摘 要：近期一项研究表明，低电压贵金属电接触体在达到一定的插合次数后，其接触电阻会升高，其主要原因是接触表面形成了碳积。而当触点材料为贱金属镍(Ni)、铁(Fe)、钛(Ti)或锑(Sb)时，碳积现象虽未完全清除，但可以加以抑制。其中，Sb效果最佳。不过，Sb电阻率较高，而抗氧化性能较差，故纯Sb无法用作触点材料。

关键词：Au-Sb合金;Au-Ag-Sb合金;触点材料;连接器;接触电阻

1 引言

低电压、低电流塑封微型连接器是现代电子设备必不可少的元器件。而其中许多连接器现己应用于通讯设备、控制设备和计算机外围设备。这些低电压(<100V)、低电流(<1A)连接器标准工作温度为-40℃～+150℃。在低温下，其性能令人满意，但在高温(100℃～150℃)条件下，其接触电阻则明显升高。如今，随着人们对连接器可靠性的迫切要求，认识这种基本的失效机理已经显得十分重要。

接触件的失效机理大致可归纳为四点:(1)电极腐蚀;(2)粘结和冲击磨损;(3)形成摩擦聚合物;(4)碳沉积。当电流流动中断或接触件制成时，腐蚀机理也就出现了。粘结和冲击磨损则是由于触点塑性变形和断裂所致。而摩擦聚合物和碳积的形成则是受塑封连接器工作环境中有机气体污染而导致接触电阻增大。

在近期一项研究中，N.Saka等人做了一系列冲击模拟试验，以便探索低电流连接器相关的失效机理。试验是在室温、苯、甲苯与二甲苯蒸汽环境下进行的。试验中所用的触点材料包括Au和几种贱金属(Ni、Fe、Ti和Sb)。从中我们可以发现，随着连接器插合次数的增大，接触电阻也随之增大。这主要是由于贵金属接触表面出现了碳积现象;同时，我们也发现，当触点电极采用贱金属Ni、Fe、Ti或Sb时，碳积现象就会受到抑制，只是无法彻底清除。此外，我们还发现，锑(Sb)是这些贱金属中防止碳积效果最好的。遗憾的是，Sb的电阻率较大，且容易被氧化，故不能单独作为触点材料。不过，将它与贵金属制成合金，即可大大改善贵金属触点材料的性能。

本试验的目的是评估作为低压触点材料的Au-Sb和Au-Ag-Sb合金，并与现有贵金属触点材料进行对照。将制备好的各种组分的Au-Sb和Au-Ag-Sb合金放到室温下的空气-苯混和气体中进行试验。本试验所采用的冲击器可模拟连接器触点的负荷工作情况。

2 试验

2.1 合金的制备

2.1.1 Au-Sb合金的制备

在常压下，将纯金和锑放进充有氩气感应炉的一只敞口石墨坩埚内，使之熔化。从Au-Sb金相态图(图1)不难看出，锑(Sb)在固态时几乎不溶于金，反之亦然。但是，当以50℃/min的速率将熔化的Au-Sb合金逐渐冷却，即可得到一种由金属互化物AuSb2包围的金颗粒成分结构。

图1 Au-Sb金相图

因为接触区直径在500μm左右，故这些合金的微结构可以看作是Au和AuSb2的均匀分布。由Au-Sb合金显微图像可以看出，即使Au和Sb在固态下无法熔融，但由于Au和AuSb2金相颗粒较小，也容易形成Au/AuSb2和AuSb2/AuSb2微小触点。Au-Sb合金的硬度参照表1。合金中，锑(Sb)含量越高，则硬度越大。不过，锑含量过高(40%、50%重量比)，则合金的脆性会变得很大。

表1 Au、Sb和Au-Sb合金硬度

2.1.2 Au-Ag-Sb合金的制备

要制备Au-Ag-Sb合金，可从三元素的金相图中获得必要的信息，但目前尚不能确定这种状态图。因此，只有用Au-Ag、Au-Sb和Ag-Sb二元素金相图作为制备Au-Ag-Sb合金时参考。从图2可以看出，Sb在Ag中有一定的固态溶解度。由于金可以完全熔于银，故添加适量的银之后，金(Au)、锑(Sb)更容易形成合金。由合金光学显微图可以看出，Au-Ag-Sb合金的微结构与Au-Sb合金微结构非常相似。金、银基体中本该有一定的锑，只是不易进行区分。Au-Ag-Sb合金硬度参见表2。同样，其硬度值随含锑量的增大而升高。

