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      行業動態

      [轉載] 連接器退化機理(二)—腐蝕

      作者:Dr. Bob Mroczkowski,編譯:深圳市連接器行業協會 李亦平 來源:深圳市連接器行業協會 時間:2019-10-24 17:44:32 瀏覽次數:

      于連接器退化機理,我們將繼續研究討論。此篇我們將重點討論在貴金屬接觸系統中腐蝕對接觸電阻的影響,特別是鍍金界面。關鍵討論鍍金層下鎳底層的重要性及其對提高鍍金連接器性能的好處。

      關于連接器退化機理,我們將繼續研究討論。此篇我們將重點討論在貴金屬接觸系統中腐蝕對接觸電阻的影響,特別是鍍金界面。關鍵討論鍍金層下鎳底層的重要性及其對提高鍍金連接器性能的好處。

      在第1篇文章中,介紹了接觸界面的凹凸模型.為了方便起見,再回顧第1篇文章中的圖1和圖2。凹凸不平模型的關鍵點是,接觸點很小,直徑大約為微米級,分布在界面接觸區域,以及在咬合時變形所產生的接觸區域。穿過接觸界面的電流必須通過凹凸不平的接觸點,從而產生稱為收縮電阻的電阻。收縮電阻的大小取決于凹凸觸點的數目、大小和分布等,因為所有的凹凸接觸都是電平行的。當所有的凹凸不平的接觸界面都是金屬對金屬的,例如金對金或錫對錫時,即使在理想的情況下,收縮電阻也是存在的。如果任何一個凹凸不平的界面覆蓋腐蝕層或污染物,收縮電阻就會增加。這就是為什么腐蝕是連接器退化的重要原因。由于腐蝕或污染而失去凹凸不平的接觸面或凹凸不平的觸點,可能導致接觸界面電阻增加,這足以導致連接器失效。

      現在,讓我們討論鍍金連接器的腐蝕。眾所周知,黃金是貴金屬,換句話說,它是一種不腐蝕的金屬;由于這種特性,黃金在珠寶中廣泛使用。雖然有這特性,但這并不意味著鍍金連接器不易受到腐蝕。連接器是一個機電系統, 連接器通過機械系統提供電氣性能。機械系統的兩個分離系統需要配合和接觸等。鍍金連接器由鍍金表面和銅合金材料上的鎳底層( 為優化接觸表面)等組成。銅合金材料為連接器配合提供了必要的彈性。系統中的腐蝕源為銅合金材料。 銅與氧氣、硫和氯等都會產生化學反應,這都是連接器應用環境中常見的現象。因此,關于腐蝕敏感性,連接器設計必須解決如何消除或減少銅腐蝕,并確保任何形成腐蝕的物質不能置于連接器接觸界面。這在理論上是容易的,但在實踐中是一個挑戰。

      如果連接器制造商將連接器完全鍍上5微米的金,那么在連接器中就不會有腐蝕問題。然而,由于成本的原因,大多數鍍層在0.25到0.75微米之間,而且通常只是接觸界面上進行電鍍??紤]到成本因數,選擇銅材作為連接器材料比較普遍。選擇性電鍍,以及其他制造工藝,可能導致銅裸露或者邊沿銅裸露。當鍍金中存在缺陷時,薄鍍層會導致潛在的銅暴露。除了這些腐蝕源外,還必須考慮到在連接器的連接使用周期中鍍金層的磨損,或者在使用過程中接觸界面的擾動等。所有這些問題通常被忽視,鎳底層的鍍金連接器需要得到正確的評估。

      連接器內部問題首先來自電鍍層厚度。圖2簡要描述了有無鎳底層的鍍金表面的情況變化。鍍金過程中的任何缺陷都會導致銅合金材料的暴露。電鍍缺陷包括孔隙,劃痕,和電鍍前的污染導致電鍍不完整等等。隨著鍍層厚度的減小,所有這些缺陷的潛在性都會增加??紤]到這些鍍層缺陷的存在,任何暴露的銅合金都會與應用環境發生反應,形成的腐蝕產物可以進入鍍層表面。簡單舉例來說明,如圖2和圖3所示的銅硫腐蝕產品在金屬表面上遷移,或蠕變。圖2顯示腐蝕產物沿孔隙部位的墻壁向表面遷移。圖3是鍍金銅合金表面腐蝕遷移環的顯微照片。如果接觸界面包含圖3所示的任何腐蝕產物環,界面電阻很可能會在某種程度上發生變化。然而,鎳底層的使用既能抑制腐蝕,又能減少腐蝕蠕變。鎳形成一種非常薄的不遷移的惰性和鈍化氧化物。實際上,鎳鈍化了缺陷部位的底層,所以沒有腐蝕物遷移到表面。

      相關厚度的鎳底層還有另外一個好處是作為防擴散屏障。銅很容易通過金擴散,如果擴散的銅到達鍍金表面,它將在表面形成腐蝕膜,這可能會阻礙鍍金金屬表面的接觸。含有鎳底層的銅擴散速度要慢得多,而且鎳底層通常比鍍金層要厚,因此銅擴散到金表面的速度明顯降低。由于擴散速率隨著溫度的增加而增加,如果連接器是用于較高溫度的應用環境,鎳的好處更為明顯。

      鎳的鈍化和遷移抑制特性對于選擇性電鍍也是有益的。如果銅合金材料在接觸界面的選擇性鍍金之前被整體鍍覆鎳,則表面和邊緣腐蝕(以及與接觸界面的相關腐蝕蠕變)將被最 小化。

      除了這些問題外,磨損對鍍層的潛在腐蝕效應也受到鎳底層特性的影響。如前所述,由于連接器的配合使用周期內由于機械或熱膨脹驅動力等原因使接觸界面發生微動,使接觸界面受損。而鎳作為減少磨損的因數有兩個好處。第1個好處是我們前面討論的鎳的鈍化和遷移抑制特性。黃金的磨損和鎳底層的暴露不會導致有關腐蝕的減弱;暴露的鎳可能會導致接觸電阻的增加,但這種增加的幅度將遠遠小于由于腐蝕效應而發生的情況。第二個好處是提高了接觸電鍍層的耐磨性。磨損的影響將在后面的文章中更詳細地討論。在這我們明白鎳底層將提高接觸鍍層的有效硬度就足夠了。連接器上使用的鍍金層通常稱為硬金,硬度約為200努普。鎳底層的硬度一般為400努普或更高。因此,隨著表面硬度的增加,鍍層的有效硬度增加,磨損率趨于降低。

      考慮到鎳底層對連接器性能的重要性,需要什么鎳厚度呢?鍍金連接器中的典型鎳厚度范圍在1.25到4.0微米的范圍內。下限是確保足夠的厚度滿足要求,上限則考慮成本和機械因素等。成本問題是由于更多的鎳意味著更多的電鍍時間和材料成本。機械方面的考慮更復雜。隨著鍍鎳厚度的增加,鎳的延展性趨于減小,鍍層的粗糙度趨于增加。降低的延展性會導致鍍層開裂,并增加粗糙度,降低孔隙度和磨損性能等。

      總之,鍍金連接器系統中鎳底層的重要性怎么強調也不為過。鎳的鈍化特性對減緩接觸材料銅表面腐蝕產物的形成和遷移具有重要意義。此外,鎳還提供了防擴散屏障,防止接觸界面底層金屬的遷移。鎳的硬度對提高鍍金接觸系統的耐磨性,提高使用壽命和抗微動磨損等都具有非常重要意義。鑒于這些優點,任何鍍金連接器都應指定使用鍍鎳底層.

      更詳細的退化機理研究請關注協會公眾號后面的內容。

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