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连接器接触电镀材料硬金和硬金闪镀钯镍的对比

2018-06-12 09:16:14 来源:连接器世界网

【大比特导读】插入式(Plug-in)连接器被用于各种不同的环境,其性能要求必须可靠一致。因此,连接器制造商必须关注许多因素以确保产品质量。

德国浩亭股份有限公司战略技术专家Inga Heile博士、浩亭电子公司板对板连接器全球产品管理总监RainerHüske

1. 介绍

插入式(Plug-in)连接器被用于各种不同的环境,其性能要求必须可靠一致。因此,连接器制造商必须关注许多因素以确保产品质量。

这包括考虑接触的形状、接触触点的数量、正向力、基材松弛以及电镀接触表面的化学组成和厚度。

在选择合适的电镀解决方案时,连接器制造商必须注意众多的技术和物理要求。直到今天,市场上还有许多不同的连接器接触表面。每一种接触表面都有其独特的特点和自身的优势。本文将简要概述连接器的接触系统和表面涂层。此外,重点比较硬金和硬金闪镀钯镍(80/20),因为在通过电子连接器进行数据传输的领域,这两种涂层是最常用的选项。虽然这是老生常谈,但仍然存在很多问题。这两种表面的各自特点和优势将得到更详细的考量,并通过浩亭质量技术中心的调研得到证实。

2.连接器技术要求

插入式连接被用于需要暂时连接的任何器件或组件。其应用范围与连接器系统的技术要求一样宽泛(见表1)。电气接触基本上有两个主要任务:可以在闭合位置对电气连接进行机械分离,以及无损地传输电能。

为了实现这一点,连接器必须满足几个技术要求,包括接触电阻应当很低,并且是稳定的;导热率应该很高,从而实现较低的电热量和较高的载流能力;插入力和拔出力应该较低,以使连接器具有良好的耐磨特性;同样,它必须能抵抗诸如冲击、振动、湿度和工业环境(耐腐蚀性)等外部影响。

表1:连接器接触区的技术要求

 

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因此连接器系统的这些技术要求以及可靠性不仅是由所使用的接触表面所限定,而且还受到彼此相互依赖的多个不同物理特性的影响。其性能是由接触件的形状、接触点的数量、正向力以及基材的松弛特性来定义的。为了便于介绍接触表面,首先要简要概述连接器结构,然后再更具体地概述接触区。

3.接触系统

接触系统是由带有弹簧元件的公头和母头接触组成(见图1)。考虑到机械强度和不需要机械灵活性,公头接触通常由黄铜制成。

母头接触通常由具有更大弹簧特性的青铜制成,因此具有较低的松弛特性,这确保了在连接器系统的整个使用寿命期间,弹簧元件保持稳定的接触正向力。

3.1.接触电阻

连接系统的总电阻(R总)是由接触电阻(R接触区)以及两个接触(公+母)的散装材料(bulk material)的电阻(Rbulk)和端子区域的电阻(R端子)组成(参见图1)。

 

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图1:接触系统的示意图

宏观上发生接触的区域称为“明显接触区”(Aa)。所有固体表面在微观上都很粗糙,这意味着表面由峰和谷组成。因此,两个接触表面之间的接触仅在分立区域发生,即所谓的“承载接触区域(Al)”,它由两个表面“凹凸不平”的机械接触所产生。对于低接触力,这只是明显接触区域的一小部分。由于杂质或污染物(如氧化物)的存在,“有效接触表面积(Ae)”甚至更小。这个有效接触区就像一个小点的集合,即所谓的“a点”。图2为两个接触的粗糙电接口的示意图。

 

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图2:电气接口示意图

虽然接触电阻只占电路总电阻的很小一部分,但它是电接触最重要的特性之一。强烈的波动会导致系统故障,甚至导致系统失效。接触区的接触电阻由所谓的“收缩电阻(Rc)”和“薄膜电阻(Rf)”组成。

 

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密封连接器的收缩电阻是由有效接触区域内电流线的收缩造成的。图3示意图表明了,与仅有一个圆形有效接触区(用红色圆圈标记)的接触系统中的电流线相比,均质金属导体中电流线情况。

 

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图3:均质金属导体(左侧)和具有圆形有效接触区(右侧)的接触系统的电流线示意图

由于机械变形,a点的数量和面积以及有效接触表面积会随着接触正向力的增加而增加。结果,收缩电阻会随着接触力的增加而降低(见图4)。由于氧化膜破裂,较高的正向力也会产生较低的薄膜电阻,从而导致有效接触表面积增加。

 

