第二章 接觸界面及接觸過程
 
  在 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 性接觸界面的電阻值和插接力以及耐久性都依賴於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製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 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 1 3 000 000
  這個模擬例子闡述了關於接觸界面構形的凸凹面的重要性,並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,這一點以後將詳述。由於尺寸太小 ( 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坏。這個破坏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。對於一個連接器來說,該負荷對應于接觸正壓力。對於典型的連接器,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於接觸界面的粗糙度,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係是合理的,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於施加的負荷。連接器表面開始接觸時,只有 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。隨着負荷的增加,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,那麼,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,例如克力每平方釐米。也就是說,如果某材料的硬度是 10 克力每平方釐米,那麼一個 10 克力的負荷或力將產生 1 平方釐米的接觸面積。那麼,接觸點的數量就依賴於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,該圖用實例說明瞭當外載荷增加時,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,考慮精鍊爐的細微表面,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着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 ) ,那麼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 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於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 ) 也可能存在於金屬外表。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,這一點將在以後闡述。
 
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,摩擦的重要性在於它對於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週期次數。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 區的接觸面積將大於 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= μ Fn                   ( 2.1        
其中,  Ff== 摩擦力
        μ == 摩擦係數   
          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= τ s Ac                    ( 2.2
其中,  τ s== 剪切強度係數
      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 = κ H/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) 合併后可得到:
               μ = κτ s H                           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) 中的係數可以被看作為 1 的常數。
  在實踐中,摩擦係數是從 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。
  低的摩擦係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。這些塗層對於減少這兩種機械接觸表面的剪切強度都是非常重要。
  位於接觸端的氧化層可減少金屬接觸面積。氧化層能支持但並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係數的減少。
  有機塗層尤其是潤滑劑,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。
  高的摩擦係數表明,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係數。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於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着力量起到作用。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。現在回到圖 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 區為粘着磨損而 b 區為光滑磨損。粘着磨損的特性是高的摩擦係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係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纔會產生。在此運動過程中,連接增長和 prow 成形將會隨着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。粘着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,這是由於它將產生的加工硬化,這裡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 大致顯示了摩擦力係數的變化, µ ,作為隨負載變化的函數。負載變化開始及其存在的範圍依賴於表面膜,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於 0.1 到大於 1.0 。據等式( 2.5 )顯示,磨損係數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,導致低摩擦係數。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,摩擦係數亦跟着增加。最終,金屬接觸面變得很大,摩擦係數穩定下來。
  相似的情況在磨損係數變化中也可以見到。磨損係數可由一簡單的破損等式確定:
          v= κ Fn L/H                        2.5
此處 v== 通過單程長度 L 的容量
     H== 硬度
     Fn== 負載
     κ == 磨損係數
  在該狀況下,如前面所述,磨損係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,並伴隨小的磨損在原始接觸面附近發生分裂。負載超過一定範圍,磨損係數依賴於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,磨損係數便顯著發生變化。變化負載也依賴於接觸面的潤滑狀況,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係數及磨損係數二者有關的金屬接觸面。 Antler 建議,對硬金屬接觸面而言,由光滑磨損向粘着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範圍從 50 克力到 200 克力,暗示了使用潤滑可延遲粘着磨損的發生。但是,該情況並非必定出現,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範圍大致為從 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,強烈依賴於接觸面粗糙微結構,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係數及磨損係數。摩擦係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,薄膜的影響將在後面考慮。
  兩個金屬面接觸產生一電阻,朮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,是一個基本的結果並可通過圖 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”這一朮語。根據 Holm 所述,對單一接觸點來說,壓縮電阻由下式確定:
        RC= ρ 1/2 α + ρ 2/2 α              ( 2.6
此處    ρ 1 與ρ 2== 接觸材料的電阻係數
               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,儘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 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於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 /n α + 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 說明瞭這兩種作用。 條件明確了並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。第二個條件則表明瞭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於接觸點的分布。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係數
