摘要：消费类电子产品（如移动电话）尺寸和重量的减小促使电子元件朝小型化方向发展。这一趋势也导致了连接器薄型簧片市场需求量的进一步增长。这些簧片要承受较大的负载，因此必须由高性能的合金制成。为了保证电连接可靠性，连接器簧片要在其接触区域涂覆贵金属。这种涂覆应用技术及其制造工艺可能会大大影响镀层的完整性、镀层性能和簧片在薄型、高负荷连接器的弹性率。本文对应用移动电话中电镀连接器接触簧片进行了比较，并提供了环境和机械试验后的一些有关数据，并对这些数据进行了必要的讨论。结果显示，涂覆技术确实对簧片的热稳定性、化学活性和机械特性产生很大影响。

关键词：连接器；簧片；电镀；镶嵌；机械性能

1 引言

本文是对移动电话中所用的连接器屏蔽簧片夹的开发、检验以及所产生的降低成本效应所进行的案例分析和研究。连接器簧片夹的用途有两个方面。其一是提供在电路板和电话壳体屏蔽金属之间基准面连接的电接通功能；其二是减少了电路印制板的振动，从而保证了电接触的机械功能。

由于簧片设计为薄而窄的片状，故负载很大。我们选择C17200作为连接器的簧片材料。其第一步的制造工序是冲压、时效硬化和电镀。在起初的两道工序中，簧片始终保持其原来的尺寸。从簧片工艺成本和簧片产量损耗来说，这一簧片工艺成本很高。

然后，我们开发出预涂覆材料降低成本的首要迭代方法为一种镶嵌层，它包括100微英寸的DGR-156的板连接和30微英寸的DGR-156细银屏蔽连接。元件的制造方法一般采用四道滑动冲压工序。

降低成本的另一个步骤自然是用选择性带材来代替金合金簧片镶嵌材料，从而减少接触表面贵金属的浓度。

在簧片产品检验过程中，人们发现簧片机械特性方面的明显不同。在一定的簧片镶嵌材料变形条件下，电镀预先制成带材的簧片接触件在渐进模中冲压，采取较小的永久伸长并产生较高的压力，其变形量约为15%左右。正因为簧片特性存在这一偏差，促使人们对整个簧片镶嵌材料系统和制造工艺性能方面进行必要的评估。

2 镀层材料和试验方法

2.1 镀层材料

预先制成带状的簧片镶嵌材料有3~8层DGR-156嵌入银镶嵌铜合金C17200的选择带材组成，每层的最小厚度为30微英寸。簧片银镶嵌层的厚度最小也是30微英寸。预先制成带状的电镀接触材料为整体镀镍50~100微英寸之后再镶嵌1层或2层镀有厚度最小为30微英寸硬金的选择带材，其背面电镀有30微英寸银。

2.2 接触材料表面的完整性

在簧片冲压工序完毕之后，将成型的簧片表面切片，然后采用金相显微镜进行检测。

2.3热稳定性

热处理前后冲制簧片接触件送交表面分析实验室进行测试，以确定簧片镶嵌材料与底镀层之间相互扩散程度。

2.4 环境稳定性

将冲制的簧片接触件和移动电话组件暴露于Battelle Ⅱ级混合流动气体试验环境中。测量并记录簧片镶嵌材料暴露前后其接触件的接触电阻值的变化情况。

2.5 浓度－厚度分布

先在155℃下加热16小时后，用GDMS测量（1）Cu/Sn镀层；（2）Ni/Sn镀层；（3）Ni-2%P/Sn镀层的浓度－厚度分布情况，然后用俄歇电子光谱仪（AES）进一步对上述三种电镀材料进行表面分析。

2.6 机械稳定性

将冲制簧片接触件送交连接器实验室进行试验，以确定其在一定条件下的压力－变形特征变化曲线。

3 实验方案

由于民用连接器不太适合于测试簧片镶嵌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。簧片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。

簧片试样采用一个冲击球和一个圆形冲击板。簧片冲击对类似于连接器中的接触电极。簧片冲击球用作活动触点，而圆形冲击板可视为固定接触件。这样，簧片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。该簧片试验是在一个注有空气和苯混合气体的试验箱中进行的。簧片试验参数见图1所示。　　

图1 簧片接触件在空气-苯混合气体试验中的接触电阻

4 试验步骤

簧片试验前，试样的簧片接触表面应用各种砂纸抛光，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－苯混合气体。将空气注入苯的浴液中，形成气泡。所有簧片试验均在这种流动的混合气体中进行。

