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端子電鍍基本知識
2022-01-24 18:48
一、定義
電鍍：是金屬電沉積過程的一種，指簡單金屬離子或絡(luò)離子通過電化學(xué)方法在固體(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)表面上放電還原為金屬原子附著于電極表面，從而獲得一金屬層的過程。
二、目的
電鍍由改變固體表面特性從而改變外觀，提高耐蝕性，抗磨性，增強(qiáng)硬度，提供特殊的光、電、磁、熱等表面性質(zhì)。
三、端子電鍍簡介
大多數(shù)的電子連接器，端子都要作表面處理，一般即指電鍍。有兩個主要原因：一是保護(hù)端子簧片基材不受腐蝕;二是優(yōu)化端子表面的性能，建立和保持端子間的接觸界面，特別是膜層控制。換句話說，使之更容易實(shí)現(xiàn)金屬對金屬的接觸。
防止腐蝕：
多數(shù)連接器簧片是銅合金制作的，通常會在使用環(huán)境中腐蝕，如氧化、硫化等。端子電鍍就是讓簧片與環(huán)境隔離，防止腐蝕的發(fā)生。電鍍的材料，當(dāng)然要是不會腐蝕的，至少在應(yīng)用環(huán)境中如此。
表面優(yōu)化：
端子表面性能的優(yōu)化可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)。一是在于連接器的設(shè)計(jì)，建立和保持一個穩(wěn)定的端子接觸界面。二是建立金屬性的接觸，要求在插入時，任何表面膜層是不存在的或會破裂。沒有膜層和膜層破裂這兩種形式的區(qū)別也就是貴金屬電鍍和非貴金屬電鍍的區(qū)別。
貴金屬電鍍，如金、鈀、及其合金，是惰性的，本身沒有膜層。因此，對于這些表面處理，金屬性的接觸是“自動的”。我們要考慮的是如何保持端子表面的“高貴”，不受外來因素，如污染、基材擴(kuò)散、端子腐蝕等的影響。
非金屬電鍍，特別是錫和鉛及其合金，覆蓋了一層氧化膜，但在插入時，氧化膜很容易破裂，而建立了金屬性的接觸區(qū)域。
(1)貴金屬端子電鍍
貴金屬端子電鍍是指貴金屬覆蓋在底層表面，底層通常為鎳。一般的連接器鍍層厚度：15~50u金，50~100u鎳。最常用的貴金屬電鍍有金、鈀及其合金。
金是最理想的電鍍材料，有優(yōu)異的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能。事實(shí)上在任何環(huán)境中都防腐蝕。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在要求高可靠性的應(yīng)用場合的連接器中，主要的電鍍是金，但金的成本很高。
鈀也是貴金屬，但與金相比有高的電阻、低的熱傳遞和差的防腐蝕性，可是耐摩擦性有優(yōu)勢。一般采用鈀鎳合金(80~20)應(yīng)用于連接器的接線柱中(POST)。
設(shè)計(jì)貴金屬電鍍時需要考慮以下事項(xiàng)：
a.多孔性
在電鍍工藝中，金在眾多暴露在表面的污點(diǎn)上成核。這些核繼續(xù)增大而在表面展開，最后這些島狀物(孤立的物體)互相沖撞而完全覆蓋了表面，形成多孔性的電鍍表面。金鍍層的多孔性與鍍層厚度有一定的關(guān)系。在15u以下，多孔性迅速增加，50u以上，多孔性很低，實(shí)際降低的速率可以忽略。這就是為什么電鍍的貴金屬厚度通常在15~50u范圍內(nèi)的原因。多孔性和基材的缺陷，如包含物、疊層、沖壓痕跡、沖壓不正確的清洗、不正確的潤滑等也有一定的關(guān)系。
b.磨損
