電連接器手冊<待續>

發布時間:2012-8-13 13:49:48

目    錄

第一章 連接器總述 2

第二章 接觸介面及接觸過程 20 

第三章 接觸鍍層 32

第四章 接觸彈片材料 62

第五章 連接器用工程熱塑性材料 85

第六章 可分離式電連接器 102

第七章 永久性連接概述 121

第八章 電線與線纜      125

第九章 電線與線纜的機械式永久連接      138

第十章 印刷電路板 157 

第十一章 至電路板的永久性連接     173

第十二章 連接器的應用     187

第十三章 連接器的類型     213 

第十四章 連接器/插座測試     234 

 

第一章 連接器總述

  這一章包括連接器技術的總述,在后面的章節之中將會提供各獨立主題的詳細背景數據。

  定義一個連接器至少有兩種方法:從功能上和從結構上。

  第一種描述連接器的方法是就其應該達到和必須達到的要求而言的。這樣的定義集中在連接器所應用的功能性和操作的環境。第二種描述連接器的方法集中在連接器本身,及它的設計方法和制造材料。由于連接器的應用、操作環境及功能性要求直接影響連接器的設計,本文就從連接器的功能性定義開始。

1.1 連接器功能

  連接器的應用范圍十分廣泛,本手冊的重點將會放在電連接器上,其主要應用于3C產品。從這個重點可以提出電連接器的功能性定義是:

  電連接器是一種電機系統,其可提供可分離的界面用以連接兩個次電子系統,并且對于系統的運作不會產生不可接受的作用。

  定義中關鍵詞是電機系統,可分離的不可接受的作用。

  連接器是一種電機系統是因為,它是通過機械方法產生的電性連接。如將要討論到的,機械式彈簧的偏向會在配合的兩部分間產生一個力量,這就使得接口配合面之間產生金屬性接觸。應用連接器在首要地方的原因是配合接口具有可分離性?煞蛛x性的需要性具有很多的原因。它可以使得獨立地制造部份或子系統而最后裝配可在一個主要的地方進行?煞蛛x性也可以使得零件或子系統的維護或升級不必修改整體個系統?煞蛛x性得以應用的另一個原因是可攜帶性和支持外圍設備的擴展。

  另一方面,定義中的可分離性引入了一個額外的子系統間的界面,此界面不能引入任何不可接受的作用,尤其是在系統的特性上不能受電訊的影響,這些影響包括如不可接受的扭曲變形和系統間的信號退化,或者是通過連接器的電源損失,以毫伏損失計算的電源損失,將會成為功能性的主要設計標準,因此主機板的電力需求也將增加。

  可分離性的需求和不可接受性的限度要由連接器的應用而定?煞蛛x性包括配合周期的數目,配合周期是指連接器在不影響其性能必須提供的,以及與另一連接器相配合所必需的作用力。典型的配合周期需求其范圍從內部連接器的幾十個周期到外圍設備的幾千個周期,比如PCMCIA型連接器。由于電路或功能的數量以及連接器互相連接的增加,配合力量的需求變得更加的重要。為了提供更多的功能性,連接器上端子的位置也必須要增加,這樣就導致了更高的連接器配合力量。由連接器的使用和功能而定,其端子數從幾十到上千不等?煞蛛x性和配合力量需求將會詳細地在1.5.1部分中論述,同時歸類連接器的互相連接的技術水準也將加以描述。

  現在我們將要考慮的轉向第二種定義連接器的方法-結構性的或者說設計/材料上的定義。

1.2  連接器結構

  一個基本的連接器包括四個部分:

‧ 接觸界面

‧ 接觸涂層

‧ 接觸彈性組件

‧ 連接器塑料本體

  上述組件已列在圖表1.1中。

  本手冊將會在后面的章節中詳細介紹上述組件中的每一件,既要從材料上又要從設計上介紹。從這個意義上,一個概要的各個組件介紹將能提供足夠后述討論的上下文背景。

1.1為簡要的連接器相交剖視圖,插圖(A)為接觸涂層示意圖,插圖(B)為接觸界面微觀結構圖。

1.2.1接觸界面

  事實上必須考慮到有兩種不同的接觸界面:可分離界面和固定(永久性)界面?煞蛛x界面(1.1, 插圖A)由于在首要的地方使用連接器而已經被明確的提到。固定(永久性)界面是當兩個子系統相連接時在連接器功能性定義中被提到。這些界面被稱為固定(永久性)界面是因為,一般說來它們只制造一次而固定使用。固定連接的例子包括位于圖1.1左邊的卷曲型連接和位于圖1.1右邊的壓力型。在可分離性界面和固定連接之間存在很多的不同點,包括結構上和需求上的,它們在基本組件上具有共同之處.在兩種情況下,產生和維護金屬接觸界面需要達到我們所期望的電力要求。此外,在兩種情況下,金屬性界面的產生是通過機械方法。

  可分離界面是在每次連接器配合時建立的。界面的結構主要是由接觸端的幾何形狀、端子之間的作用力以及接觸涂層而定。如圖1.1中插圖B所示,可分離界面包括有微小的連接部,位于微觀下的粗糙表面在常力的接觸之下?煞蛛x界面形態學將會在第二章中加以詳細描述從這個意義上講,足以陳述接觸界面的形態學將決定三個重要的連接器功能性參數:接觸阻力,連接器配合力以及連接器耐用性(例如:配合周期將仍然支持其性能而不會退化)。

  很多固定式連接分屬于兩種基本類別:治金式和機械式。治金式如焊接,它要由連接器和子系統之間接觸界面的結構而定。低溫焊接是主要的治金式連接,高溫焊接同樣也被應用,并且在較小的線纜中應用得越來越多。低溫焊接連接在制造印刷線路板裝配上尤其重要。而許多零組件要被焊接在印刷線路板,連接器就是其中最大的零組件之一。兩種主要的焊接技術:穿孔焊接和表面焊接將會在1.4.2部分和第11章中介紹。

機械式的固定連接有卷曲型,insulation displacement,壓力型,遮蔽型。機械式的固定連接的圖解如圖1.2所示。

卷曲型和insulation displacement型連接主要用在線纜上,壓力型連接主要用于通孔鍍金的印刷線路板上,遮蔽型連接是用在插入式印刷線路板。每一種都將會在后面的章節中詳細介紹。

1.2.2 接觸涂層

  接觸涂層如圖1.1中插圖A所示,顯示了兩個重要的功能:

。苊饨佑|彈簧基部金屬腐蝕

。畠灮佑|界面的結構

  第一個功能非常簡單僅僅需要接觸彈簧組件一般為銅合金,完全被涂層覆蓋,并且涂層自身能防腐蝕和能像薄膜一樣覆蓋在表面。而第二個功能就要復雜得多。

  優化接觸界面的方法,其實質就是對出現在接觸界面上的薄膜的規劃管理。如前所述,一個穩定且較小的接觸阻力由一不含薄膜的金屬界面產生。兩種主要的接觸涂層,貴重金屬(金,鈀以及由它們組成的合金)和非貴重金屬(如錫),它們的不同主要是指在接觸界面上的薄膜類型。對貴重金屬(尤其是金)來說,接觸涂層是惰性的,維護接觸界面的完整性需要保護防止外部涂層的薄膜形成,主要是防止銅的接觸彈簧。對錫這種最常用的非貴重金屬來說,存在其表面的氧化問題是主要被考慮的。這些不同的腐蝕過程將被反映到連接器的設計標準和性能上。接觸涂層的性質和選擇的標準將會在第3章中加以討論。我們曾經考慮過可分離式和固定式接觸界面。事實上一些不同的涂層被用于可分離式和固定式連接接觸末端。此類接觸與雙向電鍍相關。最普通的雙向接觸電鍍包括一個金-鎳合金可分離式界面和鍍錫固定式界面。

  貴金屬鍍層.貴金屬鍍層實際上是一個復合層,它是指在前面第1.1A中所述的接觸彈片基材上覆蓋一層鎳,然后在鎳的表面上再覆蓋一層貴金屬。常見的貴金屬表面鍍層是純金,但現在也有用鈀或者鈀合金代替純金的,而且這種做法還在呈上升趨勢。在許多情況下,鈀或鈀合金層與純金層接合使用以防止來于比純金抗腐蝕能力差的鍍層被腐蝕的影響。典型的貴金屬層是在12.5微米厚的鎳層上覆蓋0.40.8微米厚的貴金屬層。在鈀或鈀合金表面的純金層只有0.1微米厚。下面兩種鈀合金最常用:80%的鈀與20%的鎳和60%的鈀與40%的銀。

  鎳底層在幾個方面提高了接觸性能。這幾點將在第三章進行詳細說明,下面僅列出來供參考。

減少孔隙腐蝕

提供轉移腐蝕對象的覆蓋層

限制基材成分的分布

提高鍍層的耐久性

  普通金屬鍍層.錫是最常用的普通金屬鍍層,錫鍍層的厚度介于2.55微米之間,F在越來越多地用錫作鍍層,因為,即使錫被氧化,在插拔過程中,錫氧化物也會很輕易地脫落,從而不影響導電性能。然而,表面層再氧化會以磨損的方式降低錫接合面的機械性能。磨損來源于幾微米到幾十微米的微小滑移。由于在磨損過程中,部分鎳被再次氧化,從而使得鍍層的電阻增加。對于用錫作為鍍層的連接器來說,預防磨損是最重要的工作。較大的接觸壓力和使用合適的潤滑濟是兩種能有效地降低磨損的途徑。這一點將在第三章詳述。其它的普通金屬鍍層,包括鎳和銀,也將在第三章詳述。

總之,對貴金屬鍍層來說,保護貴金屬層是首要目的;對錫鍍層來說,防止磨損是首要目的。這些考慮方向的不同將直接影響連接器的設計參數。例如,正常壓力大小、接觸處幾何形狀、絕緣本體設計以及諸如插拔力和耐久性等的結構特性等都將受到影響。這些都將在第三章敘述。

1.2.3接觸彈片 

  接觸彈片在連接器上具有以下3個作用:

  在組件之間提供一條導通電訊的路徑

  產生形成并維持接觸彈片接觸面的壓力

  形成穩固的接觸

  第一個作用,只要使用常用的銅或者銅合金材料就可輕易達到令人滿意的效果。銅合金的導電率雖然不是很低,只有銅導電率的10%30%,但是,對大多數連接器來說,這個導電率已經足夠了。然而材料的導電率在用作高電流或能量分配的連接器中的確起著越來越重要的作用,因為,在這種連接器中,由爾熱和微電壓降引起的規定溫升要求更低的阻抗。

  其它兩個作用就要復雜的多,并且涉及到材料特性和設計參數之間的相互作用。接觸彈片包括兩種基本類型:插座彈片,通常是彈性的;插頭彈片,通常是剛性的,它使插座彈片產生彈性變形,從而產生固持力。圖1.3顯示了插頭彈片的外形圖,圖1.4顯示了插座彈片的外形圖。圖1.3顯示了帶有插入插座彈片的金手指的打印電路板和導柱/端子插頭的幾何外形。導柱與端子的外形不一樣,導柱是方的,而端子是圓的。圖1.4顯示了幾種連接器的設計,所有這些都要與接觸彈片對接。事實上,所有的這些設計都顯示了尤其與一種稱為25方的接觸彈片對接,該接觸彈片呈正方形,邊長為0.025英寸。

我們必須綜合考慮材料的各種性能,并力求達到均衡。對于可分離式接觸界面,接觸彈片彈性的主要功用是提供介于兩插接面的對接力。材料特性指楊氏模數和屈服極限。這些性質嚴重地影響著彈性偏移性能和彈性偏移量。屈服極限也很重要,因為它可降低插拔力。然而彈性強度必須與制造和卷曲性能對應。例如,用于提供在對接面產生彈性對接力的機械強度(用屈服極限來衡量)是與成型性能和鍛造性能相互對立的。以下各章將陸續對此進行討論。

1.2.4連接器本體部分 

  連接器本體部分具有如下作用:

使各接觸彈片相互隔離,不能電性導通

固定各接觸彈片

對各接觸彈片進行機械保護

對各接觸彈片進行工作環境遮蔽保護

  最后一個作用環境遮蔽,與連接器本體的設計有關,尤其與連接器本體的封閉程度有關。這種遮蔽效果在惡劣的環境中顯得尤其重要。圖1.5顯示了一個有關環境遮蔽的直觀例子。該圖顯示的試件是鍍銀的,并且是在被暴露于模擬工業環境的情況下插到圖示的連接器的卡邊。環境中的硫腐蝕了金屬外表。然而,當試樣插入本體后,腐蝕便停止了。雖然卡邊還有一條卡邊緣槽,但是,遮蔽效果還是相當理想的。更為重要的是,這種影響可以從暴露于這種環境的連接器的接觸彈片阻值變化看出來。

  圖1.6顯示了仿真工業環境和暴露時間對接觸彈片阻值的影響。實驗環境中包括硫氫化物、氮氧化物和氧化物,濃度為十億分之幾十到幾百就足夠了。數據對插接的和未插接的連接器都適用。樣品也獲得了一些抵抗環境的性能。在暴露了數十小時后,沒有本體的接觸彈片,其接觸阻值明顯地增加了,有本體的接觸彈片,其接觸阻值卻很少變化,這樣的接觸彈片在工業環境中可以使用10年。這些數據說明了絕緣本體的遮蔽效果。

  上述列舉的其它一些連接器本體作用與連接器本體的材料特性有關。電子特性包括電阻系數和擊穿電壓。這些特性影響接觸彈片在連接器本體的絕緣性能。重要的機械性能包括彎曲強度和蠕變強度,因為這些性能影響接觸彈片在本體上的牢固程度。與溫度有關的特性包括連續使用和加熱使聚合體變形的溫度值。使用溫度和設計溫度是相互關聯的。在許多情況下,尤其在表面組接中,溫度起著非常重要的作用。

考慮化學和溫度對絕緣本體尺寸穩定的影響也是很重要的。維持連接器中心線的間距、直線度、平滑度以及曲度對連接器的裝配性能和插接性能都是很關鍵的。這些特性,除了與聚合體的基本特性有關外,還與成型過程有關。接觸彈片具有材料單一而設計式樣千變萬化的特點,而絕緣本體卻具有與之相反的特點。絕緣本體的設計一般都具有許多相同的特征和要求,但其材料卻不盡相同。絕緣本體的材料是由各種需要決定的。絕緣本體的材料不但要適應使用環境,而且還要和裝配相對應。在許多情況下,正是裝配過程決定了使用何種材料。連接器的材料和設計內容將在第五章進行討論。

1.2.5連接器結構的歸納

  本節將對連接器結構進行簡單的回顧,其目的是提供一些以后將討論的有關連接器材料和設計標準等的內容。前面已提及的一些參數,例如:插拔力、孔數以及絕緣性能等,將在后續章節進行討論。然而,在結束本節之前,還要談談連接器的又一個重要性能。

1.3 電連接器阻抗

  圖1.7除了側重點不一樣外基本相似,圖1.7突出裝入系統內連接器組件的電阻。包括三種:

  可分離可分離接觸面電阻

  接觸彈片電阻

  固定連接電阻

  如果測出圖1.7中電連接器A,B兩端所有的電阻,其阻值大概為1020微歐級,可根據下面等式確定:

R0=Rpc+Rb+Ri                       1.1

  其中,        R0:總電阻

       Rpc:固定連接電阻

       Rb:接觸彈片電阻

       Ri:可分離可分離接觸面電阻

對典型信號端子而言,接觸彈片電阻占總電阻的絕大部分。與此相反,固定連接電阻可從幾十到幾百微歐?煞蛛x接觸面電阻,在100克力作用下,為微歐級。故該電阻只占總電阻的很小部分。但是后二者的重要性在于,它們的電阻是可變的。當電連接器電阻變化時,可能是因為一個或二個可分離接觸面電阻的增加。這就是電連接器設計/原料的標準圍繞為確保這些接觸穩定而變化的原因。

1.4 固定連接介質

前面已經指出固定連接是與被連接電路直接連接,有兩種主要通過這些電連接器連接起來的媒體:(a)導線或線纜與(b)印制電路板(PWBS)。

1.4.1線與線纜

  本節將對導線和線纜作簡要概述,而在第八章作詳細討論。導線由一個導體或,如果有的話,若干導體及其絕緣體組成。

  絕緣體有兩個功能:它使電導體絕緣并保護其不受機械損傷。哪種功能更為重要一些,依靠導線所用何處,根據導線的運用(尤其是導線上將要承受的溫度和電壓)和運用環境的機械強度來決定。聚氯乙烯(PVC),聚乙烯,以及聚丙烯是其中為通常運用目的而采用的最普通的絕緣材料,硅樹脂橡膠和其它的抗磨性聚合體在有機械環境要求時常用作被覆材料。

  銅是最普通的導電材料,不管其是否鍍錫或鍍銀。選擇電鍍是基于它的運用,錫是通常運用的電鍍金屬而在高頻率運用中則要求鍍銀。導線通?煞譃閮煞N:實心與多芯。實心導線由單一導體構成,而多芯導線由若干導體構成。多芯導線在芯線數及其位置或纏繞方式上有所不同,實心導線在導電能力上較有利,但多芯導線對振蕩有重要的適應性及抵抗性。

