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汽车连接器接触件的热循环磨蚀研究
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汽车连接器接触件的热循环磨蚀研究

2022-04-18 10:10:05 来源:连接器世界网 作者:闻春国 译

【哔哥哔特导读】文章通过试验研究了几种常见的连接器接触材料(0.2%Co硬金镀层、扩散金合金(DGRF156)、锡镀层铜合金和镀银铜合金)在150℃时的接触电阻变化。

【摘 要】文章通过试验研究了几种常见的连接器接触材料(0.2%Co硬金镀层、扩散金合金(DGRF156)、锡镀层铜合金和镀银铜合金)在150℃时的接触电阻变化。重点研究了接触件由于接触界面的相对运动,即低频(小于0.01Hz)和长磨痕(大于100μm)微振所导致的热膨胀退化机理。接触样品为标准的凸包-板片结构。试验采用SEM和EDS来分析镀层表面形态和成份的变化。从中发现,贵金属镀层的逐渐磨蚀是接触电阻上升的主要原因:对贱金属镀层来说,氧化物沉积则是其接触电阻上升的主因。此外,采用适当的润滑剂可以有效地缓解接触电阻的上升速度。

【关键词】汽车连接器;高温微振;接触电阻

1 引言

目前,连接器已经广泛地应用于汽车领域。这种应用于发动机罩之下的电连接器尤其需要满足高温、潮温和腐蚀气体等恶劣的环境条件。在这种情况下,连接器一般采用密封设计以防止连接器接触界面潮湿、受大气腐蚀。不过,要使连接器在高温环境下具有高可靠性则必须采取特殊的结构设计和接触材料。随着发动机罩外形的日趋紧凑以及流线型设计使得机罩内的温度趋于上升,这一要求变得更为迫切。

过去,连接器要求工作温度为125℃,现在则要求达到150℃。工作温度提高就必须评估其电接触可靠性,因为许多接触件退化方式如微振、氧化和气体腐蚀以及合金的扩散随着温度的提高可能会更为严重,也因此降低了接触件的使用寿命。对于贵金属薄镀层材料如DGR-156和镀金接触件来说,在室温条件下,除了在使用过程中镀层逐渐磨蚀外就不存在微振腐蚀问题。

美国Lee对110℃温度下电接触件,即高频(10Hz)和小振幅(小于20μm)条件下对锡镀层、硬金以及扩散金合金的微振腐蚀进行了研究。试验所采用的正压力也较低(0.5N、1N和2N),可模拟典型连接器设计和微振条件。研究结果表明,温度对镀锡连接器具有重大影响。在80℃以下,由于锡镀层在高温下容易氧化,故接触电阻增大;随后在100℃时迅速软化,其接触电阻变小。这一软化作用可能是增大了接触点的接触面积,并降低了腐蚀速度。不过,对贵金属材料(如金或金合金镀层)而言,其作用却微乎其微。

由此可见,在高温下,锡镀层的微振腐蚀与室温条件下的微振腐蚀不同。在设计应用于高温环境的汽车连接器时应多加考虑。同时试验也表明,镀锡接触件仍可应用于发动机罩等环境中。近年来,汽车连接器要求满足150℃环境条件。这也许是因为连接器更接近于发动机(如传感器连接器)或由于气流量减小之缘故。在高温条件下,所有接触件退化机理变得更为严重。这包括在高温下金属软化其磨蚀程度更高,氧化速度更快,金属间的扩散更频繁以及其他化学反应。

环境温度提高一方面由于其差分热膨胀更为明显,导致接触界面产生运动。模拟试验也证实了由于热循环而产生接触摩擦,导致氧化物沉积层增厚。这一研究起初是用来检测150℃高温下不同接触材料的可靠性,但同时也为这种连接器的应用提供了指南。

据Waterhouse研究报道,在10 -100μm滑动范围内,此摩擦速率会明显加大。超出这一范围,摩擦速率则具有单向滑动特性。这一过程可以称为往复滑动。

图1 硬金镀层(磨痕长300μm、频率为0.013Hz和0.0013Hz)

由热膨胀公式可知,许多连接器配合面的相对运动幅度超过150μm。因此,这就将连接器的退化机理由微振微滑动型转向往复滑动摩擦。贱金属的微振失效往往由于氧化膜的生成随着小幅运动而更趋严重。而大幅运动则有可能产生新的金属表面,从而降低了接触电阻。接触件退化机理因而就成为高温下小幅微振腐蚀到大幅滑动摩擦的一个过渡。因此,我们必须认识到高温连接器这一接触退化机理,以便改进连接器的设计。

2 试验步骤

一般来说,试验装置包括一个电加热钢台,板片放在钢台上,凸包则锁定在一个固定的横梁上。其分级运动置于微机控制之下,并在X轴方向上产生循环往复运动。其振幅和频率可以通过电脑程序来改变。同时,测量上述循环磨痕之间的接触电阻,并记录所测量的统计数据。

2.1 测试条件

微振运动:长度分别为100μm、150μm和300μm;

