連接器接觸件的無(wú)鉛電鍍

1、連接器接觸件的無(wú)鉛電鍍聞春國(guó) 譯 國(guó)際線纜與連接技術(shù)版2002年4月刊 摘要：盡管對(duì)電子產(chǎn)品是否采用無(wú)鉛法案目前尚在激烈的辯論之中，但如果顧客要求提供無(wú)鉛電子元件，那么連接器制造商必須滿(mǎn)足其市場(chǎng)要求。接觸件換用無(wú)鉛電鍍?cè)∫簞t要求面臨著晶須生長(zhǎng)和樹(shù)脂材料的選擇問(wèn)題。此外，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)錫/銅電鍍層在焊接和機(jī)械接點(diǎn)中性能優(yōu)良。 1 引言近年來(lái)，各國(guó)頒布的法律一直在不斷呼吁全球各公司減少電器、電子產(chǎn)品中的含鉛量。日本和荷蘭的現(xiàn)行法律要求制造商回收那些含鉛的電子產(chǎn)品，并要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。歐洲聯(lián)盟的立法也包括了類(lèi)似的回收條款。為了不至于觸犯復(fù)雜的回收法規(guī)，許多制造商堅(jiān)持在他們的產(chǎn)品應(yīng)該實(shí)行無(wú)鉛化。在美國(guó)，對(duì)

2、鉛上的唯一限制在于其總量限制。過(guò)去，申報(bào)的含鉛量25000磅/年，現(xiàn)在使用限量只有100磅/年。這表明，幾乎所有的美國(guó)連接器制造商都必須公布其鉛的年使用量。 鉛在電子產(chǎn)品中的用量只占全世界鉛使用總量的0.5 %左右。盡管對(duì)于這些法律是否應(yīng)該針對(duì)電子產(chǎn)品尚存爭(zhēng)議，但法律和市場(chǎng)的力量可能會(huì)使這場(chǎng)爭(zhēng)論變成空談。如果一家原設(shè)備制造商 ( OEM ) 希望提供一種無(wú)鉛電子元件，那么連接器制造商和其它元件制造商就只得滿(mǎn)足其要求。 2 晶須生長(zhǎng)在連接器中，鉛首先存在于一些接觸件電鍍?cè)∫褐?。另有少部分?lái)自螺絲加工銅所用的鉛添加劑 (便于金屬加工) 以及在聚乙烯氯化物( PVC )電線絕緣材料中所含的鉛。金和鈀

3、電鍍層不含鉛，它們是錫/鉛電鍍的昂貴替代電鍍材料。而絕大多數(shù)連接器的接觸件電鍍層都含有一定比例的錫和鉛。這些電鍍層中的鉛具有特定的功能。它減少晶須生長(zhǎng)并可提高與錫/鉛焊接系統(tǒng)的相容性。它還可以在相對(duì)較低的溫度下熔化，節(jié)省能耗，并且使得連接器可以使用普通塑料。 盛行于20 世紀(jì)70年代初的純錫亮鍍層，就存在晶須生長(zhǎng)等問(wèn)題。第一次電鍍時(shí)，錫鍍層含有內(nèi)應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，錫的內(nèi)應(yīng)力開(kāi)始釋放，但是其釋放方式極不平常。電鍍層形成錫單晶體核，就象一根晶須一樣從表面勃發(fā)出來(lái)。晶須繼續(xù)成長(zhǎng)，直到內(nèi)應(yīng)力耗盡為止。晶須可以長(zhǎng)到較長(zhǎng)的長(zhǎng)度，往往超過(guò)100 m ( 參見(jiàn)圖1 )。 晶須會(huì)危害連接器的可靠性，尤其是小