  線纜存在于各種各樣的構造中,以滿足一定運用范圍的需要,其與單純導線倍加在一有被覆的導線不同,可提供機械保護,同時可減少為確保在高頻傳輸中隔離防護處理的必要性電阻。

導線/線纜結構對機械固定式連接最重要的影響是:單股/多股電連接器的不同及導線/線纜結束制程去除或處理屏蔽層或絕緣體的必要性。

1.4.2 印制電路板

  PWB技術已經從50層單面板發展到帶接地平面的復合式的神經網絡板與可控阻抗網絡板。PWB制造工藝及運用要求將在第十章討論。本節僅討論有關固定連接本身。

  運用在PWB上比較成熟的機械連接技術為壓印,及更優的適應性壓印連接。在該技術中與壓印相關的端子腳插入PWB中的通孔。其連接的穩定性依賴于插入時形成的相應完全接觸面殘余的彈性力。PWB通孔電鍍材料采用銅或錫/銅合金。

  在PWB應用程序中比較流行的治金技術是焊接。有兩種焊接方式常被運用,穿孔技術(THT)與表面粘貼技術(SMT)。穿孔技術(THT)利用穿孔及波峰焊程序。而表面粘接技術(SMT)更依賴于表面襯墊,或平臺,及不同的焊接過程。與通過波峰焊的THT技術相對的是,表面粘接技術(SMT)是一個回流過程,在該程序前必須先通過大量技術處理貼好焊劑。SMT程序包括波峰,汽洗,紅外加熱,對流,及這些程序的組合。SMT因為零部件的高密度與PWB所含功能其應用迅速提高。SMT允許減小平臺間隔以提高零部件密度,同時通過消減穿孔數目提高板的配線路徑。

與可分連接的兩個例子一樣,圖1.9提供了幾種PWB固定連接的圖示說明:卡邊緣式電連接器及兩件式電連接器。二者的具體運用將在第十三章討論。

1.4.3 小結

關于電連接器的材料/設計及連接媒體的討論已經涉及到許多電連接器具體特性的要求,因此,接下來本文將對電連接器作簡要的說明。

1.5 電連接器應用

電連接器的運用可以從兩方面來考慮:電連接器用在何處,例如它裝在設備上的位置,以及如何運用,例如電連接器的功能是信號傳輸還是配電,其中電連接器用在何處應優先考慮。

1.5.1 相互連接的層次

  通常描述電連接器用在何處的方法是根據電連接器的連接層次(LOI)。許多描述采用這種方式,而本手冊通常采用Granitz所述方法。LOI是指兩個連接的電路板,而非指相互連接的程序及其種類。大量連接程序與連接/連接器種類可用在給定層次的連接上。圖110說明了與電子底板連接的連接層次。

  11級連接是芯片外部的熱壓焊襯墊與其外殼或所安裝主電路板間的連接。導線粘接及各種不同的焊接技術基本上屬于第1級連接,這些連接方式大多傾向于固定連接。

  22級連接是外殼與印制電路板(PWB)的連接。DIPPGA插座是第2級連接的兩個基本例子。然多芯片模塊(MCMS)使該定義有點復雜,但,通常,為了本論題討論(MCM)可被看作一外殼,第2級連接為典型的固定連接,但為了修復與升級的目的,插座是由可插入的若干零部件組成。

  33級連接是PWB之間的連接。插座(第2級)已經包含了電連接器的基本組件,正是在第3級將會出現更多電連接器的慣用概念。有兩種基本的PWB電連接器:卡邊緣式電連接器與兩件式電連接器。正如其名稱所暗示的,卡邊緣式電連接器的一半(即插頭或插座)為PWB的邊緣。而兩件式電連接器,其插頭及插座構成金屬接觸。隨PWB尺寸及安裝接腳需求的增加,為縮小容許公差量及減少幾何形狀的限制,兩件式電連接器的運用比邊緣式電連接器占有優勢。

  第4級4級連接是系統組件間的連接。系統組件可能是單個的PWB或分離的單元例如硬盤驅動器或電源。典型的第4級連接根據連接組件的種類,可包括兩件式電連接器與線纜裝配。

  55級連接是系統組件與系統輸入/輸出間的連接。系統組件與系統輸入/輸出間的連接可以是直接安裝在板上的電連接器或通過一線纜。

  第6級連接是系統與接口設備或系統間的連接。這些連接典型的是線纜裝配。

  附:上述幾節對電連接器電阻的構成、導線及線纜的區別、電連接器與PWB的兩種連結技術及電連接器的連接層次作了簡要的介紹。電連接器的總電阻由固定連接電阻、接觸彈片電阻、可分離接觸面電阻三部分組成,其中接觸彈片電阻占總電阻的絕大部分。線纜與導線除了結構有所不同外,更主要是在其應用及抗干擾功能上的不同。電連接器與PWB有穿孔技術及SMT技術,穿孔技術穿孔技術(THT)利用在PWB上穿孔及波峰焊程序,SMT已有介紹。電連接器的連接可基本分為六級層次,即:芯片與外殼或主電路板,外殼與PWB,PWB之間,系統組件間,系統組件與輸

/輸出,系統間或系統與其外設間。關于級別六,是有關系統與外圍設備或者系統與系統之間的相互連接,最典型的便是用相連裝配方式來連接。

  在與連接器的設計、選用方面,目前所用的連接器其相互連接的級別是從以下幾點考慮:

  1.可分離性及耐久性的需要(可提供方便的插拔效果)

  2.標準性(具有通用的標準,可互換)

可分離性及耐久性

  早期規定,級別1和級別2所定的相互接合專指持久性。級別3是最先將相互連接的可分離性作為考慮因素而提出的,尤其是對于那些插拔次數較多的連接器,對其持久性的考慮將不是擺在最重要的位置,而對插拔力大小的考慮,隨著端子數的增多而顯出越來越重要的地位。低插入力和零插入力連接器是目前人們致力開發的對象。當然,隨著芯片和MCMs上的端子數的增多,該等低插入力連接器或者零插入力連接器在設計時也會注重其端子耐久性的考慮以滿足連接級別2的要求。級別4和級別5著重強調連接器要滿足其不斷增加的插拔次數的需要。按這樣的標準制出的連接器其端子插拔力較為適當,實際上,該等連接器即使其端子數為幾十乃至幾百,其插拔力仍會小于級別3連接器的插拔力。級別6所提供的連接器在保持原有插拔力不變的基礎上,使端子有效插拔次數大幅度提高。某些與外圍設備相連的諸如電子卡連接器的端子連接,其要求插拔次數不低于數千次,這就需要在可分離之界面嚴格地控制其設計及選材等各種因素,尤其要提高小型化連接器之結構緊密度。

標準性:

  標準性是指各種不同的連接方式之間具有通用的標準,級別1和級別2所指的連接器其包裝和插裝的標準是很重要的。其生產和組裝過程會涉及到一部分該標準性以滿足第3、第4級別之要求,而第5、第6級別的連接器其相干性及兼容性則顯得更加重要。

  這一觀點主要是針對各種級別的連接步驟作出簡要說明,指出各級別連接方式之間具有相互交迭性,而且同一連接器或連接器類型可用在不同的連接級別當中。了解該等相互交迭性質,將會有助于了解以后所介紹的各類連接器的功能,以作為對各種連接級別的補充說明。

1.5.2 連接器分類

  這一章里,連接器將被特殊地看作是固定連接介質而不當作是連接系統來分類。按這種分類方案連接器將有三類最基本的類型即線對線、線對板及板對板。圖1.11所示為三種類型連接器的結構。我們再次強調,這三種類型的連接方式并非截然不同。以下兩個原因可說明這樣的類型交迭狀況。首先,同一種連接器的設計方案只需經過在連接方式上稍作改變后再重新定義,即變成可適用于另一種類型連接方式的新的設計方案;其次,一條線纜在裝配時可于其一端裝上線對線連接器而于另一端裝上線對板連接器,例如:I/O連接器5級產品的外形便是其中最常見的例子。若避開這種連接形式的類別模糊性而不談,該等連接形式正好提供了連接器分類的有效依據。

 。對線連接.

  線對線連接同樣也包括了線對線纜或者線纜對線纜的形式,其定義特征是兩根單線個體或者是兩條線纜中的對應導線相互永久性連接。該等永久性連接更多地常見于固定連接中線對線連接以及IDC連接。卷曲連接常見于不連續的線連接器中,IDC因其在與導線相關及線束末端處理上具有優越性而常用于支配線纜連接器,線對線連接器具有各種各樣幾何形狀的塑料支撐件如直角和圓形聚合形體的塑料件,還有許多不同形體之組合形狀的塑料件及金屬屏蔽殼體,主要在軍事上得以應用。

 。鍖Π暹B接.

  前面已提到過兩種類型的板對板連接器,如插圖1.12所示,一種是單片連接器或成為卡緣,另一種是雙片連接器。第一種板對板連接器設置于電路板邊緣故稱卡緣,其發展至最終將會變成雙片連接器,因為印刷電路板技術性能及其尺寸在不斷增長,當板的尺寸增加,其結果將導致連接器的容量增大,從而端子數增多,連接器插拔力增大,電路板印刷電路的容量增大將導致線路密度過大,單片連接器很難滿足其要求,所以,其最終將發展成雙片連接器。

 。或線纜對板連接.

在線對板連接中,有一半連接器是與線或線纜相連,也有與印刷電路板相連,與前述線連接一樣,板連接亦是如此,只不過需要壓入或焊接兩片連接器,許多卡緣式的連接器依然在應用,其端子配合界面適合可分離的連接性,線對線連接器也是大同小異,它們均是出自同一家制造廠。線對板連接器還具有很多其它的用途,其發展方向是線纜對板連接器,或是利用前述IDC的優越性進行線纜裝配。

.總結.

  這種形式當然不是給連接器分類的唯一方法,但這種方法確實能很好地實現比較各種連接器的目的。每一類型的連接器將在第13章里作細致地討論,在這一章里還將討論一些附加類型的連接器如:同軸連接器、遮蔽連接器、過瀘連接器及可控阻抗連接器等。

1.5.3  連接器的功能應用

 

  隨著連接器應用范圍的不斷擴展,它們可根據其兩大基本功能而分成:信號傳輸及電傳輸兩類。在電子應用領域這兩類連接器的顯著特點在于其端子上一定帶有電流,在其它的應用當中,端子所提供的電壓將同樣作為很重要的考慮對象,雖然同一種端子的設計可同時作為信號和電量傳輸兩種功用,但在多種相類似的接觸方式的應用上來看,許多電傳輸連接器在端子設計時僅僅把電量傳輸的需要作為唯一目的。

.信號傳送.

信號傳送可分為兩類:仿真信號傳送及數字信號傳送。這種分類是基于很多共同特征來描述的,在這部分的介紹當中我們對其并不作詳盡的討論,數據信號以及與其相關的連接器將在第12章中討論。

  不論仿真或數字信號連接器,其所需功能主要應能保護所傳送的電壓脈沖信號的完整性,該完整性應包括脈沖信號的波形以及其振幅。數據信號在脈沖頻率上與仿真信號有所區別,其脈沖傳遞速度決定了所保護的脈沖的最大頻率,數據脈沖的傳遞速度比一些典型的仿真信號要快得多,有的脈沖在連接器中的傳遞速度已接近千億分之一秒的范圍,在當今微電子技術領域中,通常把連接器當作一導線看待,因為與增長如此之快的頻率相關的波長能比得上連接器的尺寸。

  當連接器或是一互相連絡系統諸如一線纜裝配被運用于高速數據信號傳輸中,相應的對連接器性能的描述也就改變了。代替了電阻的特征阻抗以及互相連絡系統中的串音變得尤為重要?刂七B接器的特征阻抗成為一大意識潮流,在線纜中便是對串音進行控制。特征阻抗在連接器中之所以具有如此重要的地位,是因為電阻的幾何外形很難做到完全統一,加之連接器尺寸又很小,必須將串音的可能性最小化。在線纜中,幾何形狀的控制較易實現,其特征阻抗也易控制,但是線纜的長度將有可能引起潛在的串音。

  在連接器中控制特征阻抗是圍繞這個理由而進行的,在典型的開放式端子區域,連接器阻抗(和串音)是通過控制端子以合理的分布方式而達到的。于此類信號而言,接地比率是這種分布的一種反映,接地比率減少了。當然,這樣的結果就會減少可用于傳送信號的端子數目。與信號端子相關的理由位置是很重要的考慮因素。為了避免接地端子的減少,具有整體的接地平面的連接器系統已經得到了中發展。前文中已經介紹過了微條和條線的幾何形狀。整體的接地平面允許用于傳遞信號端子的使用,且能提高連接器所有傳遞信號的密度。圖1.13展示了一個開放端子區域和接地平面連接器的結構。

.電力應用.

如前所述,在上下文提到的電連接器是必須傳遞電力的。通常其電壓很低。通常用到的是如下兩種電力傳遞方法:(1)專用于高水平的當前電力接觸傳遞(2)和并行多籩信號接觸。它們每一種方法都有優有劣。

  電力傳輸與信號傳輸相比有兩點不同之處。第一點,也是最明顯的,是用于傳遞較高電流。信號傳遞的電流通常不超過1安培,最多也不會超過幾安培,而電力傳輸的電流可達到幾十乃至幾百安培。第二點是由于電流導致的焦耳熱而產生的溫度升高。信號接觸過程產生的焦耳熱與周圍的溫度相差不多。相反地,電力傳輸的比率又是基于溫度的升高,溫度的升高,又產生相應的比率電流。一次30度的溫度的升高通常作為一個電流比率的標準。

  因此,為滿足電流額定值及性能的穩定性要求,控制焦耳熱是很有必要的,這就需要在設計當中考慮信號傳遞的同時也要考慮電量的傳輸。尤其對電阻大的端子,焦耳熱是一重要因素,必須將其減小到最低程度,而且,接觸面的電阻也必須減小到最低程度,使其產生的熱量最小化。從選材的角度來說,當然是選擇高導電率或是橫截面積較大的端子以減小電阻,另外,增高傳輸電壓或增加接觸面積亦可減小接觸部分的電阻。

  圖1.13關于開放端子領域(a圖)和接地平面連接器(b圖)的例子。(AMP公司許可)

  更高的交叉部分、多余的接觸端子,都暗示提高接觸壓力下連接器的尺寸。也就是說,實際上,有一個限制在貢獻電接觸上,包括接觸媒體和接觸的尺寸。在使用貢獻電接觸上,電力線纜的路徑,線纜大電力接觸的終點及電接觸的尺寸會成為限制因素。

  隨著在連接器設計上提倡附加的限制,并行多訊號接觸允許更多傳統的連接器被用來分配電能。這些限制首先直接針對保證通過接觸的電流的分配,同時,它們的熱環境盡可能一致。其中以下三個因素是主要的﹕

   1.電路應是平行的電子流;也就是說,如果可能的話,經過所有的接觸電壓降應該是相同的。如果不同的電壓降對用途來說是根本性的,則這些電路將被區別對待。

   2.如果可能的話,接觸時的熱效應會被減至最低,尤其指一大束的電流接觸將被避免。

   3.接觸的阻抗或是在全部訊號分配里一起計算的任意偏差必須相同。例如,依靠在接觸時存在的排列方式,在適當角度連接器獨立接觸的巨大阻抗會有差異。在設計分配的接觸時,這些差異應當被考慮。

  認識到所有考慮的結果是一個明確的關于接觸的電流的影響能力的討論。降低到50%可能會被意識到。換句話說,為分配100A的訊號到PWB,如以1A的電流接觸速率,那么合適的接觸應當是接近200A而不是100A,這表明,大量接觸是相當依賴于單位接觸電流速率。

 .概述.

