连接器设计手册(第三章)—接触镀层

2020年11月30日 评论 325 24734字

大多数电连接器使用接触镀层的原因有两个。首先保护接触弹片的基材金属不受腐蚀,其次是优化接触界面的性质,尤其是连接器的机械和电气性能。

首先应考虑腐蚀防护。大多数电连接器接触弹片是由铜合金制成,而铜合金在典型的电连接器工作环境中容易受到腐蚀,如氧化和硫化。实际上,接触镀层是用来封闭接触弹片与工作环境隔开以防止铜的腐蚀。当然,镀层材料在其工作环境里必须不被损害(至少在有害的范围内)。作为腐蚀防护重要功能的同时,优化界面是选择合适的接触镀层材料的考虑因素。

与机械性能有关的参数主要是影响镀层的耐久性、或磨损,以及配合力的因素。正如第二章所提到的,事实上这些要考虑的因素,是在相同基本效果下的两种不同的看法,即多点接触界面在相对运动过程中冷焊连接的分离。最重要的机械性能包括硬度,延展性和镀层材料的摩擦系数。所有这些性质要依镀层材料的内在性质及其所运用的工作过程而定。

电气性能的优化可从如下方面考虑,即对已经存在和即将形成的位于接触镀层表面薄膜的控制。如第一章讨论的,电连接器电气性能的一个主要需求是建立和维持稳定的连接器阻抗。为达到这个目的,需要一个金属接触界面以提供这样的固有稳定性。建立这样的接触界面需要表面薄膜能在接触配合的时候避开或分裂。这两种不同的选择明确了贵金属或稀有金属和普通金属之间的区别。

在不同程度上,贵金属镀层(如金,钯以及它们的合金)其本质对表面薄膜来说是游离的。对这些镀层来说产生界面的金属接触相对较简单,因为它仅仅需要接触表面的伴随物在配合时的移动。通常这很容易实现。为维持接触界面阻抗的稳定性,连接器设计要求应注意保持接触表面贵金属性以防止外在因素如污染物、基材金属的扩散以及接触磨损的影响。以上每个因素都将加以详细讨论。

普通金属镀层—特别是是锡或锡合金—其表面都自然覆盖有一层氧化薄膜。锡接触镀层的利用,是因为这层氧化物容易在配合时候被破坏,这样金属接触就容易被建立起来。电连接器设计的需求是能保证氧化膜在连接器配合时破裂,而在电连接器的有效期内确保接触界面不再被氧化。再氧化腐蚀,在磨损腐蚀中,是锡接触镀层最主要的性能退化机理。银接触镀层最好被当作是普通金属镀层,因为该镀层容易受到硫化物和氯化物的腐蚀。由于氧化物的形成通常也把镍镀层当作是普通金属。

本章将讨论接触镀层材料和电连接器的选择标准。在讨论材料之前先按次序讨论一下采用接触镀层的主要方法。

3.1镀层方法

有几种方法在接触镀层中得以运用。主要有三种技术:

.电镀(electrodeposition)
.喷镀(cladding)
.热浸(hot dipping)

3.1.1电镀

电镀是在连接器制造中,在接触弹片上加以镀层有最为广泛的使用方法。这里仅对其基本过程作一简要描述。更为详细的讨论可见于Durney和 Reid以及 Goldie的论述中。

典型的电镀单元如图3.1所描述。电镀是电镀液中的金属离子沉积到阴极(本图中是接触弹片),其中金属离子可来自电镀液中的可溶性阳极,以补充沉积到阴极上的金属离子。在这个简单的单元中,沉积电镀过程主要是由溶液的化学作用和阴极表面的电流分布来控制。

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原则上电镀过程的现象描述是非常简单的。镀层材料如金,沉积在底层基本金属不同的点上并且在电镀过程中在镀层的表面渐渐加厚。达到一定厚度时,镀层“完全地”覆盖在底层金属的表面上。围绕“完全”这个词的引証都是为了揭示这样一个事实,即镀层覆盖的程度由基材金属的表面特性和清洁程度以及电镀过程而定。电镀过程中最普通的缺点是在镀层上有很多孔隙(pores)。这种多孔性(porosity)和它对接触性能的影响将在后面的章节中讨论。

大多数电连接器接触镀层是在不断循环往复(reel-to-reel)的过程进行以充分利用这个过程的成本效用。在本世纪七十年代和八十年代初期,大量的努力都是为了减少电连接器镀层中金的使用量,因为当时其价格高达800美元。减少金镀层的厚度(如后面章节中将讨论的,利用镍底层是可能达到的)和控制金的数量及其在接触处的位置取得了极大成功。

接触镀层电镀通常有三种类型:完全电镀(overall),局部电镀(selective),双重电镀(duplex)。上述例子可见图3.2所示。正如所预料的,完全电镀(overall)是镀层完全覆盖在接触表面上。锡接触通常是完全镀层。对贵金属接触而言,出于对成本的考虑一般采用局部电镀(selective )或双重电镀(duplex)。在这两种情况下,贵金属是有选择性的运用于可分离性接触的末端,而此运用不同于在永久性连接或其末端中镀层的运用。选择性接触镀层有用在永久性连接上的金镀层,但镀层厚度在每一末端可能不同。双重电镀(Duplex)通常都是镀在永久性连接末端的锡或锡合金。

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应当注意到电镀材料的性能,尤其是贵金属,它与相同的锻造性材料(wrought form)有很大的不同。一般来说,电镀材料更硬而延展性较差,且比锻造性材料的密度小。其变动范围与材料本身和电镀过程均有关系。

3.1.2喷镀

喷镀是指在高压作用下以机械结合的方法将两金属接触面结合到一起。通常有三种方式:完全喷镀(overlays),选择喷镀(toplays)和镶嵌喷镀(inlays)。其中完全喷镀(overlays)完全覆盖底层金属。选择喷镀(Toplays)仅仅有选择的覆盖底层金属表面的一部分。镶嵌喷镀(Inlays)是包覆金属的一种特殊情况,其接触镀层材料是有选择性的喷镀在开有沟槽的底层金属上。所开镶嵌喷镀沟槽可提供清洁的接触表面以促进结合的可靠性。连续不断的减少是为了得到条状金属以达到最终需要的厚度从而增强金属结合的压力。此外结合增强因为相互扩散过程而发生在热处理过程中。更多关于喷镀(cladding)方面的资料可见于Harlan。

镶嵌喷镀(inlay)和电镀接触镀层之间有两个主要的不同点。第一:镶嵌喷镀使用锻造材料,这样使得其接触镀层的材料性能与电镀材料的性能不一样。第二,与电镀相比其可用的材料范围更广。特别是贵金属合金如WE1(其中金69 ﹪-银25%-钯6%)以及钯60%-银40%合金作为镶嵌喷镀(inlay)材料是不能用在电镀过程中的。

锡和喷镀层或镶嵌层同样用在电连接器中,但并不总是用作接触界面。这些覆盖材料通常是在接触末端提供可焊接的表面。

3.1.3热浸

在电连接器运用中,热浸仅用于锡和锡合金。在下面的讨论中锡包括锡合金—在大多数情况下,指锡60%-铅40%或  易熔的锡-铅合金。热浸包括将条形金属通过熔融的锡溶液使其表面镀上一层锡。其厚度控制是由不同的过程包括空气刀(air knives)及空气刷(air wipers)。典型的厚度,和厚度控制因此也由加工过程而定。

从一接触界面的透视图可以看出,热浸和镶嵌喷镀或电镀锡镀层之间最大的区别是在热浸过程中形成金属间化合物。甚至在室温下,铜-锡金属间化合物形成的同时,如果不小心热浸能产生大量金属间化合物。过多的金属间化合物不能提供可接受的接触性能且对接触的可焊接性能产生负面影响。   在热浸的时候将会产生金属间的厚度,为确保接触表面是事实上是锡而非金属间化合物,必须小心控制热浸过程中金属间化合物产生的厚度。

