1、1,電鍍層及其質(zhì)量,2,內(nèi)容,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 金及其合金 第三節(jié) 銀及其合金 第四節(jié)錫及其合金 第五節(jié)銅及其擴(kuò)散 第六節(jié) 接觸材料的分類,3,第一節(jié) 概述,一、使用接觸鍍層的原因 保護(hù)接觸彈片的基材金屬不受腐蝕， 接觸鍍層是用來封閉接觸彈片與工作環(huán)境隔開以防止銅的腐蝕。當(dāng)然，鍍層材料在其工作環(huán)境里必須不被損害（至少在有害的范圍內(nèi)）。 優(yōu)化接觸界面的性質(zhì)，尤其是連接器的機(jī)械和電氣性能。 與機(jī)械性能有關(guān)的參數(shù)主要是影響鍍層的耐久性、或磨損，以及配合力的因素。最重要的機(jī)械性能包括硬度，延展性和鍍層材料的摩擦系數(shù)。 電氣性能的優(yōu)化可從如下方面考慮，即對已經(jīng)存在和即將形成的位于接觸鍍層表面薄膜的控

2、制。主要需求是建立和維持穩(wěn)定的連接器阻抗。,4,第一節(jié)概述,二、電接觸表面覆蓋金屬的方法 電鍍、鑲嵌、熔焊、鉚接、真空蒸發(fā)、離子濺射和化學(xué)覆蓋等， 其中電鍍在接插件和開關(guān)件接觸表面上的應(yīng)用較為廣泛。 三、電鍍 定義：電鍍就是在電場作用下溶液中的金屬離子還原的過程。對電接觸處的電鍍和其他部位不同，有其特殊要求，它對電接觸的可靠性有著重要的意義。,5,二、電鍍,對滑動接觸的電鍍材料要求： 低電阻率 耐磨性 耐腐蝕性 與基底金屬（Cu、Ni）的附著能力強(qiáng) 易焊性 微孔率低 目前應(yīng)用最廣泛的材料是金及其合金；銀及其合金、鈀、銠等。 通常還為了節(jié)約貴金屬，常用選擇性電鍍方法，只在電接觸處鍍貴金屬，其他部

3、位則鍍一般材料。,6,第二節(jié) 金及其合金,一、金及其合金特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：電阻率低、抗腐蝕、易焊接、與基體材料如銅及其合金、鎳等都有良好的附著性。 缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴、電鍍層比較薄、微孔問題突出。純金屬硬度低，易粘結(jié)磨損，宜用Au-Co合金。,7,二、鍍金層微孔問題,微孔的形成： 在電鍍過程中，溶液中的金還原沉積在基底材料表面時(shí)，首先呈核狀，然后逐漸擴(kuò)展，在顆粒之間不可避免地要出現(xiàn)間隙。表現(xiàn)為金鍍層通往基底金屬的微孔。 鍍金表面微孔的形貌 微孔對電接觸的影響 大氣中的腐蝕性潮濕性氣體將由微孔的毛細(xì)孔作用而進(jìn)入并接觸基底金屬而成為沉積在內(nèi)的電解液。由于金的電極電位高，呈陰極，基底銅的電極電位低呈陽極。因此

4、在金和銅之間形成微電池腐蝕，基底材料銅被腐蝕。腐蝕生成物的體積遠(yuǎn)大于被腐蝕的金屬體積，因此腐蝕物就會沿微孔蔓延至鍍層表面，造成接觸不良。,8,鍍金微孔,9,10,二、鍍金層微孔問題,微孔形成的原因 電鍍工藝：電流、時(shí)間、鍍層厚度造成的顆粒沉積狀態(tài) 電鍍過程中沉積在被鍍表面的絕緣顆粒 如灰塵、被氧化或腐蝕的金屬顆粒、鍍液中的絕緣雜質(zhì)和有機(jī)污染物顆粒等，造成金離子無法在其上面取得電子還原成金顆粒而形成孔隙。 基底材料粗糙度的影響 用微孔率（個(gè)/平方厘米）來表明微孔程度。實(shí)驗(yàn)表明，微觀表面越粗糙，微孔率越高。這是因?yàn)楸砻嬖酱植?，金離子還原成金顆粒越不均勻，出現(xiàn)孔隙的機(jī)會越多。,11,二、鍍金層微孔問

5、題,鍍層厚度、表面粗糙度與微孔率的關(guān)系 提高基底材料表面光潔度可大大減少微孔率； 增加鍍層厚度，顆粒之間交錯(cuò)，堵塞孔隙,可使微孔率減少。若鍍金層的厚度超過5m，則基本沒有微孔，但由于成本價(jià)格等原因，實(shí)際上鍍金層的厚度一般0.751.5微米。,12,二、鍍金層微孔問題,解決方法 凈化環(huán)境、隔絕灰塵、清潔處理被鍍材料表面(超聲振動及溶液去油污處理) 、清除鍍液雜質(zhì)（鍍液循環(huán)過濾）等。 提高基底材料表面光潔度可大大減少微孔率，通?？稍阱兘鹎跋裙饬铃冦~，以填充基底材料的微觀凹凸表面，降低微孔率。 在實(shí)際的電鍍觸點(diǎn)中，將鎳作為中間鍍層 A.降低對微孔的敏感性, 鍍金層中的微孔有鈍性和活性之分。當(dāng)中間鍍層

