端子需要涂層,不然端子會腐蝕,影響其電氣性能。我們也知道銀錫組合是可行的,但金錫組合不好,金銀組合不好。
一、端子電鍍的定義
電鍍:是一種金屬電沉積過程,是指簡單的金屬離子或絡離子通過電化學方法在固體(導體或半導體)表面放電還原為附著在電極表面的金屬原子,從而獲得金屬層的過程。
二、端子電鍍的目的
電鍍通過改變固體表面特性來改變外觀,提高耐腐蝕性、耐磨性和硬度,提供特殊的光、電、磁、熱等表面特性。
三、端子電鍍介紹
大多數電子連接器的端子應進行表面處理,一般指電鍍。主要有兩個原因:一是保護端子彈簧片基材不受腐蝕;二是優化端子表面的性能,建立和保持端子之間的接觸界面,特別是膜控制。換句話說,它使金屬更容易接觸金屬。
防止腐蝕:
大多數連接器彈簧片由銅合金制成,通常在使用環境中腐蝕,如氧化、硫化等。端子電鍍是將彈簧與環境隔離,防止腐蝕。當然,如果電鍍材料不會腐蝕,至少在應用環境中。
表面優化:
端子表面性能的優化可以通過兩種方式實現。一是連接器的設計,建立和保持穩定的端子接觸界面。二是建立金屬接觸,要求插入時任何表面膜層不存在或破裂。膜層和膜層破裂的區別在于貴金屬電鍍和非貴金屬電鍍的區別。
貴金屬電鍍,如金、鈀及其合金,是惰性的,本身沒有膜。因此,對于這些表面處理,金屬接觸是自動的。我們需要考慮的是如何在不受污染、基材擴散、端子腐蝕等外部因素影響的情況下,保持端子表面的高貴。
非金屬電鍍,特別是錫、鉛及其合金,覆蓋一層氧化膜,但在插入時,氧化膜容易破裂,并建立了金屬接觸區。
(1)貴金屬端子電鍍。
貴金屬端子電鍍是指貴金屬覆蓋底層表面,底層通常為鎳。一般連接器涂層厚度為15~50u金,50~100u鎳。最常用的貴金屬電鍍包括金、鈀及其合金。
黃金是最理想的電鍍材料,具有優異的導電性和導熱性。事實上,它在任何環境中都是防腐的。由于這些優點,在需要高可靠性的應用場合,主要的電鍍是黃金,但黃金的成本非常高。
鈀也是貴金屬,但與黃金相比,它具有高電阻、低傳熱和耐腐蝕性差的優點,但具有耐摩擦性。鈀鎳合金(80~20)一般用于連接器的接線柱(POST)。
在設計貴金屬電鍍時,應考慮以下事項:
a.多孔性
在電鍍過程中,黃金在許多暴露在表面的污漬上形成核。這些核繼續在表面擴大。最后,這些島嶼(孤立的物體)相互碰撞,完全覆蓋表面,形成多孔電鍍表面。金鍍層的多孔性與鍍層厚度有一定的關系。在15u以下,多孔性迅速增加,超過50u,多孔性很低,實際降低的速率可以忽略不計。這就是為什么電鍍貴金屬的厚度通常在15~50u范圍內。多孔和基材的缺陷,如內容、疊層、沖壓痕跡、沖壓清洗不當、潤滑不當等,也有一定的關系。
b.磨損
端子電鍍表面的磨損也會導致基材暴露。電鍍表面的磨損或使用壽命取決于表面處理的兩個特點:摩擦系數和硬度。隨著硬度的增加和摩擦系數的降低,表面處理的使用壽命會增加。電鍍金通常是硬金,含有硬化活化劑,其中Co(鈷)是最常見的硬化劑,可以提高金的耐磨性。鈀鎳電鍍的選擇可以大大提高貴金屬涂層的耐摩性和使用壽命。一般20~30u鈀鎳合金覆蓋3u金鍍層,導電性好,耐磨性高。此外,鎳底層通常用于進一步提高使用壽命。
c.鎳底層
鎳底層是貴金屬電鍍的首要考慮因素,它提供了幾個重要的功能,以確保端子接觸界面的完整性。鎳通過正氧化物表面提供有效的隔離層,阻擋基材和孔,從而降低孔腐蝕的可能性;并在貴金屬電鍍層下提供硬支撐層,從而提高涂層壽命。什么樣的厚度合適?鎳底層越厚,磨損越低,但考慮到成本和控制表面的粗糙度,一般選擇50~100u的厚度。
(2)非貴金屬電鍍。
非貴金屬電鍍不同于貴金屬,因為它們總是有一定數量的表面膜層。由于連接器的目的是提供和保持金屬接觸界面,必須考慮這些膜的存在。一般來說,對于非貴金屬電鍍,對正向力的高要求足以破壞膜,從而保持端子接觸界面的完整性。擦洗對含有膜的端子表面也很重要。
端子電鍍有三種非金屬表面處理:錫(錫鉛合金)、銀和鎳。錫是最常用的,銀在高電流方面具有優越性,鎳僅用于高溫場合。
錫表面處理。
錫也指錫鉛合金,尤其是錫93-鉛3合金。