3.1.4总结

采用三种方法将会在接触镀层的性能上产生不同的特性。电镀镀层通常比喷镀镀层更硬而延展性更差,很接近锻造材料的性能。热浸镀层仅限用于锡和锡合金。

3.2接触镀层材料

接触镀层将分两类进行讨论,贵金属镀层和普通金属镀层。贵金属镀层包括金和钯及其合金材料。普通金属镀层包括锡和锡合金,银和镍。本节的讨论从贵金属镀层开始。

3.2.1贵重接触镀层

贵金属接触镀层是一种系统,其中每个组件执行复杂的功能。为了理解对接触镀层的需求,必须理解组件间的相互作用。

贵金属接触镀层包括涂在底层,通常是镍表面的贵金属表层。贵金属表层厚度一般在0.4至1.0微米之间而其镍底层厚度一般在0.8至2.5微米之间。现在也开始使用厚度小于0.1微米的金镀层。如上所述,贵金属表层的作用是提供一(film free)金属接触界面以确保所需要的金属接触界面。镍底层是用于防止贵金属表层大量的潜在性结构退化(potentialdegradation mechanisms),有些退化机理是源于接触弹片的基材金属,同时其它退化机理则是因为工作环境的影响。镍底层的这些保护功能将在后节详细讨论。如前所述,最常用的贵金属接触镀层材料是金、钯或其合金。

金.金是一种理想的接触镀层材料,它不但具有相当优良的导电性能和导热性能,而且几乎在任何环境中,都有良好的抗腐蚀性。因为这些特性,金在要求高可靠性电连接器的使用中经常采用。但是金非常昂贵,因为该原因要考虑可替换的材料。关于金的替换性材料将在以后讨论。

金合金.金合金保持了纯金的许多特性同时其价格却比纯金低的多。金合金的运用已得到了各种各样的成功。成功的程度依赖于其熔合剂(alloying agent)的特性及电连接器预期的工作条件。合金处理将提高金的电阻系数及硬度和降低金的导热性及抗腐蚀力。其总的效果(net effect)是电阻有微小的升高但在环境稳定性方面却有潜在的重要降低。金硬度的提高使接触镀层的耐久性有了提高,但是,金合金的性能在一定范围的运用上可以接受的,所以它们不断地被利用。Western Electric 发明的金合金WE1,是一种69%金—25%银—6%铂的镶嵌喷镀镀层。

钯.钯也是一种贵金属但是,除了硬度以外,其与上面所述的金的许多重要特性都不相同。与金相比,钯有较高的电阻率,较低的导热率,以及较差的抗腐蚀能力。除了活泼性,钯还是聚合体形成的催化剂(catalyst),在有机水汽存在时,浓缩的有机水汽(organic vapors)通过摩擦运动集合在钯表面。这样的摩擦聚合体或棕色粉末(brown powder)会导致接触阻抗增加。钯的硬度比金要高,因此提高了钯接触镀层的耐久性。钯还有价格上的优势所以已大量用于电连接器,尤其是柱状端子(post)。但是大多数情况,钯的表面还要镀一层厚度大约为0.1微米的金(a gold flash)。Whitley ,Wei 和 Krumbein对用金钯镀层代替金镀层进行了讨论。

钯合金.有两种钯合金运用在电连接器上。第一,80%钯—20%镍的钯镍合金,一种可电镀合金,通常其表面也要镀一层薄金。第二,60%钯—40%银的钯银合金,它既用作接触镀层金属也用作底层金属,其表面通常也镀一层薄纯金,钯银合金是一种镶嵌喷镀材料。

合金处理对接触阻抗的影响.合金通过两种方式影响接触阻抗。首先,它改变了接触阻抗的初始值。其次更重要的是,它改变了环境中的稳定性(environmentalstability)。下面的数据说明了这一点。软金,硬金(金—钴0.1),钯,80%金—20%钯金钯合金及80%钯—20%镍的钯镍合金等接触镀层金属在“可接受条件(as-received)”下其接触阻抗随接触压力的变化数据(如图3.3所示)以及加热到250度在空气中保持16小时后的变化数据(如图3.4所示)。

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首先分析可接受条件下图3.3中的数据。所有上述材料在接触压力作用下具有近似的接触阻抗。该条件下这些材料的硬度、导电率及耐腐蚀性等方面差异都不明显。在100克力作用下(典型的电连接器接触压力值),接触阻抗大约在0.6至2.0毫欧之间变化。尽管这些变化是很明显的,但所有这些数值对大多数电信连接器的运用而言都是可接受的。加热后的数据(图3.4所示)则显然不同。

软金、金钯合金及钯几乎不受温度影响。这些材料几乎不形成氧化物或者没有形成氧化物的倾向。实际上,在温度辐射降低硬度(H)和电阻系数(ρ)过程中由于退火(annealing),阻抗值只有轻微的下降。硬度和电阻系数的下降对接触阻抗的影响可以从公式2.9得知,将其重新整理为公式(3.1):
Rc=kρ(H/Fn)1/2            (3.1)

但钯镍合金及硬金却表现出与之不同的特性,接触阻抗显著增加。在这两种情况下,接触阻抗的增加是因为表面氧化膜的形成。钯镍合金生成氧化物是因为合金中20%的镍。硬金中氧化物的生成则是由于钴硬化剂。钴很容易生成氧化物,甚至钴的含量很低(大约0.1%),加热到250度很快会生成氧化物。氧化物快速生成的机理是钴元素在金中的扩散。由于钴原子随机分布在金原子矩阵中,无论何时钴原子到达表面,它很快就被氧化并附着在合金表面。最终表面钴的浓度远远高于其内部0.1%的名义含量值,钴氧化膜即导致接触阻抗的显著升高。因为该原因,钯合金很少用在温度高于125度的环境中。

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这个简单的实验清楚表明了贵金属合金一个潜在的危险。金钯合金没有出现大的影响,如将要说明的,因为钯也是或相对而言也是一种贵金属。但金镍合金,因为镍强烈的氧化倾向,是一种非常不同的情况。合金的成份—特别是基材金属成份—在反应性环境(reactiveenvironments)中对接触阻抗性能有很大的影响。

合成贵金属接触镀层.合成贵金属接触镀层包括一厚度为0.1微米(on the order of 0.1μm in thickness)薄金层,及覆盖的以降低在腐蚀性环境中合金表面活性的反应性表面。在电连接器上,通常在钯或钯合金表面覆盖一层薄金。金表面保持了金的贵金属特性的优点。钯或钯合金作为一种贵金属底层材料,其提供了大部分镀层的指定厚度。这些利用80%钯—20%镍的钯镍合金及60%钯—40%银的钯银合金的金属底层,由于与金相比钯或钯合金的价格低廉,其在电连接器上运用正在上升。

.小结.

总的来说,对贵金属接触镀层而言,有必要保持镀层金属的贵金属特性以防止外来因素对镀层的腐蚀。如孔隙腐蚀,暴露基材金属边缘或磨痕的腐蚀,以及腐蚀的蔓延等。镍底层对减少这些腐蚀的可能性是很重要的。另外,镍底层提高了贵金属接触镀层的耐久性。注意到两件式电连接器的接触镀层,尤其是印制电路板上用于配合卡边缘电连接器的衬垫,应具有相当的性能。

3.2.2普通金属镀层

普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于它们的表面通常存在表面膜。既然建立并保持金属接触界面是电连接器设计的一个目标,必须要考虑这些膜的存在。对普通金属镀层设计要求是保証配合时膜的移动和阻止以后膜的形成,主要通过它们确保接触界面的稳定性。接触正压力与接触几何形状,同电连接器配合时的插拔一样,对含有膜的接触表面也非常重要。

将讨论三种普通金属接触镀层:锡,银和镍。锡是最常用的普通金属镀层。银镀层有利于高电流接触。镍所知道的是限于作为高温接触镀层。如前面所讨论的,镍作为贵金属镀层的底层非常重要。

锡及锡铅合金镀层.本章中,词‘锡’的运用打算包括广泛运用在可分离接触界面的93%锡—7%铅合金。第二种合金,60%锡—40%铅,主要用于焊接连接,本节将不作讨论。

如第二章所讨论的,锡作为可分离接触界面的运用源于锡表面大量氧化膜在电连接器配合时可能会移动(displaced)。这种移动是困为锡与锡氧化物的硬度相差很大。

但是,连接器的运用过程中锡表面的再氧化是锡镀层的主要退化机理。该机理,后面将要讨论的,通常称作摩损腐蚀。

银接触镀层.银因为跟硫和氯反应产生表面膜而被作为普通金属。硫化膜如果不破裂能在银接触时产生二极管的功能效果。电话机收发过程中的继电器运用(relayapplications in telephony)会受到这种影响而致使银作为接触镀层的名声很坏。但是应该注意到,这些运用都是低插拔或者无插拔(low-or non-wiping),从而使接触界面对氧化膜非常敏感。电连接器配合时的插拔可减小这种敏感性。

