端子电镀基本知识2

2021年12月27日产品开发评论5153800字阅读模式

我们都知道端子需要镀层,否则端子会腐蚀,影响其电性能等。我们也知道银锡组合是可行的,但是金锡组合不行,金银组合也不行。本文线束工程师之家主要介绍端子电镀基本知识。

一.端子电镀的定义

电镀:是金属电沉积过程的一种,指简单金属离子或络离子通过电化学方法在固体(导体或半导体)表面上放电还原为金属原子附着于电极表面,从而获得一金属层的过程。

 

二.端子电镀的目的

电镀由改变固体表面特性从而改变外观,提高耐蚀性,抗磨性,增强硬度,提供特殊的光、电、磁、热等表面性质。

端子电镀基本知识2

三.端子电镀简介

大多数的电子连接器,端子都要作表面处理,一般即指电镀。有两个主要原因:一是保护端子簧片基材不受腐蚀;二是优化端子表面的性能,建立和保持端子间的接触界面,特别是膜层控制。换句话说,使之更容易实现金属对金属的接触。
防止腐蚀:

多数连接器簧片是铜合金制作的,通常会在使用环境中腐蚀,如氧化、硫化等。端子电镀就是让簧片与环境隔离,防止腐蚀的发生。电镀的材料,当然要是不会腐蚀的,至少在应用环境中如此。


表面优化:

端子表面性能的优化可以通过两种方式实现。一是在于连接器的设计,建立和保持一个稳定的端子接触界面。二是建立金属性的接触,要求在插入时,任何表面膜层是不存在的或会破裂。没有膜层和膜层破裂这两种形式的区别也就是贵金属电镀和非贵金属电镀的区别。


贵金属电镀,如金、钯、及其合金,是惰性的,本身没有膜层。因此,对于这些表面处理,金属性的接触是“自动的”。我们要考虑的是如何保持端子表面的“高贵”,不受外来因素,如污染、基材扩散、端子腐蚀等的影响。


非金属电镀,特别是锡和铅及其合金,覆盖了一层氧化膜,但在插入时,氧化膜很容易破裂,而建立了金属性的接触区域。

 

(1)贵金属端子电镀

贵金属端子电镀是指贵金属覆盖在底层表面,底层通常为镍。一般的连接器镀层厚度:15~50u金,50~100u镍。最常用的贵金属电镀有金、钯及其合金。


金是最理想的电镀材料,有优异的导电及导热性能。事实上在任何环境中都防腐蚀。由于这些优点,在要求高可靠性的应用场合的连接器中,主要的电镀是金,但金的成本很高。


钯也是贵金属,但与金相比有高的电阻、低的热传递和差的防腐蚀性,可是耐摩擦性有优势。一般采用钯镍合金(80~20)应用于连接器的接线柱中(POST)。

 

设计贵金属电镀时需要考虑以下事项:

a.多孔性

在电镀工艺中,金在众多暴露在表面的污点上成核。这些核继续增大而在表面展开,最后这些岛状物(孤立的物体)互相冲撞而完全覆盖了表面,形成多孔性的电镀表面。金镀层的多孔性与镀层厚度有一定的关系。在15u以下,多孔性迅速增加,50u以上,多孔性很低,实际降低的速率可以忽略。这就是为什么电镀的贵金属厚度通常在15~50u范围内的原因。多孔性和基材的缺陷,如包含物、叠层、冲压痕迹、冲压不正确的清洗、不正确的润滑等也有一定的关系。

 

b.磨损

端子电镀表面的磨损,也会造成基材暴露。电镀表面的磨损或寿命取决于表面处理的两种特性:摩擦系数和硬度。硬度增加,摩擦系数减少,表面处理的寿命会提高。电镀金通常为硬金,含有变硬的活化剂,其中Co(钴)是最常见的硬化剂,能提高金的耐磨损性。钯镍电镀的选择可大大提高贵金属镀层的耐摩性和寿命。一般在20~30u的钯镍合金上再覆盖3u的金镀层,既有良好的导电性,又有很高的耐磨性。另外,通常便用镍底层来进一步提高寿命。

 

c.镍底层

镍底层是贵金属电镀要考虑的首要因素,它提供了几项重要功能,确保端子接触界面的完整性。通过正面性的氧化物表面,镍提供了一层有效的隔离层,阻隔了基材和小孔,从而减少了小孔腐蚀的潜在的可能;并提供了位于贵金属电镀层之下的一层硬的支撑层,从而提高了镀层寿命。什么样的厚度合适呢?镍底层越厚,磨损越低,但从成本及控制表面的粗造度考虑,一般是择50~100u的厚度。

 

(2)非贵金属电镀

非贵金属电镀不同于贵金属之处在于它们总是有一定数量表面膜层。由于连接器的目的是提供和保持一个金属性的接触界面,这些膜层的存在必须要考虑到.一般来讲,对于非贵金属的电镀,正向力要求很高足以破坏膜层,进而保持端子接触界面的完整。擦洗作用对于含有膜层的端子表面显得也很重要。


