高正压力。这些正压力提供接触界面较大的摩擦力以防止磨损运动。然而,增加正压力有一个极限。当正压力增加时,连接器插拔力和耐久性都将受到相反的影响。锡因为比较软,有一极限耐久性且由于高摩擦系数—通常为0.7而表现出高插拔力,相对而言金的摩擦系数仅为0.3。
第二种,利用预防磨损腐蚀接触润滑。图3.29说明了使用预防磨损接触润滑的功效。显示的数据来自一个因热膨胀不同而导致的磨损运动的试验容器。热循环温度介于55到60度之间。升温是用来加速氧化和润滑的退化。在这些条件下,产生的运动位移大约为80微米,这是好的磨损距离。
“干锡”—干凈的锡表面—的测试数据显示测试系统对产生磨损腐蚀有影响。它同时也表明磨损腐蚀可能是非常快的退化机理。在循环磨损数千次后,接触阻抗按二次方的增长速度增加。此外矿物石油润滑剂的测试数据也被列举出来。 矿物石油润滑剂最初很有效,但是最终仍产生磨损腐蚀。该缺点与环境中的保护无关而与矿物石油本身有关。矿物石油的结构在温度升高时从接触界面流走并且挥发/退化。密封作用消失,摩擦磨损开始。涂有防磨损润滑的接触的数据显示在摩擦循环数千次后表现了很好的抗磨损性能。经过数百次的循环摩擦之后接触阻抗的下降是因为接触界面被磨光而增加了接触面积。 应该注意到除了摩擦腐蚀外,因为锡表面固有的氧化物的保护特性,锡接触镀层还提供了良好的环境稳定性。锡镀层在引起贵金属镀层腐蚀的FMG环境中表现出很好的性能。当磨损腐蚀可以防止(通过高的正压力来防止磨损,或者通过有效的接触润滑来防止氧化腐蚀)时,锡镀层在变化的工作环境和很宽的电流和电压范围内能提供稳定的接触阻抗。 锡铅合金,连接器中主要利用下面两种锡铅合金:含锡铅(93/7)合金和锡铅(60/40)合金(或者63/37,共熔焊剂成份)。 锡铅(93/7)合金可用作可分离性连接和永久性连接,但锡铅(60/40)合金用作可软焊(solderable)连接。考虑成本和性能两方面的因素而使用低铅合金。在锡中加入铅可防止锡须(tin whiskers)的形成, 锡须是电镀过程中固有压力作用下形成的细小而单一的水晶状生成物。锡须直接或通过切断和短路其它部件而导致连接器的短路(shorting)问题。用于可分离接触界面的锡镀层厚度介于2.5到4微米之间,取决于其应用的方式。
60/40合金或63/37合金的应用厚度介于1到6微米之间,取决于焊接过程。因为这些合金的硬度低,易蔓延性且增加了复杂的铅腐蚀物,所以它们一般不用于可分离接触界面。
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3.3.3 接触镀层的其它设计考虑 接触镀层其它设计考虑有两种,两种考虑在一定程度上已经讨论过,尤其是对优点的详细讨论。即底层与接触润滑的应用。
底层?两种主要使用的电连接器底层材料是铜和镍。如所讨论过的,镍的主要作用是作为贵金属接触镀层的底层以保持表面镀层的贵金属特性。铜,作为贵金属镀层的底层不能提供相同的功能。如所讨论的,铜是一种腐蚀源,铜蔓延能导致接触表面的退化。铜在提高接触镀层耐久性方面也不如镍有效。尽管存在这些限制,在不可接受镍底层磁性的应用中铜仍然用作底层。
镍底层的第二个重要作用与永久性连接有关,保证可焊性--特别是为可软焊产品提供一种活性(a shelf life)。保持可焊性将详细讨论。
成功的焊接需要锡焊剂(tin of the solder)与基材金属衬底(base metal substrate)成份间产生金属间化合物。因为铜和镍与锡形成金属间化合物适合于焊接,因而作为底层以保持可焊性。保持可焊性的全部镀层系统包括底层和锡,金或钯表面涂层(coating)。不同系统分别有不同的保持可焊性机理。