银的另一个特性限制了它的使用。它能够移到接触表面致使接触间或印制电路板的衬垫产间发生短路(shorts)。Krumbein对移动过程提出了总的看法。

尽管银的两个性质,硫化物及移动,限制了银作为接触镀层的运用,但是如上所述,这种问题只是产生在继电器(尤其是无插拔继电器)而不是电连接器的运用上。

典型的银镀层厚度从3μm到8μm。通常,与相同厚度的金相比,银相对软一些(knoop 100),这也与它作为接触镀层的耐久性相对应。银表面的硫化膜也非常软且容易破裂。注意到因为硫化物的形成银不会经受磨损腐蚀是很重要的。氯化物与普通化合物不同其移动更加困难,因为氯化膜更硬且更粘附。包括硫化物与氯化物的腐蚀物的混合型膜可在有些环境里形成,这些膜非常坚固。但是在大多数条件下,银表面膜通过配合时的摩擦容易破裂。

银具有优良的导电性与导热性及高电流时的抗冷焊力。这些特性使得银成为优良的高电流接触的可选材料,在这些运用中应该考虑银接触镀层。

镍接触镀层.镍镀层因其表面紧帖的坚硬的氧化物而属于普通金属。镍表面氧化物可以被破坏,但是需要很大压力,因为镍氧化物的厚度具有自我限制特性(大约为100纳米),施加不到1伏的电压即能电解。利用镍的这种性能其可作为电极(battery contactmaterial)。同锡相似,镍也非常易受磨损腐蚀。

3.3 选择可分离接触界面的接触镀层的考虑

基于镀层材料性能总的简要看法,本讨论选择性考虑电连接器上的贵金属镀层与普通金属镀层。膜处理,配合时表面膜的破坏以及避免以后膜的形成,对两种不同镀层的要求是不同的。对贵金属而言,保持其贵金属性以防止裸露的基材金属受到腐蚀正是我们所需要的。从这个目的上来说作为底层的镍的作用十分重要。而对锡镀层而言,防止磨损腐蚀则是首要的。

3.3.1贵金属接触镀层系统的设计考虑

接触表面被履贵金属的存在,本身并不能保証a film-free 表面。为防止能够达到接触表面的接触弹片基材金属的蔓延,金属镀层必须连续并且有足够的厚度。贵金属镀层的中断能导致基材金属裸露部位的腐蚀。镀层中断可因整个制造和镀层过程的不同原因而产生。多孔性(porosity)已经提到,接触镀层磨损是基材金属裸露的另一原因。当然,多孔性与磨损非常不同,多孔性是制造问题而磨损则涉及到运用。无论是多孔性还是磨损原因,基材金属的裸露是令人担忧的(of concern),因为裸露的基材金属在典型电连接器的工作环境中可能受到腐蚀。接触弹片材料的基材金属成份蔓延到金接触表面能产生表面膜。正如将讨论到的,减少基材金属腐蚀的可能性是镍底层的功能之一。

进一步详细考虑多孔性。在电镀过程的讨论中,多孔性被描述为产生于电镀金属的运动(kinetics)。对金镀层而言,典型的多孔性对镀层厚度的曲线如图3.5所示。当然,这些曲线的形状及厚度同电镀金属特性及运用一样依赖于端子加工过程。图3.5说明了为什么电镀贵金属接触镀层厚度一般从0.4到1.0微米的一个原因,镀层厚度小于0.4微米,孔数增加很快。而镀层厚度大于1微米,孔数很少,从运用观点来看,其降低比率是微不足道的。

不必担心孔隙的存在,因为孔隙的位置不会实质性影响金属对金属接触面的产生。担心的是如果孔隙暴露了基材金属可能在孔的位置产生腐蚀。图3.6对该腐蚀机理作了阐明。腐蚀物可充满整个孔隙而且,更重要的是,如图示的那样,腐蚀物可从孔隙的位置移到镀层的表面。随着腐蚀物延伸到镀层表面,如果端子接近另一端子,例如相互摩擦,很可能干扰接触界面的形成或减少既定接触界面的接触面积。

多孔性对电连接器性能的影响是有争论的。根据刚才所述的机理,孔隙腐蚀可导致接触阻抗的升高,但多孔标准及其工作环境的相互作用决定该性能的退化速度和退化程度。镍底层对减少孔隙腐蚀可能性的作用将在后节讨论。正如所预料的那样,对处于混合流动气体环境中小体系电连接器的重要研究显示了电连接器性能随多孔性的退化趋势。但是并没有一个临界孔数标准。有许多高多孔性产品在预测最容易退化的环境里表现出良好的性能。后面将研究的电连接器中孔隙位置及其基座的屏蔽效果可以解释这种现象。

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接触镀层的磨损,如所提到的,也可能导致基材金属的裸露。接触镀层的抵抗力,或耐久性决定于许多因素。包括:
.接触正压力
.配合间距
.接触几何形状
.磨损机理
.接触镀层

为了本讨论,我们仅考虑接触镀层的影响。其它因素对电连接器耐久性的影响将在第六章讨论。
影响接触磨损或耐久性的三个镀层特性是:
(1)镀层材料的硬度;
(2)镀层材料的摩擦系数;
(3)镀层厚度。

随硬度的增大和摩擦系数的减少,在其它所列因素的联合作用下镀层的耐久性将会提高。耐久性也会因镀层厚度的增加而提高。同厚度对多孔性的影响一样,为既定的运用选择适当的镀层厚度也会影响接触磨损或耐久性。至于材料的特性,须首先考虑硬度的影响。

电镀的接触金镀层通常是硬金(hard gold),即金镀层包含有硬化剂(hardening agent)。从根据Antler改编的图3.7,可以看出与软金(soft gold)或纯金相比,硬金耐久性有了提高。但是,通过使用镍底层,电连接器的耐久性有了更大提高。

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钴是最普通的硬化剂,但镍也是很有效的。正如前面所讨论的,硬化剂的可能负面影响包括提高了腐蚀敏感性,降低了导电性与导热性及镀层的延展性。

因硬化剂导致的延展性的降低也能影响电连接器耐久性能。两种影响应同时加以考虑。延展性的降低能减少在既定压力下接触面积的增加,从而减少了粘附性磨损。但延展性降低能通过提高镀层破碎及促进研磨性磨损而增加磨损。

镀层的缺点,无论是多孔性还是磨损,因为它们位于可能发生腐蚀的裸露基材金属上,是令人担忧(of concern)的。如所提到的,镍底层对减少这些腐蚀非常重要,下面将要讨论到。

贵金属镀层中镍底层的功能․贵金属接触镀层系统中镍具有以下几方面优点:
.减少孔隙及缺陷位置的腐蚀(pore and defectsites)
.阻止腐蚀的移动
.减少基材金属成份的蔓延
.增加延展性

我们将分别讨论每个优点。

多孔性.图3.8基本表明了镍在减少孔及缺陷位置发生腐蚀的可能性与效果。该图也包括图3.6图示的没有镍底层的孔隙腐蚀说明。两者间最重要的区别在于在孔位置处的裸露的镍将形成可有效密封腐蚀孔隙的氧化膜。镍氧化膜的厚度是有限制的,典型为的100纳米,没有填满孔隙,更重要的是没有移动。类似的效果在缺陷位置包括磨痕也会产生。这种孔密封机理的效果在高浓度氯的环境中因为降低了氯对镍氧化物的影响就已经提出。但是,氯浓缩的必要性并没有很好明确。在这些环境中广泛的测试表明镍底层对很大范围的电连接器产品的优点。

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图3.9显示了孔隙腐蚀对置于模拟工业暴露环境的流动的混合气体(flowing mixed gasFMG)测试环境中金镀层片(coupon)的影响。测试环境由十亿分之几数量级(parts-per-billion)的氯,氢硫和氮的氧化物组成为主要污染物,加上温度为25度的潮湿(湿度为75%)空气。在孔隙周围出现环状腐蚀,结果腐蚀物出现图3.6所示的腐蚀移动。这些腐蚀物的存在,当它们蔓延到接触表面时,对接触阻抗有很大的影响。

