1 引言

在本文中，我们将对Ni/Pd-Ni/Au-Co镀层是否适用于在通信工程用电镀连接器接触件进行检测。在下列研究中，我们将对作为现有的标准电镀工艺Ni/Au-Co和Ni/Pd-Ni/Au-Co替代工艺的该镀层的技术适用性(电气特性、耐腐蚀和耐磨性)和成本(包括纯贵金属的成本以及工艺成本)进行评估。本研究的目标是要检测第3种标准镀层器件的技术性能，以便于进行推介。这种Ni/Ni-P/Au-Co镀层器件可以减少连接器制造商和网络技术的最终用户对动荡不定的贵金属价格的依赖性，并具有一定的成本优势。

2 连接器的应用范围与要求

只要元件或组件需要彼此暂时连接的地方，连接器就有用武之地。与其它连接方法相比，以这一方式配置后它具有一个优点就是器件可以扩展且便于维修。连接器的需求量和连接器的类型可能会因其使用量和应用领域的不同而有所不同。这包括医疗工程、工业电子、数据和通信工程、汽车工业以及消费类电子产品。

本文在此仅研究用于通信工程类的连接器。这些所谓的背板连接器用于转换装置并确保可靠信号在各个组件和背板之间流动。这种转换装置安装在一个密闭的建筑物内也可以用于室外(移动电话)。这些背板通常配备有模组插头连接器，而子板则配备相应的插孔连接器。

作为寻求替代表面镀覆的第一步，这些高密度插针连接器器件便深受人们的关注，其原因有二：

一方面，由于在毫安值范围内的电流接触可靠性的严格要求，故只有用贵金属作为接触件的表面镀覆材料，所以，采用某一方法替代或减少这些贵金属使用量就可以大大降低制造成本。

另一方面，通信连接器市场在上述领域的销售额中占有较大份额，约25%。

目前，通信领域最常用的元件为符合IEC61076-4-101和104标准的2.0mm间距模组器件。图1表示该产品系列的不同连接器。此外，符合IEC61076-1-100标准的2.5mm器件依然在传统的电话网络中通用。传统的TDM网络可以很好地说明接触件可靠性的重要性。用于转换技术的连接器其失效率可望达到0.3 fit(失效时间，1 fit等于每109工时一次失效)。以上述交换机为例，这意味着每年可能只有3个接触件失效。

图1 符合IEC61076-4-104标准的连接器器件

为了检验和验证对这些接触件的可靠性的高要求，网络制造商和运营商要求对所使用的元件进行广泛的质量检测。相应的标准(IEC61076-4-1xx或Bellcore GR 1217-CORE)和规范规定了测试次序(包括电气、机械和大气测试次序)。这一环境模拟试验的目标是以一种快速和可复制的方式描述所有的外部影响，因为它们会在运输和运行过程中对某一系统产生影响。一个负荷是否损坏元件主要受控于接触电阻这一电性能关键值。该值由实际接触电阻和压接或焊接插头和插孔连接器的引线电阻组成。

一个信号是否可以稳定地流经接触点取决于两个决定因素：

——接触电阻较低的无膜、匀质表面;

——有足够大的接触力。

接触电阻较低可以确保稳定的信号流，而首先就是使接触电阻尽量保持恒定不变。

各个插头接触件的接触力无法任意增大。一方面，这会进一步加大插拔过程中连接器的磨损并因此使接触件镀层变得更薄。另一方面，要插入的元件以及连接器本身封装得越来越密集，这样就必须确保组件的总插入力保持在一个仍然可控的范围内。PCB连接器的单体正向接触力在0.60~0.90 N范围内。

因此，技术优化测试以及降低制造成本的愿望主要集中在接触表面和目前尚在应用的标准镀层器件的替代上。它们分别是：

——镍(1~2μm)/金-钴(0.8~1.3μm);

——镍(1~2μm)/钯-镍(0.5~1.0μm)/金-钴(薄镀0.1~0.2μm)。

每种可能的替代方法都必须完成这些标准镀层。其基本判据是接触电阻。根据类型和标准不同，其接触电阻可以在20和50mΩ之间。不过，比绝对电阻值重要得多的是在电气(如恒定电流)、机械(如插拔次数、振动或冲击)和大气(如污染气体或湿热)负荷后所发生的接触电阻的变化。规范一般要求接触电阻在初始值的基础上变化50mΩ。贵金属被磨损后以及/或非贵金属氧化后接触电阻会出现更大的变化。对于mA范围内的信号电流来说，如果这些异物膜层损坏两端的2-引脚双接触件(见图2)，那么，即使是极薄的异物膜层也可能意味着失效。