            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証在插圖 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係。從圖中可得知該接合力非常大,雖能保証一個較大的接觸面積,但是接觸表面的鍍層金屬容易被破坏,該兩者之間的相互關係可用等式 (2.9) 來表示。圖 2.11 中的表格所列的是關於三種金屬的硬度及電阻係數。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。對於錫,由於其極易遭磨損破坏而通常不用於直接受力部位,因此對其粗糙度不作討論。首先來討論關於銅的一些數據。圖中虛線表示計算值,實線表示實驗測試值。可以看出虛線與實線重合的非常好。對於錫和鎳,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係數及硬度。由於電阻係數及硬度與壓縮電阻的關係分別為線性及平方根關係,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。對於錫,其電阻係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,但這並不是說光考慮電阻係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,在連接器塗層部分,上述簡單的等式運用起來受到干擾而變得複雜。因為在塗層部分需考慮到各層之間的相互作用使係數 K 很難決定,導致很難決定適當的硬度及電阻係數。在具有錫塗層的黃銅接觸面,其利用錫的硬度和黃銅的電阻係數,如圖 2.12 所顯而易見。
  通常錫塗層的厚度會大於 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塗層里。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塗層上。首先,黃銅的傳導率略等於錫的傳導率的 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恆定。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係數進行換算而得出,其可變的接合力是被指定在虛線所包括的範圍。覆蓋在黃銅表面厚度為 2.5 微米的錫塗層的測量電阻,作為接合力的一個特性而繪製成一條實線。該實線與虛線具有良好的重合性,而錫塗層的厚度若為 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。厚的錫塗層對壓縮電阻導入了較大的電阻(主要是因為錫的電阻係數較大的緣故)。
  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於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
  也許在這裡還有必要重提等式 (2.9) 所介紹的金屬接觸,不論是何種金屬塗層,其上均會附着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。至於表面氧化膜,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着決定性作用,不僅可決定氧化膜的種類還可決定其受到破坏的容易程度。這類話題將在第三章中作詳細討論。
  如果表面氧化膜並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並聯(如 2.15 圖右側示意)。這種高阻抗的氧化膜電阻由於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.氧化物的電阻係數可以為很高,相當于半導體到絕緣體的電阻係數範圍,並具有高度可變性。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、性能起着決定性作用。由於氧化膜的易變化性,所以對氧化膜進行機械性的破坏是處理氧化膜的 方法。
  然而,氧化膜的結構卻有利於與電相關的方面, Wagar Holm 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。可是,更多的情況下臨界電場(甚至是臨界電壓)也是依賴於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,當電橋產生以後,電橋的電阻也要依賴於電流的大小。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並給一般的電子應用帶來麻煩。
  表面氧化物的機械破裂. 因為製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於這樣一個事實,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薄(几十分之一公尺)又硬又易破裂的氧化物薄膜,薄膜下的馬口鐵則又軟又具延展性。當於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,且隨着馬口鐵的流動,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証實了這種機理,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後,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 的數據可証實上面的假設。圖 2.18 表明對於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係。
  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証據能夠從以下事實被推証,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。更進一步的冷焊的証據是事實上,在許多情況下,對於卸載時的分離接觸,一個確定的壓力是必要的。泰姆塞特在研究鋁的接觸時証明瞭同樣的特性。
  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,對於半球面和平面,接觸金屬都是銅合金 C72500(89% 9% 2% ) 。空氣中熱老化性導致了表面氧化物的形成。 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,對於分裂表面氧化物,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。由於 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,並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,在低於 60 克力時接觸阻抗的增加。以上數據表明,至少在微觀上,當缺少殘餘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。這個事實會在以後被重提,並將在討論捲曲連接時錶現出其它的意義。
 
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。這解釋了為什麼接觸壓力和接觸幾何形狀是主要的設計對數的原因,並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製成,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(至少在有害的範圍內)。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係數。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於接觸鍍層表面薄膜的控制。如 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坏,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証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 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。由於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採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:
  .電鍍( electrodeposition
  .噴鍍( cladding
.熱浸( hot dipping
 
3.1.1 電鍍
  電鍍是在連接器製造中,在接觸彈片上加以鍍層有最為廣氾的使用方法。這裡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並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”這個詞的引証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後面的章節中討論。
  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(如後面章節中將討論的,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,出於對成本的考慮一般採用局部電鍍( 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於可分離性接觸的末端,而此運用不同于在 性連接或其末端中鍍層的運用。選擇性接觸鍍層有用在 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 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。其變動範圍與材料本身和電鍍過程均有關係。
 
