HDMI， 高清晰度多媒體接口（ 英文：High Definition Multimedia Interface，簡(jiǎn)寫(xiě)HDMI）是一種數(shù)字化視頻／音頻接口技術(shù)，是適合影像傳輸?shù)膶４ㄐ蛿?shù)字化接口，可同時(shí)傳送音頻和影音信號(hào)．最高數(shù)據(jù)傳輸速度為5 Gbps。HDMI 高清座接頭是數(shù)字音視頻傳輸中不可或缺的組成部分，已成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的主流接口。

HDMI 連接器最初在2004年出現(xiàn)，能夠同時(shí)傳輸視頻與音頻信號(hào)，而且質(zhì)量很高。比起VGA 的模擬信號(hào)傳輸，HDMI 傳輸數(shù)字信號(hào)可提供質(zhì)量更好的圖像信號(hào)；比起DVI 僅傳輸視頻信號(hào)，HDMI 可以傳輸除視頻信號(hào)之外的音頻信號(hào)、字幕信號(hào)或其他的控制信號(hào)，被廣泛使用，現(xiàn)已成為主流的視聽(tīng)數(shù)字傳輸線，產(chǎn)品包括電視、電腦、無(wú)人機(jī)、云臺(tái)、VR 頭盔等。如其發(fā)生失效，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷、數(shù)據(jù)丟失，視聽(tīng)產(chǎn)品無(wú)法使用的情況，對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，研究HDMI 連接器部件的失效原因及失效機(jī)理，采取有效的改善措施，具有非常重要的意義。

本文通過(guò)對(duì)15 %存在接觸不良的HDMI 高清座樣品進(jìn)行失效分析，最終確定了該產(chǎn)品的失效根本原因，并為企業(yè)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。這對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的工藝改進(jìn)提供了有力證據(jù)支撐，有助于企業(yè)提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，同時(shí)也為企業(yè)后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，有助于企業(yè)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)工藝，不斷提升企業(yè)所生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性水平。通過(guò)本文的研究，我們可以看到失效分析手段在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和使用過(guò)程中的重要性，同時(shí)也突出體現(xiàn)了工藝改進(jìn)和質(zhì)量監(jiān)控在企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理中的重要性[1]。

1 失效樣品描述

企業(yè)送檢失效樣品為其所生產(chǎn)的一種HDMI 高清座母座，該產(chǎn)品可應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)、視頻傳輸及通信產(chǎn)品。

企業(yè)所送樣品為5 個(gè)，均為HDMI 高清座母座單體，沒(méi)有外殼。樣品具體情況如下：3#為上線前樣品，1#、2#、4#、5#為上線后從PCBA 上取下的爐后樣品，1#、4#、5#為不良品，2#為良品。具體樣品信息見(jiàn)表1。

表1 樣品信息表

2 確認(rèn)失效現(xiàn)象

為確認(rèn)導(dǎo)致失效樣品接觸不良的的故障原因，必須先確認(rèn)導(dǎo)致樣品失效的直接原因，樣品的故障原因是斷路和接觸不良。經(jīng)過(guò)導(dǎo)電回路分析測(cè)試，發(fā)現(xiàn)HDMI 高清座接觸不良的故障，是由于HDMI 高清座母座被污染，而導(dǎo)致連接器的接觸電阻過(guò)大所引起，且發(fā)現(xiàn)HDMI 高清座母座金手指表面粘染有黑色異物，初步懷疑是黑色異物導(dǎo)致接觸不良，引起通信、音視頻等數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)中斷的重要原因。

2.1 外觀檢查

失效位置初步確認(rèn)為HDMI 高清座母座金手指，顯微鏡發(fā)現(xiàn)，樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外觀觀察，樣品金手指的前端部分嵌入了高清母座的塑膠外殼里面。經(jīng)顯微鏡觀察，確認(rèn)1#～5#樣品金手指表面均粘染有灰黑色異物，1#、4#、5#不良樣品金手指表面黑色異物較多；另外，從外觀檢查的圖片中，可以發(fā)現(xiàn)，樣品金手指上有連接器插拔時(shí)所產(chǎn)生的摩擦痕跡。典型圖片見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 1#樣品金手指顯微鏡觀察圖片（100 X）

