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抗腐蚀能力是提高连接器可靠性的前提
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抗腐蚀能力是提高连接器可靠性的前提

2020-12-02 15:52:15 来源:深圳市连接器行业协会 李亦平 作者:Joe Kaiser

【大比特导读】通过深思熟虑的连接器设计、材料选择、制造和科学处理,可以显著减轻镀锌腐蚀,从而保持高质量的接触表面完整性,并尽量减少连接器暴露在不利条件下。

通过深思熟虑的连接器设计、材料选择、制造和科学处理,可以显著减轻镀锌腐蚀,从而保持高质量的接触表面完整性,并尽量减少连接器暴露在不利条件下。

金属接触表面在高湿度和微量化学物质环境中,在接触表面形成吸附电解质时,就会发生电偶腐蚀。连接器接触表面上的腐蚀是一个化学过程,通过氧化或化学反应逐渐恶化金属表面。从平板电脑、笔记本电脑和智能恒温器等消费级物联网设备到工业物联网(IIoT)网络技术。腐蚀是造成数据室和电信设备中大多数低压、低电流、信号电路故障的主要原因,

连接器

然而,腐蚀的发生也取决于连接器金属表面的完整性和化学活性水平。接触表面必须在很长一段时间内保持稳定,对于大多数连接器来说是必要的。通常使用电镀或包层工艺涂覆金或其他导电、耐腐蚀的贵金属来提高性能。

电偶腐蚀

电偶腐蚀是一种电解过程,类似于电池中的原理。 要发生电偶腐蚀,必须存在电解质、阳极、阴极和电流路径。腐蚀程度取决于五个条件:环境,温度,湿度,金属产品的类型,腐蚀产品的类型等。

两种环境条件:相对湿度超过60%和环境气体的存在(如氯、氧化亚氮和二氧化硫等),是产生电解质的主要催化剂。高湿度环境条件下,含有溶解气体的水蒸气凝结在连接器表面,形成一种温和的导电酸。局部阳极和阴极是由接触表面涂层中的缺口或孔隙形成。孔底裸露的母材成为阳极,贵金属涂层形成阴极。 最后,由于涂层、界面、母材和电解质都是导电的,所以电流路径是完整的。

连接器

必须有四个条件才能发生电偶腐蚀。 必须有电解质,阳极,阴极和电流路径。

腐蚀速率是腐蚀产物的性能之一。铜腐蚀产物非常多孔,允许连续的蒸汽穿透,并与水反应形成额外的化合物,加速连续腐蚀。镍腐蚀的产品不受水分的影响,并牢固地附着在金属表面,形成水分屏障。因此,镍的电流攻击往往受到很大限制。

最终,如果所有四个必要条件都存在,无论表面涂层如何,都会发生腐蚀。 为了抵抗腐蚀,必须消除四个条件中的至少一个。由于连接器制造商可以控制接触表面及其涂层的质量,因此可以降低阳极和阴极形成的可能性。

接触表面涂层完整性

接触表面涂层中最常见的缺陷来源是孔隙率,或暴露基体涂层中的不连续性。在涂层的制造过程中,或在连接器的制造、处理和测试过程中,都会发生断裂。

电镀金属和包层金属都有过多的孔隙率。对于电镀金属,这种情况可能是由于外来颗粒或不良的基板表面饰面、受污染的电镀溶液、由于表面粗糙度而产生的不均匀电镀、导致涂层在高压区域自毁内应力、以及在成形操作过程中、或在粗糙处理后使表面容易开裂。

另一方面,粘土金属更具可塑性,在形成过程中往往保持其完整性。包覆接触表面的孔隙率更有可能是由于衬底表面的外来颗粒或过度的表面粗糙度造成。然而,包覆涂层会受到由相互扩散引起的虚假孔隙率的影响。

在熔覆过程的退火部分,来自衬底材料的原子通过衬底和涂层材料的晶粒结构迁移。 这种扩散使富含贱金属的合金在连接器材料表面的晶界结处留下区域。 孔隙度测试显示这些区域为孔隙,通常直径小于0.003",但这不是真正的孔隙度,应该忽略。