  大體上,由于受終點、路線和尺寸考慮的限制,電流分配經由貢獻高電流能力是明顯的?紤]到大范圍接觸和連接器的用途,多數電流分配的訊號接觸的用途需要更多的詳細分析,這些分析關于連接器要求和它們在本體中位置的接觸分配。

1.6 連接器測試

  討論到這個程度,也就牽涉到自身在連接器設計及材料、用途的考慮,F在把注意力轉向如何測試性能;也就是說,連接器測試可從兩個方面來評估﹕即做什么和如何做,為什么測試。

1.6.1 連接器測試的類型

  首先考慮做什么測試和如何做測試。在本書中的一些敘述中,一項連接器測試包括露天條件和設定條件的操作,由此也將定義這類操作,接下來是測試手段。例如,暴露在腐蝕性環境下的接觸阻抗測試一般被認為是一種環境測試。以上這些牽涉到做什么和如何做,這表明選擇和如何定義這些條件,測試哪些性能和如何做測試。至少有三類測試和測試手段﹕環境測試、機械性能測試、電氣性能測試。實例見表1.1。

  通過介紹測試術語,接下來考慮測試原因。

1.6.2 連接器測試的原因

  連接器測試的基本原因是鑒定連接器性能。除設計鑒定測試外,原型或試驗型產品做測試可使連接器設計有充分依據,大部分連接器測試被引入每一個特定或合格測試程序用來鑒定產品性能。對于本次討論目標,特定的或合格測試不同于那種特殊的由連接器生產廠商定義的作為每一個檢測項目的測試。就條件測試而言,它是由消費者、產業界、國家的、國際標準來共同定義每一測試程序。在每個例子里,測試程序將包括大量測試項目﹕環境測試、機械性能測試、電氣性能測試。測試項目和測試手段及認可的判斷標準都與連接器設計必須滿足的使用或市場要求有關。通常,這種露天條件和測試手段判斷標準是有一些一般代表性,在種意義上覆蓋了一個市場或一個使用范圍而不是針對某一個特殊使用。

  當一項特別使用成為測試程序項目時,測試可能被指定為性能鑒定測試。在這樣的一個例子里,暴露條件常常是更特別的。根據環境和暴露時間       

1.1 連接器測試類型

類型    暴露條件     測試手段

環境測試  混合的流動性氣體 滲水性

      溫度/濕度    溫度升高

      熱老化性     潮氣吸收

機械性能  熱振動      抗拉強度

測試    振動       摩擦系數

      耐久周期     適配力

電氣性能  過載電流     接觸阻抗

測試    電流循環     轉換阻抗

長度可更適當地反映對條件及特殊使用的需求。這同樣是一個真實的測試手段及認可的判斷標準。這樣的測試是一個介于條件與性能測試的中間環節。

  可靠性測試伴隨著一個相似于用在別的合格或性能測試上的測試表。然而有兩個主要區別。首先,可靠性測試要求在暴露測試和操作環境間存在一個比合格測試更嚴格的已知的聯系,換句話說,測試可靠性必須在測試與使用上有一個加速因素是已知的。這也就是說,暴露在測試AX天要等同于在使用BY年。這種要求通常無法滿足,并限制了做可靠性測試的。第二點不同在重要程度和統計處理上的認可判斷標準。條件測試認可判斷標準,例如暴露條件中阻抗的最大變化是一般性的,所以它們的價值在于,通過廣泛使用,提供可接受的性能?紤]到使用,可靠性認可判斷標準將反映特殊要求,這將在很多案例中明顯超過合格價值。但可靠性認可判斷標準還將被運用去滿足更嚴格的統計要求——在特定的相同尺寸和數據分析——超過那些用在合格測試程序中的要求。

1.7 結論

  本節敘述的目的是介紹術語,并對于每個將在以下章節所提到的更詳盡的主題討論提供一個上下文背景。

第二章 接觸界面及接觸過程

  在第一章已說過,接觸界面的微觀結構決定了電連接器的電子性能和機械性能。例如,可分離接觸界面和永久性接觸界面的電阻值和插接力以及耐久性都依賴于接觸界面的微觀結構。因些,有關接觸界面的的基本結構和接觸界面形成的過程的知識對了解接觸界面對連接器的一些重要性能特征的影響是很必要的。這些知識,反過來,又會幫助理解界面的設計和制造界面的材料對創造和維護確實可靠的連接器特性的影響。下面的討論將主要針對可分離接觸界面,但是,這些相似的討論也與永久性機械接觸界面有關。

2.1接觸界面的形狀

  如前所述,當把插頭插入插座孔時,接觸界面就產生了。威廉先生提供了一份說明界面產生過程的詳細數據。

  有時候,根據連接器和地球外表的相似點,使連接器接觸點(a-spots)具體化是很有益的。事實上,鄉村確實提供了一種非常有用的典型連接器接觸界面的拓樸模型。山丘高度與山丘間距離的比例和連接器接觸表面的微觀拓樸模型是相當相似的。兩者之差異大約在1%10%之間。根據輪廓測定法(profilometric)和語義學(SEM)原理繪出的詳細的連接器表面圖與普通的地球輪廓圖是相當相似的,而且把兩個導體壓在一起,就象把美國的佛蒙特州翻過來蓋在英國的漢普夏郡,比例是13,000,000。

  這個模擬例子闡述了關于接觸界面構形的凸凹面的重要性,并且介紹了微觀接觸界面的形狀,圖2.1描繪了這種微觀接觸界面的形狀。實際上,只有接觸界面的高點,即微觀凸面,能夠相互接觸。這些微觀凸面被稱為接觸點。雖然它還受其它因素的影響,但是接觸點的數量取決于接觸面的粗糙度,這一點以后將詳述。由于尺寸太小(微米數量級);即使在“板對板階段,在一克力的作用下,這些接觸點也會因發生塑性變形而被破壞。這個破壞要持續到一個足夠承受施加負荷的接觸表面形成時。威廉和格林針對這一問題作了詳細的討論。

  從應用的角度看,上述討論暗指實際接觸界面的大小僅取決于施加的負荷。對于一個連接器來說,該負荷對應于接觸正壓力。對于典型的連接器,接觸界面僅有一小部分(1﹪左右)是接觸的。

  接觸正壓力決定接觸面積,但如何分配這些接觸區域則取決于接觸界面的幾何形狀。如圖2所示,球面接觸將形成無數個圓形接觸點。

  因些,接觸界面的構形依賴于接觸界面的粗糙度,該接觸界面的粗糙度又影響接觸點的數量、施加的負荷(該負荷影響接觸面積)和接觸界面的幾何形狀(該幾何開關又影響接觸點的分布)。

  接觸點的數量與接觸界面的依賴關系是合理的,下面將作進一步說明。按照威廉和格林的觀點,初始表面粗糙度決定接觸點的數量,但是有多少接觸點能接觸卻依賴于施加的負荷。連接器表面開始接觸時,只有最高的接觸點能接觸導通。這些一開始就接觸的接觸點的變形使得接觸界面越來越相互靠近,這樣,其它比一開始就接觸的接觸點稍低的接觸點也逐漸實現接觸導通。隨著負荷的增加,這樣的接觸點將依次變形。當足夠數量的接觸點變形到某一程度,即,當所有接觸點面積之和足夠支承施加的負荷時,這種變形便停止了。如果引用一個硬度的概念,那么,對這個過程就可進行直觀的描述了。材料的硬度是用力和單位面積比來定義的,例如克力每平方厘米。也就是說,如果某材料的硬度是10克力每平方厘米,那么一個10克力的負荷或力將產生1平方厘米的接觸面積。那么,接觸點的數量就依賴于表面接觸點和施加的負荷。

  接觸界面的宏觀幾何外形(例如球面與平面平面接觸)決定了機械接觸面積在整個接觸面積中的分配方式。圖2.3描述了影響的過程,該圖用實例說明了當外載荷增加時,接觸點的尺寸和數量也相應地變化。

  摘自Green Wood的圖2.4提供了一個上述觀點的實驗依據,該實驗顯示,當一個鋼球分別用兩種不同的載荷,如20克力和80克力去擠壓一平面時,兩者的接觸界面就產生了。該實驗表明,在載荷作用下,接觸點的數量、單個接觸點的尺寸,以及由無數接觸點組成的宏觀接觸區域面積都將相應地增加,這一結果與上面的論述完全相符。

  接觸界面的粗糙度或接觸點模型可以描述如下:

接觸界面是由分布于宏觀接觸區域上的接觸點組成的。宏觀接觸區域的大小取決于接觸界面的幾何外形。接觸點的數量和大小處決于表面粗糙度和負荷。負荷也決定了接觸界面的光潔度。

  這種模型描述了接觸界面上的機械構形,但是它僅僅從微觀上描述了接觸界面的外形。然而,考慮精煉爐的細微表面,甚至其表面的原子或分子結構都是非常重要的。所有的金屬表面都覆蓋著一層原子數量級的薄膜。圖2.5簡要地表達了幾種可能覆蓋于金屬表面的薄膜。在金屬表面的最外層可能是大量的化合物薄膜。氧化物是最常見的一種,其它物質(如:硫化物、氯化物以及復合膜)也可能存在,這是由金屬材料和金屬暴露環境條件決定的。不同金屬的熱力學性能和運動學性能差異很大,熱力學性能決定生成何種薄膜,運動學性能則影響薄膜的生成快慢。

  如果考慮接觸界面鍍層的話(這一點將在第三章論述),那么上述薄膜對連接器性能的影響就顯得相當明顯了。事實上,如第一章所述,接觸界面的鍍層可以分為貴重元素(不易發生化學反應的元素,如,金)和非貴重元素(如,錫,該元素表面通常有一層薄薄的氧化物層)。因此,可以認為:生成化學膜的類型以及生成速度都依賴于基材金屬和環境中的化學物質。除了化學物質以外,環境溫度和濕度也在薄膜生成時扮演了重要的角色。

  除了上述化學膜以外,其它復合膜(特別是含水量、組織以及各種各樣的其它污染物和微粒)也可能存在于金屬外表。這些復合膜也可能對連接器的機械和導電性能產生很大的影響,這一點將在以后闡述。

2.2接觸界面和機械性質

  本部分主要討論點接觸模式決定的接觸界面的機械特性,尤其是對摩擦和磨損的影響。從連接器性能的角度來看,摩擦的重要性在于它對于連接器配合力的和接觸界面的機械穩定性的作用。在連接器性能顯然退化之前,磨損過程將影響連接器能經歷的配合周期次數。點接觸模式對摩擦和磨損的作用可以由圖2.6中得到解釋。在圖例中展示了兩種點接觸方式,其中a區接觸時間比b區接觸時間更長且經歷的變形量更大。如2.2.2部分中所述,在這些條件下a區的接觸面積將大于b區,也就是說a區的連接將會更比b區穩固。此時a區的剪切力(或剪切強度)也比b區大。這種變化將會影響點接觸的摩擦和磨損。

  為預測將會遇到的問題,摩擦和磨損是兩種不同的方法,來描述點接觸界面在受到壓力之下的分離。接下來的討論僅僅涉及到單一點接觸模型。當然接觸界面的性能將會影響多個的點接觸結構以及由各個獨立的點接觸性能總和表現出來。此時將首先考慮摩擦作用的影響。

2.2.1 摩擦

  摩擦表現為一個力量,其作用是阻止兩個接觸表面之間在受到剪切力的作用下沿相對的方向移動。摩擦力可以由公式2.1來確定:

       Ff=μFn                  。2.1        

其中,  Ff==摩擦力

       μ==摩擦系數   

          Fn==維持兩表面接觸的力---對連接器而言是接觸正壓力

  由Rabinowitz的理論,摩擦力可看作是分離兩表面間連接的必需力量。摩擦力可以從下面公式中,由接觸界面強度而進行簡單的估計:

            Ff=τs Ac                  。2.2

其中,  τs==剪切強度系數

     Ac ==點接觸面積

接觸區域與硬度,H(接觸高度),以及由等式(2.1)中的力Fn 有關:

                Ac =κH/Fn                                2.3

比例常數κ由很多參數而定,例如表面鍍層的作用,潤滑的狀況,表面粗糙度,接觸正壓力以及變形的種類(彈性/塑性變形),由此,我們將公式(2.1)與公式(2.3)合并后可得到:

               μ=κτsH                          2.4

  如Rabinowitz 所提出的,剪切強度和硬度同樣要由材料的性質來決定,因此公式(2.4)中的系數可以被看作為1的常數。

  在實踐中,摩擦系數是從0.05>1不等,與理論上的偏差僅僅反映的了假設的簡化模式的限制,尤其是接觸總面積是金屬以及表面的分離產生在原來的接觸界面上。

  低的摩擦系數值表明接觸表面是由鍍層覆蓋的,其中有化學聯接層(如氧化物),吸收層(如水或有機物),以及趨向于應用的潤滑劑層。這些涂層對于減少這兩種機械接觸表面的剪切強度都是非常重要。

  位于接觸端的氧化層可減少金屬接觸面積。氧化層能支持但并不能促進機械式的金屬接觸。減少金屬接觸面積將導致剪切力的降低,其最終的結果是摩擦系數的減少。

  有機涂層尤其是潤滑劑,提供了在兩表面間具有更低的剪切力的接觸表面和inhabit金屬接觸層,尤其是兩表面之間具有相對運動。

  高的摩擦系數表明,點接觸的塑性變形作用和金屬性連接的產生,將會導致比基礎金屬材料更高的剪切強度。應用到接觸界面上的剪切力將會導致在接觸界面上一定距離內接觸碎片的產生,此時將會導致更大的碎片接觸表面積同時也將導致更的摩擦系數。使連接的碎片從原來接觸表面中分離出來的可能性提供一種磨損過程的模式。

2.2.2  磨損過程

  正如Bowden以及Tabor所提到的,摩擦和磨損過程要由接觸表面的分布位置而定。如前現所提到的,點接觸塑性變形將會由于加工時的變硬而導致接觸強度的增加。除了加工變硬之外另外一機理同樣很重要:也就是冷焊。冷焊與經過接觸界面聯接的產生有關,而此接觸界面是出現在兩金屬表面將成為intimate接觸時。 在此條件下,相同的聯接機理將對金屬的粘著力量起到作用。事實上冷焊界面的強度高于基礎金屬,這是因為變形時產生加工硬化。這種可能性對在受到剪切力作用下的接觸將會產生很大的影響,也同樣要對磨損機理產生影響,F在回到圖2.6中的a-區域,考慮一下當給定冷焊接觸界面的模式時接觸界面的分離怎樣出現。在剪切力的作用下假定a-區經過了冷焊,將會從原來的接觸表面中分離出去,導致磨損碎片的和金屬轉移,此時情況如圖2.6中的下部所示。b -區部分具有較低的變形,因此也具有較低的冷焊時的加工硬化,也將會在原來接觸表面的附近產生微小的分離,也就是說基本上沒有磨損和金屬轉移。

  前述提到的磨損過程中,a區為粘著磨損而b區為光滑磨損。粘著磨損的特性是高的摩擦系數和在兩界面間出現金屬轉移,而光滑磨損過程是低的摩擦系數和極少的金屬轉移。應當注意到磨損是一個動態的作用過程,它只是當兩接觸表面間有相對的運動時才會產生。在此運動過程中,連接增長和prow 成形將會隨著大量的接觸界面的形成和分離而出現,此時的結果將是磨損過程分布在其滑動的軌跡上。粘著磨損和光滑磨損軌跡上表面分別是粗糙和光滑的,此時可從相對的金屬轉移量而定。

  同樣應當注意的是,如果a-區分離產生的轉移磨損部分,將會在接觸界面上產生如研磨一樣的作用,這是由于它將產生的加工硬化,這里也就提到了第三個磨損機理:研磨磨損,如Antler所提到的,研磨磨損將會導致接觸界面的磨損率的增加。

2.2.3表面薄膜的摩擦和磨損

  表面膜對摩擦力及磨損的影響可通過分析圖7加于討論,圖7大致顯示了摩擦力系數的變化,µ,作為隨負載變化的函數。負載變化開始及其存在的范圍依賴于表面膜,構造或化學接合和表面潤滑狀況。摩擦系統數隨負載的變化能從小于0.1到大于1.0。據等式(2.5)顯示,磨損系數κ,有相同的變化趨勢,但因為磨損機理的變化其變化階數很大,例如,接合處增大與凸頭的形成。

  首先考慮摩擦。低負載狀況下,氧化物的破損與脫落是不完全的,只有一小部分金屬接觸面產生及粘附,導致低摩擦系數。隨負載的增加,表面變形增加,從而使表面氧化物破裂十分容易。隨金屬接觸面的增大,摩擦系數亦跟著增加。最終,金屬接觸面變得很大,摩擦系數穩定下來。

  相似的情況在磨損系數變化中也可以見到。磨損系數可由一簡單的破損等式確定:

          v=κFn L/H                       2.5

此處 v==通過單程長度L的容量

     H==硬度

     Fn==負載

     κ==磨損系數

  在該狀況下,如前面所述,磨損系數集中于破裂的連接處。低負載情況下,小接觸面積及極小的冷焊導致小連接處增大及凸頭形成,并伴隨小的磨損在原始接觸面附近發生分裂。負載超過一定范圍,磨損系數依賴于兩種材料特性與接觸形狀,通過接觸增大與凸頭形成,表面薄膜破裂的增加促進了冷焊的形成和導致粘附性磨損的增強。隨這種磨損機理轉化的產生,磨損系數便顯著發生變化。變化負載也依賴于接觸面的潤滑狀況,是因為在滑動期間潤滑對接觸形成動力的影響。有效的潤滑可減少與摩擦系數及磨損系數二者有關的金屬接觸面。Antler建議,對硬金屬接觸面而言,由光滑磨損向粘著摩擦變化所需的負載,無潤滑接觸面大約需要10克力,而有潤滑的接觸面則超過500克力。通常金鍍層電連接器的正壓力范圍從50克力到200克力,暗示了使用潤滑可延遲粘著磨損的發生。但是,該情況并非必定出現,因為在前述期間全部接觸表面形成了污染膜 。這些污染物能提供表面潤滑,雖然是以污染的方式。Antler指出這些偶然被污染的接觸面可承受的負載范圍大致為從25克力到250克力。為確保一致的低磨損狀況,有計劃的潤滑是有益的。接觸潤滑將在第三章討論。