涂锡或焊剂的表面是可熔的(fusible)。锡涂层在焊接过程中熔化并渗入到衬底表面产生的金属间化合物中。比较而言,金涂层表面是可溶解的(soluble),这意味着金完全溶解在焊剂里,金属间化合物在裸露的底层形成。金涂层实质是保护了底层的可焊性。钯在熔剂里溶解则慢得多,焊剂的结合通常是与钯形成。
焊剂(solder coatings)在保持其可焊性方面更加有效,就象其花费更少一样。因为它们是焊剂而没有引入新的退化机理。而另一方面,金则引入了新的退化机理,两种情况都是因为锡-金金属间化合物的形成。金-锡化合物易碎而降低了焊接的机械强度。熔化的金-锡化合物在焊液里的累积将最终降低焊接过程的有效性。因为这些原因,焊剂涂层是确保可焊性的更好方式。
焊接过程产生金属间化合物是必要的,但金属间化合物本身不是必须可焊的,且过量的金属间化合物会产生可焊性问题。室温下金属间化合物的增多可能导致可焊性降低并有可能提高接触电阻。铜-锡间化合物比锡-镍间化合物增加得更快。
许多铜合金是可焊的,且底层可以增强可焊性,尤其是镀在黄铜基材金属表面。黄铜表面需要底层以防止锌的蔓延,但这也可能降低了可焊性。 接触润滑?接触润滑常完成两种不同的功能:
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.减小摩擦系数 .提供环境保护
减小摩擦系数有两个益处。第一,它减小了连接器的配合力(mating forces)。第二,它通过减少磨损而提高了连接器的耐久性。
接触润滑通过形成“密封”阻止或减缓外界环境进入接触表面而能够提供环境保护。对锡接触镀层而言,接触镀层的首要功能是在防止磨损腐蚀方面提供环境保护。预防磨损润滑可以减小摩擦系数,但并非其主要目的。事实上,如果润滑不能有效防止氧化,摩擦系数的减小可能增强磨损腐蚀。摩擦系数的减小因为减小了机械稳定性而使接触界面更容易受到磨损。在没有润滑存在的接触移动中不会产生的干扰可能产生润滑性接触的移动。 对贵金属镀层而言,接触润滑是为了减小摩擦系数和提高连接器的耐久力,但是,伴随提供环境保护重要性的提高,提供环境保护成为有益的附加功能。
几个与接触润滑相关的考虑值得注意。对有效润滑而言,其在接触界面数量必须足够。测量和监测(monitoring)润滑的存在是很困难的工作。
连接器可能伴随有适当的润滑出售,但是组件过程(特别是,焊接或柱焊的清洗(post soldering))可能移走润滑剂。因而,需要第二次补充润滑剂。
润滑剂可能收留粉尘,如果在粉尘或污染环境中应用,可能会出现接触阻抗和耐久性问题。最后,润滑的适用温度可能限制它的应用。
润滑潜在的益处—减小配合力,提高耐久性,和在环境中的保护—是非常需要的,但是在评价接触润滑对给定应用的连接器的总的效果应考虑所提到的限制。
3.4接触镀层选择 选择适当的接触镀层决定于其应用所考虑因素的数量。包括: .配合需要 .应用环境 .线路需要
贵金属镀层与普通金属接触镀层的区别在于其所考虑的每一性能。为了简单,以金作为贵金属的代表,而普通金属的代表则为锡。
为了为接下来的讨论提供一个背景,一些通常的注解是有用的。因为贵金属镀层比锡镀层更低的正压力要求,更高的天然耐久性,及更低的摩擦系数,在配合需要方面它们的
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应用更加广泛。因锡的硬度低,锡接触镀层需要高正压力来尽量减少潜在的磨损腐蚀且其耐久性较差和摩擦系数较高。最终的效果是锡镀层的耐久性较差而配合力较高。 所有的接触镀层在毫伏到伏和毫安到安的一定范围内都能提供可靠的性能。金与锡的区别在于阻抗的稳定性。磨损腐蚀也是主要的区别。产生于磨损腐蚀过程的阻抗变化能够导致在信号线路中产生噪音和在高电流应用中热散发的可能性。金接触镀层在很宽的适用条件范围内有助于保持接触阻抗的稳定。