来自于Geckle的图3.10,提供了一些有关腐蚀物移动过程特性的实例。这些数据来自暴露在上段所述FMG环境中的金/钯/镍/铜合金镀层片,各层厚度分别为0.1、1.5、2.5微米。位于图中间的缩微照片显示了孔隙以及孔隙周围的环状腐蚀物。图上面一系列X—光线图显示了孔隙通过所有层的延伸。因为金、钯和镍层中信号的缺少及没有缺少的强烈的铜信号,孔隙的存在是显而易见的。裸露的铜是腐蚀物产生的根源。显示了主要腐蚀种类(major corrosionspecies)位置的更低的X—光线图,暗示了氧气主要停留在孔隙位置,氯可以轻微地移动,但硫腐蚀物明确局限于环状腐蚀物范围内。移动种类(species)明显包括铜/硫腐蚀物。

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腐蚀移动.图3.11表明了一种评估腐蚀移动的实验方法。在这种情形下的五种不同系统,自镀有有益接触镀层系统的铜合金片(coupon)冲制(stamped)一圆盘形状。冲制过程产生暴露的基材金属边缘,其在FMG暴露环境为可腐蚀位置,暴露后的腐蚀移动大致与上述描述相同。图中插入的数据提供了暴露在FMG环境一定时间后腐蚀移动距离的实验性数据。该数据揭示了两种所关心的效果。

第一,注意到金表面腐蚀物的移动距离比钯大,依次,钯表面腐蚀物的移动距离比镍大。
第二,镍底层将金和钯镀层腐蚀物的移动距离减少了一半。

这两种效果可以根据腐蚀物移动的运动学,以一种简单但又关联的方式加以简明。基本的假设是腐蚀物在光洁表面扩散得很快,这种现象可能是因为表面张力的影响,类似于湿润现象。腐蚀物在表面自由扩散以至于超出表面膜。光洁金表面不会产生氧化膜。钯是一种催化剂(catalytic)材料,易于在其表面形成一层有机薄膜,且在测试环境里是反应性的(reactive),这一点将在后面章节讨论。在测试的暴露环境里(in the testexposure),钯表面很容易形成氧化膜。镍,正如所提到的,也会形成一层表面氧化膜。在已知假设下,腐蚀物的移动符合数据所显示的模式,腐蚀物在金表面扩散得最迅速,钯次之,镍最慢,这就解释了上述所观察到的在三种镀层金属上腐蚀物具有不同的扩散速度的原因。

第二次观察,镍底层上腐蚀物的移动距离仅为金底层的一半,是因为镍阻碍了腐蚀物的扩散。在这种情况下,镍底层就象铜合金与贵金属镀层之间的栅栏。虽然镍能够阻碍腐蚀物的扩散,但由于镍层仅有几微米厚,腐蚀物很容易穿透镍层在金或钯镀层表面更快地扩散,在图3.11所示特定的测试条件下,可以想象镍底层的阻碍效果大约只有测试暴露环境的一半,这是简单的但基本正确的对实验数据的解释。

图3.12显示了在与图3.11采用的数据类似的测试暴露环境里腐蚀物在镀有金∕镍∕磷青铜镀层金属的冲制圆盘上的扩散。外边缘的膜非常厚,且其扩散距离减少。表面上的亮点为探测点,其上接触阻抗的测量以金作为探针,在边缘位置,其阻抗值大于2欧姆,试验预设的极限值成立。如图3.13显示的只有在接近底层中心时,才会出现毫欧级的阻抗值。

镍作为阻碍腐蚀物扩散对接触界面的正面(barrier normal to)效果明显受限于底层的厚度。但是,其侧  面的阻碍(lateral barrier)是非常有效的。图3.14提供了一个实例,所示端子完全镀镍且在其接触面上局部(selective)镀金。接触下部(the lower contact)也得到附加的薄金(gold flash)镀层(通常为0.1微米)。将端子置于同样的工业环境中。薄金镀层表面更有利于腐蚀物的扩散。当考虑到收容端子于基座(housing)的保留飞边结构(the retentionlance )的腐蚀区域是冲压产生的形状,这就是显而易见的(this is obviouswhen considering the corrosion around the area where the retention lance thatholds the contact in the housing is stamped)。冲压成形区域的镀层金属覆盖范围(plating coveragein the stamped area)不完全是因为冲压过程中剪断处(shear-break)的粗糙度和这些凹陷处(recesses)不能被有效电镀。这些区域镀层金属的欠缺导致基材金属(铜合金)裸露,从而成为腐蚀源。腐蚀物在薄金接触面很快地移动而它们在全部镍镀层表面的移动是受限制的。该图表明当镍在腐蚀物移动方向上有足够的延伸时,它能够有效地防止腐蚀物扩散。

连接器设计手册(第三章)—接触镀层

连接器设计手册(第三章)—接触镀层

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连接器设计手册(第三章)—接触镀层扩散.镍底层阻碍扩散的有效性可通过图3.15中的数据加以说明,该图显示了铜通过金,钯,银和镍镀层的相对扩散。同金或钯相比,通过一定量或更多的减少可以看出镍是一种有效的防铜扩散金属。相似的情况发生其它典型基材金属成份如锌和钡上。通过这种方式,镍有效的防止基材金属成份扩散到接触表面,在该表面基材金属成份可与其运用环境中的各种腐蚀起反应。

耐久性.镍也能改善贵金属接触镀层的耐久性。对金镀层的影响将被表明,但相似的影响也发生在别的贵金属镀层上。根据Antler改编的图3.16,表明了直接镀有2.0um厚钴—金合金接触镀层的铜和铍铜底层的耐久性典线。应该注意到检测样品包括平面取样片(flat coupons)和半球形附件(rider)。这些数据仅与几何形状有关而并不代表电连接器接触界面的典型数值。但这些数据的趋势与连接器的耐久性有关。

连接器设计手册(第三章)—接触镀层

连接器设计手册(第三章)—接触镀层

耐久性可用一磨损(wear)指标,即一种作为通过次数函数的基材金属暴露总数的度量(耐久周期(durabilitycycles))来评估。耐久性指标为50意味着出现的(showed)磨痕(track)有50%裸露了基材金属。注意到铜基材的金镀层耐久性明显低于铍铜基材的金镀层。这种结果是由于铍铜比铜更硬。更硬的底层金属能够提供支持层来增加镀层的有效硬度,并由此而降低了在既定压力下的接触面积。因为磨损与接触点的破裂有关,正如第二章所讨论过的,接触面积的减少会导致磨损降低。

镀镍底层可提供一个比铍铜更硬的支持层,所以可以预测其耐久性有进一步提高。图3.17証实了这种预测,显示了磨损指标对镀有钴金合金的铜的配合周期次数随不同厚度的镀镍底层的变化。随镍底层厚度的增加,耐久性立即提高。

连接器设计手册(第三章)—接触镀层

.总结.

在这里,镍作为底层的优点概述如下:
‧镍通过其非活性氧化物表面,封闭基本孔隙位置,从而减少孔隙腐蚀的可能性。
‧镍在贵金属接触镀层下面提供了一层坚硬的支持层可提高耐久性。
‧镍可有效地阻碍基材金属成份迁移到接触表面,当基材金属迁移到接触表面时,会与操作环境发生反应。
‧镍也可有效地阻止基材金属腐蚀物的移动。

前三个优点是在金镀层变薄的同时保持相等的或是改良的性能。多孔性的影响已经减轻,贵金属不再用作阻碍腐蚀物移动,并且耐久性有了提高。

最后一个优点是减少形成于其它地方、移动到接触界面并导致接触阻抗增加的腐蚀物的可能性。

这种特性(nature)的考虑突出了连接器镀层被作为系统来考虑的事实。镀层不同成分间的相互作用能强烈影响镀层性能。本讨论为下一节存在数据的解释提供了一个背景。

贵金属接触镀层系统的环境性能 本节将描述在模拟工业暴露环境的FMG测试环境里贵金属接触镀层系统的腐蚀现象。被评估的镀层系统包括:
‧0.75金(钴)/1.25镍/铜
‧1.8钯/1.25镍/磷青铜(PB)
‧1.8钯(80)-镍(20)/1.25镍/PB
‧ 0.1金/1.8钯/1.25镍/PB
上述厚度单位都是um。底层金属的不同只能影响最初的接触阻抗的大小而不可能影响在暴露环境下接触阻抗的变化。