2.2.4 機械特性小結

  接觸面的機械性能,尤其是摩擦及磨損,強烈依賴于接觸面粗糙微結構,因為這些粗糙微結構很小,它們在較小的負載下發生彈性形變而導致微結構接觸面的工件硬化及冷焊的發生。接觸點,接觸點的破碎決定了接觸面的摩擦系數及磨損系數。摩擦系數影響接觸面的配合力和電連接器接觸面的耐磨損持久性。

2.3接觸面形態及電氣特性

  影響摩擦及磨損的相同結構及薄膜決定了接觸面的電氣特性。簡單而言,本討論從金屬接觸面開始,薄膜的影響將在后面考慮。

  兩個金屬面接觸產生一電阻,術語稱之為接觸面壓縮電阻,壓縮電阻產生的根源,如Holm所描述,是一個基本的結果并可通過圖2.8加于說明,接觸面接觸點微結構使電流被壓縮為僅從接觸點通過,因而會產生“壓縮電阻”這一術語。根據Holm所述,對單一接觸點來說,壓縮電阻由下式確定:

       RC=ρ1/2α+ρ2/2α            。2.6

此處   ρ1與ρ2==接觸材料的電阻系數

               α==接觸接觸點的直徑

  如果兩種材料相同,(2.6)式可簡化為:

         Rc=ρ/α                         。2.7

  應該注意的是壓縮電阻是一種幾何形狀上的效果。這就是說,如果如2.8圖所描述的幾何形狀是因為在實心原料上加工一細小凹槽而形成接觸點,盡管沒有接觸面存在仍有壓縮阻抗產生。流過變小了的通過面的電流的壓縮是因為接觸面結構的相互獨立。這種接觸面構造能夠導致阻抗的增加超出根據式(2.7)所得出的結果,例如薄膜,但是減少壓縮電阻的唯一方法是增大接觸面積。

  為了本討論的目的,多個接觸點及它們接觸電阻的分配對總接觸電阻的影響可由圖2.9說明。插入的等式表明分布在同一接觸面的單一接觸點和多個接觸點的壓縮電阻依賴于其接觸面的幾何形狀。而多點接觸等式與通常接觸表面更為相關:

         Rc=ρ/nα+ρ/D                     2.8

    此處    ==接觸點的個數

         D==接觸所分布平面的直徑

  該等式表示一系列宏觀壓縮電阻的合成決定于各個接觸點的微電阻以及這些接觸點所分布的接觸面積。圖2.10說明了這兩種作用。第一條件明確了并行排列的多個接觸點的阻抗。對金屬導體而言,這種情況的電流壓縮與接觸面非常接近。第二個條件則表明了電流壓縮通過分布接觸面的結果。等式(2.8),可清楚表明,當接觸點的接觸數目非常大(數以十計)時,第二個條件尤其依賴于接觸點的分布。在這些條件下,圖2.9提出了一種近似的壓縮電阻的第三等式。對顯示的這種情況,其假定了接觸點的圓形分布,分布面積(因而其直徑)能夠從接觸材料硬度及其提供的壓力中得到,結果如式(2.9)。

       Rc=κρ√(H/Fn                2.9

此處       κ==與表面粗糙程度,接觸形狀及彈性形變有關的系數

            H==硬度

            Fn==接觸正壓力

2.3.1金屬界面的壓縮阻抗

  對以上這樣簡單的等式的論證在插圖2.11中會有所提示,從具體角度來講,它所涉及的就是針對接觸表面為銅、鎳、黃銅及錫這四種金屬其各自的接合力以及相對應的壓縮阻抗之間的對比關系。從圖中可得知該接合力非常大,雖能保證一個較大的接觸面積,但是接觸表面的鍍層金屬容易被破壞,該兩者之間的相互關系可用等式(2.9)來表示。圖2.11中的表格所列的是關于三種金屬的硬度及電阻系數。為了減小對壓縮電阻的影響,必須控制接觸面的粗糙度,對銅、黃銅、鎳三種金屬均應如此。對于錫,由于其極易遭磨損破壞而通常不用于直接受力部位,因此對其粗糙度不作討論。首先來討論關于銅的一些數據。圖中虛線表示計算值,實線表示實驗測試值?梢钥闯鎏摼與實線重合的非常好。對于錫和鎳,圖中僅僅顯示了其測量值,因此對其只進行相關的討論。注意到鎳具有比銅更高的電阻系數及硬度。由于電阻系數及硬度與壓縮電阻的關系分別為線性及平方根關系,因此鎳的壓縮電阻值會是銅的八倍。比較其測量值可看出接觸壓力為一千克力左右時,其重合度較好。對于錫,其電阻系數增加了十倍而硬度卻降低了五倍,因此其壓縮電總體上增加了,但這并不是說光考慮電阻系數的大小就能判斷壓縮電阻,因為其接觸面的面積會增大。這些數據表明根據點接觸模式導出的2.9式是正確的。

  然而,在連接器涂層部分,上述簡單的等式運用起來受到干擾而變得復雜。因為在涂層部分需考慮到各層之間的相互作用使系數K很難決定,導致很難決定適當的硬度及電阻系數。在具有錫涂層的黃銅接觸面,其利用錫的硬度和黃銅的電阻系數,如圖2.12所顯而易見。

  通常錫涂層的厚度會大于2.5微米,錫是一種十分軟的金屬,接觸面磨損通常發生在錫涂層里。另一方面,有兩個原因導致電流的壓縮主要產生在接觸彈片即黃銅涂層上。首先,黃銅的傳導率略等于錫的傳導率的2.5倍,因此在尚未接近有壓縮變形的接觸表面時,電流在黃銅中的分配會保持恒定。接觸部分的面積與接觸彈片橫截面積的比越小則這種效果就越明顯。

  由圖2.13所示可顯而易見這種選擇的正確性。壓縮電阻是通過等式(2.9)對錫的硬度及黃銅的電阻系數進行換算而得出,其可變的接合力是被指定在虛線所包括的范圍。覆蓋在黃銅表面厚度為2.5微米的錫涂層的測量電阻,作為接合力的一個特性而繪制成一條實線。該實線與虛線具有良好的重合性,而錫涂層的厚度若為12.5微米,則其測量電阻值實線與計算值虛線產生了較大的偏移,其原因可由圖2.14的例子說明。厚的錫涂層對壓縮電阻導入了較大的電阻(主要是因為錫的電阻系數較大的緣故)。

  顯然,等式(2.9)的運用具有一定的限制條件,最起碼要先了解設計及選材對壓縮電阻的影響,尤其要知道一般接合力及接觸面的分布是決定接觸電阻的主要因素。接觸面的分布主要依賴于接觸面的宏觀幾何形狀,亦即插座端子與插頭端子各自接觸表面的幾何形狀。

2.3.2  表面氧化物的接觸電阻

  也許在這里還有必要重提等式(2.9)所介紹的金屬接觸,不論是何種金屬涂層,其上均會附著一層諸如氧化物之類的化學物質,則前面所提及的接觸面變形實際上就是指這些氧化物的變形。至于表面氧化膜,不管是開頭所提到的還是在連接器的運用中出現的,均是影響接觸界面的不利因素。選擇合適的接觸面鍍層將對生成的氧化膜起著決定性作用,不僅可決定氧化膜的種類還可決定其受到破壞的容易程度。這類話題將在第三章中作詳細討論。

  如果表面氧化膜并沒有消除或只是部分被消除,其結果將導致給壓縮電阻額外加上一個電阻。氧化膜電阻可有兩種存在形式,如圖2.15示。如果氧化膜沒被消除,伴隨壓縮電阻的產生將會產生氧化膜電阻(如2.15圖左側示意)。如果氧化膜被部分消除,則該氧化膜電阻會成為有效電阻與金屬壓縮電阻并聯(如2.15圖右側示意)。這種高阻抗的氧化膜電阻由于金屬接觸導通而相當于被有效地減小了其厚度。但是,從整體上來講,電阻值還是升高了,原因是氧化膜的存在減小了金屬接觸面的面積。

  表面氧化物引起的電訊衰弱.氧化物的電阻系數可以為很高,相當于半導體到絕緣體的電阻系數范圍,并具有高度可變性。氧化物的可變性可發生在以下三個化合物性質方面:

  成份

  結構

  厚度

  這三個性質,均與氧化膜形成的條件有關。特別是環境的成份,溫度,濕度對氧化膜的結構、性能起著決定性作用。由于氧化膜的易變化性,所以對氧化膜進行機械性的破壞是處理氧化膜的首選方法。

  然而,氧化膜的結構卻有利于與電相關的方面,WagarHolm均對此作過詳盡描述,現簡要地概括如下。一個電場穿過一絕緣體或者一高阻抗薄膜將會導致產生新的機構,如電橋、可提供fritting的機構,用一臨界電場導致電壓穿過氧化膜是實現這一目的的必要條件?墒,更多的情況下臨界電場(甚至是臨界電壓)也是依賴于更前面所提及的可變因素:表面氧化膜的厚度、組成及結構。另外,當電橋產生以后,電橋的電阻也要依賴于電流的大小。該等電阻的可變化性加上電壓需求的可變化性會導致表面氧化物的電子故障并給一般的電子應用帶來麻煩。 

  表面氧化物的機械破裂.因為制造一金屬接觸界面的需要,表面氧化物的機械破裂在連接器上尤其重要。馬口鐵(鍍錫鐵皮)以錫作為接觸鍍層來源于這樣一個事實,即馬口鐵表面上原有的氧化物薄膜在連接器對接時很容易破裂和轉移。氧化物轉移的機理如圖2.16所示。在馬口鐵表面覆蓋有一層又。◣资种还撸┯钟灿忠灼屏训难趸锉∧,薄膜下的馬口鐵則又軟又具延展性。當于此馬口鐵施加一接觸壓力時,很薄的氧化物層不能承受該載荷,又因為它很易破裂,在這樣的條件下,載荷被傳導進又軟又具延展性的馬口鐵內部,其在載荷下開始流動,且隨著馬口鐵的流動,氧化物薄膜擴大裂縫而馬口鐵通過裂縫被擠出。此外,馬口鐵表面開始形成可電性導通的區域。威廉姆斯在鋁而不是在馬口鐵上證實了這種機理,如圖2.17所示。圖2.17之左圖表示當一球載荷施加在鋁平面上時,鋁表面上的氧化物所發生的破裂;右圖表示在鋁的表面氧化物被去除此之后,原來發生破裂的區域。在鋁的氧化物界面上,鋁被明顯從裂縫中擠出,而比鋁更軟的馬口鐵則更易受這一機理的影響。圖2.18的數據可證實上面的假設。圖2.18表明對于一個鋁與鋁相互接觸的系統,接觸阻抗對應于接觸壓力的關系。

  接觸幾何形狀的研究包括半球面而不只是平面,加載與卸載的數據都表明:甚至在很小的接觸壓力下,當加載時,馬口鐵的表面氧化物很容易地轉移是接觸阻抗急劇下降的一個象征,這暗示一個金屬接觸界面的創建。進一步的金屬接觸的證據能夠從以下事實被推證,即隨載荷的移動,低阻抗價值被保持。這種特性被解釋成為在接觸界面發生了冷焊。隨載荷的降低,冷焊維持完整的界面。更進一步的冷焊的證據是事實上,在許多情況下,對于卸載時的分離接觸,一個確定的壓力是必要的。泰姆塞特在研究鋁的接觸時證明了同樣的特性。

  在圖2.18的載荷條件下,從軟和硬的物質上薄膜轉移的不同可以得到圖2.18與圖2.19的數據比較.在這個例子里,對于半球面和平面,接觸金屬都是銅合金C72500(89%9%2%)?諝庵袩崂匣詫е铝吮砻嫜趸锏男纬。C72500明顯比馬口鐵硬所以在載荷條件下的破裂會更低。因為正是破裂驅使裂縫和表面氧化物分離的產生,而在C72500比在馬口鐵上更難轉移氧化物。此外,C72500通過裂縫擠壓而出的部分將更少。這些不同如圖2.19所示。隨載荷的施加,對于分裂表面氧化物,更高的接觸壓力是必要的。直到100克力被施加,否則不會發生接觸阻抗的明顯下降。由于C72500比馬口鐵更硬,所以它上面的接觸點會更小。此外,變形的減少將導致更少的氧化物的分離與擠出。因為金屬接觸區域的減少,這些機理影響下的組合會導致更高的接觸阻抗。C72500的卸載特性也不同。它比馬口鐵具有更好的彈性,也經歷更多的彈性變形,并隨載荷的移動發生彈性回復。這會產生分離表面及打破接觸點的趨勢。正象所指出的那樣,在低于60克力時接觸阻抗的增加。以上數據表明,至少在微觀上,當缺少殘余應力去提供接觸界面的機械穩定性時,單純依靠冷焊不可能足以維持接觸幾何形狀界面。這個事實會在以后被重提,并將在討論卷曲連接時表現出其它的意義。

2.3.3 總論

在電子與機械方面,接觸界面的粗糙模式都提供了解釋。簡單說來,接觸界面形態論依靠(depend on)表面粗糙度、接觸界面上的壓力和接觸表面的幾何形狀。表面粗糙度強烈地影響粗糙接觸點創建的數目。接觸界面壓力,決定全部的接觸區域,而接觸彈性幾何形狀決定遍及(over) 粗糙分配的區域。這解釋了為什么接觸壓力和接觸幾何形狀是主要的設計對數的原因,并且這兩個因素都將在6.2節中詳細討論。

第三章  接觸鍍層

大多數電連接器使用接觸鍍層的原因有兩個。首先保護接觸彈片的基材金屬不受腐蝕,其次是優化接觸界面的性質,尤其是連接器的機械和電氣性能。

  首先應考慮腐蝕防護。大多數電連接器接觸彈片是由銅合金制成,而銅合金在典型的電連接器工作環境中容易受到腐蝕,如氧化和硫化。實際上,接觸鍍層是用來封閉接觸彈片與工作環境隔開以防止銅的腐蝕。當然,鍍層材料在其工作環境里必須不被損害(至少在有害的范圍內)。作為腐蝕防護重要功能的同時,優化界面是選擇合適的接觸鍍層材料的考慮因素。

  與機械性能有關的參數主要是影響鍍層的耐久性、或磨損,以及配合力的因素。正如第二章所提到的,事實上這些要考慮的因素,是在相同基本效果下的兩種不同的看法,即多點接觸界面在相對運動過程中冷焊連接的分離。最重要的機械性能包括硬度,延展性和鍍層材料的摩擦系數。所有這些性質要依鍍層材料的內在性質及其所運用的工作過程而定。

  電氣性能的優化可從如下方面考慮,即對已經存在和即將形成的位于接觸鍍層表面薄膜的控制。如第一章討論的,電連接器電氣性能的一個主要需求是建立和維持穩定的連接器阻抗。為達到這個目的,需要一個金屬接觸界面以提供這樣的固有穩定性。建立這樣的接觸界面需要表面薄膜能在接觸配合的時候避開或分裂。這兩種不同的選擇明確了貴金屬或稀有金屬和普通金屬之間的區別。

  在不同程度上,貴金屬鍍層(如金,鈀以及它們的合金)其本質對表面薄膜來說是游離的。對這些鍍層來說產生界面的金屬接觸相對較簡單,因為它僅僅需要接觸表面的伴隨物在配合時的移動。通常這很容易實現。為維持接觸界面阻抗的穩定性,連接器設計要求應注意保持接觸表面貴金屬性以防止外在因素如污染物、基材金屬的擴散以及接觸磨損的影響。以上每個因素都將加以詳細討論。

  普通金屬鍍層—特別是是錫或錫合金—其表面都自然覆蓋有一層氧化薄膜。錫接觸鍍層的利用,是因為這層氧化物容易在配合時候被破壞,這樣金屬接觸就容易被建立起來。電連接器設計的需求是能保證氧化膜在連接器配合時破裂,而在電連接器的有效期內確保接觸界面不再被氧化。再氧化腐蝕,在磨損腐蝕中,是錫接觸鍍層最主要的性能退化機理。銀接觸鍍層最好被當作是普通金屬鍍層,因為該鍍層容易受到硫化物和氯化物的腐蝕。由于氧化物的形成通常也把鎳鍍層當作是普通金屬。

本章將討論接觸鍍層材料和電連接器的選擇標準。在討論材料之前先按次序討論一下采用接觸鍍層的主要方法。

3.1鍍層方法

  有幾種方法在接觸鍍層中得以運用。主要有三種技術:

 。婂儯electrodeposition

 。畤婂儯cladding

.熱浸(hot dipping

3.1.1電鍍

  電鍍是在連接器制造中,在接觸彈片上加以鍍層有最為廣泛的使用方法。這里僅對其基本過程作一簡要描述。更為詳細的討論可見于Durney Reid以及 Goldie的論述中。

  典型的電鍍單元如圖3.1所描述。電鍍是電鍍液中的金屬離子沉積到陰極(本圖中是接觸彈片),其中金屬離子可來自電鍍液中的可溶性陽極,以補充沉積到陰極上的金屬離子。在這個簡單的單元中,沉積電鍍過程主要是由溶液的化學作用和陰極表面的電流分布來控制。