图2 Ag-Sb金相图

表2 Au-Sb和Au-Ag-Sb合金硬度

3 实验方案

由于民用连接器不太适合于测试触点材料和有机蒸汽的作用，故特制一个专用设备以便于控制这些参数。试验方案包括一个冲击测试仪、一个试验箱、一个有机物汽化源、一台用于自动检测和数据测量的微型计算机以及在冲击试验中给触点提供电压并间歇测量接触电阻的相关电路。

试样采用一个冲击球和一个圆形冲击板。冲击对类似于连接器中的接触电极。冲击球用作活动触点，而圆形冲击板可视为固定触点。这样，接触电极可以轻易换用各种金属。冲击球由一个机电振动器驱动。振动器驱动冲击球来回运动，冲击圆形冲击板，以模拟微型连接器的插合动作。该试验是在一个注有空气和苯混合气体的试验箱中进行的。其试验参数见图3所示。

图3 Au、Ag、Sb触点在空气-苯混和气体试验中的接触电阻

4 试验步骤

试验前，试样的接触表面应用各种砂纸(最后用0.05μm刚玉)抛光，再用水冲洗，然后用甲醇擦干。随后将试样放进试验箱。抽出空气，慢慢往箱中注入空气-苯混和气体。将空气注入苯的浴液中，形成气泡。所有试验均在这种流动的混和气体中进行。

当法向压力为0.5N时，测量接触电阻。第一次测量在试验前完成。在所有试验中，其初始电阻均很低(小于10mΩ)。在试验过程中，计算机启动振动器冲击触点，每冲击3×104次，计算机关闭振动器一次，测量接触电阻，然后继续重复上述步骤，直到累积冲击次数达到l×106～5×106为止。

5 结果及讨论

首先，测试Au、Ag、Sb触点，然后与其合金性能作比较。Au、Ag、Sb触点的接触电阻参见图3。Au的接触电阻在冲击次数达到3×104之前快速上升。而Ag和Sb触点的接触电阻在达到相同的冲击次数时才开始升高。所不同的是，Ag触点接触电阻增高是碳沉积所致，而Sb触点则是因氧化而产生。图3表示在冲击次数达到1.5×106时，各种触点的接触电阻。

5.1 Au-Sb触点

图4表示Au、Sb及其各种不同组合的合金的接触电阻。显然，Au触点中只要含有4%重量比的Sb，其性能就会有明显改善。当冲击次数达到3.5×105时，其接触电阻会发生瞬变。相对而言，Au/Au接触对几乎不存在任何过渡期，其接触电阻在冲击3×104次之前就已经增大。合金中，Sb含量愈高，其过渡期愈往后推移，当其含量为40%或50%重量比时，即使冲击次数达到4×106后，其接触电阻仍然很低。

图4 Au、Sb和Au-Sb合金触点在空气-苯混和气体试验中的接触电阻

图5表示冲击次数达2×106～4×106时，接触对表面的光学显微图(各种触点材料的试验次数可以从图4中读出)。试验后，含4%-6%Sb重量比的Au-Sb合金触点上，可以看到很多碳积，参见图5{a)～(c)。图片中部的明暗部分即为碳(容易清除)，当合金中含有40%和50%重量比的Sb时，其表面虽有一点碳积，但没有完全覆盖接触面，而且在两次试验中，接触电阻均保持较低值，参见图5(d)和(e)。而从图5(e)可以看出，纯Sb在试验结束后，其接触表面没有发现碳积现象，上面的黑影(清除不掉)并不是碳，接触电阻升高是由于Sb氧化所致。

(I:冲击球，T:冲击板)

图5 Au、Ag、Sb触点在空气-苯混和气体试验中的接触表面

很显然，在Au中加入Sb可以大大改善触点的接触电阻特性，再增大含量，其特性可以得到进一步改善。不过，Sb含量过高，合金的脆性过大，则不适宜作触点材料。

5.2 Au-Ag-Sb触点

首先，将Au-lOAg触点材料放在相同条件下进行试验，以便与上述结果进行对照。从图6 可以看出，Au-1OAg触点性能优于纯Au触点(延缓接触电阻的上升)(见图3)，且稍好于Au-4Sb，与Au -8Sb相差无几，参见图4。这表明，把Au、Ag、Sb制成合金可以改善其触点特性。这一结果与Uhrig、Gray和Hohnstreiter所主持的一项类似研究不谋而合。Germer有关贵金属电触点的一项早期研究表明，苯蒸汽不易为洁净(无脂)的银表面所吸附，而其它贵金属则不行。因此，Ag/Ag触点性能优于Au/Au触点也就不足为奇。试验表明，Ag/Ag触点接触电阻在瞬变之前，冲击次数可达5×105，参见图3。