图3.18显示了在可接受条件(as-received)下如预先暴露于FMG环境,前三个系统(first threesystems)接触阻抗对接触压力的数据曲线。使用软金探测参考,该图表明了九个探测点的数据分布。探测模式可以是随机性的或是有选择性的。在随机探测中,系统扫描表面,自动在九个随机点上探测。在选择性探测中,探测员(probe operator)降低探针,以便避开孔隙腐蚀位置并尽可能减少任何孔隙腐蚀或者腐蚀移动对接触阻抗的影响。在选择性探测模式中,可以评价镀层本身原有的腐蚀反应性。图3.18中的数据是随机探测获得的。注意到在100克力的接触正压力下,三个系统所产生的接触阻抗都在1mΩ的范围里。

图3.19表明了在同一模式下,暴露于FMG环境里48小时后得到的数据。孔隙腐蚀和腐蚀移动的影响明显表现在金与钯的数据上。得到的数据与在可接受条件(as—received)下得到的数据相比,有些数据没有显出变化,但是许多探测点已经明显受到腐蚀物的影响。在不插拔(non-wiping) 载荷的探测系统里,需要高压力来破裂腐蚀物。然而,钯-镍合金的数据则不同,取代两种模式下的阻抗数据,其同时有一个向上的移动和阻抗分布范围的变宽。这是表面膜的典型现象。

这种解释被暴露100小时后得到的数据所証实,如图3.20所示。金镀层数据仍显示了两种退化(degradation)模式。在这种情况下,钯的数据则显示了一种高水平的孔隙腐蚀。钯-镍数据继续有一向上的移动和数据分布范围的变宽。

图3.21绘制了作为接触压力函数的钯-镍合金九个调查点接触平均阻抗的曲线。图表清楚的表明平均接触阻抗随暴露点的升高。钯(80%)-镍(20%)合金性能不象是贵金属,却象是基材金属,这也就不奇怪在合金中加入20%的作为基材金属镍金属。图3.4显示合金暴露在空气中有相似效果。

图3.22包含的数据是测量了金和钯接触镀层经过相同的FMG环境后得到的。注意到到金的数据几乎不随时间变化。而另一方面,钯的数据显示了增大的变化和扩大的分布,尽管其比钯-镍合金的变化范围要小很多。钯则显示了对测试环境的反应。

这些数据表明了为什么在大多数情况下钯和钯-镍合金镀层要与一个薄的金镀层-约几十个微米的金,配合使用。从图3.23中可清楚看到,钯外面的金薄层对FMG环境下腐蚀的作用是很有效的。接触阻抗的大小和分布表明暴露在MFG测试条件下48或100小时几乎没有变化。当金覆盖在钯-镍合金上时也会出现类似的情况。

但是,应该注意到金薄层厚度可能不会完全覆盖钯的表面,所以薄膜效应就可能产生。这种可能性对镀有薄金层的钯-镍合金更有意义,因为其更有活性。此外金的缺失例如经过磨损腐蚀,将会导致其下层的钯的暴露。换句话说,覆盖有金薄层的钯和钯-镍合金容易受到机械磨损腐蚀退化的影响。对钯而言,摩擦聚合物的形成是其退化的主要机理。对钯-镍合金而言,经过氧化过程的腐蚀将会出现。

总而言之,环境测试结果表明,这三种镀层对环境固有稳定性按其减少的顺序为:金,钯和钯(80%)-镍(20%)合金。基本钯镀层外的金薄层可有效的减少这种变动。此外在连接器应用中这种固有稳定性的差别会通过三种作用得到控制。

第一,遮蔽此类环境下接触界面的连接器塑胶本体的作用,有效的增加了相互配合的连接器对环境的稳定性。环境遮蔽的效果取决于塑胶本体的设计。封闭式塑胶本体将明显比开放式更有效,尽管卡缘塑胶本体可提供如第一章所述的保护。

第二,如数据所示,与在连接器镀层中一样,电镀过程中的多孔性对其受腐蚀可能性有很大影响。钯和钯-镍合金镀层的电镀经验表明钯和钯-镍镀层的多孔性通常会比金镀层的低。这种作用减少了其固有稳定性的变化差异。

第三,受到腐蚀的可能性取决于其应用的环境。在典型的办公室环境下,仅有较少的硫和氯,实验表明腐蚀蔓延极小且孔隙腐蚀也同样减少。

这些考虑的因素减少了固有受腐蚀性差别的意义。在更多的腐蚀环境下,尤其是含有高浓度的硫和氯的时候,选择接触镀层时就应当考虑金所天然具有的贵金属性优点。

贵金属镀层系统中的耐久性考虑‧选择接触镀层另一个要考虑的因素是镀层的耐久性。在此情况下,经验表明其性能的顺序与在环境中相反,至少存在金薄层时是这样的。镀金的钯-镍合金比镀金的钯的耐久性高,而接下来镀金的钯比金要高。这种趋势被认为与镀层硬度有关。硬金的Knoop硬度为200,而钯和钯-镍合金的Knoop硬度为400或500。

以上关于金镀层的合格性解释非常重要,经验也表明由于钯和钯-镍合金镀层比金硬度更高而延展性更低,所以容易产生灾难性的易碎的破片结构。

3.3.2普通金属接触镀层的设计考虑因素

锡(包括锡铅合金),银及镍被是用在连接器上的重要普通镀层材料。三者中,锡代表了大量应用的普通金属镀层,因此本节主集中对锡镀层进行讨论。

普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于:普通金属接触镀层的设计考虑包括配合时普通金属接触镀层表面固有氧化膜的破裂/移动以及防止氧化膜的再生成。本节先讨论锡接触镀层表面膜的破裂,接下来讨论锡镀层的退化机理,磨损腐蚀。

锡镀层接触界面的形成,回顾前面所述,锡用作接触镀层源自于:其固有的氧化膜在连接器的配合中通过接触表面的机械变形能够破裂和移动。因此原有的锡氧化物在连接器插接过程中将因机械毁损而被挤破和取代。重新利用图2.16作为图3.24来引証表面氧化物破裂的机理。又薄又硬又脆的锡氧化物在负载下容易破裂。载荷传到锡镀层,由于其硬度小、延展性好而易于流动。氧化物裂缝变宽,里层的锡从裂缝中挤出来形成所需要的金属接触界面。然而不幸的是,锡表面的再氧化导致了锡镀层的主要退化机理:磨损腐蚀。

磨损腐蚀‧图3.25说明了磨损腐蚀机理。图3.25a描述了包括裂缝、破碎的氧化物和从裂缝间挤出的锡接触区  域的原始接触界面。图3.25b显示了接触区域移到新的位置例如在机械干扰作用下。新的接触界面是通过相同的破碎机理形成的。然而,先前接触区域暴露的锡被再氧化。如果这些动作重复进行,也就是说,如果镀层系统慢慢被磨损(图3.25c),暴露的锡(摩擦腐蚀的腐蚀部分)连续不断的再氧化导致在接触界面形成一层氧化碎片(debris)(图3.25d)。这些碎片将导致接触阻抗的增加甚至露出电路。引起接触阻抗不可接受的增加必要的磨损循环次数取决于许多因素,包括运动方式和磨损距离(length)。对转化运动而言(translationalmovement),磨损运动只要移动几个到几十个微米单位的距离就足够产生磨损腐蚀。腐蚀磨损率依赖于磨损距离。磨损退化率依赖于磨损运动距离(length),因为氧化碎片必须经过磨损距离上的累积。大位移运动有效地将锡氧化物推到运动轫迹的尽头。同样原因,摆动(rocking)或转动能加快磨损,因为碎片相对比较集中。

对锡而言,产生不可接受的接触阻抗之前的磨损循环次数已经可以从几百到几万。镍在磨损次数和接触阻抗增加方面与锡很相似。Bare和Graham报告了没有镀金的钯和钯镍合金镀层经过几万次循环之后的磨损情况。他们还报告了镀金的钯和钯镍合金镀层经过几十万次循环之后的稳定性能。

如果存在不同的热膨胀,这是连接器经常发生的情况,磨损运动可通过机械干扰或热循环产生。考虑一下装置于印制电路板(PWB)的连接器。印制电路板,接触弹片与连接器绝缘本体有不同的热膨胀系数。由于热膨胀不同(mismatch)产生的接触界面压力取决于其不同的大小,温度变化,及连接器的长度(length)。热膨胀不同是连接器磨损运动最主要的来源。