4、間距連接器。相鄰兩個(gè)接觸件的晶須朝對(duì)方生長(zhǎng)，以至于最后接觸，從而造成接觸件短路。為避免晶須生長(zhǎng)，連接器制造商可以使錫鍍層重新熔化以減小內(nèi)部應(yīng)力，這一過(guò)程稱(chēng)為"錫回流"。但是，在以后的加工工序中，端子沖壓會(huì)導(dǎo)致端子邊緣出現(xiàn)裸銅。對(duì)于一些應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這些銅邊緣是令人討厭的，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)導(dǎo)致接觸件腐蝕或可焊性差。 在錫電鍍層中增加鉛會(huì)導(dǎo)致晶須生長(zhǎng)的減少或消除。許多連接器制造商采用60%錫和40%的鉛以達(dá)到良好的可焊性。連接器工業(yè)已經(jīng)把許多接觸錫/鉛電鍍層中的含鉛量減少到7 %。通過(guò)試驗(yàn)和20年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)顯示出，這一含鉛比例可以將晶須生長(zhǎng)減緩到規(guī)定的限度內(nèi)，這樣就不會(huì)影響連接器

5、的可靠性。采用這一比例還可以獲得良好的可焊性。3 溫度和塑料還有一個(gè)與無(wú)鉛接觸件有關(guān)的問(wèn)題是溫度。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛焊接，箱內(nèi)溫度必須由40左右增加到260，以便于熔化和鍵合。波焊浴液溫度還必須增加到280以上。 圖2.10種塑料中僅有5種適用于溫度在260°C 以上的環(huán)境，因?yàn)槠銱DT超過(guò)此。PBT =聚丁烯；PPE = 聚苯醚；SPS = 間規(guī)聚苯乙烯值。 連接器殼體塑料需要增加其焊接溫度。連接器殼體可以也可能無(wú)法承受這一溫度，這主要取決于塑料的選擇。圖2表示連接器殼體所用的10種普通塑料的熔化溫度和加熱偏轉(zhuǎn)溫度 ( HDT )，水平紅線表示260° C。該組中只有5種材料的

6、HDT值大于260°C ：即高溫尼龍 ( 聚酞酰亞胺（PPA）)、聚酰胺（ PA )、聚甲基對(duì)苯二甲酸二甲酯 (PCT)、液晶聚合物 ( LCP) 和聚苯撐硫 ( PPS )。 溫度在低于HDT時(shí)，連接器的外形尺寸將保持不變；而高于此溫度，則連接器上的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致塑料變形。 在一些情況中，連接器殼體可以已經(jīng)采用高溫塑料。例如，許多插孔連接器采用液晶聚合物（LCP）。然而，其它連接器尤其是低端和傳統(tǒng)型的連接器，則要求采用較昂貴的塑料代用品。對(duì)這些連接器來(lái)說(shuō)，更換樹(shù)脂將提高聚合物樹(shù)脂的成本。 4 測(cè)試無(wú)鉛電鍍換用無(wú)鉛電鍍層要求連接器制造商解決晶須生長(zhǎng)和樹(shù)脂選擇的問(wèn)題。制造商還必須尋找那種在

7、焊接和機(jī)械連接中性能保持良好的電鍍層。 通過(guò)試驗(yàn)，我們選擇幾種無(wú)鉛鍍層作為93/7 錫/鉛電鍍層的替代材料。這些材料分別是純錫、錫/銅和錫/銀電鍍層。由于鉍與焊料中的鉛發(fā)生反應(yīng)，形成在低溫度下能熔化的合金，從而影響連接器的穩(wěn)定性，故不能采用錫/鉍電鍍層。另外，銅鍍鉍后，其回收率較低。在測(cè)試無(wú)鉛電鍍層中，必須考慮機(jī)械連接的晶須生長(zhǎng)、可焊性和性能特征。對(duì)于性能特征，電鍍層還要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試以測(cè)得其摩擦系數(shù)、摩擦、磨蝕和腐蝕特性。至于晶須生長(zhǎng)率，目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)測(cè)試。不過(guò)，Tyco 電子公司已經(jīng)制定出了自己的試驗(yàn)規(guī)范。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，技術(shù)人員將電鍍樣品弄彎180°左右，然后將它安裝到一臺(tái)電

