第七章-电镀层及其质量

第七章

电镀层及其质量

周怡琳2/4/20231第七章电镀层及其质量内容第一节概述第二节金及其合金第三节银及其合金第四节锡及其合金第五节铜及其扩散第六节接触材料的分类2/4/20232第七章电镀层及其质量第一节概述一、使用接触镀层的原因保护接触弹片的基材金属不受腐蚀，接触镀层是用来封闭接触弹片与工作环境隔开以防止铜的腐蚀。当然，镀层材料在其工作环境里必须不被损害（至少在有害的范围内）。优化接触界面的性质，尤其是连接器的机械和电气性能。与机械性能有关的参数主要是影响镀层的耐久性、或磨损，以及配合力的因素。最重要的机械性能包括硬度，延展性和镀层材料的摩擦系数。电气性能的优化可从如下方面考虑，即对已经存在和即将形成的位于接触镀层表面薄膜的控制。主要需求是建立和维持稳定的连接器阻抗。2/4/20233第七章电镀层及其质量第一节概述二、电接触表面覆盖金属的方法电镀、镶嵌、熔焊、铆接、真空蒸发、离子溅射和化学覆盖等，其中电镀在接插件和开关件接触表面上的应用较为广泛。三、电镀定义：电镀就是在电场作用下溶液中的金属离子还原的过程。对电接触处的电镀和其他部位不同，有其特殊要求，它对电接触的可靠性有着重要的意义。2/4/20234第七章电镀层及其质量在这个简单的单元中，沉积电镀过程主要是由溶液的化学作用和阴极表面的电流分布来控制。镀层覆盖的程度由基材金属的表面特性和清洁程度以及电镀过程而定。2/4/20235第七章电镀层及其质量二、电镀对滑动接触的电镀材料要求：低电阻率耐磨性耐腐蚀性与基底金属（Cu、Ni）的附着能力强易焊性微孔率低目前应用最广泛的材料是金及其合金；银及其合金、钯、铑等。通常还为了节约贵金属，常用选择性电镀方法，只在电接触处镀贵金属，其他部位则镀一般材料。2/4/20236第七章电镀层及其质量第二节金及其合金一、金及其合金特点优点：电阻率低、抗腐蚀、易焊接、与基体材料如铜及其合金、镍等都有良好的附着性。缺点：价格昂贵、电镀层比较薄、微孔问题突出。纯金属硬度低，易粘结磨损，易用Au -Co合金。2/4/20237第七章电镀层及其质量二、镀金层微孔问题微孔的形成： 在电镀过程中，溶液中的金还原沉积在基底材料表面时，首先呈核状，然后逐渐扩展，在颗粒之间不可避免地要出现间隙。表现为金镀层通往基底金属的微孔。镀金表面微孔的形貌微孔对电接触的影响 大气中的腐蚀性潮湿性气体将由微孔的毛细孔作用而进入并接触基底金属而成为沉积在内的电解液。由于金的电极电位高，呈阴极，基底铜的电极电位低呈阳极。因此在金和铜之间形成微电池腐蚀，基底材料铜被腐蚀。腐蚀生成物的体积远大于被腐蚀的金属体积，因此腐蚀物就会沿微孔蔓延至镀层表面，造成接触不良。2/4/20238第七章电镀层及其质量镀金微孔2/4/20239第七章电镀层及其质量2/4/202310第七章电镀层及其质量二、镀金层微孔问题微孔形成的原因电镀工艺：电流、时间、镀层厚度造成的颗粒沉积状态电镀过程中沉积在被镀表面的绝缘颗粒如灰尘、被氧化或腐蚀的金属颗粒、镀液中的绝缘杂质和有机污染物颗粒等，造成金离子无法在其上面取得电子还原成金颗粒而形成孔隙。基底材料粗糙度的影响用微孔率（个/平方厘米）来表明微孔程度。实验表明，微观表面越粗糙，微孔率越高。这是因为表面越粗糙，金离子还原成金颗粒越不均匀，出现孔隙的机会越多。2/4/202311第七章电镀层及其质量二、镀金层微孔问题镀层厚度、表面粗糙度与微孔率的关系提高基底材料表面光洁度可大大减少微孔率；增加镀层厚度，颗粒之间交错,堵塞孔隙,可使微孔率减少。若镀金层的厚度超过5μm，则基本没有微孔，但由于成本价格等原因，实际上镀金层的厚度一般0.75～1.5微米。图镀金层厚度与微孔率间的关系横坐标：镀金层厚度，单位：微米纵坐标：微孔率，单位：微孔/平方厘米2/4/202312第七章电镀层及其质量二、镀金层微孔问题解决方法净化环境、隔绝灰尘、清洁处理被镀材料表面(超声振动及溶液去油污处理)、清除镀液杂质（镀液循环过滤）等。提高基底材料表面光洁度可大大减少微孔率，通常可在镀金前先光亮镀铜，以填充基底材料的微观凹凸表面，降低微孔率。在实际的电镀触点中，将镍作为中间镀层主要是因为：A.降低对微孔的敏感性,B.对扩散有阻碍作用,C.对腐蚀物的迁移有阻挡作用,D.改善触点寿命。镀金层中的微孔有钝性和活性之分。当中间镀层为Ni或Sn/Ni时,微孔中形成的氧化物具有保护性,而当中间镀层为Cu,Ag等时,微孔中形成的腐蚀物很快就会蔓延至金表面,使接触不可靠。2/4/202313第七章电镀层及其质量二、镀金层微孔问题微孔率的检测方法