端子電鍍表面的磨損，也會造成基材暴露。電鍍表面的磨損或壽命取決于表面處理的兩種特性：摩擦系數(shù)和硬度。硬度增加，摩擦系數(shù)減少，表面處理的壽命會提高。電鍍金通常為硬金，含有變硬的活化劑，其中Co(鈷)是最常見的硬化劑，能提高金的耐磨損性。鈀鎳電鍍的選擇可大大提高貴金屬鍍層的耐摩性和壽命。一般在20~30u的鈀鎳合金上再覆蓋3u的金鍍層，既有良好的導(dǎo)電性，又有很高的耐磨性。另外，通常便用鎳底層來進(jìn)一步提高壽命。
c.鎳底層
鎳底層是貴金屬電鍍要考慮的首要因素，它提供了幾項(xiàng)重要功能，確保端子接觸界面的完整性。通過正面性的氧化物表面，鎳提供了一層有效的隔離層，阻隔了基材和小孔，從而減少了小孔腐蝕的潛在的可能;并提供了位于貴金屬電鍍層之下的一層硬的支撐層，從而提高了鍍層壽命。什么樣的厚度合適呢?鎳底層越厚，磨損越低，但從成本及控制表面的粗造度考慮，一般是擇50~100u的厚度。
(2)非貴金屬電鍍
非貴金屬電鍍不同于貴金屬之處在于它們總是有一定數(shù)量表面膜層。由于連接器的目的是提供和保持一個金屬性的接觸界面，這些膜層的存在必須要考慮到.一般來講，對于非貴金屬的電鍍，正向力要求很高足以破壞膜層，進(jìn)而保持端子接觸界面的完整。擦洗作用對于含有膜層的端子表面顯得也很重要。
端子電鍍中有三種非金屬表面處理：錫(錫鉛合金)、銀和鎳。錫是最常用的，銀對高電流有優(yōu)越性，鎳只限于應(yīng)用于高溫場合。
a. 錫表面處理
錫也指錫鉛合金，特別是錫93-鉛3的合金。
我們是從錫的氧化物膜層很容易被破壞的事實(shí)而提出使用錫的表面處理。錫鍍層表面會覆蓋一層硬的、薄的、易碎的氧化物膜。氧化膜下面是柔軟的錫。當(dāng)某種正向力作用于膜層時，錫的氧化物，由于很薄，不能承受這種負(fù)荷，而又因?yàn)樗艽啵姿槎_裂。在這樣的條件下，負(fù)載轉(zhuǎn)移至錫層，由于又軟又柔順，在負(fù)載作下很容易流動。因?yàn)殄a的流動，氧化物的開裂更寬了。通過裂縫和間隔層。錫擠壓至表面提供金屬接觸。錫鉛合金中鉛的作用是減少錫須的產(chǎn)生。錫須是在應(yīng)力作用下，錫的電鍍物表面形成一層單晶體(錫須)。錫須會在端子間形成短路。增加2%或更多的鉛即能減少錫須。還有一類比例的錫鉛合金是錫：鉛=60：40，接近于我們焊接的成份比例(63：37)，主要用于要焊接的連接器中。但是最近有越來越多的法律要求在電子及電氣產(chǎn)品中減少鉛的含量，很多的電鍍端子要求無鉛電鍍，主要有純錫、錫/銅和錫/銀電鍍，可以通過在銅與錫層之間鍍一層鎳或使用不光滑的無光澤的錫表面減緩錫須的產(chǎn)生。
b.銀表面電鍍
銀認(rèn)為是非貴金屬端子表面處理，因?yàn)樗c硫、氯發(fā)生反應(yīng)形成硫化膜。硫化膜是半導(dǎo)體，會形成“二極管”的特征。
銀也是軟的，與軟金差不多。因?yàn)榱蚧锊蝗菀妆黄茐模糟y不存在摩擦腐蝕。銀有優(yōu)異的導(dǎo)電及熱傳導(dǎo)性，在高電流下不會熔解，是用在高電流端子表面處理的極好的材料。
(3)端子潤滑
對于不同的端子表面處理，潤滑的作用是不同的，主要有兩個功能：降低摩擦系數(shù)和提供環(huán)境隔離a.降低摩擦系數(shù)有兩個效果：第一、降低連接器的插入力;第二、通過降低摩損提高連接器的壽命b.端子潤滑能夠通過形成“封閉層”阻止或延緩環(huán)境對接觸界面的接觸，而提供環(huán)境的隔離。一般來說，對于貴金屬表面處理，端子潤滑是用來降低摩擦系數(shù)，提高連接器的壽命。對于錫的表面處理，端子潤滑是提供環(huán)境隔離，防止摩擦腐蝕。雖然在電鍍的下一工序能夠添加潤滑劑，但它只是一種補(bǔ)充的操作。對于那些需要焊接到PCB板的連接器，焊接清洗可能失去了潤滑劑。潤滑劑粘灰塵，如果應(yīng)用在有灰塵的環(huán)境中會導(dǎo)致電阻增大，壽命降低。最后，潤滑劑的耐溫度的能力也可能限制它的應(yīng)用。z