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图4:依赖a点数量的收缩电阻

4.接触表面

4.1.要求

插入式连接器用于各种不同的环境,如热或湿热。它们也用于腐蚀环境等不利环境条件。因此,电接触的接触表面必须满足各种要求。其目的是提高接触基材的性能,特别是基材的耐腐蚀性。由于基底的腐蚀会形成异质层,导致电特性的改变,即增加了薄膜电阻。为了限制这些异质层的影响,基底要进行涂覆。与未涂覆的基材相比,涂层可降低接触正向力,这是打破异质层所需的。

涂层还必须具有较高的导电性、导热性,以及较低的摩擦和磨损。然而,高耐磨性始终是低插入力和拔出力之间的折衷。

主要有两种磨损机制。一方面,接触表面的机械磨损是由插入操作所引起的,它会导致在一段时间后,接触表面的非贵金属中间层或甚至基材暴露,从而更易于腐蚀。另一方面,由温度变化或振动引起的接触表面的微动磨损会导致小的振荡运动(微动<125μm)。因此要在接触界面中构建高电阻腐蚀性产品,如氧化物,以产生微动腐蚀。在镀贵金属接触的情况下,当接触表面磨损,并且镍中间层或铜合金已经暴露时,微动腐蚀就会开始。非贵金属接触表面,如锡,一般非常容易产生微动腐蚀。

4.2.共同的电流接触表面

市场上有多种接触表面可以满足这些要求。虽然本文的重点是硬金和硬金闪镀钯镍(80/20)之间的比较,但下面将简要介绍其他常见接触表面(图5)。

接触表面可以分为贵金属和非贵金属的接触表面。非贵金属表面主要用于标准消费市场。在工业市场以及整个使用寿命期间需要100%安全和品质的机器或设备中,贵金属表面是优选。

 

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图5:接触区最常见的表面涂层概况

4.2.1.非贵金属接触面

4.2.1.1.锡

锡属于非贵金属。这种金属的主要优点是价格低廉。因此,如果预计的振动或温度变化不是太严重,它就可以用作汽车行业的表面涂层。它在其表面上形成硬质氧化锡层并易于磨损。为了获得良好而稳定的有效接触面积,以及较低的、稳定的接触电阻,该氧化物层必须通过高正向力,或者更确切地说通过高表面压力,进行塑性变形和断裂。这种高正向力是需要的,而锡具有相对较高的摩擦系数,这就会导致较高的插入和拔出力,并因此导致磨损增加。

这就使得插拔周期被限制在大约20个。因此,它适用于不需要多个插拔周期的大容量应用,以及用于压入或焊接电触点的端接工艺。

4.2.2.贵金属接触表面

4.2.2.1.银

银属于贵金属。它具有所有金属中最高的导电性和导热性。银对含硫气体表现出高亲和力。因此,硫化氢的痕迹通过形成硫化银,就足以使银变色(变暗),从而形成光滑而非常薄的层。当接触件插入和拔出时,或者可以通过更高的电压和电流(所谓的“烧结”)进行电分解时,该层会被去除。这种银表面顶部的钝化会产生很长时间的非常低的接触电阻。在电流或电压非常低的情况下,硫化银层不能被电击穿,因此会产生传输信号的微小变化。因此,银主要用于高电流接触。

表2:基于IEC 60 603-2的性能等级1-3

 

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4.2.2.2.硬金

金是最贵金属的金属,因此它具有最高的耐腐蚀性,这是它的主要优势。纯金是最柔软的贵金属,所以含钴、镍或铁的金合金被用作接触表面,即所谓的“硬金”。硬金表面上有一层吸收层,在非常低的正向力下很容易破碎。同样,金表面的摩擦系数以及插入力和拔出力都相当低。这会使得磨损非常低,因此可以实现大量的插拔次数。因此,金也适用于低电压、腐蚀性环境,并且适用于数据和信号连接器的涂层。硬金的主要缺点是其高成本和受制于股市价格。

4.2.2.3.硬金闪镀钯镍(80/20)

钯是一种贵金属。由于催化作用,当钯触点相互之间发生相对运动时(微动),它很容易在含有有机化合物痕量的气体中,形成绝缘摩擦棕色聚合物。这种效应被称为“棕色粉末”效应。因此,通常使用钯-镍合金作为接触表面,它具有钯的所有优点,但是镍却防止了“棕色粉末”效应。将钯-镍表面进行硬金闪镀,可用作固体润滑剂和腐蚀保护。该涂层系统具有低摩擦系数的硬钯镍底层。这使得磨损非常低,因此可实现大量的插拔次数。硬金闪镀钯-镍涂层特别适用于数据和信号传输以及腐蚀环境的低电压连接器。

