電鍍層及其質(zhì)量

電鍍層及其質(zhì)量

2/1/20231廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)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(kuò)散第六節(jié)接觸材料的分類(lèi)2/1/20232廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)第一節(jié)概述

一、使用接觸鍍層的原因保護(hù)接觸彈片的基材金屬不受腐蝕，接觸鍍層是用來(lái)封閉接觸彈片與工作環(huán)境隔開(kāi)以防止銅的腐蝕。當(dāng)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(jī)械和電氣性能。與機(jī)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(jī)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(duì)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。2/1/20233廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)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(xué)覆蓋等，其中電鍍?cè)诮硬寮烷_(kāi)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(chǎng)作用下溶液中的金屬離子還原的過(guò)程。對(duì)電接觸處的電鍍和其他部位不同，有其特殊要求，它對(duì)電接觸的可靠性有著重要的意義。2/1/20234廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、電鍍對(duì)滑動(dòng)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(qiáng)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。2/1/20235廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)第二節(jié)金及其合金一、金及其合金特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：價(jià)格昂貴、電鍍層比較薄、微孔問(wèn)題突出。純金屬硬度低，易粘結(jié)磨損，宜用Au -Co合金。2/1/20236廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、鍍金層微孔問(wèn)題微孔的形成： 在電鍍過(guò)程中，溶液中的金還原沉積在基底材料表面時(shí)，首先呈核狀，然后逐漸擴(kuò)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(duì)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(xì)孔作用而進(jìn)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(yáng)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(yuǎn)大于被腐蝕的金屬體積，因此腐蝕物就會(huì)沿微孔蔓延至鍍層表面，造成接觸不良。2/1/20237廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)鍍金微孔2/1/20238廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)2/1/20239廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、鍍金層微孔問(wèn)題微孔形成的原因電鍍工藝：電流、時(shí)間、鍍層厚度造成的顆粒沉積狀態(tài)電鍍過(guò)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(jī)污染物顆粒等，造成金離子無(wú)法在其上面取得電子還原成金顆粒而形成孔隙?；撞牧洗植诙鹊挠绊懹梦⒖茁剩▊€(gè)/平方厘米）來(lái)表明微孔程度。實(shí)驗(yàn)表明，微觀表面越粗糙，微孔率越高。這是因?yàn)楸砻嬖酱植?，金離子還原成金顆粒越不均勻，出現(xiàn)孔隙的機(jī)會(huì)越多。2/1/202310廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、鍍金層微孔問(wèn)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(cuò)，堵塞孔隙,可使微孔率減少。若鍍金層的厚度超過(guò)5μm，則基本沒(méi)有微孔，但由于成本價(jià)格等原因，實(shí)際上鍍金層的厚度一般0.75～1.5微米。2/1/202311廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、鍍金層微孔問(wèn)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(dòng)及溶液去油污處理)、清除鍍液雜質(zhì)（鍍液循環(huán)過(guò)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(shí)際的電鍍觸點(diǎn)中，將鎳作為中間鍍層A.降低對(duì)微孔的敏感性,鍍金層中的微孔有鈍性和活性之分。當(dāng)中間鍍層為Ni或Sn/Ni時(shí)，微孔中形成的氧化物具有保護(hù)性，而當(dāng)中間鍍層為Cu，Ag等時(shí)，微孔中形成的腐蝕物很快就會(huì)蔓延至金表面，使接觸不可靠。B.對(duì)擴(kuò)散有阻礙作用,C.對(duì)腐蝕物的遷移有阻擋作用,D.硬度高，改善觸點(diǎn)壽命。2/1/202312廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、鍍金層微孔問(wèn)題微孔率的檢測(cè)方法

SEM觀察：很小的微孔，較曲折的微孔難以發(fā)現(xiàn)，有時(shí)陷坑易被誤認(rèn)為是微孔，比較費(fèi)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(jì)數(shù)目；常用的方法。日本JEIDA標(biāo)準(zhǔn)。但應(yīng)注意控制腐蝕時(shí)間不使腐蝕物過(guò)分蔓延。Ni試劑法：硝酸蒸汽腐蝕法：國(guó)標(biāo)，過(guò)于厲害。2/1/202313廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)第三節(jié)銀及其合金一、銀的特點(diǎn)：銀及其合金也是常用的鍍層材料。優(yōu)點(diǎn)：電阻率低、附著性好、價(jià)格低于金、電鍍層一般較厚、粘結(jié)磨損小、滑動(dòng)壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：易硫化，在硫化氣體中腐蝕嚴(yán)重，易造成接觸不良。2/1/202314廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、銀的腐蝕銀及其合金的氧化