(4) 端子表面處理小結(jié)
貴金屬電鍍，假定覆蓋在50u的鎳底層上。
金是最常用材料，厚度取決于壽命要求，但可能受到多孔性沖擊。
鈀并不推薦使用于可焊接性保護(hù)場合
銀對生銹和遷移敏感，主要用于電源連接器，通過潤滑，銀的壽命可顯著改善
錫有好的環(huán)境穩(wěn)定性，但必須保證機(jī)械穩(wěn)定性。
四、端子鍍錫的10條鐵律
錫或錫合金材料是優(yōu)良的端子電鍍材料之一，它成本相對便宜，接觸電阻低，焊接性好，在相應(yīng)使用環(huán)境中的性能也可以達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求，是替代金和其他貴重金屬的理想鍍層材料。
下面是10條鐵律，但是隨著未知運(yùn)用不斷涌現(xiàn)，相信還有很多的規(guī)律等待大家發(fā)掘。
1. 使用鍍錫材料就要保證公母端子對插后有較好的機(jī)械穩(wěn)定性。
即振動環(huán)境中不建議使用鍍錫材料端子。原因：振動環(huán)境下，端子金屬材料差熱膨脹系數(shù)differential thermalexpansion (DTE)不盡相同，容易產(chǎn)生微動腐蝕(微振腐蝕Fretting),一般端子會在10~200微米范圍內(nèi)往復(fù)摩擦導(dǎo)致鍍層損壞，原材料暴露從而被氧化，致使接觸電阻顯著升高。
2.為了保持鍍錫端子間穩(wěn)定的接觸，應(yīng)該在端子上施加至少100克以上的正向壓著力。
3.鍍錫端子間需要輔助潤滑。
原因：這是跟著上面第二條來的，端子正向壓力大了，適當(dāng)潤滑是很有必要的，最好公母端都潤滑，最少一端做潤滑處理。
4.持續(xù)高溫環(huán)不建議使用鍍錫材料。原因：高溫致使銅和錫之間產(chǎn)生金屬間化合物加快，導(dǎo)致中間層變脆變硬，影響正常使用。建議加一層鍍鎳在中間，因?yàn)殒囧a金屬間化合物生長慢一些。
5.多種鍍錫工藝不會對電氣性能產(chǎn)生很大差異。比如鍍亮錫比較美觀;啞光錫(matte)要保持表面干凈以至于不影響可焊性。黃銅鍍錫應(yīng)該加一層鎳底，用來防止基材當(dāng)中的鋅流失，因?yàn)殇\流失會導(dǎo)致可焊性下降。
6. 鍍錫鍍層厚度盡量在100~300微英寸。低于100大多會用到成本較低且對可焊性要求不高的產(chǎn)品上。
7.不建議鍍錫和鍍金端子配合使用。原因：因?yàn)檫@樣做會更容易被氧化腐蝕。錫會轉(zhuǎn)移到黃金表面，這最終會導(dǎo)致鍍錫氧化物堆積在更堅(jiān)硬的鍍金基體上。在較硬的鍍金物上破壞錫氧化物比直接從鍍錫上穿過錫氧化物要困難得多。但是鍍錫和鍍銀對配的微動摩擦狀況和兩端都鍍錫的差不多。
8.鍍錫端子互配時最好先對插兩三次。這樣做的目的是將鍍錫層上面的氧化層去掉，實(shí)現(xiàn)可靠的金屬間接觸。即使是ZIF端子(零插入力端子)也建議這么做。
9.鍍錫或鍍錫合金端子不適合在電路頻繁通斷的場合中運(yùn)用。錫材料熔點(diǎn)低，不適合在頻繁通斷場合，比如起電弧的觸點(diǎn)地方使用。
10.鍍錫端子適合在干燥電路和要求不是很高的情況下運(yùn)用。
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