第七章-電鍍層及其質(zhì)量

第七章

電鍍層及其質(zhì)量

周怡琳2/4/20231第七章電鍍層及其質(zhì)量內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)金及其合金第三節(jié)銀及其合金第四節(jié)錫及其合金第五節(jié)銅及其擴散第六節(jié)接觸材料的分類2/4/20232第七章電鍍層及其質(zhì)量第一節(jié)概述一、使用接觸鍍層的原因保護接觸彈片的基材金屬不受腐蝕，接觸鍍層是用來封閉接觸彈片與工作環(huán)境隔開以防止銅的腐蝕。當然，鍍層材料在其工作環(huán)境里必須不被損害（至少在有害的范圍內(nèi)）。優(yōu)化接觸界面的性質(zhì)，尤其是連接器的機械和電氣性能。與機械性能有關(guān)的參數(shù)主要是影響鍍層的耐久性、或磨損，以及配合力的因素。最重要的機械性能包括硬度，延展性和鍍層材料的摩擦系數(shù)。電氣性能的優(yōu)化可從如下方面考慮，即對已經(jīng)存在和即將形成的位于接觸鍍層表面薄膜的控制。主要需求是建立和維持穩(wěn)定的連接器阻抗。2/4/20233第七章電鍍層及其質(zhì)量第一節(jié)概述二、電接觸表面覆蓋金屬的方法電鍍、鑲嵌、熔焊、鉚接、真空蒸發(fā)、離子濺射和化學覆蓋等，其中電鍍在接插件和開關(guān)件接觸表面上的應(yīng)用較為廣泛。三、電鍍定義：電鍍就是在電場作用下溶液中的金屬離子還原的過程。對電接觸處的電鍍和其他部位不同，有其特殊要求，它對電接觸的可靠性有著重要的意義。2/4/20234第七章電鍍層及其質(zhì)量在這個簡單的單元中，沉積電鍍過程主要是由溶液的化學作用和陰極表面的電流分布來控制。鍍層覆蓋的程度由基材金屬的表面特性和清潔程度以及電鍍過程而定。2/4/20235第七章電鍍層及其質(zhì)量二、電鍍對滑動接觸的電鍍材料要求：低電阻率耐磨性耐腐蝕性與基底金屬（Cu、Ni）的附著能力強易焊性微孔率低目前應(yīng)用最廣泛的材料是金及其合金；銀及其合金、鈀、銠等。通常還為了節(jié)約貴金屬，常用選擇性電鍍方法，只在電接觸處鍍貴金屬，其他部位則鍍一般材料。2/4/20236第七章電鍍層及其質(zhì)量第二節(jié)金及其合金一、金及其合金特點優(yōu)點：電阻率低、抗腐蝕、易焊接、與基體材料如銅及其合金、鎳等都有良好的附著性。缺點：價格昂貴、電鍍層比較薄、微孔問題突出。純金屬硬度低，易粘結(jié)磨損，易用Au -Co合金。