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｡

连接器技术之 3.2接触镀层材料-贵重接触层
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(potential degradation 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,*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｡**,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｡**,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(environmental stability)｡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｡*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｡

   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(reactive nvironments)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｡

连接器技术之 3.2接触镀层材料-贵重接触层
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｡

连接器技术之 3.2接触镀层材料-贵重接触层