圖2 2#樣品金手指顯微鏡觀察圖片（150 X）

通過(guò)外觀檢查，可形成外觀檢查結(jié)果：

1）1#～5#樣品金手指上的異物為黑色物質(zhì)，可以初步判斷其為不良導(dǎo)電物質(zhì)；

2）1#～5#樣品金手指上都有黑色異物，1#、4#、5#不良樣品金手指表面黑色異物較多；

3）樣品金手指上，有接觸對(duì)經(jīng)過(guò)插拔后，留下的摩擦痕跡，且有黑色異物聚集在摩擦通道上面。

根據(jù)上述外觀檢查結(jié)果，下一步需要研究分析以下幾點(diǎn)：

1）用EDS 能譜分析黑色異物的成分分析，確認(rèn)其是否為非導(dǎo)電物質(zhì)，從而得到由于黑色物質(zhì)導(dǎo)致HDMI高清座接觸不良的可能性；

2）確認(rèn)黑色物質(zhì)的來(lái)源。異物可能來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品其它材料以及使用過(guò)程中引入或產(chǎn)生的物質(zhì)；需要采集產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的可能相關(guān)物質(zhì)、產(chǎn)品本身構(gòu)成材料等分別進(jìn)行外觀及成分分析，根據(jù)各物質(zhì)分析結(jié)果，進(jìn)行研究比較分析，確認(rèn)黑色異物的來(lái)源。

3）確認(rèn)如果是黑色物質(zhì)導(dǎo)致接觸故障，則需要根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，為企業(yè)有針對(duì)性的提出改進(jìn)建議，避免產(chǎn)品相同故障的再次發(fā)生。

2.2 電鏡及能譜分析

對(duì)1#～5#樣品進(jìn)行電鏡及能譜分析，發(fā)現(xiàn)在樣品金手指表面的黑色異物為不導(dǎo)電物質(zhì)，且均集中分布在連接器插拔的行程路線上，如果接觸對(duì)觸點(diǎn)剛好位于黑色物質(zhì)上或黑色物質(zhì)附近區(qū)域，這將會(huì)導(dǎo)致接觸斷路或者接觸不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致產(chǎn)品連接器接觸不良，產(chǎn)生連接失效，數(shù)據(jù)傳輸中斷等故障。樣品電鏡及能譜分析的典型圖片見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 1#樣品金手指表面電鏡圖

圖4 3#樣品金手指表面電鏡圖

根據(jù)顯微鏡觀察現(xiàn)象及掃描電鏡觀察圖片，樣品金手指前端的塑料件有被摩擦破壞的現(xiàn)象，且黑色異物大量存在于接觸對(duì)摩擦痕跡上，有理由懷疑樣品金手指表面異物為連接器插拔時(shí)，樣品金手指前端塑膠被刮蹭下來(lái)的碎屑[2]。為確認(rèn)上述推斷是否準(zhǔn)確，我們使用SME/EDS 分別對(duì)1#、4#、5#樣品和2#、3#樣品金手指表面黑色異物和樣品金手指前端塑膠表面進(jìn)行成分分析比對(duì)。

樣品金手指表面異物和樣品金手指前端塑膠表面成分經(jīng)EDS 分析比對(duì)，其所含元素種類和每種元素比重接近，去除基材物質(zhì)的影響，基本可以判定黑色異物和樣品金手指前端的塑料為同類物質(zhì)[3-5]。典型分析數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5～7。

圖5 樣品金手指前端塑膠表面能譜圖（15 kV/Mass%）

另外，為了進(jìn)一步排查黑色異物是否可能來(lái)自于生產(chǎn)過(guò)程中，我們還通過(guò)電鏡及能譜，對(duì)樣品生產(chǎn)過(guò)程中用到的錫膏和助焊劑進(jìn)行了成分分析。