5.选择正确的表面

由于连接器中的大部分功能紊乱是由接触元件引起的,所以连接器接触表面最常见的缺陷机制​​是腐蚀和磨损。

这些降解机制对接触的性能有很大的影响。因此,正确选择接触表面需要了解不同接触表面的特性和工程要求。为了方便客户为其应用定义正确的连接器,IEC 60 603-2等标准中定义了不同的性能等级。硬金和硬金闪镀钯镍(80/20)都符合这些要求(见表2)。

这为客户以及制造商提供了优势。客户不必定义技术特性,如最大接触电阻、插拔次数、电镀或老化步骤。他们可以选择一个确定的性能等级,连接器制造商则负责满足所需的规格。另一方面,标准化为制造商提供了一些自由度,例如在冲压或电镀方面,可以采用新技术或通过使用新材料、基材、以及持续发展并且对连接器的性能具有重要影响的表面涂层,来实现这些性能水平。

6. 硬金和硬金闪镀钯-镍(80/20)的对比

金闪镀钯镍(80/20)最受关注的技术问题是微动腐蚀行为。除了释放测试之外(根据IEC 60 603-2),测试样品还要经过基于Telcordia GR-1217的微动测试,以验证金和钯之间所有的理论。因此,浩亭对这两种接触表面进行了基于Type C DIN 41612连接器(见图6和图7)的具体比较。

浩亭股份有限公司的企业技术服务(CTS)作为整个浩亭科技集团的独立服务提供商,为确保质量,完成了所有产品测试。并依据DIN EN ISO / IEC 17025的认证,来确保实验室的独立性和高质量的结果。

 

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图6:DIN信号Type C公头(顶部)和母头(底部)

 

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图7:DIN信号Type C 母头交叉视图

6.1.测试样本

两种样品的表面涂层具有以下布局:

■样品类型1:Tye C DIN 41612连接器

▬▬接触表面:2μmNi +1.85μmAuCo

■样品类型2:DIN 41612连接器Tye C(性能等级1)

▬▬接触表面:2μmNi +0.4μmPdNi(80/20)和0.05μmAuCo

为了解释结果,应该考虑到,硬金样品1的层厚度(AuCo:1.85μm)是样品类型2硬金闪镀钯镍层(80/20)(PdNi:0.4μm)的四倍。

6.2.测试安排

微动测试是在浩亭内部实验室用摩擦计进行的。基于Telcordia GR-1217的测试步骤程序——微动和润滑测试,该测试程序评估了特定连接器硬件,与由风扇振动或热循环所引起的微动相结合的微动风险。微动的距离被设定为48μm。测试的应用频率为10 Hz。

根据IEC 60603-2(1995-09)的接触电阻测试,在磨损轨迹(wear track)的末端和中部,采用LLCR方法(低电平接触电阻、干膜接触电阻测量)进行接触电阻测量。这种LLCR方法避免了通过电击穿和热击穿来降低接触界面的接触电阻。如果接触电阻超过20毫欧姆,则接触测试失败。

6.3.结果

两种样品类型均符合连接器规格IEC 60 603-2。微动测试方面,硬金闪镀钯-镍(80/20)可承受高达300,000次循环,直至故障点。在此之后,接触表面会磨损,并且镍底层以及铜合金已经开始氧化(参见图8A),从而导致接触电阻增加。与硬金闪镀钯-镍(80/20)相比,硬金表面经受高达900,000次循环,直到故障点,这是得益于其4倍厚的贵金属层厚度。其接触表面也出现了磨损,并且镍开始氧化(参见图8B),从而会增加接触电阻。

 

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图8:经历了300,000微动周期后的硬金闪镀钯-镍(80/20)(A)和900,000微动循环后的硬金接触表面(B)(在数字显微镜Keyence VHX 1000D上进行)。

两种接触表面都表现出相同的磨损特性。起初,贵金属的材料被穿透。当镍暴露时,它开始氧化。一开始,磨损轨迹中仍然存在一些贵金属,所以接触电阻仍然低于20毫欧姆。当磨损轨迹中只剩下腐蚀物时,接触电阻就会增加,导致出现接触失败。被测金层具有良好的微动特性的原因之一,是厚度比钯镍厚4倍。因此,硬金层磨损的时间较长。

7. 总结

在电子连接器领域,硬金和硬金闪镀钯镍(80/20)是数据连接器接触的最常见选择。这两种表面均满足连接器规范IEC 60 603-2。因此,根据国际连接器规范IEC 60 603-2,硬金闪镀钯镍(80/20)是一种适用于所有应用的良好且成熟的解决方案。对于更高的需求,特别是在更加微妙的运动周期下,传统黄金仍然是首选。尽管如此,硬金闪镀钯镍(80/20)具有提高性价比的优势,另外与硬金相比,它可免受股市动荡影响。

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

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