接触电阻:4芯,干电路(最大额定值20mV,100mA);

接触件外形:板片与相同材料的φ3mm凸包;

正压力:1N、3N和5N;

温度:150℃。

这一长滑距和低频率可模拟汽车发动机启动时罩内加热、冷却时连接器暴露的热循环效应。

2.2 接触材料

2.2.1 硬金镀层CA654

0.8μm的2%CoAu镀层/12μm的Ni/CA654;

2.2.2 DRG -156

0.3μm的扩散Au/2μm的R-156 60Pd-40Ag合金/12.7μm的Ni/CA654;

2.2.3 镀锡半硬CA638板片和镀锡C1750凸包

3μm的镀锡层;

2.2.4 镀银C170

2.5μm的Ag/4μm的Ni/C170。

上述四种材料为传统的镀锡铜合金以及更昂贵的金镀层和金合金。附加银镀层可以作为镀金的廉价替代品。

铜基体成份:

CA654:95.5Cu、3.OSi、1.5Sn、O.lCr;

A638:95Cu、2.8Au、1.8Si、0.4Co;

C1750:97Cu、0.5Be、2.5Co;

C170:98.lCu、1.7Be、0.2Co。

2.3 分析方法

2.3.1 接触电阻

接触电阻是在预定循环次数的干电路条件下测定的。为了便于对比四种不同材料,可采用接触电阻达到10mΩ时的循环次数进行分析。

2.3.2 电子扫描显微镜(SEM)

所选择的样品应在电子扫描显微镜下测定以确定接触件退化的原因。此外,还应用了能量色散谱仪(EDS)来对接触点进行定量分析。这可以通过19kV局部扫描来完成。记录其相对峰值以检测和确认镀层的逐渐磨蚀。

3 测试结果

3.1 接触电阻

3.1.1 镀硬金CA654

在低频率和长磨痕条件下,接触电阻增大。在磨痕长为300μm时,5N正压力比3N时的接触电阻增长速度更快,如图1所示。这是接触件镀层逐渐磨蚀以及磨屑沉积的结果。同时也可看出,降低频率的结果:一旦Au保护层被磨蚀掉,则更容易形成氧化膜层。由SEM图可以看出,Au表面镀层已经磨蚀并暴露出Ni阻挡层以及铜底层。

图2 DGR-156(磨痕长300μm)

3.1.2 DGR - 156

试验结果表明,DGR-156样品在正压力为3N和5N时比硬金更快达到较高的接触电阻,即使整个扩散Au和Pd层厚度为2.3μm,见图2。这可能是由于DGR-156耐磨性相对较低,贵金属层和Ni底层的结合更柔软之缘故,使得Ni在Au扩散过程中被韧化了。在低频状态下,形成氧化层所需的时间更加充裕,因而即使在循环次数较少的情况下也会产生较高的接触电阻。从SEM图可以看出,Au己在逐渐磨蚀,再检查Pd/Ag、Ni和Cu底层。

图3 镀锡CA638(磨痕长300μm、频率O.0013Hz)

3.1.3 镀锡铜合金

在这项试验中,磨蚀距离长(150μm和300μm),温度较高。通过试验发现,由于氧化作用,当循环次数为20-50次时,其接触电阻就很快超过1OmΩ。提高正压力会加大接触件的磨蚀,但也会使之形成一个清洁的表面。增大磨痕长度则会进一步产生新的氧化层,导致接触电阻增大。由随后的SEM分析可以看出,由于锡氧化层的逐渐沉积,接触电阻增加到1Ω以上,而一旦镀锡层被磨蚀掉,铜氧化层的电阻反而会随之降低。

图4 镀锡CA638(频率O.0013Hz、5N)

3.1.4 镀银铜合金

图5表示在1N和3N条件下,接触电阻会缓慢上升,但在达到1000次循环时,其接触电阻值仍低于1OmΩ。在5N试验中,由于摩擦更为严重,故循环次数在500左右时,其接触电阻就超过了1OmΩ。由SEM图可以看出,Au层已磨蚀到Ni层,并最终磨蚀到铜底层。

图5 银镀层(磨痕长300μm、频率O.0013Hz)

3.1.5 润滑作用

在本研究中,采用了两种润滑剂,借以改善镀锡铜合金的性能,见图6所示。用试验润滑剂11#之后,其性能有一定程度的改善。在失效前(大于1OmΩ),使用寿命延长了700次。未润滑的锡镀层一般在50次以下就已经失效了。Stabiliant22#则是一种低粘度液体型润滑剂,它并不能提高接触件的使用寿命。

注:两种润滑剂均属于商用型。润滑剂#11是一种氟碳化合胶。它是由卤代硅胶油与氟碳聚合物胶化而成的一种柔软油脂。Stabiliant22#起先是用作一种非电导性聚合物,但通电后,它可以通过电场而进入导电状态。

图6 润滑后的锡镀层(磨痕长150μm)