2/4/20237第七章電鍍層及其質(zhì)量二、鍍金層微孔問題微孔的形成： 在電鍍過程中，溶液中的金還原沉積在基底材料表面時，首先呈核狀，然后逐漸擴展，在顆粒之間不可避免地要出現(xiàn)間隙。表現(xiàn)為金鍍層通往基底金屬的微孔。鍍金表面微孔的形貌微孔對電接觸的影響 大氣中的腐蝕性潮濕性氣體將由微孔的毛細孔作用而進入并接觸基底金屬而成為沉積在內(nèi)的電解液。由于金的電極電位高，呈陰極，基底銅的電極電位低呈陽極。因此在金和銅之間形成微電池腐蝕，基底材料銅被腐蝕。腐蝕生成物的體積遠大于被腐蝕的金屬體積，因此腐蝕物就會沿微孔蔓延至鍍層表面，造成接觸不良。2/4/20238第七章電鍍層及其質(zhì)量鍍金微孔2/4/20239第七章電鍍層及其質(zhì)量2/4/202310第七章電鍍層及其質(zhì)量二、鍍金層微孔問題微孔形成的原因電鍍工藝：電流、時間、鍍層厚度造成的顆粒沉積狀態(tài)電鍍過程中沉積在被鍍表面的絕緣顆粒如灰塵、被氧化或腐蝕的金屬顆粒、鍍液中的絕緣雜質(zhì)和有機污染物顆粒等，造成金離子無法在其上面取得電子還原成金顆粒而形成孔隙。基底材料粗糙度的影響用微孔率（個/平方厘米）來表明微孔程度。實驗表明，微觀表面越粗糙，微孔率越高。這是因為表面越粗糙，金離子還原成金顆粒越不均勻，出現(xiàn)孔隙的機會越多。2/4/202311第七章電鍍層及其質(zhì)量二、鍍金層微孔問題鍍層厚度、表面粗糙度與微孔率的關(guān)系提高基底材料表面光潔度可大大減少微孔率；增加鍍層厚度，顆粒之間交錯,堵塞孔隙,可使微孔率減少。若鍍金層的厚度超過5μm，則基本沒有微孔，但由于成本價格等原因，實際上鍍金層的厚度一般0.75～1.5微米。圖鍍金層厚度與微孔率間的關(guān)系橫坐標：鍍金層厚度，單位：微米縱坐標：微孔率，單位：微孔/平方厘米2/4/202312第七章電鍍層及其質(zhì)量二、鍍金層微孔問題解決方法凈化環(huán)境、隔絕灰塵、清潔處理被鍍材料表面(超聲振動及溶液去油污處理)、清除鍍液雜質(zhì)（鍍液循環(huán)過濾）等。提高基底材料表面光潔度可大大減少微孔率，通常可在鍍金前先光亮鍍銅，以填充基底材料的微觀凹凸表面，降低微孔率。在實際的電鍍觸點中，將鎳作為中間鍍層主要是因為：A.降低對微孔的敏感性,B.對擴散有阻礙作用,C.對腐蝕物的遷移有阻擋作用,D.改善觸點壽命。鍍金層中的微孔有鈍性和活性之分。當中間鍍層為Ni或Sn/Ni時,微孔中形成的氧化物具有保護性,而當中間鍍層為Cu,Ag等時,微孔中形成的腐蝕物很快就會蔓延至金表面,使接觸不可靠。2/4/202313第七章電鍍層及其質(zhì)量二、鍍金層微孔問題微孔率的檢測方法