SEM观察：很小的微孔，较曲折的微孔难以发现，有时陷坑易被误认为是微孔，比较费事。不常用。电腐蚀法硫化气体(H2S，SO2)加速腐蚀法：形成的腐蚀物在显微镜下观察并统计数目；常用的方法。日本JEIDA标准。但应注意控制腐蚀时间不使腐蚀物过分蔓延。Ni试剂法：硝酸蒸汽腐蚀法：国标，过于厉害。2/4/202314第七章电镀层及其质量第三节银及其合金一、银的特点：银及其合金也是常用的镀层材料。优点：电阻率低、附着性好、价格低于金、电镀层一般较厚、粘结磨损小、滑动寿命长。缺点：易硫化，在硫化气体中腐蚀严重，易造成接触不良。2/4/202315第七章电镀层及其质量二、银的腐蚀银及其合金的氧化

温室下只有当存在臭氧时银才会被氧化而形成氧化银，它在200℃将分解，而且氧化银很软，容易被机械除去，很少对触点有危害作用。银及其合金的硫化银非常容易硫化。若空气中含有千分之几个ppm浓度的H2S或几十至几百ppm浓度的SO2，这些气体对银都有危害作用，在银表面上形成Ag2S膜层，其化学反应式是：2/4/202316第七章电镀层及其质量二、银的腐蚀Ag2S对电接触的危害Ag2S是呈高电阻率的黑色物，它柔软易擦掉，具有极化效应。就是当电流从一个方向流过Ag2S膜层表现出的电压-电流特性和电流反向流过时表现出的电压-电流特性是不对称的，造成接触电阻的不稳定性。温度升高后，硫化反应加速，硫化膜层加厚。硫化银蔓延速度很快，若在金下面镀Ag，硫化银可能从金属的微孔中蔓延出来，覆盖到金属层上造成接触不良。2/4/202317第七章电镀层及其质量二、银的腐蚀解决方法：采用银合金作电镀层，增加合金的含量，可延缓硫化银的发生。但只要有银存在，硫化银膜层的生成就很难避免。例：为显著减少银的污染，贵金属如Au、Pd含量必须在40%以上，Ag25-Au69-Pt6合金已使用多年。并可认为它不会形成高电阻的污染膜。但最近数据表明在半暴露条件下，这种合金仍会形成明显的污染膜。加大接触压力使磨损增加，但有助于擦掉膜层，减少接触电阻。一般地，镀银触点的接触压力在80g－150g左右。2/4/202318第七章电镀层及其质量三、银离子迁移定义： 当绝缘基座中有两个以上银接触对，若相互间距不大，又处在潮湿环境中，则积存在两个接触对之间的水将成为电解液。当通以直流电压后，高电位（阳极）导体上的银成为正离子而进入溶液，受电位差吸引向阴极移动并在阴极上还原，

在阴极上沉积的银颗粒是不均匀的，高出来的与后面迁移来的银离子相遇机会多，银离子密度高，因此银离子在其上还原较多。在阴极表面呈丝状银的沉积。时间一长，阴极与阳极之间便出现短路。短路所需的时间和导线之间的距离、湿度、温度有很大的关系。2/4/202319第七章电镀层及其质量三、银离子迁移例如： 有人做过实验,镀银导线之间相隔0.38mm，直流电压30V，在45℃，90%相对温度环境下只需14天，导线之间短路了，增加导线之间距离，短路所需的时间也就增长。2/4/202320第七章电镀层及其质量第四节锡及其合金一、锡及其合金的特点