图2 通信连接器的双接触件

3 试验计划和完成

3.1连接器类型

为了完成此项研究和随后的试验，我们选择CBC20系列(2mm间距)的96针标准插头连接器。 接触件的替代材料为CuSn6。为了根据标准测试表面镀覆，应采用镀层次序为Ni/Pd-Ni/Au-Co的标准插合的连接器。

3.2镍/镍-磷/金-钴镀层的组合

镍-磷/金-钴镀层器件的优良特性及其作为标准接触表面的替代材料早已为人们熟知。其优点是其具有极好的防腐、耐高温和耐磨性，其缺点是镍-磷合金镀层的延展性较低。镍-磷电镀液的电镀速度比镍低也是一个不利因素。这样一来，连续电镀的速度必须降低或者增加电镀池的数量，以便达到通常的2μm镀层厚度。

为了消除这两个缺点，镍/镍-磷/金-钴镀层组合似乎是一个最佳的解决方案。一部分镍-磷镀层用镍代替。使用氨基磺酸镍电镀液可以提高电镀速度和镀层的延展性。

为了优化这一镀层组合，我们编制了一个试验模型(表1)。定向试验均显示出积极的结果，这样在质量检定研究中只采用了品种1并与对照组作了比较。

表1 作为试验型片的镍/镍-磷/金-钴镀层器件的镀层厚度的变化

* 用钯-镍代替镍-磷。

3.3电解液

3.3.1镍

第一次镀覆施加的镍镀层是由一种商用半光亮氨基磺酸镍电解液电镀的，其工作参数列述如下：

镍含量：80~100 g/l Ni;

氯化物含量：28~40 g/l NiCl2 ×6H2O;

硼酸：45~55 g/l H3BO3;

温度：60℃;

pH值：3.8;

电流密度：1~30 A/dm2;

电镀速度：0.2~6μm /分钟。

3.3.2镍-磷

为了电镀连接器，应采用一种镍-磷电镀液(镍-磷965)，其技术参数列述如下：

镍含量：80~100 g/l Ni;

磷含量：25~30 g/l P;

温度：60℃;

pH值：2.6;

电流密度：5~30 A/dm2;

电镀速度：0.5~3μm /分钟。

在上述条件下，电镀液给这些镀层沉淀一层80~94重量百分比镍和12~6重量百分比镍磷的合金成分。这些镀层具有抗磁性(P>11%)。其硬度在550和600HV范围内。当弯曲时，这些镀层与光亮镍镀层特性相同。

3.3.3金-钴

硬金镀层采用一种高速电镀液(AURUN A7100)，其技术参数分述如下：

金含量：80~100 g/l Ni;

温度：45~60℃;

pH值：4.2~4.4;

电流密度：最高达10 A/dm2;

电镀速度：最高达2μm /分钟。

在这些条件下完成的镀层含有99.6~99.9重量百分比的金和0.1~0.4重量百分比的钴。该镀层的硬度140~200 HV0.01。这样，根据这一电镀液就能得到超亮度、具有可焊接性的硬质耐磨镀层。

3. 4镀覆过程及生产线参数

这些元件采用一种连续电镀生产线在ITT佳能公司进行电镀，该工艺分为两次。

——第一次电镀：用商业用氨基磺酸镍电镀液(表1)在铜合金(CuSn6)预冲压接触片上镀覆一定厚度的镍。接触片应完全浸没在电镀液中。

——第二次电镀：在接触件插入区域(借助于浸渍深度来控制)选择性地镀覆一定厚度的镍-磷和硬金。

在第一次电镀中，应在连续电镀生产线上经过常规的工艺步骤如不同的脱脂浴液、浸酸和4只每个0.9m的镍电解池。

在第二次电镀中，抽出该系统中的镍电镀液，彻底清洗电解槽和处理池并注入镍-磷电解液。经过阴极脱脂和活化后，在4个选择性调节的浸渍槽中进行电镀。电解液应从侧面喷射到接触件上，没有安装任何防波装置。

试验过程镍-磷电解液的温度为60±2℃，整个过程中Ph值始终保持在2.6。为了在足够高的含磷(规定值>11%)条件下使之保持在工艺窗范围内，所有样品电镀过程所观测到的电流密度为6.8A/dm2(电流与整个浸渍面积之比)。

用选择性地调节且深度可控的镀槽中也可以采用金和锡-铅进行电镀。

3.5工艺安全性——镀层厚度和合金

与ITT其它常用的镀层组合(镍/金-钴和镍/钯-镍/金-钴)相比，在镀覆镍/磷层时必须考虑几个因素：

——在生产线条件下，必须根据电流密度来确定镀层中的磷含量。钢片(无镍)在该电镀线上用同样的技术参数直接镀覆镍/磷。可以用一台Fischer X射线XDVM设备来测量镀层的厚度和磷含量。有了足够厚度的镀层，就可以重复进行测量。与GDOS测量值相比显示只有微小的差距。按照这一方式确定的磷含量(作为电流密度的一个函数)可以与以前在喷流试验室镀槽中确定的值相比。