我們從錫的氧化物膜容易被破壞的事實中提出使用錫的表面處理。錫涂層表面會覆蓋一層硬、薄、易碎的氧化物膜。氧化膜下面是軟錫。當某種正向力作用于膜層時,錫的氧化物因為很薄而無法承受這種負荷,而且因為脆易碎而開裂。在這種情況下,負載轉移到錫層,因為它柔軟柔軟,在負載作用下容易流動。由于錫的流動,氧化物的開裂更寬。通過裂縫和間隔層。錫擠壓到表面,提供金屬接觸。錫鉛合金中鉛的作用是減少錫的產生。錫必須是在應力作用下,錫的電鍍表面形成一層單晶體(錫必須)。錫必須在端子之間形成短路。增加2%或更多的鉛可以減少錫必須。另一種比例的錫鉛合金是錫:鉛=60:40,接近我們焊接的成分比例(63:37),主要用于要焊接的連接器。然而,最近,越來越來越多的法律要求降低電子和電氣產品中的鉛含量,許多的電鍍端子需要求,主要有純錫電鍍,銅電鍍/錫,銅電鍍和錫可以通過銅電鍍或錫之間不光滑的無錫光澤來減緩。
b.銀表面電鍍。
銀認為是非貴金屬端子的表面處理,因為它與硫、氯反應形成硫化膜。硫化膜是半導體,形成二極管。
銀也很軟,類似于軟金。由于硫化物不易被破壞,因此銀沒有摩擦腐蝕。銀具有優異的導電性和導熱性,不會在高電流下熔化。它是一種優良的材料,用于處理高電流端子表面。
(3)端子潤滑。
潤滑對于不同的端子表面處理有不同的作用,主要有兩個功能:降低摩擦系數和提供環境隔離。a.降低摩擦系數有兩個效果:一是降低連接器的插入力;二是通過減少摩擦損失來提高連接器的使用壽命。b.端子潤滑可以通過形成封閉層來防止或延緩環境與接觸界面的接觸,并提供環境隔離。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和連接器的使用壽命的。對于錫的表面處理,端子潤滑是為了提供環境隔離,防止摩擦腐蝕。雖然潤滑劑可以添加到電鍍的下一個過程中,但它只是一個補充操作。對于那些需要焊接到PCB板上的連接器,焊接和清洗可能會失去潤滑劑。如果潤滑劑粘在灰塵中,會增加電阻,降低使用壽命。最后,潤滑劑的耐溫性也可能限制其應用。
(4)端子表面處理總結。
假設貴金屬電鍍覆蓋在50u鎳底層。
金是最常用的材料,厚度取決于壽命要求,但可能受到多孔沖擊。
鈀不建議用于可焊性保護。
銀對銹蝕和遷移敏感,主要用于電源連接器。通過潤滑,銀的使用壽命可以顯著提高。
錫具有良好的環境穩定性,但必須保證機械穩定性。
四、鍍錫端子的十條鐵律。
錫或錫合金材料是優良的終端電鍍材料之一,成本相對便宜,接觸電阻低,焊接性好,在相應的使用環境中性能也能滿足工程設計要求,是替代金等貴金屬的理想涂層材料。
以下是10條鐵律,但隨著未知應用的不斷出現,相信還有很多規律等著大家去探索。
1.使用鍍錫材料時,要保證公母端子插入后機械穩定性好。
也就是說,不建議在振動環境中使用鍍錫材料端子。原因:在振動環境下,端子金屬材料的差熱膨脹系數differentialermalexpansion(dte)不同,容易產生微動腐蝕(微動腐蝕Fretting),一般端子在10~200微米范圍內往復摩擦,導致涂層損壞,原材料暴露氧化,導致接觸電阻顯著增加。
2.為了保持鍍錫端子之間的穩定接觸,應在端子上施加至少100克的正向壓力。
3.鍍錫端子之間需要輔助潤滑。
原因:這是跟著上面的第二個,端子的正向壓力很大,適當的潤滑是非常必要的,最好端潤滑。
4.不建議使用連續高溫環的鍍錫材料。原因:高溫加速銅與錫之間的金屬間化合物,導致中間層變脆變硬,影響正常使用。建議中間加一層鍍鎳,因為鎳錫金屬間化合物生長緩慢。
5.各種鍍錫工藝對電氣性能沒有太大差異。比如鍍亮錫比較漂亮;啞光錫(matte)應保持表面清潔,以免影響可焊性。黃銅鍍錫應加一層鎳底,防止基材中鋅的流失,因為鋅的流失會降低可焊性。
6.鍍錫涂層厚度應盡可能為100~300微英寸。大多數低于100的產品將使用成本低、焊接要求低的產品。
7.不建議使用鍍錫和鍍金端子。原因:因為這樣會更容易被氧化腐蝕。錫會轉移到金表面,最終導致鍍錫氧化物在更硬的鍍金基體上堆積。直接從鍍錫上穿過錫氧化物比直接從鍍錫上穿過錫氧化物更難破壞錫氧化物。但鍍錫和鍍銀的微動摩擦與兩端鍍錫相似。
8.鍍錫端子互配時,最好插兩三次。這樣做的目的是去除鍍錫層上的氧化層,實現可靠的金屬間接觸。即使是ZIF端子(零插入力端子)也建議這樣做。
9.鍍錫或鍍錫合金端子不適用于電路頻繁通斷的場合。錫材料熔點低,不適用于頻繁通斷的場合,如電弧觸點。