  原則上電鍍過程的現象描述是非常簡單的。鍍層材料如金,沉積在底層基本金屬不同的點上并且在電鍍過程中在鍍層的表面漸漸加厚。達到一定厚度時,鍍層“完全地”覆蓋在底層金屬的表面上。圍繞“完全”這個詞的引證都是為了揭示這樣一個事實,即鍍層覆蓋的程度由基材金屬的表面特性和清潔程度以及電鍍過程而定。電鍍過程中最普通的缺點是在鍍層上有很多孔隙(pores)。這種多孔性(porosity)和它對接觸性能的影響將在后面的章節中討論。

  大多數電連接器接觸鍍層是在不斷循環往復(reel-to-reel)的過程進行以充分利用這個過程的成本效用。在本世紀七十年代和八十年代初期,大量的努力都是為了減少電連接器鍍層中金的使用量,因為當時其價格高達800美元。減少金鍍層的厚度(如后面章節中將討論的,利用鎳底層是可能達到的)和控制金的數量及其在接觸處的位置取得了極大成功。

  接觸鍍層電鍍通常有三種類型:完全電鍍(overall),局部電鍍 selective),雙重電鍍(duplex)。上述例子可見圖3.2所示。正如所預料的,完全電鍍(overall)是鍍層完全覆蓋在接觸表面上。錫接觸通常是完全鍍層。對貴金屬接觸而言,出于對成本的考慮一般采用局部電鍍(selective )或雙重電鍍(duplex)。在這兩種情況下,貴金屬是有選擇性的運用于可分離性接觸的末端,而此運用不同于在永久性連接或其末端中鍍層的運用。選擇性接觸鍍層有用在永久性連接上的金鍍層,但鍍層厚度在每一末端可能不同。雙重電鍍(Duplex)通常都是鍍在永久性連接末端的錫或錫合金。

應當注意到電鍍材料的性能,尤其是貴金屬,它與相同的鍛造性材料(wrought form)有很大的不同。一般來說,電鍍材料更硬而延展性較差,且比鍛造性材料的密度小。其變動范圍與材料本身和電鍍過程均有關系。

3.1.2 噴鍍

  噴鍍是指在高壓作用下以機械結合的方法將兩金屬接觸面結合到一起。通常有三種方式:完全噴鍍(overlays ,選擇噴鍍(toplays 和鑲嵌噴鍍(inlays)。其中完全噴鍍(overlays)完全覆蓋底層金屬。選擇噴鍍(Toplays)僅僅有選擇的覆蓋底層金屬表面的一部分。鑲嵌噴鍍(Inlays)是包覆金屬的一種特殊情況,其接觸鍍層材料是有選擇性的噴鍍在開有溝槽的底層金屬上。所開鑲嵌噴鍍溝槽可提供清潔的接觸表面以促進結合的可靠性。連續不斷的減少是為了得到條狀金屬以達到最終需要的厚度從而增強金屬結合的壓力。此外結合增強因為相互擴散過程而發生在熱處理過程中。更多關于噴鍍(cladding)方面的數據可見于Harlan。

  鑲嵌噴鍍(inlay)和電鍍接觸鍍層之間有兩個主要的不同點。第一:鑲嵌噴鍍使用鍛造材料,這樣使得其接觸鍍層的材料性能與電鍍材料的性能不一樣。第二,與電鍍相比其可用的材料范圍更廣。特別是貴金屬合金如WE1(其中金69 -25%-6%)以及鈀60%-40%合金作為鑲嵌噴鍍(inlay)材料是不能用在電鍍過程中的。

錫和噴鍍層或鑲嵌層同樣用在電連接器中,但并不總是用作接觸界面。這些覆蓋材料通常是在接觸末端提供可焊接的表面。

3.1.3 熱浸

  在電連接器運用中,熱浸僅用于錫和錫合金。在下面的討論中錫包括錫合金—在大多數情況下,指錫60%-40%  易熔的錫-鉛合金。熱浸包括將條形金屬通過熔融的錫溶液使其表面鍍上一層錫。其厚度控制是由不同的過程包括空氣刀(air knives)及空氣刷(air wipers)。典型的厚度,和厚度控制因此也由加工過程而定。

從一接觸界面的透視圖可以看出,熱浸和鑲嵌噴鍍或電鍍錫鍍層之間最大的區別是在熱浸過程中形成金屬間化合物。甚至在室溫下,銅-錫金屬間化合物形成的同時,如果不小心熱浸能產生大量金屬間化合物。過多的金屬間化合物不能提供可接受的接觸性能且對接觸的可焊接性能產生負面影響!  ≡跓峤臅r候將會產生金屬間的厚度,為確保接觸表面是事實上是錫而非金屬間化合物,必須小心控制熱浸過程中金屬間化合物產生的厚度。

3.1.4 總結

采用三種方法將會在接觸鍍層的性能上產生不同的特性。電鍍鍍層通常比噴鍍鍍層更硬而延展性更差,很接近鍛造材料的性能。熱浸鍍層僅限用于錫和錫合金。

3.2 接觸鍍層材料

接觸鍍層將分兩類進行討論,貴金屬鍍層和普通金屬鍍層。貴金屬鍍層包括金和鈀及其合金材料。普通金屬鍍層包括錫和錫合金,銀和鎳。本節的討論從貴金屬鍍層開始。

3.2.1貴重接觸鍍層

  貴金屬接觸鍍層是一種系統,其中每個組件執行復雜的功能。為了理解對接觸鍍層的需求,必須理解組件間的相互作用。

  貴金屬接觸鍍層包括涂在底層,通常是鎳表面的貴金屬表層。貴金屬表層厚度一般在0.41.0微米之間而其鎳底層厚度一般在0.82.5微米之間,F在也開始使用厚度小于0.1微米的金鍍層。如上所述,貴金屬表層的作用是提供一(film free)金屬接觸界面以確保所需要的金屬接觸界面。鎳底層是用于防止貴金屬表層大量的潛在性結構退化(potential degradation mechanisms),有些退化機理是源于接觸彈片的基材金屬,同時其它退化機理則是因為工作環境的影響。鎳底層的這些保護功能將在后節詳細討論。如前所述,最常用的貴金屬接觸鍍層材料是金、鈀或其合金。

  金.金是一種理想的接觸鍍層材料,它不但具有相當優良的導電性能和導熱性能,而且幾乎在任何環境中,都有良好的抗腐蝕性。因為這些特性,金在要求高可靠性電連接器的使用中經常采用。但是金非常昂貴,因為該原因要考慮可替換的材料。關于金的替換性材料將在以后討論。

  金合金.金合金保持了純金的許多特性同時其價格卻比純金低的多。金合金的運用已得到了各種各樣的成功。成功的程度依賴于其熔合劑(alloying agent)的特性及電連接器預期的工作條件。合金處理將提高金的電阻系數及硬度和降低金的導熱性及抗腐蝕力。其總的效果(net effect)是電阻有微小的升高但在環境穩定性方面卻有潛在的重要降低。金硬度的提高使接觸鍍層的耐久性有了提高,但是,金合金的性能在一定范圍的運用上可以接受的,所以它們不斷地被利用。Western Electric 發明的金合金WE1,是一種69%金—25%銀—6%鉑的鑲嵌噴鍍鍍層。

  鈀.鈀也是一種貴金屬但是,除了硬度以外,其與上面所述的金的許多重要特性都不相同。與金相比,鈀有較高的電阻率,較低的導熱率,以及較差的抗腐蝕能力。除了活潑性,鈀還是聚合體形成的催化劑(catalyst),在有機水汽存在時,濃縮的有機水汽(organic vapors)通過摩擦運動集合在鈀表面。這樣的摩擦聚合體或棕色粉末(brown powder)會導致接觸阻抗增加。鈀的硬度比金要高,因此提高了鈀接觸鍍層的耐久性。鈀還有價格上的優勢所以已大量用于電連接器,尤其是柱狀端子(post)。但是大多數情況,鈀的表面還要鍍一層厚度大約為0.1微米的金(a gold flash)。Whitley ,Wei  Krumbein對用金鈀鍍層代替金鍍層進行了討論。

  鈀合金.有兩種鈀合金運用在電連接器上。第一,80%鈀—20%鎳的鈀鎳合金,一種可電鍍合金,通常其表面也要鍍一層薄金。第二,60%鈀—40%銀的鈀銀合金,它既用作接觸鍍層金屬也用作底層金屬,其表面通常也鍍一層薄純金,鈀銀合金是一種鑲嵌噴鍍材料。

  合金處理對接觸阻抗的影響.合金通過兩種方式影響接觸阻抗。首先,它改變了接觸阻抗的初始值。其次更重要的是,它改變了環境中的穩定性(environmental stability)。下面的數據說明了這一點。軟金,硬金(金—鈷0.1),鈀,80%金—20%鈀金鈀合金及80%鈀—20%鎳的鈀鎳合金等接觸鍍層金屬在“可接受條件(as-received)”下其接觸阻抗隨接觸壓力的變化數據(如圖3.3所示)以及加熱到250度在空氣中保持16小時后的變化數據(如圖3.4所示)。

  首先分析可接受條件下圖3.3中的數據。所有上述材料在接觸壓力作用下具有近似的接觸阻抗。該條件下這些材料的硬度、導電率及耐腐蝕性等方面差異都不明顯。在100克力作用下(典型的電連接器接觸壓力值),接觸阻抗大約在0.62.0毫歐之間變化。盡管這些變化是很明顯的,但所有這些數值對大多數電信連接器的運用而言都是可接受的。加熱后的數據(圖3.4所示)則顯然不同。

  軟金、金鈀合金及鈀幾乎不受溫度影響。這些材料幾乎不形成氧化物或者沒有形成氧化物的傾向。實際上,在溫度輻射降低硬度(H)和電阻系數(ρ)過程中由于退火(annealing),阻抗值只有輕微的下降。硬度和電阻系數的下降對接觸阻抗的影響可以從公式2.9得知,將其重新整理為公式(3.1)

            。c=kρ(H/Fn)1/2                   3.1

  但鈀鎳合金及硬金卻表現出與之不同的特性,接觸阻抗顯著增加。在這兩種情況下,接觸阻抗的增加是因為表面氧化膜的形成。鈀鎳合金生成氧化物是因為合金中20%的鎳。硬金中氧化物的生成則是由于鈷硬化劑。鈷很容易生成氧化物,甚至鈷的含量很低(大約0.1%),加熱到250度很快會生成氧化物。氧化物快速生成的機理是鈷元素在金中的擴散。由于鈷原子隨機分布在金原子矩陣中,無論何時鈷原子到達表面,它很快就被氧化并附著在合金表面。最終表面鈷的濃度遠遠高于其內部0.1%的名義含量值,鈷氧化膜即導致接觸阻抗的顯著升高。因為該原因,鈀合金很少用在溫度高于125度的環境中。

  這個簡單的實驗清楚表明了貴金屬合金一個潛在的危險。金鈀合金沒有出現大的影響,如將要說明的,因為鈀也是或相對而言也是一種貴金屬。但金鎳合金,因為鎳強烈的氧化傾向,是一種非常不同的情況。合金的成份—特別是基材金屬成份—在反應性環境(reactive environments)中對接觸阻抗性能有很大的影響。

合成貴金屬接觸鍍層.合成貴金屬接觸鍍層包括一厚度為0.1微米(on the order of 0.1μm in thickness)薄金層,及覆蓋的以降低在腐蝕性環境中合金表面活性的反應性表面。在電連接器上,通常在鈀或鈀合金表面覆蓋一層薄金。金表面保持了金的貴金屬特性的優點。鈀或鈀合金作為一種貴金屬底層材料,其提供了大部分鍍層的指定厚度。這些利用80%鈀—20%鎳的鈀鎳合金及60%鈀—40%銀的鈀銀合金的金屬底層,由于與金相比鈀或鈀合金的價格低廉,其在電連接器上運用正在上升。

.小結.

總的來說,對貴金屬接觸鍍層而言,有必要保持鍍層金屬的貴金屬特性以防止外來因素對鍍層的腐蝕。如孔隙腐蝕,暴露基材金屬邊緣或磨痕的腐蝕,以及腐蝕的蔓延等。鎳底層對減少這些腐蝕的可能性是很重要的。另外,鎳底層提高了貴金屬接觸鍍層的耐久性。注意到兩件式電連接器的接觸鍍層,尤其是印制電路板上用于配合卡邊緣電連接器的襯墊,應具有相當的性能。

3.2.2 普通金屬鍍層

  普通金屬鍍層與貴金屬鍍層的區別在于它們的表面通常存在表面膜。既然建立并保持金屬接觸界面是電連接器設計的一個目標,必須要考慮這些膜的存在。對普通金屬鍍層設計要求是保證配合時膜的移動和阻止以后膜的形成,主要通過它們確保接觸界面的穩定性。接觸正壓力與接觸幾何形狀,同電連接器配合時的插拔一樣,對含有膜的接觸表

面也非常重要。

  將討論三種普通金屬接觸鍍層:錫,銀和鎳。錫是最常用的普通金屬鍍層。銀鍍層有利于高電流接觸。鎳所知道的是限于作為高溫接觸鍍層。如前面所討論的,鎳作為貴金屬鍍層的底層非常重要。

  錫及錫鉛合金鍍層.本章中,詞‘錫’的運用打算包括廣泛運用在可分離接觸界面的93%錫—7%鉛合金。第二種合金,60%錫—40%鉛,主要用于焊接連接,本節將不作討論。

  如第二章所討論的,錫作為可分離接觸界面的運用源于錫表面大量氧化膜在電連接器配合時可能會移動(displaced)。這種移動是困為錫與錫氧化物的硬度相差很大。

  但是,連接器的運用過程中錫表面的再氧化是錫鍍層的主要退化機理。該機理,后面將要討論的,通常稱作摩損腐蝕。

  銀接觸鍍層.銀因為跟硫和氯反應產生表面膜而被作為普通金屬。硫化膜如果不破裂能在銀接觸時產生二極管的功能效果。電話機收發過程中的繼電器運用(relay applications in telephony)會受到這種影響而致使銀作為接觸鍍層的名聲很壞。但是應該注意到,這些運用都是低插拔或者無插拔(low-or non-wiping),從而使接觸界面對氧化膜非常敏感。電連接器配合時的插拔可減小這種敏感性。

  銀的另一個特性限制了它的使用。它能夠移到接觸表面致使接觸間或印制電路板的襯墊產間發生短路(shorts)。Krumbein對移動過程提出了總的看法。

  盡管銀的兩個性質,硫化物及移動,限制了銀作為接觸鍍層的運用,但是如上所述,這種問題只是產生在繼電器(尤其是無插拔繼電器)而不是電連接器的運用上。

  典型的銀鍍層厚度從3μm8μm。通常,與相同厚度的金相比,銀相對軟一些(knoop 100),這也與它作為接觸鍍層的耐久性相對應。銀表面的硫化膜也非常軟且容易破裂。注意到因為硫化物的形成銀不會經受磨損腐蝕是很重要的。氯化物與普通化合物不同其移動更加困難,因為氯化膜更硬且更粘附。包括硫化物與氯化物的腐蝕物的混合型膜可在有些環境里形成,這些膜非常堅固。但是在大多數條件下,銀表面膜通過配合時的摩擦容易破裂。

  銀具有優良的導電性與導熱性及高電流時的抗冷焊力。這些特性使得銀成為優良的高電流接觸的可選材料,在這些運用中應該考慮銀接觸鍍層。

鎳接觸鍍層.鎳鍍層因其表面緊帖的堅硬的氧化物而屬于普通金屬。鎳表面氧化物可以被破壞,但是需要很大壓力,因為鎳氧化物的厚度具有自我限制特性(大約為100納米),施加不到1伏的電壓即能電解。利用鎳的這種性能其可作為電極(battery contact material)。同錫相似,鎳也非常易受磨損腐蝕。

3.3 選擇可分離接觸界面的接觸鍍層的考慮

基于鍍層材料性能總的簡要看法,本討論選擇性考慮電連接器上的貴金屬鍍層與普通金屬鍍層。膜處理,配合時表面膜的破壞以及避免以后膜的形成,對兩種不同鍍層的要求是不同的。對貴金屬而言,保持其貴金屬性以防止裸露的基材金屬受到腐蝕正是我們所需要的。從這個目的上來說作為底層的鎳的作用十分重要。而對錫鍍層而言,防止磨損腐蝕則是首要的。

3.3.1 貴金屬接觸鍍層系統的設計考慮

  接觸表面被履貴金屬的存在,本身并不能保證a film-free 表面。為防止能夠達到接觸表面的接觸彈片基材金屬的蔓延,金屬鍍層必須連續并且有足夠的厚度。貴金屬鍍層的中斷能導致基材金屬裸露部位的腐蝕。鍍層中斷可因整個制造和鍍層過程的不同原因而產生。多孔性(porosity)已經提到,接觸鍍層磨損是基材金屬裸露的另一原因。當然,多孔性與磨損非常不同,多孔性是制造問題而磨損則涉及到運用。無論是多孔性還是磨損原因,基材金屬的裸露是令人擔憂的(of concern),因為裸露的基材金屬在典型電連接器的工作環境中可能受到腐蝕。接觸彈片材料的基材金屬成份蔓延到金接觸表面能產生表面膜。正如將討論到的,減少基材金屬腐蝕的可能性是鎳底層的功能之一。