连接器

与电镀接触表面相比,Clad接触表面具有更厚的镍底层和更长的扩散路径,这抑制了贱金属迁移。

对于镀膜材料,沿晶界迁移是腐蚀的另一个来源。大约10%的系统材料是电镀硬金,这些材料有拓宽晶界的倾向,使腐蚀性元素更容易到达基体。

 

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硬质镀金材料(如钴有机络合物)中的有机化合物拓宽了晶界,从而使扩散路径更短、更直接,贱金属更容易扩散到接触表面。

表面粗糙度提高了包层和电镀金属材料的孔隙率,但电镀表面往往更脆弱。更容易在粗糙表面的峰谷上堆积,这可能导致正常可接受的平均厚度分布不良。在电镀表面留下缺口,当使用标准的X射线荧光程序测量电镀涂层厚度时,这些缺口很难被发现。

表面粗糙度是粘合剂和磨料磨损的重要因素。首先,磨损在高表面点开始。 第二,镀金在粗糙表面的不均匀分布使它们更容易受到过度磨损。例如,用于汽车安全装置的镀金连接器在短短五次磨损循环后表现出不可接受的孔隙率,尽管它通过了X射线荧光测试未能检测到涂层分布不良。

虽然连接器的正常生命周期只有几个磨损周期,但常规装配和诊断需要估计10个周期,规范要求50个周期,确保可接受的安全裕度。

连接器

电镀更容易积累在极粗糙的接触表面的峰和谷上。

表面涂层测试和评估

连接器制造商使用两个标准测试来监测其金属涂层过程:不受控制的直接攻击测试,根据ASTMB-735测试硝酸和蒸汽,以及根据ASTMB-741进行电图控制腐蚀测试。 这些测试也为预测使用寿命提供了一种间接方法。

现场暴露可以用Battelle混合流动气体环境模拟。48小时的加速测试模拟了一年的野外暴露。 Battelle测试创建了四类环境,它们表示一系列潜在的电流攻击情况。 测试类II和III在设计用于模拟大多数信号级连接器的环境中产生纯腐蚀。 第三类测试使用高浓度的腐蚀性气体,并能产生迁移性腐蚀,在接触表面区域上产生腐蚀薄膜并慢慢扩散。这种现象称为蠕变,可以起源于孔隙或裸露的边缘,在那里金属已经被冲压。

美国测试和材料学会(ASTM)的一个委员会目前正在与一些特定的制造商合作,为II类和III类环境制定规范,这些制造商收集了大量关于Battelle环境中一些涂层金属系统耐蚀性的数据。

镀黄金减少孔隙度

低于金的金属涂层,如钯、钯镍和钯银,更容易受到来自大气中低水平环境氯的电流攻击。这种类型的电流攻击可以通过在这些材料上涂上一层薄的金涂层来减轻,通常是35µ镀金或10至20µ 18克拉包金。大量的实验室研究证实,包层金涂层比薄镀金涂层表现出更少的孔隙率,并提供了更有效的腐蚀保护。 此外,选择这一工艺没有增加成本,因为金合金比电镀过程中使用的金便宜。

选择接触表面涂层

公端连接器通常采用电镀触点,因为引脚在配合过程中完全暴露,需要环境和机械保护。包层工艺不能用于大多数公端连接器,如丝销和冲压叶片,但已成功地应用于冲压和成形的折叠叶片。

对于母端连接器,应根据总制造成本来评估电镀和包覆金属材料的成本与性能。 在这种情况下,包层材料通常以更低的成本来对抗腐蚀,因为它们可能是在包层过程之后形成的,而母端连接器通常是预先成型、电镀,然后完成成型,以避免涂层开裂,这增加了总制造成本。

更高的可靠性应用要求设计和制造的复合金属连接器提供高耐腐蚀性能。例如,一家电信公司在其数字交换系统中使用复合金属连接器已经超过15年。 因此,强烈支持在包括工业4.0和5G在内的大趋势催化的新兴高可靠性通信应用中使用复合金属连接器。

结论

通过深思熟虑的连接器设计、材料选择、制造和处理实践,可以显著减轻镀锌腐蚀,实现和保持高质量的接触表面完整性,并尽量减少连接器暴露在促进电偶攻击的条件下。 在为高可靠性应用选择连接器时,重要的是要记住,薄金涂层可以显著减少腐蚀,而包层金合金涂层可以提供更高水平的保护,而不会对许多母端连接器增加任何成本。

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