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。更多關於噴鍍( 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。 :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範圍更廣。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,但並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,熱浸僅用於錫和錫合金。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 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。   在熱浸的時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
採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。熱浸鍍層僅限用於錫和錫合金。
 
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,其中每個組件執行複雜的功能。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塗在底層,通常是鎳表面的貴金屬表層。貴金屬表層厚度一般在 0.4 1.0 微米之間而其鎳底層厚度一般在 0.8 2.5 微米之間。現在也開始使用厚度小於 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。鎳底層是用於防止貴金屬表層大量的潛在性結構退化( potential degradation mechanisms ),有些退化機理是源於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採用。但是金非常昂貴,因為該原因要考慮可替換的材料。關於金的替換性材料將在以後討論。
  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。成功的程度依賴於其熔合劑( 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係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範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於電連接器,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。 , 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 )。下面的數據說明瞭這一點。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 0.6 2.0 毫歐之間變化。儘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) 和電阻係數 ( ρ ) 過程中由於退火( annealing ),阻抗值只有輕微的下降。硬度和電阻係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)
             R c=k ρ (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於鈷硬化劑。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。由於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,它很快就被氧化並附着在合金表面。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瞭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 0.1 μ m 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,由於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,尤其是印製電路板上用於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於它們的表面通常存在表面膜。既然建立並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証配合時膜的移動和阻止以後膜的形成,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。銀鍍層有利於高電流接觸。鎳所知道的是限於作為高溫接觸鍍層。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’的運用打算包括廣氾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,主要用於焊接連接,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於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,後面將要討論的,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坏。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製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。
  儘管銀的兩個性質,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 3 μ m 8 μ m 。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於普通金屬。鎳表面氧化物可以被破坏,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
基於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,配合時錶面膜的破坏以及避免以後膜的形成,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,本身並不能保証 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,金屬鍍層必須連續並且有足夠的厚度。貴金屬鍍層的中斷能導致基材金屬裸露部位的腐蝕。鍍層中斷可因整個製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,多孔性是製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於端子加工過程。圖 3.5 說明瞭為什麼電鍍貴金屬接觸鍍層厚度一般從 0.4 1.0 微米的一個原因,鍍層厚度小於 0.4 微米,孔數增加很快。而鍍層厚度大於 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。隨着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,很可能幹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,對處於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。但是並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。後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:
  .接觸正壓力
  .配合間距
  .接觸幾何形狀
  .磨損機理
  .接觸鍍層
  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 )鍍層材料的摩擦係數;
3 )鍍層厚度。
隨硬度的增大和摩擦係數的減少,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。至於材料的特性,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,因為它們位於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:
  .減少孔隙及缺陷位置的腐蝕( pore and defect sites
  .阻止腐蝕的移動
  .減少基材金屬成份的蔓延
  .增加延展性
  我們將分別討論每個優點。
  多孔性. 3.8 基本表明瞭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於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,氯濃縮的必要性並沒有很好明確。在這些環境中廣氾的測試表明鎳底層對很大範圍的電連接器產品的優點。
  圖 3.9 顯示了孔隙腐蝕對置於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几數量級( 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。在孔隙週圍出現環狀腐蝕,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。位於圖中間的縮微照片顯示了孔隙以及孔隙週圍的環狀腐蝕物。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,但硫腐蝕物明確侷限于環狀腐蝕物範圍內。移動種類( species )明顯包括銅 / 硫腐蝕物。
  腐蝕移動. 3.11 表明瞭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。
   ,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。基本的假設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於超出表面膜。光潔金表面不會產生氧化膜。鈀是一種催化劑( catalytic )材料,易於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 ),這一點將在後面章節討論。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,但由於鎳層僅有幾微米厚,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 採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,其阻抗值大於 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,纔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 )效果明顯受限於底層的厚度。但是,其側   面的阻礙( lateral barrier )是非常有效的。圖 3 14 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)。將端子置於同樣的工業環境中。薄金鍍層表面更有利於腐蝕物的擴散。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範圍( 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