  進一步詳細考慮多孔性。在電鍍過程的討論中,多孔性被描述為產生于電鍍金屬的運動(kinetics)。對金鍍層而言,典型的多孔性對鍍層厚度的曲線如圖3.5所示。當然,這些曲線的形狀及厚度同電鍍金屬特性及運用一樣依賴于端子加工過程。圖3.5說明了為什么電鍍貴金屬接觸鍍層厚度一般從0.41.0微米的一個原因,鍍層厚度小于0.4微米,孔數增加很快。而鍍層厚度大于1微米,孔數很少,從運用觀點來看,其降低比率是微不足道的。

不必擔心孔隙的存在,因為孔隙的位置不會實質性影響金屬對金屬接觸面的產生。擔心的是如果孔隙暴露了基材金屬可能在孔的位置產生腐蝕。圖3.6對該腐蝕機理作了闡明。腐蝕物可充滿整個孔隙而且,更重要的是,如圖示的那樣,腐蝕物可從孔隙的位置移到鍍層的表面。隨著腐蝕物延伸到鍍層表面,如果端子接近另一端子,例如相互摩擦,很可能干擾接觸界面的形成或減少既定接觸界面的接觸面積。

  多孔性對電連接器性能的影響是有爭論的。根據剛才所述的機理,孔隙腐蝕可導致接觸阻抗的升高,但多孔標準及其工作環境的相互作用決定該性能的退化速度和退化程度。鎳底層對減少孔隙腐蝕可能性的作用將在后節討論。正如所預料的那樣,對處于混合流動氣體環境中小體系電連接器的重要研究顯示了電連接器性能隨多孔性的退化趨勢。但是并沒有一個臨界孔數標準。有許多高多孔性產品在預測最容易退化的環境里表現出良好的性能。后面將研究的電連接器中孔隙位置及其基座的屏蔽效果可以解釋這種現象。

  接觸鍍層的磨損,如所提到的,也可能導致基材金屬的裸露。接觸鍍層的抵抗力,或耐久性決定于許多因素。包括:

 。佑|正壓力

 。浜祥g距

 。佑|幾何形狀

 。p機理

 。佑|鍍層

  為了本討論,我們僅考慮接觸鍍層的影響。其它因素對電連接器耐久性的影響將在第六章討論。

影響接觸磨損或耐久性的三個鍍層特性是:

1)鍍層材料的硬度;

2)鍍層材料的摩擦系數;

3)鍍層厚度。

隨硬度的增大和摩擦系數的減少,在其它所列因素的聯合作用下鍍層的耐久性將會提高。耐久性也會因鍍層厚度的增加而提高。同厚度對多孔性的影響一樣,為既定的運用選擇適當的鍍層厚度也會影響接觸磨損或耐久性。至于材料的特性,須首先考慮硬度的影響。

  電鍍的接觸金鍍層通常是硬金(hard gold),即金鍍層包含有硬化劑(hardening agent)。從根據Antler改編的圖3.7,可以看出與軟金(soft gold)或純金相比,硬金耐久性有了提高。但是,通過使用鎳底層,電連接器的耐久性有了更大提高。

  鈷是最普通的硬化劑,但鎳也是很有效的。正如前面所討論的,硬化劑的可能負面影響包括提高了腐蝕敏感性,降低了導電性與導熱性及鍍層的延展性。

  因硬化劑導致的延展性的降低也能影響電連接器耐久性能。兩種影響應同時加以考慮。延展性的降低能減少在既定壓力下接觸面積的增加,從而減少了粘附性磨損。但延展性降低能通過提高鍍層破碎及促進研磨性磨損而增加磨損。

  鍍層的缺點,無論是多孔性還是磨損,因為它們位于可能發生腐蝕的裸露基材金屬上,是令人擔憂(of concern)的。如所提到的,鎳底層對減少這些腐蝕非常重要,下面將要討論到。

  貴金屬鍍層中鎳底層的功能 貴金屬接觸鍍層系統中鎳具有以下幾方面優點:

 。疁p少孔隙及缺陷位置的腐蝕(pore and defect sites

 。柚垢g的移動

 。疁p少基材金屬成份的蔓延

 。黾友诱剐

  我們將分別討論每個優點。

  多孔性.3.8基本表明了鎳在減少孔及缺陷位置發生腐蝕的可能性與效果。該圖也包括圖3.6圖示的沒有鎳底層的孔隙腐蝕說明。兩者間最重要的區別在于在孔位置處的裸露的鎳將形成可有效密封腐蝕孔隙的氧化膜。鎳氧化膜的厚度是有限制的,典型為的100納米,沒有填滿孔隙,更重要的是沒有移動。類似的效果在缺陷位置包括磨痕也會產生。這種孔密封機理的效果在高濃度氯的環境中因為降低了氯對鎳氧化物的影響就已經提出。但是,氯濃縮的必要性并沒有很好明確。在這些環境中廣泛的測試表明鎳底層對很大范圍的電連接器產品的優點。

  圖3.9顯示了孔隙腐蝕對置于模擬工業暴露環境的流動的混合氣體(flowing mixed gas FMG)測試環境中金鍍層片(coupon)的影響。測試環境由十億分之幾數量級(parts-per-billion)的氯,氫硫和氮的氧化物組成為主要污染物,加上溫度為25度的潮濕(濕度為75%)空氣。在孔隙周圍出現環狀腐蝕,結果腐蝕物出現圖3.6所示的腐蝕移動。這些腐蝕物的存在,當它們蔓延到接觸表面時,對接觸阻抗有很大的影響。

  來自于Geckle的圖3.10,提供了一些有關腐蝕物移動過程特性的實例。這些數據來自暴露在上段所述FMG環境中的金///銅合金鍍層片,各層厚度分別為0.1、1.5、2.5微米。位于圖中間的縮微照片顯示了孔隙以及孔隙周圍的環狀腐蝕物。圖上面一系列X—光線圖顯示了孔隙通過所有層的延伸。因為金、鈀和鎳層中信號的缺少及沒有缺少的強烈的銅信號,孔隙的存在是顯而易見的。裸露的銅是腐蝕物產生的根源。顯示了主要腐蝕種類(major corrosion species)位置的更低的X—光線圖,暗示了氧氣主要停留在孔隙位置,氯可以輕微地移動,但硫腐蝕物明確局限于環狀腐蝕物范圍內。移動種類(species)明顯包括銅/硫腐蝕物。

  腐蝕移動.3.11表明了一種評估腐蝕移動的實驗方法。在這種情形下的五種不同系統,自鍍有有益接觸鍍層系統的銅合金片(coupon)沖制(stamped)一圓盤形狀。沖制過程產生暴露的基材金屬邊緣,其在FMG暴露環境為可腐蝕位置,暴露后的腐蝕移動大致與上述描述相同。圖中插入的數據提供了暴露在FMG環境一定時間后腐蝕移動距離的實驗性數據。該數據揭示了兩種所關心的效果。

  第一,注意到金表面腐蝕物的移動距離比鈀大,依次,鈀表面腐蝕物的移動距離比鎳大。

  第二,鎳底層將金和鈀鍍層腐蝕物的移動距離減少了一半。

  這兩種效果可以根據腐蝕物移動的運動學,以一種簡單但又關聯的方式加以簡明;镜募僭O是腐蝕物在光潔表面擴散得很快,這種現象可能是因為表面張力的影響,類似于濕潤現象。腐蝕物在表面自由擴散以至于超出表面膜。光潔金表面不會產生氧化膜。鈀是一種催化劑(catalytic)材料,易于在其表面形成一層有機薄膜,且在測試環境里是反應性的(reactive),這一點將在后面章節討論。在測試的暴露環境里(in the test exposure),鈀表面很容易形成氧化膜。鎳,正如所提到的,也會形成一層表面氧化膜。在已知假設下,腐蝕物的移動符合數據所顯示的模式,腐蝕物在金表面擴散得最迅速,鈀次之,鎳最慢,這就解釋了上述所觀察到的在三種鍍層金屬上腐蝕物具有不同的擴散速度的原因。

  第二次觀察,鎳底層上腐蝕物的移動距離僅為金底層的一半,是因為鎳阻礙了腐蝕物的擴散。在這種情況下,鎳底層就象銅合金與貴金屬鍍層之間的柵欄。雖然鎳能夠阻礙腐蝕物的擴散,但由于鎳層僅有幾微米厚,腐蝕物很容易穿透鎳層在金或鈀鍍層表面更快地擴散,在圖3.11所示特定的測試條件下,可以想象鎳底層的阻礙效果大約只有測試暴露環境的一半,這是簡單的但基本正確的對實驗數據的解釋。

  圖3.12顯示了在與圖3.11采用的數據類似的測試暴露環境里腐蝕物在鍍有金∕鎳∕磷青銅鍍層金屬的沖制圓盤上的擴散。外邊緣的膜非常厚,且其擴散距離減少。表面上的亮點為探測點,其上接觸阻抗的測量以金作為探針,在邊緣位置,其阻抗值大于2奧姆,試驗預設的極限值成立。如圖3.13顯示的只有在接近底層中心時,才會出現毫歐級的阻抗值。

  鎳作為阻礙腐蝕物擴散對接觸界面的正面(barrier normal to)效果明顯受限于底層的厚度。但是,其側  面的阻礙(lateral barrier)是非常有效的。圖314提供了一個實例,所示端子完全鍍鎳且在其接觸面上局部(selective)鍍金。接觸下部(the lower contact)也得到附加的薄金(gold flash)鍍層(通常為0.1微米)。將端子置于同樣的工業環境中。薄金鍍層表面更有利于腐蝕物的擴散。當考慮到收容端子于基座(housing)的保留飛邊結構(the retention lance )的腐蝕區域是沖壓產生的形狀,這就是顯而易見的(this is obvious when considering the corrosion around the area where the retention lance that holds the contact in the housing is stamped)。沖壓成形區域的鍍層金屬覆蓋范圍(plating coverage in the stamped area)不完全是因為沖壓過程中剪斷處(shear-break)的粗糙度和這些凹陷處(recesses)不能被有效電鍍。這些區域鍍層金屬的欠缺導致基材金屬(銅合金)裸露,從而成為腐蝕源。腐蝕物在薄金接觸面很快地移動而它們在全部鎳鍍層表面的移動是受限制的。該圖表明當鎳在腐蝕物移動方向上有足夠的延伸時,它能夠有效地防止腐蝕物擴散。

  擴散.鎳底層阻礙擴散的有效性可通過圖3.15中的數據加以說明,該圖顯示了銅通過金,鈀,銀和鎳鍍層的相對擴散。同金或鈀相比,通過一定量或更多的減少可以看出鎳是一種有效的防銅擴散金屬。相似的情況發生其它典型基材金屬成份如鋅和鋇上。通過這種方式,鎳有效的防止基材金屬成份擴散到接觸表面,在該表面基材金屬成份可與其運用環境中的各種腐蝕起反應。

  耐久性.鎳也能改善貴金屬接觸鍍層的耐久性。對金鍍層的影響將被表明,但相似的影響也發生在別的貴金屬鍍層上。根據Antler改編的圖3.16,表明了直接鍍有2.0um厚鈷—金合金接觸鍍層的銅和鈹銅底層的耐久性典線。應該注意到檢測樣品包括平面取樣片(flat coupons)和半球形附件(rider)。這些數據僅與幾何形狀有關而并不代表電連接器接觸界面的典型數值。但這些數據的趨勢與連接器的耐久性有關。

  耐久性可用一磨損(wear)指標,即一種作為通過次數函數的基材金屬暴露總數的度量(耐久周期(durability cycles))來評估。耐久性指標為50意味著出現的(showed)磨痕(track)50%裸露了基材金屬。注意到銅基材的金鍍層耐久性明顯低于鈹銅基材的金鍍層。這種結果是由于鈹銅比銅更硬。更硬的底層金屬能夠提供支持層來增加鍍層的有效硬度,并由此而降低了在既定壓力下的接觸面積。因為磨損與接觸點的破裂有關,正如第二章所討論過的,接觸面積的減少會導致磨損降低。

鍍鎳底層可提供一個比鈹銅更硬的支持層,所以可以預測其耐久性有進一步提高。圖3.17證實了這種預測,顯示了磨損指針對鍍有鈷金合金的銅的配合周期次數隨不同厚度的鍍鎳底層的變化。隨鎳底層厚度的增加,耐久性立即提高。

.總結.

   在這里,鎳作為底層的優點概述如下:

  鎳通過其非活性氧化物表面,封閉基本孔隙位置,從而減少孔隙腐蝕的可能性。

  鎳在貴金屬接觸鍍層下面提供了一層堅硬的支持層可提高耐久性。

  鎳可有效地阻礙基材金屬成份遷移到接觸表面,當基材金屬遷移到接觸表面時,會與操作環境發生反應。

  鎳也可有效地阻止基材金屬腐蝕物的移動。

  前三個優點是在金鍍層變薄的同時保持相等的或是改良的性能。多孔性的影響已經減輕,貴金屬不再用作阻礙腐蝕物移動,并且耐久性有了提高! ∽詈笠粋優點是減少形成于其它地方、移動到接觸界面并導致接觸阻抗增加的腐蝕物的可能性。

  這種特性(nature)的考慮突出了連接器鍍層被作為系統來考慮的事實。鍍層不同成分間的相互作用能強烈影響鍍層性能。本討論為下一節存在數據的解釋提供了一個背景。

  貴金屬接觸鍍層系統的環境性能 本節將描述在模擬工業暴露環境的FMG測試環境里貴金屬接觸鍍層系統的腐蝕現象。被評估的鍍層系統包括:

  0.75()/1.25/

  1.8/1.25/磷青銅(PB)

  1.8(80)-(20)/1.25/PB

‧ 0.1/1.8/1.25/PB

  上述厚度單位都是um。底層金屬的不同只能影響最初的接觸阻抗的大小而不可能影響在暴露環境下接觸阻抗的變化。

  圖3.18顯示了在可接受條件(as-received)下如預先暴露于FMG環境,前三個系統(first three systems)接觸阻抗對接觸壓力的數據曲線。使用軟金探測參考,該圖表明了九個探測點的數據分布。探測模式可以是隨機性的或是有選擇性的。在隨機探測中,系統掃描表面,自動在九個隨機點上探測。在選擇性探測中,探測員(probe operator)降低探針,以便避開孔隙腐蝕位置并盡可能減少任何孔隙腐蝕或者腐蝕移動對接觸阻抗的影響。在選擇性探測模式中,可以評價鍍層本身原有的腐蝕反應性。圖3.18中的數據是隨機探測獲得的。注意到在100克力的接觸正壓力下,三個系統所產生的接觸阻抗都在1mΩ的范圍里。

  圖3.19表明了在同一模式下,暴露于FMG環境里48小時后得到的數據?紫陡g和腐蝕移動的影響明顯表現在金與鈀的數據上。得到的數據與在可接受條件(asreceived)下得到的數據相比,有些數據沒有顯出變化,但是許多探測點已經明顯受到腐蝕物的影響。在不插拔(non-wiping) 載荷的探測系統里,需要高壓力來破裂腐蝕物。然而,鈀-鎳合金的數據則不同,取代兩種模式下的阻抗數據,其同時有一個向上的移動和阻抗分布范圍的變寬。這是表面膜的典型現象。

這種解釋被暴露100小時后得到的數據所證實,如圖3.20所示。金鍍層數據仍顯示了兩種退化(degradation)模式。在這種情況下,鈀的數據則顯示了一種高水平的孔隙腐蝕。鈀-鎳數據繼續有一向上的移動和數據分布范圍的變寬。

  圖3.21繪制了作為接觸壓力函數的鈀-鎳合金九個調查點接觸平均阻抗的曲線。圖表清楚的表明平均接觸阻抗隨暴露點的升高。鈀(80%)-(20%)合金性能不象是貴金屬,卻象是基材金屬,這也就不奇怪在合金中加入20%的作為基材金屬鎳金屬。圖3.4顯示合金暴露在空氣中有相似效果。

  圖3.22包含的數據是測量了金和鈀接觸鍍層經過相同的FMG環境后得到的。注意到到金的數據幾乎不隨時間變化。而另一方面,鈀的數據顯示了增大的變化和擴大的分布,盡管其比鈀-鎳合金的變化范圍要小很多。鈀則顯示了對測試環境的反應。

  這些數據表明了為什么在大多數情況下鈀和鈀-鎳合金鍍層要與一個薄的金鍍層-約幾十個微米的金,配合使用。從圖3.23中可清楚看到,鈀外面的金薄層對FMG環境下腐蝕的作用是很有效的。接觸阻抗的大小和分布表明暴露在MFG測試條件下48100小時幾乎沒有變化。當金覆蓋在鈀-鎳合金上時也會出現類似的情況。