图3.26显示了磨损腐蚀(因转动而引起)发生后的锡接触表面。图示黑点表示锡表面典型磨损腐蚀区域。图3.27显示了磨损点的交错区。图中可以清楚看到压损的锡和锡氧化物碎片。

图3.28显示了磨损腐蚀与增加接触阻抗之间的联系。图3.28的曲线通过缩微照片所显示的腐蚀点的接触阻抗的变化。一张氧气穿过腐蚀点的放大电子显微线叠加到缩微照片上,氧,表现为氧化物与接触电阻的关系非常清楚。

假如磨损腐蚀是锡接触镀层主要的退化机理,那么如何才能有效地防止或减缓这种退化呢?下面将讨论这个问题。

磨损腐蚀的防止‧预防磨损腐蚀主要有两种方法。第一种,也是最常用的方法是利用高正压力。这些正压力提供接触界面较大的摩擦力以防止磨损运动。然而,增加正压力有一个极限。当正压力增加时,连接器插拔力和耐久性都将受到相反的影响。锡因为比较软,有一极限耐久性且由于高摩擦系数—通常为0.7而表现出高插拔力,相对而言金的摩擦系数仅为0.3。

第二种,利用预防磨损腐蚀接触润滑。图3.29说明了使用预防磨损接触润滑的功效。显示的数据来自一个因热膨胀不同而导致的磨损运动的试验容器。热循环温度介于55到60度之间。升温是用来加速氧化和润滑的退化。在这些条件下,产生的运动位移大约为80微米,这是好的磨损距离。

“干锡”—干凈的锡表面—的测试数据显示测试系统对产生磨损腐蚀有影响。它同时也表明磨损腐蚀可能是非常快的退化机理。在循环磨损数千次后,接触阻抗按二次方的增长速度增加。此外矿物石油润滑剂的测试数据也被列举出来。矿物石油润滑剂最初很有效,但是最终仍产生磨损腐蚀。该缺点与环境中的保护无关而与矿物石油本身有关。矿物石油的结构在温度升高时从接触界面流走并且挥发/退化。密封作用消失,摩擦磨损开始。涂有防磨损润滑的接触的数据显示在摩擦循环数千次后表现了很好的抗磨损性能。经过数百次的循环摩擦之后接触阻抗的下降是因为接触界面被磨光而增加了接触面积。

应该注意到除了摩擦腐蚀外,因为锡表面固有的氧化物的保护特性,锡接触镀层还提供了良好的环境稳定性。锡镀层在引起贵金属镀层腐蚀的FMG环境中表现出很好的性能。当磨损腐蚀可以防止(通过高的正压力来防止磨损,或者通过有效的接触润滑来防止氧化腐蚀)时,锡镀层在变化的工作环境和很宽的电流和电压范围内能提供稳定的接触阻抗。锡铅合金,连接器中主要利用下面两种锡铅合金:含锡铅(93/7)合金和锡铅(60/40)合金(或者63/37,共熔焊剂成份)。锡铅(93/7)合金可用作可分离性连接和永久性连接,但锡铅(60/40)合金用作可软焊(solderable)连接。考虑成本和性能两方面的因素而使用低铅合金。在锡中加入铅可防止锡须(tin  whiskers)的形成,锡须是电镀过程中固有压力作用下形成的细小而单一的水晶状生成物。锡须直接或通过切断和短路其它部件而导致连接器的短路(shorting)问题。用于可分离接触界面的锡镀层厚度介于2.5到4微米之间,取决于其应用的方式。

60/40合金或63/37合金的应用厚度介于1到6微米之间,取决于焊接过程。因为这些合金的硬度低,易蔓延性且增加了复杂的铅腐蚀物,所以它们一般不用于可分离接触界面。

3.3.3接触镀层的其它设计考虑

接触镀层其它设计考虑有两种,两种考虑在一定程度上已经讨论过,尤其是对优点的详细讨论。即底层与接触润滑的应用。

底层‧两种主要使用的电连接器底层材料是铜和镍。如所讨论过的,镍的主要作用是作为贵金属接触镀层的底层以保持表面镀层的贵金属特性。铜,作为贵金属镀层的底层不能提供相同的功能。如所讨论的,铜是一种腐蚀源,铜蔓延能导致接触表面的退化。铜在提高接触镀层耐久性方面也不如镍有效。尽管存在这些限制,在不可接受镍底层磁性的应用中铜仍然用作底层。

镍底层的第二个重要作用与永久性连接有关,保証可焊性--特别是为可软焊产品提供一种活性(a shelf life)。保持可焊性将详细讨论。

成功的焊接需要锡焊剂(tin of the solder)与基材金属衬底(base metalsubstrate)成份间产生金属间化合物。因为铜和镍与锡形成金属间化合物适合于焊接,因而作为底层以保持可焊性。保持可焊性的全部镀层系统包括底层和锡,金或钯表面涂层(coating)。不同系统分别有不同的保持可焊性机理。

涂锡或焊剂的表面是可熔的(fusible)。锡涂层在焊接过程中熔化并渗入到衬底表面产生的金属间化合物中。比较而言,金涂层表面是可溶解的(soluble),这意味着金完全溶解在焊剂里,金属间化合物在裸露的底层形成。金涂层实质是保护了底层的可焊性。钯在熔剂里溶解则慢得多,焊剂的结合通常是与钯形成。

焊剂(solder coatings)在保持其可焊性方面更加有效,就象其花费更少一样。因为它们是焊剂而没有引入新的退化机理。而另一方面,金则引入了新的退化机理,两种情况都是因为锡-金金属间化合物的形成。金-锡化合物易碎而降低了焊接的机械强度。熔化的金-锡化合物在焊液里的累积将最终降低焊接过程的有效性。因为这些原因,焊剂涂层是确保可焊性的更好方式。

焊接过程产生金属间化合物是必要的,但金属间化合物本身不是必须可焊的,且过量的金属间化合物会产生可焊性问题。室温下金属间化合物的增多可能导致可焊性降低并有可能提高接触电阻。铜-锡间化合物比锡-镍间化合物增加得更快。

许多铜合金是可焊的,且底层可以增强可焊性,尤其是镀在黄铜基材金属表面。黄铜表面需要底层以防止锌的蔓延,但这也可能降低了可焊性。

接触润滑‧接触润滑常完成两种不同的功能:
.减小摩擦系数
.提供环境保护

减小摩擦系数有两个益处。第一,它减小了连接器的配合力(mating forces)。第二,它通过减少磨损而提高了连接器的耐久性。

接触润滑通过形成“密封”阻止或减缓外界环境进入接触表面而能够提供环境保护。对锡接触镀层而言,接触镀层的首要功能是在防止磨损腐蚀方面提供环境保护。预防磨损润滑可以减小摩擦系数,但并非其主要目的。事实上,如果润滑不能有效防止氧化,摩擦系数的减小可能增强磨损腐蚀。摩擦系数的减小因为减小了机械稳定性而使接触界面更容易受到磨损。在没有润滑存在的接触移动中不会产生的干扰可能产生润滑性接触的移动。

对贵金属镀层而言,接触润滑是为了减小摩擦系数和提高连接器的耐久力,但是,伴随提供环境保护重要性的提高,提供环境保护成为有益的附加功能。

几个与接触润滑相关的考虑值得注意。对有效润滑而言,其在接触界面数量必须足够。测量和监测(monitoring)润滑的存在是很困难的工作。

连接器可能伴随有适当的润滑出售,但是组件过程(特别是,焊接或柱焊的清洗(post soldering))可能移走润滑剂。因而,需要第二次补充润滑剂。

润滑剂可能收留粉尘,如果在粉尘或污染环境中应用,可能会出现接触阻抗和耐久性问题。最后,润滑的适用温度可能限制它的应用。

润滑潜在的益处—减小配合力,提高耐久性,和在环境中的保护—是非常需要的,但是在评价接触润滑对给定应用的连接器的总的效果应考虑所提到的限制。

3.4接触镀层选择

选择适当的接触镀层决定于其应用所考虑因素的数量。包括:
.配合需要
.应用环境
.线路需要

贵金属镀层与普通金属接触镀层的区别在于其所考虑的每一性能。为了简单,以金作为贵金属的代表,而普通金属的代表则为锡。

为了为接下来的讨论提供一个背景,一些通常的注解是有用的。因为贵金属镀层比锡镀层更低的正压力要求,更高的天然耐久性,及更低的摩擦系数,在配合需要方面它们的应用更加广泛。因锡的硬度低,锡接触镀层需要高正压力来尽量减少潜在的磨损腐蚀且其耐久性较差和摩擦系数较高。最终的效果是锡镀层的耐久性较差而配合力较高。