一般用在可靠性要求较低的场合代替价格昂贵的金合金。优点：价格低廉，易于覆盖（对基底的附着力强），易焊接，在压力大时表面的钝化膜层被压破形成金属间的直接接触。缺点：易氧化，在微动下形成微动腐蚀而造成接触故障。由于锡和锡－铅合金很软，很容易渗透，所以它们的使用寿命不长。它们的插拔次数很少，一般只有1次或2次，最多不会超过10次。它们的粘结磨损率是硬金镀层的100倍。它们也很容易发生擦伤磨损。插拔寿命不高。2/4/202321第七章电镀层及其质量二、锡的氧化膜锡易在空气中生成氧化锡氧化锡绝缘，质地硬而脆。但锡质地很软。接触特点加压于氧化锡上后，氧化锡易破裂，犹如施力于水上的薄冰一样，锡从裂缝中被挤出，造成金属的直接接触。因此用锡及其合金作为接触材料，压力应大于150g以上。压力过小无法压破氧化锡，也就无法产生良好的电接触。由于锡触头所需的接触压力很大，因而插拔力也很大，通常插拔寿命不高（几十次）。2/4/202322第七章电镀层及其质量三、微动当触头有微小往复振动或旋转，接触头离开原来的氧化锡压碎部分时，使这部分金属暴露于空气中很快被重新氧化，经多次往复移动造成氧化层加厚而导致接触不良，这种微小移动—微扰移动，由外界振动或环境温度变化的热胀冷缩引起。因此设计锡接触点应尽量避免微扰振动，尽可能采用热膨胀系数相同材料，限制其往复移动或沿圆弧移动等。2/4/202323第七章电镀层及其质量四、锡须锡须的产生纯锡容易产生锡须，即生长出很多细丝。其结果是使导体之间短路，这种现象是由于电镀过程产生内应力所致。避免锡须的办法是加入少量的铅(<4%Pb)，使之成为锡铅合金。由于Sn-Pb合金的熔点低于纯锡，所以它们更容易焊接。Sn-Pb合金镀层的厚度一般在2.5～5μm，其中间层金属一般选用Ni或Cu；接触压力不小于100gm，因为必须要破裂或除去表面的氧化剂而得到低的接触电阻。 2/4/202324第七章电镀层及其质量图锡须Wisker2/4/202325第七章电镀层及其质量五、不同材料接触对锡及其合金为表面镀层的插头在使用时应注意不要插入镀金插座内，因为二者电极电位相差很大，在潮湿环境下，Sn将成为阳极而受到腐蚀，生成的腐蚀物会造成接触不良。2/4/202326第七章电镀层及其质量六、中间相化合物锡和锡－铅合金镀在Cu基底上将形成如Cu6Sn5和Cu3Sn的中间相化合物。它们的硬度比Sn大，导电性比Sn差。锡和锡－铅合金的滑动磨损的一个重要问题是中间相化合物对摩擦系数和接触电阻的影响。因为Sn很容易自发地形成中间相化合物，所以表面镀锡的触点的使用寿命是非常短暂的。当触点表面镀Sn-Pb合金时，一旦Sn在形成中间相化合物过程中被使用完时，只剩下Pb存在。2/4/202327第七章电镀层及其质量第五节铜及其扩散一、铜对金表面的扩散

对电接触的影响

当金直接电镀在铜及其合金上，经历一段时间后，特别是当环境温度较高时，金表面出现氧化铜膜层而导致电接触失效。主要原因是作为基底的铜扩散到金表面后被氧化而造成的。扩散方式高温时（250-1000C）的扩散主要通过晶粒内部而进行，它对温度非常敏感；温度越高，扩散速度越快。低温时（20-250C）的扩散主要通过晶界及位错进行，对温度的敏感相对来说较低。2/4/202328第七章电镀层及其质量二、扩散定理扩散第二定律

C为原子浓度；t为扩散时间；x为扩散距离；D为扩散系数扩散系数

D0为频率因数cm2/s；R为气体常数=1.987卡/克分子K；Q为扩散激活能(卡/克分子)，T为绝对温度K）低温时（20-250C）：D0=4.410-10cm2/s；Q=11540卡/克分子高温时（250-1000C）：D0=6.810-6cm2/s；Q=22500卡/克分子2/4/202329第七章电镀层及其质量二、扩散定理扩散定理的微分方程求解

起始条件

x>0，t=0，铜浓度C=0 x<0，t=0，铜浓度C=C0 t>0，x=0，铜浓度C≠C0方程解为误差函数方程式中，C0为扩散原子的初始浓度；C(x,t)/C0为扩散百分比，一般认为它达

0.1%就会出现失效；为误差函数。

2/4/202330第七章电镀层及其质量二、扩散定理2/4/202331第七章电镀层及其质量例：1.5μm厚的金镀层经扩散达0.1%所需的时间温度(C)扩散系数D(cm2/s)时间251.5×10-18约25年506.8×10-18约5年半651.