3.2 SEM分析

3.2.1 硬金镀层

从SEM可以看出,凸包已出现磨蚀,板片与凸包之间已发生了一定的位移。细微氧化颗粒的沉积导致接触电阻的增大,见图7所示。

图7 3N、300μm、O.0013Hz条件下300次循环后的硬金凸包(7a)和板片(7b)光谱图:EDS元素成分比分别为凸包(1Au,0.6Ni、2.5Cu),板片(1Au、0.83Ni、1.2Cu)

3.2.2 DGR-156

与硬金镀层相同,DGR-156的板片上也存在磨蚀沉积物。加之,随着贵金属镀层的逐渐磨蚀,镀镍层和铜底层会渐渐暴露出来,使之进一步氧化。这就是它的失效机理。摩擦次数增大,则Cu含量也会随之增大,参见图8所示。

图8 5N、300μm、O.0013Hz条件下100次循环后的锡镀层凸包(8a)和板片(8b)光谱图:EDS元素成分比分别为凸包(lAu、1.3Pd、O.75Ni、2.5Cu),板片(lAu、1.8Pd、0.9Ni、1.2Cu)

3.3.3 镀锡铜合金

图9表示,1.5N、O.0013Hz和150μm磨痕经过100次循环之后,其最终电阻达到了400mΩ。这表明,锡镀层已被磨蚀掉,暴露出铜合金CA654,并被氧化。在磨痕末端已沉积了黑色磨屑,其中,Si含量很高(来自CA654)。3μm的镀锡层一般经不起100次摩擦。

图9 1.5N、150μm、O.OO13Hz条件下100次循环后的锡镀层凸包(9a)和板片(9b)光谱图:EDS元素成分比分别为凸包(ISN、0.3Cu/Si),板片(1Sn、0.25Cu/Si)

3.3.4 镀银铜合金

图10表示Ag镀层磨蚀的初始状态,并暴露出Ni底镀层(原子数减小,颜色较深)。由于这一频率极低,故每次磨蚀后氧化时间较为充分。不过,其接触电阻仍然较低,仅为2mΩ。

图10 3N、300μm、O.013Hz条件下300次循环的银镀层凸包(a)和板片(b)光谱图:EDS元素成分比分别为凸包(lAg,O.lNi、O.OlCu),板片(lAg,0.08Ni)

4 讨论

接触件保护层(包括金镀层、扩散金、锡镀层或银镀层)的失效机理是由于保护层在使用过程中的逐渐磨蚀导致的。在低频(0.013Hz和0.0013 Hz)和长磨痕(150μm和300μm)测试条件下可模拟热循环效应,其重点是磨蚀和氧化机理。一旦保护层被磨蚀掉,则基底层(包括镍镀层和铜底层)很容易被氧化。

锡镀层并不是真正的耐氧化材料,因此不能期望它在高温下提供可靠的保护作用。而且,它很容易形成高电阻氧化膜。柔软的锡镀层磨蚀速度也非常快,但一旦暴露铜底层后,则由于氧化速度的降低,其接触电阻反而会减小。

采用贵金属保护层一般不会形成氧化膜,连接器寿命取决于保护层的厚度。在这一系列试验中,我们检测了硬金镀层(0.8μm)、Pd -Ag层(2.3μm)上薄镀扩散金和银镀层(2.5μm)的接触电阻。电阻测试表明,银镀层较厚可以将其使用寿命延长至1000次,而较薄的金镀层在达到200-300次左右时就失效了。DGR-156附加的一层扩散金和2.3μm的Pd仍然很快就磨蚀掉。这也许是这种材料的磨蚀速度更高,合金材料由于其柔软,故粘附磨蚀性1000次,而较薄的金镀层在达到200-300次左右时即失效。DGR-156附加的一层扩散金和2.3μm的Pd仍然很快就磨蚀掉。这也许是这种材料的磨蚀速度更高,合金材料由于其柔软性,故粘附磨蚀性能特别差。

在测试热膨胀效应时,由于磨痕很长,故其失效机理主要是不是来自微振而是来自滑动摩擦。故有必要对滑动机理进行一些讨论。阿科德摩擦定律表示滑动摩擦量(V)与正向负荷(w)以及滑动距离总和,摩擦表面硬度(H)之间的比例关系。

(1)

式中,k为比例关系常数,通常称为阿科德摩擦系数或简称摩擦系数(常数)。这一线性定律较为简单,没有深入探究速度、环境或与插入和其它摩擦过程相关的非线性滑动特性的作用。

5 结束语

我们可以在设计连接器时做到适当的正压力和阻尼方式使之达到最小的滑动摩擦,以尽量减小相对滑动。在实际设计中,应采用各种密封型连接器以抑制其磨蚀退化机理。不同镀层的硬度,尤其是高温显微硬度方面的研究资料对于预测摩擦特性非常有用。此外,我们还采用一些工艺方法来增加镀层的硬度。在本项研究中,我们还发现各种镀层在150℃高温下的耐磨性缺陷。除了氧化作用外,并没有涉及其它化学作用的接触退化机理。

参考文献:

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

[2] 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,译审,中国翻译协会专家会员,中国作协会员,从事翻译工作30余年,出版有多部译著。

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