当法向压力为0.5N时，测量接触电阻。第一次测量在簧片试验前完成。在所有试验中，其初始电阻均很低（小于10mΩ）。在簧片试验过程中，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 结果与讨论

5.1 涂覆层的完整性

图1为冲制簧片接触件的剖面图。图1（a）电镀接触材料；图2（b）镶嵌接触材料。电镀材料由于缺乏足够的延展性而难以承受弯曲应力，便出现了一定的裂纹。相比之下，簧片镶嵌材料在冲压成型之后仍然能保持完好无损。

（a）电镀接触材料；（b）镶嵌接触材料

图2 簧片接触件剖面图

我们发现，Ni-P/Sn镀层可产生锡氧化膜。这种氧化膜很容易用松香焊剂或端子接触件擦拭来清除。因此，热老化后，Ni-P/Sn镀层具有良好的可焊性和接触电阻。Ni-P/Sn镀层端子的插合力之所以较低，只是因为Ni-P底镀层硬度较高（500～600HV，参见图3）。当一种金属与锡镀层接触并滑动时，柔软金属就会产生滑动阻力。随着底镀层硬度的增大，则这一阻力会减少。这就是金属膜的润滑特性。Ni-P底镀层硬度高，故可以降低端子的插合力。

图3 Ni-P/Sn镀层剖面图

5.2热稳定性

图4为簧片电镀接触材料的浓度与外形厚度关系曲线。图中表示镀层中金的浓度以及600°F温度下热处理2小时之后簧片接触材料中金、镍的浓度。簧片接触表面在时效硬化热处理之后发生了明显的相互扩散作用，导致表面镍的浓度上升到8个百分原子浓度。

图4 热处理前后簧片电镀接触件簧片原子浓度与厚度的关系曲线

图5表示簧片镶嵌材料原子含量（浓度）与厚度之间的关系曲线。图中显示作为簧片镶嵌材料的金的含量，以及600°F温度下热处理2小时后金和镍的含量。由于热循环的作用，簧片接触件表面成分保持相对稳定。值得注意的是，簧片表面银的浓度在热处理前为20%左右。

图5  热处理前后镶嵌接触件簧片夹原子含量与厚度的关系曲线

图6 Battelle Ⅱ级FMG试验簧片接触电阻与老化时间的关系曲线

这一结果主要起源于加工退火过程中的表面扩散作用。时效硬化处理之后，簧片表面镀层中镍的含量相对较低，只有4个百分原子浓度。

5.3 环境稳定性

图7表示接触电阻与暴露于Battelle Ⅱ级流动混合气体试验（FMG）老化时间的关系曲线。簧片电镀材料接触电阻变化曲线图显示，其接触电阻随着暴露时间的增大而快速上升。假定在冲压成型之后，簧片接触件表面出现裂纹则可能会出现这一结果。另一方面，簧片镶嵌材料在整个试验过程中，其接触电阻却只出现了微小的变化。

图8表示在暴露于Battelle III级流动混合气体（FMG）试验环境中的簧片接触件接触电阻与暴露时间（冲击次数）之间的变化曲线。

图8  Battelle III级FMG试验接触电阻与冲击次数的关系曲线

在Battelle混合流体气体试验中，簧片电镀接触材料再次表现出快速劣化的趋势，而簧片镶嵌材料在接触稳定性方面也表现出一定的劣化现象。这主要归咎于簧片接触材料表面含银成分较高，加之混合气体中腐蚀性增大。

在暴露于Battelle II和Battelle III级混合流体气体试验环境后，对两种簧片接触件来说，其来自移动电话组件的接触电阻都没有出现任何变化。因为，移动电话机座提供了保护腐蚀气体的充分条件。这一发现意义重大，因为它强调了评估整个簧片接触件材料的重要性。样品研究提供了有关如果簧片接触件表面暴露于混合流体气体中究竟会发生什么变化的信息。将整个组件进行测试又可以让人们了解簧片接触件表面暴露于腐蚀环境中的可能发生的变化情况。