所有的接触镀层在毫伏到伏和毫安到安的一定范围内都能提供可靠的性能。金与锡的区别在于阻抗的稳定性。磨损腐蚀也是主要的区别。产生于磨损腐蚀过程的阻抗变化能够导致在信号线路中产生噪音和在高电流应用中热散发的可能性。金接触镀层在很宽的适用条件范围内有助于保持接触阻抗的稳定。

应用环境必须考虑机械、热及化学环境。机械因素,如振动,影响连接器所需的机械稳定性。接触界面的移动将导致锡镀层的磨损腐蚀和使金镀层易存在外来的腐蚀物或污染物。热环境通过不同的热澎胀引起接触界面的移动而达到相同的结果.然而,高应用温度—大约105度—可能会因挤压松驰而使正压力降低。这种正压力的降低,锡比金表现得更隐蔽。由于本章其它部分讨论的外来腐蚀的各种各样的来源,环境腐蚀对金镀层有很大的影响尽管金具有很强的固有的抗腐蚀能力。锡除了磨损腐蚀外,由于原有的表面氧化物而表现出很好的抗腐蚀能力。

下面的讨论将更详细地考虑上述各个考虑因素同时指出金、钯、钯镍合金及锡镀层之间的一些区别。

3.4.1配合要求

两种配合要求必须考虑:连接器必须承受的循环配合次数和连接器配合要求的压力(配合力)。如第一章所提到的,连接器要求的循环配合次数取决于相互连接的层级。第2到4级连接典型的要求仅仅是几十次的配合循环。第5和第6级连接,因为它们提供输入/输出功能,可能需要更高的循环配合次数。另一方面,配合压力显示出相反的趋势。第2和第3级通常要求考虑最大的配合压力,因为这些层级的连接pin数倾向于比第4到第6级连接的pin数高得多。插座和两件式板对板连接器其pin数各自可能从400到超过1000。而几十到一百的pin数在第4到第6级连接中更为典型。

接触镀层及耐久性‧影响接触镀层耐久性的主要因素是镀层的硬度及其摩擦系数。贵金属镀层具有比锡镀层更高的硬度和更小的摩擦系数,因此贵金属镀层固有的耐久性也比锡镀层高。

耐久性不仅依赖于接触镀层,还与下列因素有关:
.接触正压力
.接触几何形状
.接触长度
.润滑
.镀层厚度

除了镀层厚度以外,其他因素在第二章均已经讨论过并将在第六章继续讨论。本节重点是讨论接触正压力,因为接触镀层的选择决定了连接器所需要的接触正压力。其他因素对贵金属及普通金属镀层来讲具有相似的影响。另外,镀层厚度对耐久性的影响也应该注意。

如前所述,锡镀层比金镀层需要更高的正压力来尽量减小磨损腐蚀的可能性。为了提供机械稳定性,镀锡连接器的正压力通常在200克力以上,比较而言,金镀层连接器只需50克力左右的正压力即可保証其接触稳定性。当耐久性的需求很重要时,耐久性随着正压力的增加反而降低的事实使金镀层相对于锡镀层的优势更加明显。

贵金属镀层耐久能力的差别并不是很明显,在3.3.1节,应该注意到贵金属镀层的相关特性,按递减顺序,为镀金的钯镍合金层,镀金的钯及金镀层。按这样的顺序,可以想到贵金属镀层是镀在镍底层上。

另外,镀层的耐久性取决于镍底层的厚度及其硬度,这些相互作用使得很难超过一般顺序得到连接器耐久性的确切值。

理所当然地可以说接触镀层的耐久性取决于镀层厚度,但这种耐久性与镀层厚度的关系也取决于前面提到的镍底层的材料性能,所以耐久性—厚度关系不可能是一直线。

有效的接触润滑能通过两种方式减少贵金属镀层的相对差别。润滑结果也能减少耐久性的差别。另外,能提供环境保护的润滑剂能减少固有腐蚀敏感度方面的差别。

影响耐久性的几何参数上面已经列出。连接器的设计在这些方面变化很大。接触几何形状和接触长度的主要影响是各自的磨损区域和磨损轨迹长度。所有这些对比的最终结果是连接器的耐久性根据试验的方法已被最可靠地评估出来。

接触镀层和配合力‧配合力取决于以下几个因素:
.接触正压力
.接触几何参数
.摩擦力
.润滑

接触镀层是通过影响接触所需正压力的大小亦即通过影响由摩擦系数决定的摩擦力的大小来影响配合力的大小的。先前已经指出,由于金镀层比锡镀层具有更低的正压力要求和更低的摩擦系数,因此金镀层比锡镀层具有更低的配合力。通过使用接触润滑可使摩擦系数的不同在一定程度上能得以改善。贵金属镀层的间区别很少用配合力而是用耐久性来表示。

注意到接触配合力和更重要的参数─连接器配合力的不同是十分重要的。当然,连接器配合力不仅依赖于每个接触接触时的配合力,也包括连接器绝缘本体以及连接器各部分的紧固力的影响(alignment of theconnector halves)。连接器的配合将在第六章更为详细的讨论。
.总结.
当应用需求包括高耐久力和高pin连接,那么贵金属镀层是首选的。有薄金层的钯(20%)镍(80%)合金镀层能提供最高的耐久力,接下来是有薄金层的钯镀层和金。锡镀层,因为其固有的低硬度和需要较高正压力来减少摩擦腐蚀的可能性,故锡镀层与贵金属镀层相比表现出有限的耐久性和较高的配合力。高配合力要求限制了具有锡镀层的连接器的接触pin数。

3.4.2应用环境

在应用环境这个标题上要考虑以下几个因素。包括有机械环境,除了配合条件,还包括振动和磨损;热环境方面包括温度和温度波动;化学方面包括溼度以及一些潜在的腐蚀如氯化和硫化腐蚀。应用环境的每个方面都会对接触镀层的选择产生影响。

机械方面‧虽然机械配合是作用在连接器上的最常见的机械压力,但在连接器的整个有效期内还会受到许多潜在的干扰。机械冲击和振动是必须要考虑的其它因素。连接器暴露在许多潜在的冲击和振动源中。然而,无论什么样的原因,所关心的效果是因为干扰而产生的对接触界面的压力是否足于导致连接器两部分的相对移动。如果产生这样的运动,它们能常被限于一定的范围而归属于磨损的一种。磨损有两种令人担忧的结果:磨损损耗和磨损退化(fretting wear andfretting degradation)。磨损损耗是指在第二章中所描述的磨损过程,产生的结果是接触镀层受损。磨损退化包括摩擦腐蚀(frettingcorrosion),相关的锡、镍、钯镍合金以及摩擦聚合物,相关的钯。

注意到潜在的磨损损耗是很重要的,因为它能引起镀层的穿透性磨损。连接器期望达到的预测配合循环次数不仅仅是连接器磨损方面的唯一因素,这种考虑使得薄镀层重要性增加,例如钯、钯合金和镍镀层外面的薄金层。因磨损所引起的薄金层的损失会导致底层的钯和镍裸露出来。换句话说,镀金的钯和钯镍合金对磨损退化机理是很敏感的。而对钯来说,摩擦聚合物的形成则是其主要的退化机构。钯镍合金或镍的磨损腐蚀是通过氧化作用发生的。镀有薄金层的钯和钯镍合金镀层已被许多调查者评价。大多数而不是全部的研究,已经报告过它的稳定性能。镍镀层表面金薄层的使用是近期的事,所以这段时间几乎没有什么証明经验。但是,可以肯定的是这些镀层金属对摩擦腐蚀非常的敏感。还应该注意到,暴露底层金属的其它机理的存在。例如:不完全的镀层,镀层的损坏如刮擦。

总而言之,与机械环境相关的主要论题与磨损损耗及磨损退化有关。锡镀层对磨损退化是最敏感的。然而,金镀层的选择应该考虑到这些机械性的影响。热环境.热环境存在两个主要因素:应用温度和热波动。绝对温度能导致大量潜在的退化机理。热波动的主要影响是因为热膨胀的不同而经过的潜在性磨损。