SEM觀察：很小的微孔，較曲折的微孔難以發(fā)現(xiàn)，有時陷坑易被誤認為是微孔，比較費事。不常用。電腐蝕法硫化氣體(H2S，SO2)加速腐蝕法：形成的腐蝕物在顯微鏡下觀察并統(tǒng)計數(shù)目；常用的方法。日本JEIDA標準。但應(yīng)注意控制腐蝕時間不使腐蝕物過分蔓延。Ni試劑法：硝酸蒸汽腐蝕法：國標，過于厲害。2/4/202314第七章電鍍層及其質(zhì)量第三節(jié)銀及其合金一、銀的特點：銀及其合金也是常用的鍍層材料。優(yōu)點：電阻率低、附著性好、價格低于金、電鍍層一般較厚、粘結(jié)磨損小、滑動壽命長。缺點：易硫化，在硫化氣體中腐蝕嚴重，易造成接觸不良。2/4/202315第七章電鍍層及其質(zhì)量二、銀的腐蝕銀及其合金的氧化

溫室下只有當存在臭氧時銀才會被氧化而形成氧化銀，它在200℃將分解，而且氧化銀很軟，容易被機械除去，很少對觸點有危害作用。銀及其合金的硫化銀非常容易硫化。若空氣中含有千分之幾個ppm濃度的H2S或幾十至幾百ppm濃度的SO2，這些氣體對銀都有危害作用，在銀表面上形成Ag2S膜層，其化學反應(yīng)式是：2/4/202316第七章電鍍層及其質(zhì)量二、銀的腐蝕Ag2S對電接觸的危害Ag2S是呈高電阻率的黑色物，它柔軟易擦掉，具有極化效應(yīng)。就是當電流從一個方向流過Ag2S膜層表現(xiàn)出的電壓-電流特性和電流反向流過時表現(xiàn)出的電壓-電流特性是不對稱的，造成接觸電阻的不穩(wěn)定性。溫度升高后，硫化反應(yīng)加速，硫化膜層加厚。硫化銀蔓延速度很快，若在金下面鍍Ag，硫化銀可能從金屬的微孔中蔓延出來，覆蓋到金屬層上造成接觸不良。2/4/202317第七章電鍍層及其質(zhì)量二、銀的腐蝕解決方法：采用銀合金作電鍍層，增加合金的含量，可延緩硫化銀的發(fā)生。但只要有銀存在，硫化銀膜層的生成就很難避免。例：為顯著減少銀的污染，貴金屬如Au、Pd含量必須在40%以上，Ag25-Au69-Pt6合金已使用多年。并可認為它不會形成高電阻的污染膜。但最近數(shù)據(jù)表明在半暴露條件下，這種合金仍會形成明顯的污染膜。加大接觸壓力使磨損增加，但有助于擦掉膜層，減少接觸電阻。一般地，鍍銀觸點的接觸壓力在80g－150g左右。2/4/202318第七章電鍍層及其質(zhì)量三、銀離子遷移定義： 當絕緣基座中有兩個以上銀接觸對，若相互間距不大，又處在潮濕環(huán)境中，則積存在兩個接觸對之間的水將成為電解液。當通以直流電壓后，高電位（陽極）導體上的銀成為正離子而進入溶液，受電位差吸引向陰極移動并在陰極上還原，

在陰極上沉積的銀顆粒是不均勻的，高出來的與后面遷移來的銀離子相遇機會多，銀離子密度高，因此銀離子在其上還原較多。在陰極表面呈絲狀銀的沉積。時間一長，陰極與陽極之間便出現(xiàn)短路。短路所需的時間和導線之間的距離、濕度、溫度有很大的關(guān)系。2/4/202319第七章電鍍層及其質(zhì)量三、銀離子遷移例如： 有人做過實驗,鍍銀導線之間相隔0.38mm，直流電壓30V，在45℃，90%相對溫度環(huán)境下只需14天，導線之間短路了，增加導線之間距離，短路所需的時間也就增長。2/4/202320第七章電鍍層及其質(zhì)量第四節(jié)錫及其合金一、錫及其合金的特點