室溫下只有當(dāng)存在臭氧時(shí)銀才會(huì)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(jī)械除去，很少對(duì)觸點(diǎn)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(gè)ppm濃度的H2S或幾十至幾百ppm濃度的SO2，這些氣體對(duì)銀都有危害作用，在銀表面上形成Ag2S膜層，其化學(xué)反應(yīng)式是：2/1/202315廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、銀的腐蝕Ag2S對(duì)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(dāng)電流從一個(gè)方向流過(guò)Ag2S膜層表現(xiàn)出的電壓-電流特性和電流反向流過(guò)時(shí)表現(xiàn)出的電壓-電流特性是不對(duì)稱(chēng)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(lái)，覆蓋到金屬層上造成接觸不良。2/1/202316廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)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(rèn)為它不會(huì)形成高電阻的污染膜。但研究數(shù)據(jù)表明在半暴露條件下，這種合金仍會(huì)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(diǎn)的接觸壓力在80g－150g左右。2/1/202317廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)三、銀離子遷移定義： 當(dāng)絕緣基座中有兩個(gè)以上銀接觸對(duì)，若相互間距不大，又處在潮濕環(huán)境中，則積存在兩個(gè)接觸對(duì)之間的水將成為電解液。當(dāng)通以直流電壓后，高電位（陽(yáng)極）導(dǎo)體上的銀成為正離子而進(jìn)入溶液，受電位差吸引向陰極移動(dòng)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(lái)的與后面遷移來(lái)的銀離子相遇機(jī)會(huì)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(shí)間一長(zhǎng)，陰極與陽(yáng)極之間便出現(xiàn)短路。短路所需的時(shí)間和導(dǎo)線(xiàn)之間的距離、濕度、溫度有很大的關(guān)系。2/1/202318廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)三、銀離子遷移例如： 有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)，鍍銀導(dǎo)線(xiàn)之間相隔0.38mm，直流電壓30V，在45℃，90%相對(duì)溫度環(huán)境下只需14天，導(dǎo)線(xiàn)之間短路了，增加導(dǎo)線(xiàn)之間距離，短路所需的時(shí)間也就增長(zhǎng)。2/1/202319廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)第四節(jié)錫及其合金一、錫及其合金的特點(diǎn)

一般用在可靠性要求較低的場(chǎng)合代替價(jià)格昂貴的金合金。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，易于覆蓋（對(duì)基底的附著力強(qiáng)），易焊接，在壓力大時(shí)表面的鈍化膜層被壓破形成金屬間的直接接觸。缺點(diǎn)：易氧化，在微動(dòng)下形成微動(dòng)腐蝕而造成接觸故障。由于錫和錫－鉛合金很軟，使用壽命不長(zhǎng)。它們的插拔次數(shù)很少，一般只有1次或2次，最多不會(huì)超過(guò)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。2/1/202320廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)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(diǎn)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(guò)小無(wú)法壓破氧化錫，也就無(wú)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）。2/1/202321廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)三、錫的微動(dòng)失效微動(dòng)過(guò)程中，接觸頭離開(kāi)原來(lái)的氧化錫壓碎部分時(shí)，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(fù)移動(dòng)造成氧化層加厚而導(dǎo)致接觸不良。因此設(shè)計(jì)錫接觸點(diǎn)應(yīng)盡量避免微擾振動(dòng)，盡可能采用熱膨脹系數(shù)相同材料，限制其往復(fù)移動(dòng)。2/1/202322廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)四、錫須錫須的產(chǎn)生純錫容易產(chǎn)生錫須，即生長(zhǎng)出很多細(xì)絲。結(jié)果是使導(dǎo)體之間短路這種現(xiàn)象是由于電鍍過(guò)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(diǎn)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?yàn)楸仨氁屏鸦虺ケ砻娴难趸瘎┒玫降偷慕佑|電阻。 2/1/202323廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)圖錫須Wisker2/1/202324廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)五、不同材料接觸對(duì)錫及其合金為表面鍍層的插頭在使用時(shí)應(yīng)注意不要插入鍍金插座內(nèi)，因?yàn)槎唠姌O電位相差很大，在潮濕環(huán)境下，Sn將成為陽(yáng)極而受到腐蝕，生成的腐蝕物會(huì)造成接觸不良。2/1/202325廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)六、中間相化合物錫和錫－鉛合金鍍?cè)贑u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(dǎo)電性比Sn差。錫和錫－鉛合金的滑動(dòng)磨損的一個(gè)重要問(wèn)題是中間相化合物對(duì)摩擦系數(shù)和接觸電阻的影響。2/1/202326廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)圖9銅錫中間相(Intermetallics)（a）拔出力變化 （b）接觸電阻變化2/1/202327廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)第五節(jié)銅及其擴(kuò)散一、銅對(duì)金表面的擴(kuò)散

對(duì)電接觸的影響

當(dāng)金直接電鍍?cè)阢~及其合金上，經(jīng)歷一段時(shí)間后，特別是當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，金表面出現(xiàn)氧化銅膜層而導(dǎo)致電接觸失效。主要原因是作為基底的銅擴(kuò)散到金表面后被氧化而造成的。擴(kuò)散方式高溫時(shí)（250-1000C）的擴(kuò)散主要通過(guò)晶粒內(nèi)部而進(jìn)行，它對(duì)溫度非常敏感；溫度越高，擴(kuò)散速度越快。低溫時(shí)（20-250C）的擴(kuò)散主要通過(guò)晶界及位錯(cuò)進(jìn)行，對(duì)溫度的敏感相對(duì)來(lái)說(shuō)較低。2/1/202328廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、擴(kuò)散定理擴(kuò)散第二定律

C為原子濃度；t為擴(kuò)散時(shí)間；x為擴(kuò)散距離；D為擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)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(kuò)散激活能(卡/克分子)，T為絕對(duì)溫度K）低溫時(shí)（20-250C）：D0=4.410-10cm2/s；Q=11540卡/克分子高溫時(shí)（250-1000C）：D0=6.810-6cm2/s；Q=22500卡/克分子2/1/202329廈門(mén)邁士通公司培訓(xùn)二、擴(kuò)散定理擴(kuò)散定理的微分方程求解

起始條件

x>0，t=0，銅濃度C=0