图6 Au-4Sb、Au-10Ag、Au-9Ag-10Sb合金触点在空气-苯混和气体试验中的接触电阻

图7表示三种Au-Ag-Sb合金(Au-9Ag-10Sb、Au-8Ag -20Sb、Au-7Ag-30Sb，即在Au -10Ag 合金中分别加入10%、20%、30%重量比的Sb)以及Au和Au-10Ag触点的接触电阻。由此可见，在Au中加入10%重量比的Sb，则接触电阻在迅速增大前，其触点冲击次数(Nt)为3×105;而在Au-1OAg合金中加入IO%重量比的Sb，其冲击次数Nt为5×105;加入20%重量比的Sb，则Nt为1.5×106;而最后当加入30%重量比的Sb时，其冲击次数高达3×106，而接触电阻仍然很低，再延长试验，达到5×106次，完成整个试验，Au-7Ag-30Sb触点接触电阻仍然较小，参见图8所示。

图7 Au、Au-10Ag、Au-Ag-Sb合金触点试验中的接触电阻

图8 Au-7Ag-30Sb触点在冲击试验中的接触电阻

从上述合金冲击试验后的光学显微图可以看出，Au-1OAg、Au-9Ag-1OSb和Au -8Ag-20Sb合金触点表面都有大量碳积存在。而Au-7Ag-30Sb触点，其接触电阻很低，接触表面只看见一个类似于机械冲击所造成的压痕，表面根本没有发现任何碳积现象。

通过Au-Ag-Sb合金和Au-Sb合金接触电阻和碳积特征的比较，可以看出Au-Ag-Sb合金的性能远远优于Au-Sb合金，而在测试的合金中，Au-7Ag-30Sb性能最佳。

5.3 触点金属在碳积形成中的作用

众所周知，某些过渡金属及其化合物会加快烃的裂变反应。所以，它们自然会加剧碳的沉积。过渡金属的这一有别于其它非过渡金属且很大程度上决定着它们的化学特性是由于它部分含有d轨道。它共有5个d轨道，每个d轨道的电子亚层上都拥有2个电子，最多可达10个。过渡元素具有很强的倾向性，能和其它分子共用电子，以进入下一个较高的惰性气体电子排列。过渡金属的这种强大倾向性可以通过事实加以说明，即高度真空中通过分子分离而制备过渡金属可以与有机化合物(即使是饱和烃)迅速反应生成各种混合物烷烃、烯络合物和碳化物。而当处于晶体状态时，由于存在强大的金属-金属键，它们的活性较差。

贵金属属于过渡金属类。它们还强烈影响到有机分子的吸附，尤其是不饱和有机物。即使有机分子牢牢地吸附在贵金属触点上，当遇到电火花时，贵金属不大可能与该有机物发生化学反应，作为被分解的有机分子固体残余物于是便形成了碳积。而贱金属触点则不是形成碳积，而是在贱金属与有机分子之间产生化学反应，贱金属自身发生了氧化。因此，可以认为，化学活性是阻止贱金属形成碳积的一个主要因素。这样，将一种贵金属与一种贱金属合金即可阻止碳积的形成。

在本研究中，Au-Sb和Au-Ag-Sb合金的Sb似乎也说明了贱金属在碳积形成中的作用。一旦接触表面布满碳积，则化学性能较为活泼的多孔积碳大表面就会成为有机气体的理想的吸附剂。当大表面碳积出现在接触表面时，触点金属表面即与反应隔离。这样，触点金属就无法影响积碳反应。当触点表面完全被污染物覆盖时，情况也是一样。

6 结束语

(1)将Au与Sb制成合金可以阻止Au触点在空气-苯混和气体中形成积碳，也可以使用Ag，但其效果不如Sb;

(2)在Au和Au-Ag触点中加入更多的金属Sb可以阻止碳积的形成，但Sb含量过高，其合金脆性太大，也无法用作触点材料;

(3)在阻止形成碳积的众多Au-Ag-Sb合金中，Au-7Ag-30Sb合金效果最佳。

参考文献：

[1] Robert J.James et al., “A low cost high performance optical interconnect.” Connector Specifier: 1778-1928, 2009.

[3] IEC 60603-7-1:2009, Connectors for electronic equipment – Part 7: Detail specification for 8-way shielded, free and fixed connectors.

作者简介

闻春国，男，资深翻译，中国翻译协会专家会员，从事翻译工作30多年，出版有多部译著。（四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000）