  但是,應該注意到金薄層厚度可能不會完全覆蓋鈀的表面,所以薄膜效應就可能產生。這種可能性對鍍有薄金層的鈀-鎳合金更有意義,因為其更有活性。此外金的缺失例如經過磨損腐蝕,將會導致其下層的鈀的暴露。換句話說,覆蓋有金薄層的鈀和鈀-鎳合金容易受到機械磨損腐蝕退化的影響。對鈀而言,摩擦聚合物的形成是其退化的主要機理。對鈀-鎳合金而言,經過氧化過程的腐蝕將會出現。

  總而言之,環境測試結果表明,這三種鍍層對環境固有穩定性按其減少的順序為:金,鈀和鈀(80%)-(20%)合金;锯Z鍍層外的金薄層可有效的減少這種變動。此外在連接器應用中這種固有穩定性的差別會通過三種作用得到控制。

  第一,遮蔽此類環境下接觸界面的連接器塑料本體的作用,有效的增加了相互配合的連接器對環境的穩定性。環境遮蔽的效果取決于塑料本體的設計。封閉式塑料本體將明顯比開放式更有效,盡管卡緣塑料本體可提供如第一章所述的保護。

  第二,如數據所示,與在連接器鍍層中一樣,電鍍過程中的多孔性對其受腐蝕可能性有很大影響。鈀和鈀-鎳合金鍍層的電鍍經驗表明鈀和鈀-鎳鍍層的多孔性通常會比金鍍層的低。這種作用減少了其固有穩定性的變化差異。

  第三,受到腐蝕的可能性取決于其應用的環境。在典型的辦公室環境下,僅有較少的硫和氯,實驗表明腐蝕蔓延極小且孔隙腐蝕也同樣減少。

這些考慮的因素減少了固有受腐蝕性差別的意義。在更多的腐蝕環境下,尤其是含有高濃度的硫和氯的時候,選擇接觸鍍層時就應當考慮金所天然具有的貴金屬性優點。

  貴金屬鍍層系統中的耐久性考慮選擇接觸鍍層另一個要考慮的因素是鍍層的耐久性。在此情況下,經驗表明其性能的順序與在環境中相反,至少存在金薄層時是這樣的。鍍金的鈀-鎳合金比鍍金的鈀的耐久性高,而接下來鍍金的鈀比金要高。這種趨勢被認為與鍍層硬度有關。硬金的Knoop硬度為200,而鈀和鈀-鎳合金的Knoop硬度為400500。

  以上關于金鍍層的合格性解釋非常重要,經驗也表明由于鈀和鈀-鎳合金鍍層比金硬度更高而延展性更低,所以容易產生災難性的易碎的破片結構。

3.3.2普通金屬接觸鍍層的設計考慮因素

  錫(包括錫鉛合金),銀及鎳被是用在連接器上的重要普通鍍層材料。三者中,錫代表了大量應用的普通金屬鍍層,因此本節主集中對錫鍍層進行討論。

  普通金屬鍍層與貴金屬鍍層的區別在于:普通金屬接觸鍍層的設計考慮包括配合時普通金屬接觸鍍層表面固有氧化膜的破裂/移動以及防止氧化膜的再生成。本節先討論錫接觸鍍層表面膜的破裂,接下來討論錫鍍層的退化機理,磨損腐蝕。

  錫鍍層接觸界面的形成,回顧前面所述,錫用作接觸鍍層源自于:其固有的氧化膜在連接器的配合中通過接觸表面的機械變形能夠破裂和移動。因此原有的錫氧化物在連接器插接過程中將因機械毀損而被擠破和取代。重新利用圖2.16作為圖3.24來引證表面氧化物破裂的機理。又薄又硬又脆的錫氧化物在負載下容易破裂。載荷傳到錫鍍層,由于其硬度小、延展性好而易于流動。氧化物裂縫變寬,里層的錫從裂縫中擠出來形成所需要的金屬接觸界面。然而不幸的是,錫表面的再氧化導致了錫鍍層的主要退化機理:磨損腐蝕。

  磨損腐蝕3.25說明了磨損腐蝕機理。圖3.25a描述了包括裂縫、破碎的氧化物和從裂縫間擠出的錫接觸區  域的原始接觸界面。圖3.25b顯示了接觸區域移到新的位置例如在機械干擾作用下。新的接觸界面是通過相同的破碎機理形成的。然而,先前接觸區域暴露的錫被再氧化。如果這些動作重復進行,也就是說,如果鍍層系統慢慢被磨損(3.25c),暴露的錫(摩擦腐蝕的腐蝕部分)連續不斷的再氧化導致在接觸界面形成一層氧化碎片(debris(3.25d)。這些碎片將導致接觸阻抗的增加甚至露出電路。引起接觸阻抗不可接受的增加必要的磨損循環次數取決于許多因素,包括運動方式和磨損距離(length)。對轉化運動而言(translational movement),磨損運動只要移動幾個到幾十個微米單位的距離就足夠產生磨損腐蝕。腐蝕磨損率依賴于磨損距離。磨損退化率依賴于磨損運動距離(length),因為氧化碎片必須經過磨損距離上的累積。大位移運動有效地將錫氧化物推到運動軔跡的盡頭。同樣原因,擺動(rocking)或轉動能加快磨損,因為碎片相對比較集中。

  對錫而言,產生不可接受的接觸阻抗之前的磨損循環次數已經可以從幾百到幾萬。鎳在磨損次數和接觸阻抗增加方面與錫很相似。BareGraham報告了沒有鍍金的鈀和鈀鎳合金鍍層經過幾萬次循環之后的磨損情況。他們還報告了鍍金的鈀和鈀鎳合金鍍層經過幾十萬次循環之后的穩定性能。

如果存在不同的熱膨脹,這是連接器經常發生的情況,磨損運動可通過機械干擾或熱循環產生?紤]一下裝置于印制電路板(PWB)的連接器。印制電路板,接觸彈片與連接器絕緣本體有不同的熱膨脹系數。由于熱膨脹不同(mismatch)產生的接觸界面壓力取決于其不同的大小,溫度變化,及連接器的長度(length)。熱膨脹不同是連接器磨損運動最主要的來源。

3.26顯示了磨損腐蝕(因轉動而引起)發生后的錫接觸表面。圖標黑點表示錫表面典型磨損腐蝕區域。圖3.27顯示了磨損點的交錯區。圖中可以清楚看到壓損的錫和錫氧化物碎片。

  圖3.28顯示了磨損腐蝕與增加接觸阻抗之間的聯系。圖3.28的曲線通過縮微照片所顯示的腐蝕點的接觸阻抗的變化。一張氧氣穿過腐蝕點的放大電子顯微線迭加到縮微照片上,氧,表現為氧化物與接觸電阻的關系非常清楚。

  假如磨損腐蝕是錫接觸鍍層主要的退化機理,那么如何才能有效地防止或減緩這種退化呢?下面將討論這個問題。

  磨損腐蝕的防止預防磨損腐蝕主要有兩種方法。第一種,也是最常用的方法是利用高正壓力。這些正壓力提供接觸界面較大的摩擦力以防止磨損運動。然而,增加正壓力有一個極限。當正壓力增加時,連接器插拔力和耐久性都將受到相反的影響。錫因為比較軟,有一極限耐久性且由于高摩擦系數—通常為0.7而表現出高插拔力,相對而言金的摩擦系數僅為0.3。

  第二種,利用預防磨損腐蝕接觸潤滑。圖3.29說明了使用預防磨損接觸潤滑的功效。顯示的數據來自一個因熱膨脹不同而導致的磨損運動的試驗容器。熱循環溫度介于5560度之間。升溫是用來加速氧化和潤滑的退化。在這些條件下,產生的運動位移大約為80微米,這是好的磨損距離。

  “干錫”—干凈的錫表面—的測試數據顯示測試系統對產生磨損腐蝕有影響。它同時也表明磨損腐蝕可能是非?斓耐嘶瘷C理。在循環磨損數千次后,接觸阻抗按二次方的增長速度增加。此外礦物石油潤滑劑的測試數據也被列舉出來。 礦物石油潤滑劑最初很有效,但是最終仍產生磨損腐蝕。該缺點與環境中的保護無關而與礦物石油本身有關。礦物石油的結構在溫度升高時從接觸界面流走并且揮發/退化。密封作用消失,摩擦磨損開始。涂有防磨損潤滑的接觸的數據顯示在摩擦循環數千次后表現了很好的抗磨損性能。經過數百次的循環摩擦之后接觸阻抗的下降是因為接觸界面被磨光而增加了接觸面積。

  應該注意到除了摩擦腐蝕外,因為錫表面固有的氧化物的保護特性,錫接觸鍍層還提供了良好的環境穩定性。錫鍍層在引起貴金屬鍍層腐蝕的FMG環境中表現出很好的性能。當磨損腐蝕可以防止(通過高的正壓力來防止磨損,或者通過有效的接觸潤滑來防止氧化腐蝕)時,錫鍍層在變化的工作環境和很寬的電流和電壓范圍內能提供穩定的接觸阻抗。

  錫鉛合金,連接器中主要利用下面兩種錫鉛合金:含錫鉛(93/7)合金和錫鉛(60/40)合金(或者63/37,共熔焊劑成份)。 錫鉛(93/7)合金可用作可分離性連接和永久性連接,但錫鉛(60/40)合金用作可軟焊(solderable)連接?紤]成本和性能兩方面的因素而使用低鉛合金。在錫中加入鉛可防止錫須(tin  whiskers)的形成, 錫須是電鍍過程中固有壓力作用下形成的細小而單一的水晶狀生成物。錫須直接或通過切斷和短路其它部件而導致連接器的短路(shorting)問題。用于可分離接觸界面的錫鍍層厚度介于2.54微米之間,取決于其應用的方式。

  60/40合金或63/37合金的應用厚度介于16微米之間,取決于焊接過程。因為這些合金的硬度低,易蔓延性且增加了復雜的鉛腐蝕物,所以它們一般不用于可分離接觸界面。

3.3.3 接觸鍍層的其它設計考慮 

  接觸鍍層其它設計考慮有兩種,兩種考慮在一定程度上已經討論過,尤其是對優點的詳細討論。即底層與接觸潤滑的應用。

  底層兩種主要使用的電連接器底層材料是銅和鎳。如所討論過的,鎳的主要作用是作為貴金屬接觸鍍層的底層以保持表面鍍層的貴金屬特性。銅,作為貴金屬鍍層的底層不能提供相同的功能。如所討論的,銅是一種腐蝕源,銅蔓延能導致接觸表面的退化。銅在提高接觸鍍層耐久性方面也不如鎳有效。盡管存在這些限制,在不可接受鎳底層磁性的應用中銅仍然用作底層。

  鎳底層的第二個重要作用與永久性連接有關,保證可焊性--特別是為可軟焊產品提供一種活性(a shelf life)。保持可焊性將詳細討論。

  成功的焊接需要錫焊劑(tin of the solder)與基材金屬襯底(base metal substrate)成份間產生金屬間化合物。因為銅和鎳與錫形成金屬間化合物適合于焊接,因而作為底層以保持可焊性。保持可焊性的全部鍍層系統包括底層和錫,金或鈀表面涂層(coating)。不同系統分別有不同的保持可焊性機理。

  涂錫或焊劑的表面是可熔的(fusible)。錫涂層在焊接過程中熔化并滲入到襯底表面產生的金屬間化合物中。比較而言,金涂層表面是可溶解的(soluble),這意味著金完全溶解在焊劑里,金屬間化合物在裸露的底層形成。金涂層實質是保護了底層的可焊性。鈀在熔劑里溶解則慢得多,焊劑的結合通常是與鈀形成。

  焊劑(solder coatings)在保持其可焊性方面更加有效,就象其花費更少一樣。因為它們是焊劑而沒有引入新的退化機理。而另一方面,金則引入了新的退化機理,兩種情況都是因為錫-金金屬間化合物的形成。金-錫化合物易碎而降低了焊接的機械強度。熔化的金-錫化合物在焊液里的累積將最終降低焊接過程的有效性。因為這些原因,焊劑涂層是確?珊感缘母梅绞。

焊接過程產生金屬間化合物是必要的,但金屬間化合物本身不是必須可焊的,且過量的金屬間化合物會產生可焊性問題。室溫下金屬間化合物的增多可能導致可焊性降低并有可能提高接觸電阻。銅-錫間化合物比錫-鎳間化合物增加得更快。

  許多銅合金是可焊的,且底層可以增強可焊性,尤其是鍍在黃銅基材金屬表面。黃銅表面需要底層以防止鋅的蔓延,但這也可能降低了可焊性。

接觸潤滑接觸潤滑常完成兩種不同的功能:

 。疁p小摩擦系數

 。峁┉h境保護

  減小摩擦系數有兩個益處。第一,它減小了連接器的配合力(mating forces)。第二,它通過減少磨損而提高了連接器的耐久性。

  接觸潤滑通過形成“密封”阻止或減緩外界環境進入接觸表面而能夠提供環境保護。對錫接觸鍍層而言,接觸鍍層的首要功能是在防止磨損腐蝕方面提供環境保護。預防磨損潤滑可以減小摩擦系數,但并非其主要目的。事實上,如果潤滑不能有效防止氧化,摩擦系數的減小可能增強磨損腐蝕。摩擦系數的減小因為減小了機械穩定性而使接觸界面更容易受到磨損。在沒有潤滑存在的接觸移動中不會產生的干擾可能產生潤滑性接觸的移動。

  對貴金屬鍍層而言,接觸潤滑是為了減小摩擦系數和提高連接器的耐久力,但是,伴隨提供環境保護重要性的提高,提供環境保護成為有益的附加功能。

  幾個與接觸潤滑相關的考慮值得注意。對有效潤滑而言,其在接觸界面數量必須足夠。測量和監測(monitoring)潤滑的存在是很困難的工作。

  連接器可能伴隨有適當的潤滑出售,但是組件過程(特別是,焊接或柱焊的清洗(post soldering))可能移走潤滑劑。因而,需要第二次補充潤滑劑。

  潤滑劑可能收留粉塵,如果在粉塵或污染環境中應用,可能會出現接觸阻抗和耐久性問題。最后,潤滑的適用溫度可能限制它的應用。

潤滑潛在的益處—減小配合力,提高耐久性,和在環境中的保護—是非常需要的,但是在評價接觸潤滑對給定應用的連接器的總的效果應考慮所提到的限制。

3.4接觸鍍層選擇

  選擇適當的接觸鍍層決定于其應用所考慮因素的數量。包括:

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 。路需要

  貴金屬鍍層與普通金屬接觸鍍層的區別在于其所考慮的每一性能。為了簡單,以金作為貴金屬的代表,而普通金屬的代表則為錫。

  為了為接下來的討論提供一個背景,一些通常的注解是有用的。因為貴金屬鍍層比錫鍍層更低的正壓力要求,更高的天然耐久性,及更低的摩擦系數,在配合需要方面它們的應用更加廣泛。因錫的硬度低,錫接觸鍍層需要高正壓力來盡量減少潛在的磨損腐蝕且其耐久性較差和摩擦系數較高。最終的效果是錫鍍層的耐久性較差而配合力較高。

  所有的接觸鍍層在毫伏到伏和毫安到安的一定范圍內都能提供可靠的性能。金與錫的區別在于阻抗的穩定性。磨損腐蝕也是主要的區別。產生于磨損腐蝕過程的阻抗變化能夠導致在信號線路中產生噪音和在高電流應用中熱散發的可能性。金接觸鍍層在很寬的適用條件范圍內有助于保持接觸阻抗的穩定。

  應用環境必須考慮機械、熱及化學環境。機械因素,如振動,影響連接器所需的機械穩定性。接觸界面的移動將導致錫鍍層的磨損腐蝕和使金鍍層易存在外來的腐蝕物或污染物。熱環境通過不同的熱澎脹引起接觸界面的移動而達到相同的結果.然而,高應用溫度—大約105度—可能會因擠壓松馳而使正壓力降低。這種正壓力的降低,錫比金表現得更隱蔽。由于本章其它部分討論的外來腐蝕的各種各樣的來源,環境腐蝕對金鍍層有很大的影響盡管金具有很強的固有的抗腐蝕能力。錫除了磨損腐蝕外,由于原有的表面氧化物而表現出很好的抗腐蝕能力。

  下面的討論將更詳細地考慮上述各個考慮因素同時指出金、鈀、鈀鎳合金及錫鍍層之間的一些區別。

3.4.1配合要求

  兩種配合要求必須考慮:連接器必須承受的循環配合次數和連接器配合要求的壓力(配合力)。如第一章所提到的,連接器要求的循環配合次數取決于相互連接的層級。第24級連接典型的要求僅僅是幾十次的配合循環。第5和第6級連接,因為它們提供輸入/輸出功能,可能需要更高的循環配合次數。另一方面,配合壓力顯示出相反的趨勢。第2和第3級通常要求考慮最大的配合壓力,因為這些層級的連接pin數傾向于比第4到第6級連接的pin數高得多。插座和兩件式板對板連接器其pin數各自可能從400到超過1000。而幾十到一百的pin數在第4到第6級連接中更為典型。

  接觸鍍層及耐久性 影響接觸鍍層耐久性的主要因素是鍍層的硬度及其摩擦系數。貴金屬鍍層具有比錫鍍層更高的硬度和更小的摩擦系數,因此貴金屬鍍層固有的耐久性也比錫鍍層高。