——氨基磺酸镍和镍/磷镀层必须采用动态测量方法来确定。

在第一次电镀中镍镀层测量次数增加值可以确保从氨基磺酸镍电解液中镀覆给定的厚度。第二次电镀后，测定整个镀层的厚度并计算镍/磷镀层的厚度。镍/磷镀层的密度根据惯例未作修正。

所有镀层的厚度是在为该产品规定的测量点测定的，从接触件顶端开始，每隔3.75mm测量一次。镍/磷镀层的厚度可以采用库伦计测量法在较大的测量表面上进行测定。

在样品电镀过程中，带有相同生产参数的接触件测量值的变化幅度非常小。始终如一的测量值和样品的电镀过程均表明电解液的稳定性。

4 连接器镀层器件的质量检验

4.1相关标准和试验准则

用于本试验系列的通信连接器的质量检定，除了各个制造商的规范外主要有两个重要的国际标准：欧洲的IEC61076-4-100/101/104标准和美国市场的GR1217-CORE标准。表2对这两组标准的主要技术规范进行比较。

表2 IEC61076-4-100/101/104和GR1217-CORE标准的对比

为了验证镀层组合镍/镍-磷/金-钴的适用性，可以采用IEC61076-4-104标准试验方案。所采用的带有标准镀层的连接器件(CBC20)已经根据Bellcore和IEC进行质量检定，故在测试新镀层器件时，所有不受接触件表面质量影响的试验无须进行，只选择表面质量起决定作用的检验批次A、B和C进行试验，且接触电阻所确定的值与P组试验的初始值(表3和表4)相关。

表3 IEC61076-4-100/101/104标准试验组、判据和限制值

表4 符合IEC61076-4-104标准的连接器的接触电阻：镍/钯-镍/金-钴标准和镍/镍-磷/金-钴的比较(数值为mΩ)

4. 2试验结果

在初始条件下适用于接触电阻的IEC允许的取值范围在25mΩ(适用于A系列产品，其最短的引线穿过鸥翼式插头连接器)和45mΩ(适用于D系列产品，其最长的引线穿过鸥翼式插头连接器)之间。这些实际确定的值明显低于这些极限值，且与镀有标准镀层(0.7μm钯-镍+0.15μm金-钴的CBC20)的同类连接器参照值几乎没有什么差别。

初次测量后，再测量A、B和C检验批次。

从A检验批中，我们完成机械(振动和冲击)和大气试验(温度冲击、干燥高温、冷却和湿热)。振动之后不同试验之间和之后的接触电阻的测量显示，96只接触件中有两个接触件的电阻分别增长8 mΩ和9 mΩ。不过，其绝对值依然大大低于规定的最大值。其它所有接触件的接触电阻在初始值的基础上变化范围限制在-0.6 mΩ和+3.7 mΩ之间。

在新接触件表面质量检验中，B检验批是最大的问题所在。前面加载负荷的接触件经过125次插拔之后再按照IEC68-2-60方法4将试样置于4种混和气体中暴露10天，其中一个连接器对以插合的形式暴露在混和气体中，另一个连接器对则保持未插合形式。在中途测量和最终测量中，192只接触件中没有一个出现接触电阻超标。接触电阻的变化均在-1.2 mΩ和+3.7 mΩ的范围内。

给C检验批加负荷的主要目标是测试其绝缘特性以及介电强度。只要与测量值相符，那么就可以不考虑这些判据是否受到不良影响。对于192个测量值来说，其接触电阻的变化在-0.9 mΩ和+2.4 mΩ范围内[2]。

在分析所有3个检验批时，可以指出的是镍/镍-磷/金-钴镀层满足通信技术及其标准的严格要求，而且没有发现与对照电镀法镍/钯-镍/金-钴没有任何明显区别。为了进一步验证后一点，我们完成了一次非标附加试验：将已经暴露在4种混和气体达10天并插拔250次的样品再次放入湿热(温度40℃，相对湿度93%)环境中，停留21天。试验后，一半以上的接触件出现失效。与此同时，带有标准接触表面镍/钯-镍/金-钴对照样品的测试结果就有所不同：它们通过了比这更为恶劣的重复试验。通过目测可以看出，两种方法的接触件表面明显不同，参见图3和图4。

图3 腐蚀试验及随后暴露于湿热环境试验后的1μm镍/0.5μm镍-磷/0.1μm金-钴的信号接触件

从试验结果我们基本上可以得出下列结论：

——镍/镍-磷/金-钴(薄镀)镀层适用于满足通信连接器的严格要求;