应用环境必须考虑机械、热及化学环境。机械因素,如振动,影响连接器所需的机械稳定性。接触界面的移动将导致锡镀层的磨损腐蚀和使金镀层易存在外来的腐蚀物或污染物。热环境通过不同的热澎胀引起接触界面的移动而达到相同的结果.然而,高应用温度—大约105度—可能会因挤压松驰而使正压力降低。这种正压力的降低,锡比金表现得更隐蔽。由于本章其它部分讨论的外来腐蚀的各种各样的来源,环境腐蚀对金镀层有很大的影响尽管金具有很强的固有的抗腐蚀能力。锡除了磨损腐蚀外,由于原有的表面氧化物而表现出很好的抗腐蚀能力。
下面的讨论将更详细地考虑上述各个考虑因素同时指出金、钯、钯镍合金及锡镀层之间的一些区别。
3.4.1配合要求 两种配合要求必须考虑:连接器必须承受的循环配合次数和连接器配合要求的压力(配合力)。如第一章所提到的,连接器要求的循环配合次数取决于相互连接的层级。第2到4级连接典型的要求仅仅是几十次的配合循环。第5和第6级连接,因为它们提供输入/输出功能,可能需要更高的循环配合次数。另一方面,配合压力显示出相反的趋势。第2和第3级通常要求考虑最大的配合压力,因为这些层级的连接pin数倾向于比第4到第6级连接的pin数高得多。插座和两件式板对板连接器其pin数各自可能从400到超过1000。而几十到一百的pin数在第4到第6级连接中更为典型。
接触镀层及耐久性? 影响接触镀层耐久性的主要因素是镀层的硬度及其摩擦系数。贵金属镀层具有比锡镀层更高的硬度和更小的摩擦系数,因此贵金属镀层固有的耐久性也比锡镀层高。
耐久性不仅依赖于接触镀层,还与下列因素有关: .接触正压力
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.接触几何形状 .接触长度 .润滑 .镀层厚度
除了镀层厚度以外,其它因素在第二章均已经讨论过并将在第六章继续讨论。本节重点是讨论接触正压力,因为接触镀层的选择决定了连接器所需要的接触正压力。其它因素对贵金属及普通金属镀层来讲具有相似的影响。另外,镀层厚度对耐久性的影响也应该注意。
如前所述,锡镀层比金镀层需要更高的正压力来尽量减小磨损腐蚀的可能性。为了提供机械稳定性,镀锡连接器的正压力通常在200克力以上,比较而言,金镀层连接器只需50克力左右的正压力即可保证其接触稳定性。当耐久性的需求很重要时,耐久性随着正压力的增加反而降低的事实使金镀层相对于锡镀层的优势更加明显。
贵金属镀层耐久能力的差别并不是很明显,在3.3.1节,应该注意到贵金属镀层的相关特性,按递减顺序,为镀金的钯镍合金层,镀金的钯及金镀层。按这样的顺序,可以想到贵金属镀层是镀在镍底层上。
另外,镀层的耐久性取决于镍底层的厚度及其硬度,这些相互作用使得很难超过一般顺序得到连接器耐久性的确切值。
理所当然地可以说接触镀层的耐久性取决于镀层厚度,但这种耐久性与镀层厚度的关系也取决于前面提到的镍底层的材料性能,所以耐久性—厚度关系不可能是一直线。 有效的接触润滑能通过两种方式减少贵金属镀层的相对差别。润滑结果也能减少耐久性的差别。另外,能提供环境保护的润滑剂能减少固有腐蚀敏感度方面的差别。 影响耐久性的几何参数上面已经列出。连接器的设计在这些方面变化很大。接触几何形状和接触长度的主要影响是各自的磨损区域和磨损轨迹长度。所有这些对比的最终结果是连接器的耐久性根据试验的方法已被最可靠地评估出来。 接触镀层和配合力?配合力取决于以下几个因素: .接触正压力 .接触几何参数 .摩擦力 .润滑
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