5.4 浓度－厚度分布图

簧片在155℃下加热16小时之后，用GDMS测量（1）Cu/Sn镀层；（2）Ni/Sn镀层；（3）Ni-2%P/Sn镀层的浓度－厚度分布情况，其分析结果参见图9、图10和图11。簧片在CuSn镀层中，即使在表面最上端也检测出Cu和O。由此可见，扩散层已延伸至镀层表面，并被氧化，见图9所示。在Ni/Sn（质量分数为1.6×10^-2的Ni）镀层中，在浅表层中检测出Cu和O（图10）。簧片在Ni-P Sn 镀层中，浅表层中检测出了质量分数为8×10^-2的Ni；而在表面2.2μm的表层以下则检测不到Cu和O（图11）。用俄歇电子光谱仪（AES）进一步对上述三种电镀材料进行表面分析。在Cu/Sn镀层中，其表面最外层可检测出Sn、Cu、O，而Ni/Sn 电镀层检测出Sn、Ni和O；Ni-P/Sn镀层则检测出Sn和O。在Ni-P/Sn镀层中，Ni是在0.3μm表面镀层中检测出的。

图9Cu/Sn镀层浓度-厚度分布图

图10 Ni/Sn镀层浓度-厚度分布图

图11　Ni-P/Sn镀层浓度-厚度分布图

5.5 机械特性

图12描述了电镀（镀金）和簧片镶嵌接触件的受力－变形曲线。

图12 电镀（镀金）和镶嵌接触簧片夹的受力－变形曲线

图中包括了簧片电镀和簧片包覆接触件在满负荷（施加压力）和无负荷两种情况下变化曲线。簧片镀金变化曲线表示所有循环所测得的最大值。最小值则符合簧片镶嵌材料的变化曲线。簧片镶嵌材料的性能变化很小。而簧片电镀接触件和簧片接触件之间的受力－变形特性却存在着明显的差距。与簧片镶嵌接触材料相比，在一定的偏差条件下，簧片电镀预先制成带材的材料在渐进模中冲制而成，采取较小的永久伸长并产生较高的压力。

随着偏差量的增大（其峰值为15%左右），其差距也随之增大。为了确定这一差距存在的原因，可以将接触表面剖开，然后测量每一个单独的簧片镀层，其结果参见表1所示。

表1 簧片电镀和镶嵌接触簧片夹的单层厚度值（尺寸为英寸×10^–6）

簧片变形与簧片厚度的立方存在着一定的相关关系。电镀材料厚度与簧片镶嵌材料厚度立方之比约为1.15。簧片厚度之差体现了压力－变形特性。这一观测值强调了另一个重要点。在簧片工艺过程开始时，簧片镶嵌层与基底金属发生键合作用，然后整个簧片接触件加工到最终尺寸。电镀层通常在簧片接触材料加工到最终尺寸之后才施加，因此增加了簧片材料的整体厚度。随着整体簧片接触件厚度的减小，簧片厚度增大所产生的作用日益明显。

6 结论

1)簧片镶嵌接触材料比电镀接触材料的延展性更好。因此，它能够比电镀接触材料承受更大的弯曲应力。

2)在C17200时效硬化处理过程中，表面镀层和下面几层金属之间发生相互扩散。其相互扩散程度可能会影响簧片接触材料的特性。

3)如果在成型过程中，预涂覆冲压成型连接器接触表面出现了一些裂纹。那么，簧片接触件暴露在混合流动气体环境（）中，其接触电阻就会快速上升。

4)连接器或组件壳体可能会为簧片接触表面提供一定的屏蔽作用。因此，簧片镶嵌材料的检验也应包括整个连接器系统的检验。

5)选择不同涂覆技术对薄型和窄型簧片的特性可能产生显著的影响。在簧片材料加工到精饰尺寸后再施加电镀，从而增加簧片镶嵌材料系统的总体厚度。随着基底金属厚度的降低，厚度增大的影响力会变得日益明显。如果选择涂覆方式，那么，为了达到类似的受力－变形特征曲线，其总体厚度应增大到相当于簧片材料厚度与镀层厚度之和。

参考文献：

[1] J. H. Lau, “Thermal stress analysis of SMT PQFP package and interconnections,” ASME J. Electron. Package, vol. 111, pp.2-8, Mar.

[2] W. Bolton, Engineering Materials Handbook. Boca Raton, FL: CRC, 1989.

[3] P van Dijk, Å.Kassman Rudolphi and D. Klaffke: Investigations on Electrical Contacts Subjected to Fretting Motion, Process ICEC Conference., 2002.

[4] Pendleton W.E., Tackett A., Korzeniowski L., Cvijanovich G.B., Williams R.T., Jones W.C. : Computer Simulation of Topographical Changes on Gold Contact Surfaces Caused by Loading, , Proc. Holm Conf., 1998, pp. 120-126.

[5] H. Mair, R. Reese, and K. Hartsough, “Simulated ship shock tests/trials?” presented at ASNE Modeling, Simulation, and Virtual Prototyping, 1997, and the 68th Shock and Vibration Symposium, 1997.