——在更为恶劣的非标试验中，与标准的镀层镍/钯-镍/金-钴和镍/金-钴相比，它有几个缺点。不过，需要补充的是，现行标准的严格程度已经远远超出了实际发生的任何情况。

图4 暴露于与上图相同的湿热环境试验后的1.5μm镍/0.7μm钯-镍/0.1μm金-钴的接触件

5 成本评估

为了评估连接器制造中所节约的成本，必须将整个成本中贵金属所占有的份额视为第一考虑因素。此外还必须考虑镀层厚度、连续电镀生产线类型和电镀设备因素的影响。现将ITT佳能公司镍/0.7μm钯-镍/0.1μm金-钴标准镀层作为对照标准。

实例如下列所示：

——96芯插针连接器，在整个成本中贵金属所占有的份额为8%;

——96芯插孔连接器(盒式接触件型)，其中，贵金属所占有的份额为6.5%;

——对于音叉型24芯插针连接器来说，如果其镀钯层厚度为1.0μm，那么在整个成本中贵金属所占有的份额也是8%;

用于镍/0.8μm金-钴和镍/0.7μm钯-镍/0.1μm金-钴镀层组合(上述插针连接器接触件表面镀镍/镍-磷/0.1μm金)的纯贵金属对比显示镍/镍-磷/金-钴镀层中贵金属成本最低(参见图5)。

不过，由于在卷-卷接触件在制造中还要涉及到生产速度，所以，贵金属成本不可能是唯一的判据。遗憾的是，没有经过上述生产线优化处理的镍磷镀层也存在几个缺点。这些不足之处一是阴极电流效率只有50%，另一方面，要达到在现有生产线含磷11%以上的情况下可以完成共沉积作用所要求的高达10A/dm2的工艺条件。

如果在分析成本时也考虑这些因素，那么其图示就会有所不同。图6是各种成本的比较，将工资和可变管理费用纳入考虑范畴。Ni/Ni-P/Au-Co方法的所达到的速度取决于上述10A/dm2电流密度和现有电镀生产线转换成两个镀镍槽和四个镍-磷镀槽(每个槽的长度为0.9m)。

现有的Ni/Au-Co和Ni/Pd-Ni/Au-Co电镀生产线实际可以达到的速度约为镍-磷的2倍，这取决于要电镀的接触件的类型。

当考虑生产成本时，只有当钯的价格为7欧元/克时，Ni/Ni-P/Au-Co镀层方法在成本上才与Ni/Pd-Ni/Au-Co标准表面的成本相当。在目前的贵金属价格下，镀有2~3μm Ni/0.8μm Au-Co 的标准镀层的制造成本将会更高。

图5 Ni/Ni-P/Au-Co、Ni/Au-Co和Ni/Pd-Ni/Au-Co接触器件贵金属成本的对比

图6 Ni/Ni-P/Au-Co、Ni/Au-Co和Ni/Pd-Ni/Au-Co接触器件制造成本的对比

当然，交叉点可能会受到各种不同因素影响而发生相应的移动。它们是生产线转移或新生产线和更为昂贵的镍-磷电解液保养工作(使得交叉点沿着更高的钯价格上升方向移动)的投资成本。通过生产线的优化配置，使得交叉点沿着钯价格下降的方向移动。

6 总结

从本文可以看出，采用Ni/Pd-Ni/Au-Co电解液，可以提供一种满足通信工程用连接器严格标准要求的镀层。经过250次插拔和在4种污染环境气体中暴露10天之后，所测得的连接器电阻增幅并没有超过允许范围。

在成本方面，本文所推荐的替代方法明显优于最常用的标准方法(即在镍底层上薄镀1μm左右的金)。与第二种常见的钯-镍标准方法相比，不可能为相对成本做出明确说明：此时钯的价格低于6欧元/克，这样，工艺成本稍高一点的镍-磷沉积电镀使得通过减少贵金属使用量来降低成本的目标难以实现。不过，在过去三年中，钯的价格已经翻了几番，所以它可能在极短的几周内颠覆这一结论。此外，那些对使用钯及其合金作为镀层材料持保留意见的网络制造商中仍有许多连接器的最终用户。

最后，还有一个方面尚未提及：本研究只涉及接触力较低且对其可靠性要求极高的较为敏感的连接器。不过，如今还有许多在镍底镀层上采用0.2μm~0.8μm的薄镀金以及可靠性和寿命要求较低的其它应用领域。例如，只有几次插拔寿命和高接触力的直接印刷电路板用连接器以及用于移动电话和其它消费类电子产品的接触件。推广应用镍/镍-磷/金-钯镀层方法即可在这一领域将其制造成本大幅降低。