6、為Ni或Sn/Ni時(shí)，微孔中形成的氧化物具有保護(hù)性，而當(dāng)中間鍍層為Cu，Ag等時(shí)，微孔中形成的腐蝕物很快就會蔓延至金表面，使接觸不可靠。 B.對擴(kuò)散有阻礙作用, C.對腐蝕物的遷移有阻擋作用, D.硬度高，改善觸點(diǎn)壽命。,13,二、鍍金層微孔問題,微孔率的檢測方法 SEM觀察：很小的微孔，較曲折的微孔難以發(fā)現(xiàn)，有時(shí)陷坑易被誤認(rèn)為是微孔，比較費(fèi)事。不常用。 電腐蝕法 硫化氣體(H2S，SO2)加速腐蝕法：形成的腐蝕物在顯微鏡下觀察并統(tǒng)計(jì)數(shù)目；常用的方法。日本JEIDA 標(biāo)準(zhǔn)。但應(yīng)注意控制腐蝕時(shí)間不使腐蝕物過分蔓延。 Ni試劑法： 硝酸蒸汽腐蝕法：國標(biāo)，過于厲害。,14,第三節(jié) 銀及其合金,一、銀

7、的特點(diǎn)： 銀及其合金也是常用的鍍層材料。 優(yōu)點(diǎn)：電阻率低、附著性好、價(jià)格低于金、電鍍層一般較厚、粘結(jié)磨損小、滑動壽命長。 缺點(diǎn)：易硫化，在硫化氣體中腐蝕嚴(yán)重，易造成接觸不良。,15,二、銀的腐蝕,銀及其合金的氧化 室溫下只有當(dāng)存在臭氧時(shí)銀才會被氧化而形成氧化銀，它在200將分解，而且氧化銀很軟，容易被機(jī)械除去，很少對觸點(diǎn)有危害作用。 銀及其合金的硫化 銀非常容易硫化。若空氣中含有千分之幾個(gè)ppm濃度的H2S或幾十至幾百ppm濃度的SO2，這些氣體對銀都有危害作用，在銀表面上形成Ag2S膜層，其化學(xué)反應(yīng)式是：,16,二、銀的腐蝕,Ag2S對電接觸的危害 Ag2S是呈高電阻率的黑色物，它柔軟易擦掉

8、， 具有極化效應(yīng)。就是當(dāng)電流從一個(gè)方向流過Ag2S膜層表現(xiàn)出的電壓-電流特性和電流反向流過時(shí)表現(xiàn)出的電壓-電流特性是不對稱的，造成接觸電阻的不穩(wěn)定性。 溫度升高后，硫化反應(yīng)加速，硫化膜層加厚。 硫化銀蔓延速度很快，若在金下面鍍Ag，硫化銀可能從金屬的微孔中蔓延出來，覆蓋到金屬層上造成接觸不良。,17,二、銀的腐蝕,解決方法： 采用銀合金作電鍍層，增加合金的含量，可延緩硫化銀的發(fā)生。但只要有銀存在，硫化銀膜層的生成就很難避免。 例：為顯著減少銀的污染，貴金屬如Au、Pd含量必須在40%以上， Ag25-Au69-Pt6合金已使用多年。并可認(rèn)為它不會形成高電阻的污染膜。但研究數(shù)據(jù)表明在半暴露條件下

9、，這種合金仍會形成明顯的污染膜。 加大接觸壓力使磨損增加，但有助于擦掉膜層，減少接觸電阻。一般地，鍍銀觸點(diǎn)的接觸壓力在80g150g左右。,18,三、銀離子遷移,定義： 當(dāng)絕緣基座中有兩個(gè)以上銀接觸對，若相互間距不大，又處在潮濕環(huán)境中，則積存在兩個(gè)接觸對之間的水將成為電解液。當(dāng)通以直流電壓后，高電位（陽極）導(dǎo)體上的銀成為正離子而進(jìn)入溶液，受電位差吸引向陰極移動并在陰極上還原， 在陰極上沉積的銀顆粒是不均勻的，高出來的與后面遷移來的銀離子相遇機(jī)會多，銀離子密度高，因此銀離子在其上還原較多。在陰極表面呈絲狀銀的沉積。時(shí)間一長，陰極與陽極之間便出現(xiàn)短路。短路所需的時(shí)間和導(dǎo)線之間的距離、濕度、溫度有很