端子电镀中有三种非金属表面处理:锡(锡铅合金)、银和镍。锡是最常用的,银对高电流有优越性,镍只限于应用于高温场合。


a. 锡表面处理

锡也指锡铅合金,特别是锡93-铅3的合金。

我们是从锡的氧化物膜层很容易被破坏的事实而提出使用锡的表面处理。锡镀层表面会覆盖一层硬的、薄的、易碎的氧化物膜。氧化膜下面是柔软的锡。当某种正向力作用于膜层时,锡的氧化物,由于很薄,不能承受这种负荷,而又因为它很脆,易碎而开裂。在这样的条件下,负载转移至锡层,由于又软又柔顺,在负载作下很容易流动。因为锡的流动,氧化物的开裂更宽了。通过裂缝和间隔层。锡挤压至表面提供金属接触。锡铅合金中铅的作用是减少锡须的产生。锡须是在应力作用下,锡的电镀物表面形成一层单晶体(锡须)。锡须会在端子间形成短路。增加2%或更多的铅即能减少锡须。还有一类比例的锡铅合金是锡:铅=60:40,接近于我们焊接的成份比例(63:37),主要用于要焊接的连接器中。但是最近有越来越多的法律要求在电子及电气产品中减少铅的含量,很多的电镀端子要求无铅电镀,主要有纯锡、锡/铜和锡/银电镀,可以通过在铜与锡层之间镀一层镍或使用不光滑的无光泽的锡表面减缓锡须的产生。

 

b.银表面电镀

银认为是非贵金属端子表面处理,因为它与硫、氯发生反应形成硫化膜。硫化膜是半导体,会形成“二极管”的特征。


银也是软的,与软金差不多。因为硫化物不容易被破坏,所以银不存在摩擦腐蚀。银有优异的导电及热传导性,在高电流下不会熔解,是用在高电流端子表面处理的极好的材料。

 

(3)端子润滑

对于不同的端子表面处理,润滑的作用是不同的,主要有两个功能:降低摩擦系数和提供环境隔离a.降低摩擦系数有两个效果:第一、降低连接器的插入力;第二、通过降低摩损提高连接器的寿命b.端子润滑能够通过形成“封闭层”阻止或延缓环境对接触界面的接触,而提供环境的隔离。一般来说,对于贵金属表面处理,端子润滑是用来降低摩擦系数,提高连接器的寿命。对于锡的表面处理,端子润滑是提供环境隔离,防止摩擦腐蚀。虽然在电镀的下一工序能够添加润滑剂,但它只是一种补充的操作。对于那些需要焊接到PCB板的连接器,焊接清洗可能失去了润滑剂。润滑剂粘灰尘,如果应用在有灰尘的环境中会导致电阻增大,寿命降低。最后,润滑剂的耐温度的能力也可能限制它的应用。

 

(4) 端子表面处理小结

贵金属电镀,假定覆盖在50u的镍底层上。
金是最常用材料,厚度取决于寿命要求,但可能受到多孔性冲击。
钯并不推荐使用于可焊接性保护场合
银对生锈和迁移敏感,主要用于电源连接器,通过润滑,银的寿命可显著改善
锡有好的环境稳定性,但必须保证机械稳定性.

 

四. 端子镀锡的10条铁律

锡或锡合金材料是优良的端子电镀材料之一,它成本相对便宜,接触电阻低,焊接性好,在相应使用环境中的性能也可以达到工程设计要求,是替代金和其他贵重金属的理想镀层材料。


下面是10条铁律,但是随着未知运用不断涌现,相信还有很多的规律等待大家发掘。

1. 使用镀锡材料就要保证公母端子对插后有较好的机械稳定性。

即振动环境中不建议使用镀锡材料端子。原因:振动环境下,端子金属材料差热膨胀系数differential thermalexpansion (DTE)不尽相同,容易产生微动腐蚀(微振腐蚀Fretting),一般端子会在10~200微米范围内往复摩擦导致镀层损坏,原材料暴露从而被氧化,致使接触电阻显著升高。

 

2.为了保持镀锡端子间稳定的接触,应该在端子上施加至少100克以上的正向压着力。

 

3.镀锡端子间需要辅助润滑。

原因:这是跟着上面第二条来的,端子正向压力大了,适当润滑是很有必要的,最好公母端都润滑,最少一端做润滑处理。

 

4.持续高温环不建议使用镀锡材料。原因:高温致使铜和锡之间产生金属间化合物加快,导致中间层变脆变硬,影响正常使用。建议加一层镀镍在中间,因为镍锡金属间化合物生长慢一些。

 

5.多种镀锡工艺不会对电气性能产生很大差异。比如镀亮锡比较美观;哑光锡(matte)要保持表面干净以至于不影响可焊性。黄铜镀锡应该加一层镍底,用来防止基材当中的锌流失,因为锌流失会导致可焊性下降。

 

6. 镀锡镀层厚度尽量在100~300微英寸。低于100大多会用到成本较低且对可焊性要求不高的产品上。

 

7.不建议镀锡和镀金端子配合使用。原因:因为这样做会更容易被氧化腐蚀。锡会转移到黄金表面,这最终会导致镀锡氧化物堆积在更坚硬的镀金基体上。在较硬的镀金物上破坏锡氧化物比直接从镀锡上穿过锡氧化物要困难得多。但是镀锡和镀银对配的微动摩擦状况和两端都镀锡的差不多。

 

8.镀锡端子互配时最好先对插两三次。这样做的目的是将镀锡层上面的氧化层去掉,实现可靠的金属间接触。即使是ZIF端子(零插入力端子)也建议这么做。

 

9.镀锡或镀锡合金端子不适合在电路频繁通断的场合中运用。锡材料熔点低,不适合在频繁通断场合,比如起电弧的触点地方使用。

 

10.镀锡端子适合在干燥电路和要求不是很高的情况下运用。

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