重要的可能性敏感温度的退化机理包括腐蚀,扩散和金属间化合秀的形成。腐蚀率一般随着温度的升高而加快,尽管温度对水份的吸附效果能减缓这种作用。扩散速度也随温度的升高而加快,结果能产生表面膜。如图3.4所示。

金属间化合物(IMC)的形成对锡镀层是很重要的。金属间化合秀的形成速度随温度升高而加快。如果金属间化合物的形成消耗了锡而在接触面上的该点形成大量的金属间化合物,那么接触电阻可能受到影响。一般来说,保留在表面上的锡,能提供有效的接触。图3.30中的数据对此作了描述。图3.30显示了一个3微米厚的镀锡铜(tin-over-copper)以软金探针所测得的接触阻抗随压力的曲线。数据在可接受的条件下显示,一是增时处理使锡转化为锡化合物,二是增时处理和腐蚀后。IMC阻抗的增加超过了可接受条件下的值但但它对许多应用是合适的。虽然增时处理的时间足于完成从锡到金属间化合物的全部转化,但通常仍能发现残留在表面上的锡。如果表面被腐蚀物取代,金属间化合物本身的接触导致接触阻抗的额外增加。

总之,热环境能导致腐蚀退化,它也能影响贵金属的腐蚀速度和潜在地影响锡镀层的金属间化合物的生成。

化学性‧化学环境包括湿度及一系列可能的腐蚀种类,如氯,硫和氧。氯和硫对于贵金属镀层特别重要,而氧则对锡镀层很重要。如先前所提及的,锡氧化物对锡提供了来自于在其它腐蚀源(source)的腐蚀保护。

湿度对腐蚀率和腐蚀物水合度的影响是令人担忧的。经验也表明,湿度变化能影响腐蚀机理和腐蚀率。

贵金属的腐蚀机理在3.3.1节中已经作了讨论。为了更加完整(for completeness),对贵金属镀层而言,应该注意到主要的腐蚀机理随环境成分特别是氯和硫的含量(content)的变化而发生变化。随环境恶劣程度(in severity)的增加,主要的退化机理由多孔腐蚀变化到腐蚀扩散(creep)。正如前面所说的那样,移动类型以铜-硫腐蚀物出现。

对于锡镀层,由于氧在磨损腐蚀中的作用,氧是主要的反应(reactive)类型。由于锡氧化物固有的保护特性,所以锡在FMG环境中性能良好。

总结‧总之,应用环境的考虑表明了接触镀层选择上的不同权衡,取决于化学方面,热,或是与腐蚀相关方面,何者占支配地位。在恶劣的机械环境里,因为磨损腐蚀而限制了锡的使用。但是,磨损损耗的可能性,磨损退化的产生,在恶劣的条件下不应该低估。高温环境要求对锡金属间化合物的产生和对影响贵金属镀层的蔓延/氧化的考虑。腐蚀考虑对贵金属和锡来说是不同的。而且,磨损腐蚀主要涉及到锡。随恶劣条件的增加,贵金属的腐蚀机理会随环境从孔隙腐蚀转变为扩散(creep)腐蚀。

3.4.3电路需求

从一个基本的观点出发,如果能创建并保持一个金属接触界面,那么在一个大电压和电流范围里的接触镀层间的功能(finishs withrespect to their functionality)没什么不同。在这样的条件下,因硬度和阻抗系数的差别产生的阻抗的变化是相对较小的。镀层间的不同在于阻抗的稳定性,即接触界面对于应用条件下退化的敏感性(sensitivity)。自然地,对比罗简单的描述有几个限制因素。

电压‧在电连接器上,除了电能的应用,电压相对很低──只有几伏特。金属间的接触界面将以欧姆来衡量,即电压与电流间的关系是线性的,其斜率由系统阻抗决定。只有当接触界面不完全是金属接触面时(cease to becompletely metallic),也就是说,当它们开始退化时,电压的影响才显现出来。在这种条件下,电压可能允许薄膜的电性中断(breakdown)并由此而建立或重建一个较低的接触阻抗,这一现象有时称作自我复原(self-healing)。不幸的是,这种阻抗容易变化并且不可恢复,这也是为什么薄膜的机械破坏和薄膜形成的避免对电性中断是首要的。Wagar和Holm提供了电性薄膜中断特性的讨论,主要概括在2.3.2小节中。

本讨论目的关键点是导致中断的必要电压和的和因此产生的高变化性阻抗。电压的变化源自于薄膜结构本身的易变化性。厚度,组成和结构都依赖于薄膜形成的环境。阻抗的变化性产生于因为中断引起的导电区域取决于中断时间里电流的流过的事实。

Bock和Whitley提供了有关磨损退化的电流及电压决定条件的証据(evidence of thiscu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)。

电流‧正如第一章所述,针对电流有两种基本电性应用:信号和电能。对于信号应用,典型的电流通常低于1A。而电能应用则可能需要几十甚至上百安培的电流。

对于信号应用,在可能引入系统的噪声或者数字式应用上可能的数据丢失方面,接触镀层退化的影响及在随之而来的接触阻抗的变化是非常重要的。Abbott和Schrieber研究了这一影响,而且Abbott是针对磨损腐蚀来考虑。根据这些著作,发生数据丢失的可能原因是,随接触阻抗的退化所产生的瞬间开路趋势的增加。在可引起贵金属镀层磨损腐蚀的条件下,也可以得到类似的结果。

在典型能量应用更高电流下,由于高电流下而产生的焦耳热和红外线,会导致额外的考虑。两个单独的(separate)问题值得讨论:(a)什么因素决定镀层所能承受的最大电流。(b)高电流时,接触阻抗的退化有什么影响。

接触镀层所能承受的最大电流由接触界面的温度所决定。接触界面温度反过来又取决于产生的焦耳热与从接触界面到接触弹片散热的平衡。热量的产生取决于镀层阻抗系数和阻抗系数随温度的变化率。而散热取决于热传导率和热传导率随温度的改变率。这些反应可能相当复杂,就象Williamson所讨论的那样。

为了本讨论的目的,注意到每一个镀层在其熔化时都有一特征电压,特征电压的大小,及依据前面提到的相互作用所能达到的比率就足够了。对于金,银和锡镀层,各自的熔化电压分别是430,370和130毫伏。

在实际上,通过接触界面的电压下降由电流产品(product of thecurrent)和接触界面阻抗所决定。At a first cut,熔化电压能被用来指示镀层的电流容量,其公式如下:

Vm=I*Rc                     (3.2)
其中  Vm==熔化电压
I==电阻为Rc且即将发生熔化时的电流
Rc==接触界面阻抗

在第二章已经讨论过,Rc取决于镀层和接触压力。对于一个确定的接触阻抗,通过熔化电流的减法,最大电流能够被确定。恒定的电流容量一般由温升条件所决定,而温升条件又取决于接触阻抗的大小,这一点将在第十二章中讨论。

按这个标准,锡具有低电流容量,然而金和银却是相当的。钯和镍则具有更高的熔化电压,但是它们所拥有的高阻抗和低效热传导性能制约了这一优点。

对于高电流应用,银由于自身的低电阻抗和高效热传导性能而占有优势。在电能接触中,银的弱点,污点和移动趋势并不重要。电能接触的典型的高压力(high forcestypical of power contacts)使污点的影响降至最低。巨大的尺寸,分离和通常典型的电能应用接触间的绝缘减少了移动反应。

接触阻抗退化在高电流性能上的影响是明显与前述讨论有关。这样的退化更进一步促进了接近熔化电压。以这样一个观点,镀层对退化相对的反应有更大的影响在电能应用的镀层选择上。再次,锡由于自身的低的熔化电压和对磨损腐蚀的反应poses最大的危险。

电路参数综述.在理论上,金属间界面对电流和电压没有反应,但接触界面的退化连同接触界面阻抗的变化引入了一系列的考虑。

3.5 接触镀层概述

合适的接触镀层的选择包含了使用和功能需求的考虑。例如,由于对锡的高的接触压力需求和在装配压力及磨损的共同影响,高接触数量,高适配循环需求决定了贵金属镀层(参见表3.1和表3.2)。环境考虑是复杂的,包括在贵金属镀层上的多孔性和在锡镀层上磨损退化的可能性之间的权衡。考虑一个确定的应用,合适的镀层是在性能与可靠性间的“最好”的折衷。

来源:线束世界

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