為了保證測(cè)試結(jié)果的可比性，我們將助焊劑直接滴到樣品金手指上，模擬可能由于生產(chǎn)過(guò)程中的工藝問(wèn)題導(dǎo)致助焊劑污染樣品金手指表面的情況，然后對(duì)樣品金手指上的助焊劑進(jìn)行成分分析。

比較分析黑色異物、錫膏和助焊劑的能譜分析結(jié)果，可以排除黑色異物來(lái)源于樣品生產(chǎn)過(guò)程中所使用錫膏和助焊劑的可能。黑色異物能譜分析圖片見(jiàn)圖6 和圖7，錫膏和助焊劑的能譜分析分別見(jiàn)圖8 和圖9。

圖6 樣品金手指表面異物表面能譜圖（15 kV/Mass%）

圖7 樣品金手指表面異物表面能譜圖（15 kV/Mass%）

圖8 錫膏表面能譜圖（15 kV/Mass%）

圖9 金手指表面的助焊劑表面能譜圖（15 kV/Mass%）

3 分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)失效樣品黑色異物、產(chǎn)品塑膠、生產(chǎn)中所用錫膏和助焊劑等各種材料試驗(yàn)分析的結(jié)果，結(jié)合產(chǎn)品失效位置外觀檢查及失效產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析。我們可以得到的分析結(jié)論是：1#、4#、5# HDMI 高清座母座金手指表面異物均為金手指前端的塑膠碎屑。這些碎屑是由于母座金手指前端的塑膠在插拔過(guò)程中被公頭金手指摩擦刮蹭而產(chǎn)生的。這些刮蹭下來(lái)的塑膠碎屑會(huì)被公頭金手指推動(dòng)和碾壓粘附在母座金手指表面而形成塑膠膜，從而導(dǎo)致HDMI 高清座母座與公頭金手指的接觸不良。

4 改進(jìn)建議

為避免上述失效情況，我們給企業(yè)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議：改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，取消HDMI 高清座母座金手指前端包膠設(shè)計(jì)，避免由于連接器插拔，導(dǎo)致公頭金手指與母座金手指前端的包膠摩擦脫落而產(chǎn)生的塑膠碎屑。具體改進(jìn)位置標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)圖10。并且提醒企業(yè)根據(jù)相關(guān)建議，排查改善類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，提升企業(yè)產(chǎn)品整體可靠性水平。

圖10 改善建議圖示

生產(chǎn)企業(yè)接受了我們的改進(jìn)建議，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)接觸端子的包膠設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，規(guī)避了由于接插插拔，接觸摩擦，致器件本身非導(dǎo)電材料脫落，刮擦至接觸對(duì)接觸區(qū)域，而引起接觸對(duì)接觸不良的失效現(xiàn)象。

企業(yè)也舉一反三，對(duì)其所生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行了相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的排查，企業(yè)所生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率有了較大的提升，產(chǎn)品可靠性水平整體提升，產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率和競(jìng)爭(zhēng)力也得到了提升，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)HDMI 高清座接觸不良的故障，我們通過(guò)外觀檢查和EDS 分析進(jìn)行了確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)失效原因是樣品金手指包膠摩擦脫落導(dǎo)致的接觸不良，屬于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，我們?yōu)樯a(chǎn)企業(yè)提出了改善建議，建議企業(yè)優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制作工藝，加強(qiáng)產(chǎn)品檢驗(yàn)等措施。企業(yè)通過(guò)相關(guān)改善措施的實(shí)施，所生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率得到了顯著提高，產(chǎn)品可靠性質(zhì)量得到了客戶的認(rèn)可。我們將繼續(xù)為企業(yè)提供高品質(zhì)的技術(shù)支持和服務(wù)，并幫助企業(yè)不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。