接触镀层一.docx

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接触镀层一

接触镀层

（一）

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（hotdipping）

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。

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”这个词的引证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。

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（wroughtform）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）方面的数据可见于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（airknives）及空气刷（airwipers）。

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（filmfree）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（potentialdegradationmechanisms），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（alloyingagent）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（neteffect）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。

WesternElectric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（organicvapors）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（brownpowder）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（agoldflash）。

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）。

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