一般用在可靠性要求較低的場合代替價格昂貴的金合金。優(yōu)點：價格低廉，易于覆蓋（對基底的附著力強），易焊接，在壓力大時表面的鈍化膜層被壓破形成金屬間的直接接觸。缺點：易氧化，在微動下形成微動腐蝕而造成接觸故障。由于錫和錫－鉛合金很軟，很容易滲透，所以它們的使用壽命不長。它們的插拔次數(shù)很少，一般只有1次或2次，最多不會超過10次。它們的粘結(jié)磨損率是硬金鍍層的100倍。它們也很容易發(fā)生擦傷磨損。插拔壽命不高。2/4/202321第七章電鍍層及其質(zhì)量二、錫的氧化膜錫易在空氣中生成氧化錫氧化錫絕緣，質(zhì)地硬而脆。但錫質(zhì)地很軟。接觸特點加壓于氧化錫上后，氧化錫易破裂，猶如施力于水上的薄冰一樣，錫從裂縫中被擠出，造成金屬的直接接觸。因此用錫及其合金作為接觸材料，壓力應(yīng)大于150g以上。壓力過小無法壓破氧化錫，也就無法產(chǎn)生良好的電接觸。由于錫觸頭所需的接觸壓力很大，因而插拔力也很大，通常插拔壽命不高（幾十次）。2/4/202322第七章電鍍層及其質(zhì)量三、微動當觸頭有微小往復振動或旋轉(zhuǎn)，接觸頭離開原來的氧化錫壓碎部分時，使這部分金屬暴露于空氣中很快被重新氧化，經(jīng)多次往復移動造成氧化層加厚而導致接觸不良，這種微小移動—微擾移動，由外界振動或環(huán)境溫度變化的熱脹冷縮引起。因此設(shè)計錫接觸點應(yīng)盡量避免微擾振動，盡可能采用熱膨脹系數(shù)相同材料，限制其往復移動或沿圓弧移動等。2/4/202323第七章電鍍層及其質(zhì)量四、錫須錫須的產(chǎn)生純錫容易產(chǎn)生錫須，即生長出很多細絲。其結(jié)果是使導體之間短路，這種現(xiàn)象是由于電鍍過程產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力所致。避免錫須的辦法是加入少量的鉛(<4%Pb)，使之成為錫鉛合金。由于Sn-Pb合金的熔點低于純錫，所以它們更容易焊接。Sn-Pb合金鍍層的厚度一般在2.5～5μm，其中間層金屬一般選用Ni或Cu；接觸壓力不小于100gm，因為必須要破裂或除去表面的氧化劑而得到低的接觸電阻。 2/4/202324第七章電鍍層及其質(zhì)量圖錫須Wisker2/4/202325第七章電鍍層及其質(zhì)量五、不同材料接觸對錫及其合金為表面鍍層的插頭在使用時應(yīng)注意不要插入鍍金插座內(nèi)，因為二者電極電位相差很大，在潮濕環(huán)境下，Sn將成為陽極而受到腐蝕，生成的腐蝕物會造成接觸不良。2/4/202326第七章電鍍層及其質(zhì)量六、中間相化合物錫和錫－鉛合金鍍在Cu基底上將形成如Cu6Sn5和Cu3Sn的中間相化合物。它們的硬度比Sn大，導電性比Sn差。錫和錫－鉛合金的滑動磨損的一個重要問題是中間相化合物對摩擦系數(shù)和接觸電阻的影響。因為Sn很容易自發(fā)地形成中間相化合物，所以表面鍍錫的觸點的使用壽命是非常短暫的。當觸點表面鍍Sn-Pb合金時，一旦Sn在形成中間相化合物過程中被使用完時，只剩下Pb存在。2/4/202327第七章電鍍層及其質(zhì)量第五節(jié)銅及其擴散一、銅對金表面的擴散

對電接觸的影響

當金直接電鍍在銅及其合金上，經(jīng)歷一段時間后，特別是當環(huán)境溫度較高時，金表面出現(xiàn)氧化銅膜層而導致電接觸失效。主要原因是作為基底的銅擴散到金表面后被氧化而造成的。擴散方式高溫時（250-1000C）的擴散主要通過晶粒內(nèi)部而進行，它對溫度非常敏感；溫度越高，擴散速度越快。低溫時（20-250C）的擴散主要通過晶界及位錯進行，對溫度的敏感相對來說較低。2/4/202328第七章電鍍層及其質(zhì)量二、擴散定理擴散第二定律

C為原子濃度；t為擴散時間；x為擴散距離；D為擴散系數(shù)擴散系數(shù)

D0為頻率因數(shù)cm2/s；R為氣體常數(shù)=1.987卡/克分子K；Q為擴散激活能(卡/克分子)，T為絕對溫度K）低溫時（20-250C）：D0=4.410-10cm2/s；Q=11540卡/克分子高溫時（250-1000C）：D0=6.810-6cm2/s；Q=22500卡/克分子2/4/202329第七章電鍍層及其質(zhì)量二、擴散定理擴散定理的微分方程求解

起始條件

x>0，t=0，銅濃度C=0 x<0，t=0，銅濃度C=C0 t>0，x=0，銅濃度C≠C0方程解為誤差函數(shù)方程式中，C0為擴散原子的初始濃度；C(x,t)/C0為擴散百分比，一般認為它達

0.1%就會出現(xiàn)失效；為誤差函數(shù)。

2/4/202330第七章電鍍層及其質(zhì)量二、擴散定理2/4/202331第七章電鍍層及其質(zhì)量例：1.5μm厚的金鍍層經(jīng)擴散達0.1%所需的時間溫度(C)擴散系數(shù)D(cm2/s)時間251.5×10-18約25年506.8×10-18約5年半651.