8、子掃描顯微儀的一個(gè)支架上。電鍍層的應(yīng)力有2個(gè)來(lái)源：與電鍍有關(guān)的內(nèi)部來(lái)源和樣品嚴(yán)重的機(jī)械彎曲。技術(shù)人員把樣品放在50°C的烘箱中至少保持6 個(gè)月的時(shí)間。定期分析表面，以檢查其晶須生長(zhǎng)情況。試驗(yàn)顯示，傳統(tǒng)的純亮錫電鍍層往往會(huì)產(chǎn)生難以接受的晶須生長(zhǎng)問(wèn)題。通常，用來(lái)增加電鍍沉積亮度的電鍍?cè)∫禾砑觿┛赡軙?huì)使其應(yīng)力增大，從而促使晶須生長(zhǎng)。采用幾種電鍍工藝也可以減緩晶須生長(zhǎng)，例如在錫和銅之間電鍍一層鎳。另外，將錫表面進(jìn)行軋光處理也可以抑制晶須生長(zhǎng)，并可降低電鍍成本。對(duì)于可焊性來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù) MIL-STD-202 標(biāo)準(zhǔn)中的208方法或EIA 576可焊性標(biāo)準(zhǔn) (可焊性測(cè)試應(yīng)使用63/37錫/鉛焊料或

9、錫/銅焊料)進(jìn)行。這包括在試驗(yàn)前將樣品暴露于加熱老化和蒸氣老化環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。錫/鉛焊料的傳統(tǒng)檢驗(yàn)規(guī)則一般要求鍍層具有良好的覆蓋性，而且光滑、明亮、均勻。對(duì)于無(wú)鉛焊接來(lái)說(shuō)，檢驗(yàn)人員只需檢查其是否光滑、均勻即可。機(jī)械連接的無(wú)鉛電鍍層要求具有低插入力、低而穩(wěn)定的接觸電阻和耐磨性。摩擦系數(shù)機(jī)械測(cè)試顯示出3種電鍍層即93/7 錫/鉛、純錫和錫/ 銅類(lèi)似的結(jié)果。這些結(jié)果顯示3 種電鍍層的插入力特性也基本相同。 為測(cè)試鍍層的摩擦情況，在上述規(guī)定力的作用下將一個(gè)金屬球放到電鍍層表面使之滑動(dòng)。接觸電阻的測(cè)試與上述摩擦測(cè)試基本相同，只是金屬球已經(jīng)通上電流，并壓入了電鍍層表面。然后，測(cè)量電鍍層和球之間的有效電阻。

10、 圖3表示三種電鍍層在腐蝕性混合流動(dòng)氣體 ( IIIA級(jí) ) 48小時(shí)后接觸電阻的變化曲線。由此可見(jiàn)，純錫和錫/銅電鍍層性能良好，但是錫/銀電鍍層由于出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，從而產(chǎn)生了令人難以接受的高電阻。 圖 4表示一種錫/銅電鍍層的加熱老化試驗(yàn)結(jié)果。該曲線顯示初始電阻以及在125°C、負(fù)荷逐步增加的條件下，經(jīng)過(guò)50 小時(shí)和500小時(shí)老化試驗(yàn)后的電阻。結(jié)果表明接觸電阻較低，而且錫/銅電鍍層較為穩(wěn)定，是令人滿(mǎn)意的機(jī)械接點(diǎn)。對(duì)純錫鍍層來(lái)說(shuō)，其結(jié)果也相同。 某些錫/銅電鍍?cè)〉募訜崂匣囼?yàn)結(jié)果不理想是因?yàn)樵陔婂児に囍胁捎昧说挠袡C(jī)添加劑。因?yàn)椋@些電鍍層對(duì)于焊接的連接器有效，但對(duì)機(jī)械接點(diǎn)連接器則不起什么作用。因此，機(jī)械接點(diǎn)連接器的制造商在更換浴液之前必須認(rèn)真選擇地錫/銅電鍍層的供應(yīng)商。 5 結(jié)論 有關(guān)無(wú)鉛電子法案頒布的時(shí)間表及其實(shí)施還在繼續(xù)爭(zhēng)論之中。但電子工業(yè)和它的供應(yīng)商必須為此做好準(zhǔn)備，以便提供低成本、高可靠性的工