10、大的關(guān)系。,19,三、銀離子遷移,例如： 有人做過實(shí)驗(yàn)，鍍銀導(dǎo)線之間相隔0.38mm，直流電壓30V，在45，90%相對溫度環(huán)境下只需14天，導(dǎo)線之間短路了，增加導(dǎo)線之間距離，短路所需的時(shí)間也就增長。,20,第四節(jié) 錫及其合金,一、錫及其合金的特點(diǎn) 一般用在可靠性要求較低的場合代替價(jià)格昂貴的金合金。 優(yōu)點(diǎn)： 價(jià)格低廉，易于覆蓋（對基底的附著力強(qiáng)），易焊接，在壓力大時(shí)表面的鈍化膜層被壓破形成金屬間的直接接觸。 缺點(diǎn)： 易氧化，在微動下形成微動腐蝕而造成接觸故障。 由于錫和錫鉛合金很軟，使用壽命不長。 它們的插拔次數(shù)很少，一般只有1次或2次，最多不會超過10次。它們的粘結(jié)磨損率是硬金鍍層的100倍

11、。它們也很容易發(fā)生擦傷磨損。插拔壽命不高。,21,二、錫的氧化膜,錫易在空氣中生成氧化錫 氧化錫絕緣，質(zhì)地硬而脆。但錫質(zhì)地很軟。 接觸特點(diǎn) 加壓于氧化錫上后，氧化錫易破裂，猶如施力于水上的薄冰一樣，錫從裂縫中被擠出，造成金屬的直接接觸。 因此用錫及其合金作為接觸材料，壓力應(yīng)大于150g以上。壓力過小無法壓破氧化錫，也就無法產(chǎn)生良好的電接觸。 由于錫觸頭所需的接觸壓力很大，因而插拔力也很大，通常插拔壽命不高（幾十次）。,22,三、錫的微動失效,微動過程中，接觸頭離開原來的氧化錫壓碎部分時(shí)，使這部分金屬暴露于空氣中很快被重新氧化，經(jīng)多次往復(fù)移動造成氧化層加厚而導(dǎo)致接觸不良。 因此設(shè)計(jì)錫接觸點(diǎn)應(yīng)盡量

12、避免微擾振動，盡可能采用熱膨脹系數(shù)相同材料，限制其往復(fù)移動。,23,四、錫須,錫須的產(chǎn)生 純錫容易產(chǎn)生錫須，即生長出很多細(xì)絲。 結(jié)果是使導(dǎo)體之間短路 這種現(xiàn)象是由于電鍍過程產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力所致。 避免錫須的辦法 是加入少量的鉛(4%Pb)，使之成為錫鉛合金。 由于Sn-Pb合金的熔點(diǎn)低于純錫，所以它們更容易焊接。 Sn-Pb合金鍍層的厚度一般在2.55m，其中間層金屬一般選用Ni或Cu；接觸壓力不小于100gm，因?yàn)楸仨氁屏鸦虺ケ砻娴难趸瘎┒玫降偷慕佑|電阻。,24,圖 錫須 Wisker,25,五、不同材料接觸對,錫及其合金為表面鍍層的插頭在使用時(shí)應(yīng)注意不要插入鍍金插座內(nèi)，因?yàn)槎唠姌O電位相差

13、很大，在潮濕環(huán)境下，Sn將成為陽極而受到腐蝕，生成的腐蝕物會造成接觸不良。,26,六、中間相化合物,錫和錫鉛合金鍍在Cu基底上將形成如Cu6Sn5和Cu3Sn的中間相化合物。它們的硬度比Sn大，導(dǎo)電性比Sn差。 錫和錫鉛合金的滑動磨損的一個(gè)重要問題是中間相化合物對摩擦系數(shù)和接觸電阻的影響。,27,圖9 銅錫中間相 ( Intermetallics ),（a）拔出力變化 （b） 接觸電阻變化,28,第五節(jié)銅及其擴(kuò)散,一、銅對金表面的擴(kuò)散 對電接觸的影響 當(dāng)金直接電鍍在銅及其合金上，經(jīng)歷一段時(shí)間后，特別是當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，金表面出現(xiàn)氧化銅膜層而導(dǎo)致電接觸失效。主要原因是作為基底的銅擴(kuò)散到金表面后被氧化而造成的。 擴(kuò)散方式 高溫時(shí)（250-1000C）的擴(kuò)散主要通過晶粒內(nèi)部而進(jìn)行，它對溫度非常敏感；溫度越高，擴(kuò)散速度越快。 低溫時(shí)（20-250C）的擴(kuò)散主要通過晶界及位錯(cuò)進(jìn)行，對溫度的敏感相對來說較低。,29,二、擴(kuò)散定理,擴(kuò)散第二定律 C為原子濃度；t為擴(kuò)散時(shí)間；x為擴(kuò)散距離；D為擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù) D0為頻率因數(shù)cm2/s；R為氣體常數(shù)=1.987卡/克分子K；Q為擴(kuò)散激活能(卡/克分子)，T為絕對溫度K） 低溫時(shí)（20-250C）：D0=4.410-10 cm2/s；Q=11540卡/克分子 高溫時(shí)（250-1000C）：D0=6.810-