  耐久性不僅依賴于接觸鍍層,還與下列因素有關:

 。佑|正壓力

 。佑|幾何形狀

 。佑|長度

 。疂櫥

 。儗雍穸

  除了鍍層厚度以外,其它因素在第二章均已經討論過并將在第六章繼續討論。本節重點是討論接觸正壓力,因為接觸鍍層的選擇決定了連接器所需要的接觸正壓力。其它因素對貴金屬及普通金屬鍍層來講具有相似的影響。另外,鍍層厚度對耐久性的影響也應該注意。

  如前所述,錫鍍層比金鍍層需要更高的正壓力來盡量減小磨損腐蝕的可能性。為了提供機械穩定性,鍍錫連接器的正壓力通常在200克力以上,比較而言,金鍍層連接器只需50克力左右的正壓力即可保證其接觸穩定性。當耐久性的需求很重要時,耐久性隨著正壓力的增加反而降低的事實使金鍍層相對于錫鍍層的優勢更加明顯。

  貴金屬鍍層耐久能力的差別并不是很明顯,在3.3.1節,應該注意到貴金屬鍍層的相關特性,按遞減順序,為鍍金的鈀鎳合金層,鍍金的鈀及金鍍層。按這樣的順序,可以想到貴金屬鍍層是鍍在鎳底層上。

  另外,鍍層的耐久性取決于鎳底層的厚度及其硬度,這些相互作用使得很難超過一般順序得到連接器耐久性的確切值。

   理所當然地可以說接觸鍍層的耐久性取決于鍍層厚度,但這種耐久性與鍍層厚度的關系也取決于前面提到的鎳底層的材料性能,所以耐久性—厚度關系不可能是一直線。

  有效的接觸潤滑能通過兩種方式減少貴金屬鍍層的相對差別。潤滑結果也能減少耐久性的差別。另外,能提供環境保護的潤滑劑能減少固有腐蝕敏感度方面的差別。

  影響耐久性的幾何參數上面已經列出。連接器的設計在這些方面變化很大。接觸幾何形狀和接觸長度的主要影響是各自的磨損區域和磨損軌跡長度。所有這些對比的最終結果是連接器的耐久性根據試驗的方法已被最可靠地評估出來。

  接觸鍍層和配合力配合力取決于以下幾個因素:  

 。佑|正壓力

 。佑|幾何參數

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 。疂櫥

  接觸鍍層是通過影響接觸所需正壓力的大小亦即通過影響由摩擦系數決定的摩擦力的大小來影響配合力的大小的。先前已經指出,由于金鍍層比錫鍍層具有更低的正壓力要求和更低的摩擦系數,因此金鍍層比錫鍍層具有更低的配合力。通過使用接觸潤滑可使摩擦系數的不同在一定程度上能得以改善。貴金屬鍍層的間區別很少用配合力而是用耐久性來表示。

注意到接觸配合力和更重要的參數─連接器配合力的不同是十分重要的。當然,連接器配合力不僅依賴于每個接觸接觸時的配合力,也包括連接器絕緣本體以及連接器各部分的緊固力的影響(alignment of the connector halves)。連接器的配合將在第六章更為詳細的討論。

總結

當應用需求包括高耐久力和高pin連接,那么貴金屬鍍層是首選的。有薄金層的鈀(20%)鎳(80%)合金鍍層能提供最高的耐久力,接下來是有薄金層的鈀鍍層和金。錫鍍層,因為其固有的低硬度和需要較高正壓力來減少摩擦腐蝕的可能性,故錫鍍層與貴金屬鍍層相比表現出有限的耐久性和較高的配合力。高配合力要求限制了具有錫鍍層的連接器的接觸pin數。

3.4.2 應用環境

  在應用環境這個標題上要考慮以下幾個因素。包括有機械環境,除了配合條件,還包括振動和磨損;熱環境方面包括溫度和溫度波動;化學方面包括濕度以及一些潛在的腐蝕如氯化和硫化腐蝕。應用環境的每個方面都會對接觸鍍層的選擇產生影響。

  機械方面雖然機械配合是作用在連接器上的最常見的機械壓力,但在連接器的整個有效期內還會受到許多潛在的干擾。機械沖擊和振動是必須要考慮的其它因素。連接器暴露在許多潛在的沖擊和振動源中。然而,無論什么樣的原因,所關心的效果是因為干擾而產生的對接觸界面的壓力是否足于導致連接器兩部分的相對移動。如果產生這樣的運動,它們能常被限于一定的范圍而歸屬于磨損的一種。磨損有兩種令人擔憂的結果:磨損損耗和磨損退化(fretting wear and fretting degradation)。磨損損耗是指在第二章中所描述的磨損過程,產生的結果是接觸鍍層受損。磨損退化包括摩擦腐蝕(fretting corrosion),相關的錫、鎳、鈀鎳合金以及摩擦聚合物,相關的鈀。

  注意到潛在的磨損損耗是很重要的,因為它能引起鍍層的穿透性磨損。連接器期望達到的預測配合循環次數不僅僅是連接器磨損方面的唯一因素,這種考慮使得薄鍍層重要性增加,例如鈀、鈀合金和鎳鍍層外面的薄金層。因磨損所引起的薄金層的損失會導致底層的鈀和鎳裸露出來。換句話說,鍍金的鈀和鈀鎳合金對磨損退化機理是很敏感的。而對鈀來說,摩擦聚合物的形成則是其主要的退化機構。鈀鎳合金或鎳的磨損腐蝕是通過氧化作用發生的。鍍有薄金層的鈀和鈀鎳合金鍍層已被許多調查者評價。大多數而不是全部的研究,已經報告過它的穩定性能。鎳鍍層表面金薄層的使用是近期的事,所以這段時間幾乎沒有什麼証明經驗。但是,可以肯定的是這些鍍層金屬對摩擦腐蝕非常的敏感。還應該注意到,暴露底層金屬的其它機理的存在。例如:不完全的鍍層,鍍層的損壞如刮擦。

  總而言之,與機械環境相關的主要論題與磨損損耗及磨損退化有關。錫鍍層對磨損退化是最敏感的。然而,金鍍層的選擇應該考慮到這些機械性的影響。

  熱環境.熱環境存在兩個主要因素:應用溫度和熱波動。絕對溫度能導致大量潛在的退化機理。熱波動的主要影響是因為熱膨脹的不同而經過的潛在性磨損。

  重要的可能性敏感溫度的退化機理包括腐蝕,擴散和金屬間化合秀的形成。腐蝕率一般隨著溫度的升高而加快,盡管溫度對水份的吸附效果能減緩這種作用。擴散速度也隨溫度的升高而加快,結果能產生表面膜。如圖3.4所示。

  金屬間化合物(IMC)的形成對錫鍍層是很重要的。金屬間化合秀的形成速度隨溫度升高而加快。如果金屬間化合物的形成消耗了錫而在接觸面上的該點形成大量的金屬間化合物,那麼接觸電阻可能受到影響。一般來說,保留在表面上的錫,能提供有效的接觸。圖3.30中的數據對此作了描述。圖3.30顯示了一個3微米厚的鍍錫銅(tin-over-copper)以軟金探針所測得的接觸阻抗隨壓力的曲線。數據在可接受的條件下顯示,一是增時處理使錫轉化為錫化合物,二是增時處理和腐蝕後。IMC阻抗的增加超過了可接受條件下的值但但它對許多應用是合適的。雖然增時處理的時間足於完成從錫到金屬間化合物的全部轉化,但通常仍能發現殘留在表面上的錫。如果表面被腐蝕物取代,金屬間化合物本身的接觸導致接觸阻抗的額外增加。

  總之,熱環境能導致腐蝕退化,它也能影響貴金屬的腐蝕速度和潛在地影響錫鍍層的金屬間化合物的生成。

  化學性‧ 化學環境包括濕度及一系列可能的腐蝕種類,如氯,硫和氧。氯和硫對于貴金屬鍍層特別重要,而氧則對錫鍍層很重要。如先前所提及的,錫氧化物對錫提供了來自於在其它腐蝕源(source)的腐蝕保護。

  濕度對腐蝕率和腐蝕物水合度的影響是令人擔憂的。經驗也表明,濕度變化能影響腐蝕機理和腐蝕率。

  貴金屬的腐蝕機理在3.3.1節中已經作了討論。為了更加完整(for completeness),對貴金屬鍍層而言,應該注意到主要的腐蝕機理隨環境成分特別是氯和硫的含量(content)的變化而發生變化。隨環境惡劣程度(in severity)的增加,主要的退化機理由多孔腐蝕變化到腐蝕擴散(creep)。正如前面所說的那樣,移動類型以銅-硫腐蝕物出現。

  對于錫鍍層,由于氧在磨損腐蝕中的作用,氧是主要的反應(reactive)類型。由于錫氧化物固有的保護特性,所以錫在FMG環境中性能良好。

總結‧總之,應用環境的考慮表明了接觸鍍層選擇上的不同權衡,取決於化學方面,熱,或是與腐蝕相關方面,何者占支配地位。在惡劣的機械環境里,因為磨損腐蝕而限制了錫的使用。但是,磨損損耗的可能性,磨損退化的產生,在惡劣的條件下不應該低估。高溫環境要求對錫金屬間化合物的產生和對影響貴金屬鍍層的蔓延/氧化的考慮。腐蝕考慮對貴金屬和錫來說是不同的。而且,磨損腐蝕主要涉及到錫。隨惡劣條件的增加,貴金屬的腐蝕機理會隨環境從孔隙腐蝕轉變為擴散(creep)腐蝕。

3.4.3電路需求

  從一個基本的觀點出發,如果能創建並保持一個金屬接觸界面,那么在一個大電壓和電流范圍里的接觸鍍層間的功能(finishs with respect to their functionality)沒什么不同。在這樣的條件下,因硬度和阻抗系數的差別產生的阻抗的變化是相對較小的。鍍層間的不同在于阻抗的穩定性,即接觸界面對于應用條件下退化的敏感性(sensitivity)。自然地,對比羅簡單的描述有幾個限制因素。

  電壓‧在電連接器上,除了電能的應用,電壓相對很低──只有幾伏特。金屬間的接觸界面將以歐姆來衡量,即電壓與電流間的關系是線性的,其斜率由系統阻抗決定。只有當接觸界面不完全是金屬接觸面時(cease to be completely metallic),也就是說,當它們開始退化時,電壓的影響才顯現出來。在這種條件下,電壓可能允許薄膜的電性中斷(breakdown)並由此而建立或重建一個較低的接觸阻抗,這一現象有時稱作自我復原(self-healing)。不幸的是,這種阻抗容易變化并且不可恢復,這也是為什么薄膜的機械破壞和薄膜形成的避免對電性中斷是首要的。Wagar和Holm提供了電性薄膜中斷特性的討論,主要概括在2.3.2小節中。

  本討論目的關鍵點是導致中斷的必要電壓和的和因此產生的高變化性阻抗。電壓的變化源自於薄膜結構本身的易變化性。厚度,組成和結構都依賴于薄膜形成的環境。阻抗的變化性產生於因為中斷引起的導電區域取決於中斷時間里電流的流過的事實。

  Bock和Whitley提供了有關磨損退化的電流及電壓決定條件的証據(evidence of this cu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)。

  電流‧正如第一章所述,針對電流有兩種基本電性應用:信號和電能。對于信號應用,典型的電流通常低于1A。而電能應用則可能需要幾十甚至上百安培的電流。

  對于信號應用,在可能引入系統的雜訊或者數字式應用上可能的數據丟失方面,接觸鍍層退化的影響及在隨之而來的接觸阻抗的變化是非常重要的。Abbott和Schrieber研究了這一影響,而且Abbott是針對磨損腐蝕來考慮。根據這些著作,發生數據丟失的可能原因是,隨接觸阻抗的退化所產生的瞬間開路趨勢的增加。在可引起貴金屬鍍層磨損腐蝕的條件下,也可以得到類似的結果。

  在典型能量應用更高電流下,由于高電流下而產生的焦耳熱和紅外線,會導致額外的考慮。兩個單獨的(separate)問題值得討論:(a)什么因素決定鍍層所能承受的最大電流。(b)高電流時,接觸阻抗的退化有什么影響。

  接觸鍍層所能承受的最大電流由接觸界面的溫度所決定。接觸界面溫度反過來又取決於產生的焦耳熱與從接觸界面到接觸彈片散熱的平衡。熱量的產生取決于鍍層阻抗系數和阻抗系數隨溫度的變化率。而散熱取決於熱傳導率和熱傳導率隨溫度的改變率。這些反應可能相當復雜,就象Williamson所討論的那樣。

  為了本討論的目的,注意到每一個鍍層在其熔化時都有一特征電壓,特征電壓的大小,及依據前面提到的相互作用所能達到的比率就足夠了。對于金,銀和錫鍍層,各自的熔化電壓分別是430,370和130毫伏。

  在實際上,通過接觸界面的電壓下降由電流產品(product of the current)和接觸界面阻抗所決定。At a first cut,熔化電壓能被用來指示鍍層的電流容量,其公式如下:

         Vm=I*Rc                         (3.2)

其中  Vm==熔化電壓

      I==電阻為Rc且即將發生熔化時的電流

       Rc==接觸界面阻抗

  在第二章已經討論過,Rc取決于鍍層和接觸壓力。對于一個確定的接觸阻抗,通過熔化電流的減法,最大電流能夠被確定。恒定的電流容量一般由溫升條件所決定,而溫升條件又取決于接觸阻抗的大小,這一點將在第十二章中討論。

  按這個標準,錫具有低電流容量,然而金和銀卻是相當的。鈀和鎳則具有更高的熔化電壓,但是它們所擁有的高阻抗和低效熱傳導性能制約了這一優點。

  對于高電流應用,銀由于自身的低電阻抗和高效熱傳導性能而占有優勢。在電能接觸中,銀的弱點,污點和移動趨勢并不重要。電能接觸的典型的高壓力(high forces typical of power contacts)使污點的影響降至最低。巨大的尺寸,分離和通常典型的電能應用接觸間的絕緣減少了移動反應。

  接觸阻抗退化在高電流性能上的影響是明顯與前述討論有關。這樣的退化更進一步促進了接近熔化電壓。以這樣一個觀點,鍍層對退化相對的反應有更大的影響在電能應用的鍍層選擇上。再次,錫由于自身的低的熔化電壓和對磨損腐蝕的反應poses最大的危險。

  電路參數綜述.在理論上,金屬間界面對電流和電壓沒有反應,但接觸界面的退化連同接觸界面阻抗的變化引入了一系列的考慮。

3.5 接觸鍍層概述

  合適的接觸鍍層的選擇包含了使用和功能需求的考慮。例如,由于對錫的高的接觸壓力需求和在裝配壓力及磨損的共同影響,高接觸數量,高適配循環需求決定了貴金屬鍍層(參見表3.1和表3.2)。環境考慮是復雜的,包括在貴金屬鍍層上的多孔性和在錫鍍層上磨損退化的可能性之間的權衡?紤]一個確定的應用,合適的鍍層是在性能與可靠性間的“最好”的折衷。

表3.1 接觸鍍層的接觸壓力需求

  鍍層    最小接觸壓力(g)        評價

  金      25    最小值由機械穩定性和污染物的轉移所決                  

                          定。尤其是零接觸壓力(zero-force)條件必須

                          極力避免。

 鈀      50     由于接觸反應的作用表面薄膜的可能性。

                  此外,金的評價也適用!           

-鈀或        50    薄金表面將是多孔的,所以需要使用鈀!  

鈀-鎳            

 錫       100     100g是最小值。更高的值可用來解釋磨損 

                腐蝕。但必須提供機械穩定性!

 銀         75       必須解釋表面硫化膜。如用作電能接觸則          

                可能需要更高的壓力!   

 鎳       300    更高的硬度需要更高的壓力來確保破壞薄膜!       

表3.2 接觸鍍層的鍍層,硬度,延展性及摩擦系數

 鍍層  硬度(Knoop) (%)  延展性范圍    摩擦系數常用值

 純金    <90               7-10            0.5->1  0.7

 鈷金      130-200              <1            0.2-0.5 0.3

 鈀       200-300              1+            0.3-0.5 0.3

-鈀或鈀-鎳   200-300              1+             0.3-0.5 0.4

 銀          80-120              12-19           0.5-0.8 0.6

  

 粗糙度       9-12                 20            0.6-1.0 0.8

 亮度        15-20                  3            0.4-0.6 0.5

 93-7          9-12                 17            0.5-0.8 0.6

雙列直插隊                                    0.2-0.8

直插封裝

 鎳          140-400                 5          0.5-0.7 0.6

第四章 接觸彈片材料

    

  銅合金在電氣和電連接器上得到了很廣泛的應用,其原因是由於它具有良好的傳導性能、強度、成型性以及抗腐蝕性能。在本章中將從連接器使用者的觀點,來對商業上可加以利用且其性能適合於運用在連接器上的合金進行其性能的對比。然而與連接器製造相關的重要性能也沒有被忽略,因為它們同樣也影響合金材料的選擇。除了