錫鍍層與金、鈀和銀鍍層的端子配合的可行性分析

來(lái)源：?作者：線束世界-Jimmy?2021-03-26 09:40

本文翻譯自論文：E . M. Bock,?The Mateability of Tin to Gold, Palladium, and Silver, Proc. 40th Electronic Components and Technology Conference, 1990, pp. 840-844

摘要

連接器的表面鍍層包括鍍金、鍍錫、鍍鈀和鍍銀等。當(dāng)公母連接器配合時(shí)，微動(dòng)腐蝕是錫與錫鍍層連接界面的主要失效機(jī)制。本文所做的研究結(jié)果表明：當(dāng)鍍錫的產(chǎn)品與金、鈀或銀鍍層的產(chǎn)品配合時(shí)，微動(dòng)腐蝕問(wèn)題也是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。錫磨損碎屑的材料轉(zhuǎn)移和氧化（由于微動(dòng)而產(chǎn)生）會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的快速和顯著增加。雖然使用防微動(dòng)腐蝕潤(rùn)滑劑可以在微動(dòng)發(fā)生時(shí)延緩接觸電阻的增加，但錫鍍層的產(chǎn)品在與金鍍層配合以及和錫鍍層與鈀鍍層配合使用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還是受到調(diào)戰(zhàn)的。錫鍍層到銀鍍層相配合的接觸界面與錫對(duì)錫的配合結(jié)果差不多。

介紹

一個(gè)低的并且穩(wěn)定的接觸電阻在電子連接器中至關(guān)重要。對(duì)導(dǎo)致端子配合區(qū)失效過(guò)程的了解是正確選擇端子鍍層材料和組件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并且可以描述出他們可預(yù)期的可靠性能的結(jié)果。對(duì)于非貴金屬端子鍍層（例如錫鍍層）的一個(gè)重要的失效機(jī)制是由接觸界面上的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。

如果端子接觸區(qū)材料是一種易于氧化的鍍層材料，那么微動(dòng)會(huì)導(dǎo)致金屬層的轉(zhuǎn)移和磨損，這樣會(huì)使端子接觸區(qū)形成氧化物和磨損碎屑，這種失效就被定義為微動(dòng)腐蝕。這通常會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的快速和顯著增加。貴金屬鍍層（如金）不會(huì)被氧化，不會(huì)發(fā)生微動(dòng)腐蝕。

圖 1 示意了微動(dòng)腐蝕的發(fā)生機(jī)制。圖1a示意了初始接觸點(diǎn)，公母端子配合時(shí)，在端子正壓力的作用下，以及一定的擦移距離的情況下，端子表面的氧化層會(huì)被破壞和移走，形成金屬對(duì)金屬的連接。在圖 l b 中，接觸點(diǎn)已移動(dòng)到新位置，并建立了新的接觸點(diǎn)，這個(gè)移動(dòng)位移是很微小的。其可能是應(yīng)用中的振動(dòng)引起的，也有可能是熱脹冷縮引起的。那么初始位置的接觸點(diǎn)所暴露出來(lái)的錫就重新被氧化了。如果這種微動(dòng)是重復(fù)發(fā)生的（經(jīng)常的振動(dòng)和多年的熱脹冷縮），而且由于微動(dòng)距離很小，不能把氧化物推走，則氧化物會(huì)形成積累，這樣就可能導(dǎo)致在接觸界面形成絕緣膜層。這就是微動(dòng)腐蝕的原理。

圖1. 微動(dòng)引起接觸電阻的增加的示意圖

圖2給出了對(duì)受到微動(dòng)腐蝕的錫接觸界面的分析結(jié)果（在這個(gè)例子中是采用強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生微動(dòng)的）。圖 2a 的曲線顯示了接觸電阻與微動(dòng)軌道位置之間的關(guān)系。請(qǐng)注意，電阻最高值在軌道的邊緣地方。圖 2b 顯示了軌道的顯微照片以及氧氣的 X 射線掃描結(jié)果?？梢钥吹礁唠娮韬脱鯕猓ㄑ趸a）之間很強(qiáng)的相關(guān)性。

圖2. 說(shuō)明了氧化物與由于微動(dòng)引起電阻增加的相關(guān)性。A顯示了接觸電阻與微動(dòng)軌道位置之間的關(guān)系。B顯示了軌跡的顯微照片以及氧氣的 X 射線掃描

經(jīng)常會(huì)有人問(wèn)到關(guān)于鍍層為錫的端子與貴金屬或半貴金屬鍍層（如金、鈀或銀）的端子配合后的性能問(wèn)題。這個(gè)論文中的研究就是報(bào)告這些材料與錫配合后的腐蝕敏感性，以及潤(rùn)滑劑作為防止電阻增加方案的有效性。

實(shí)驗(yàn)程序

實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)品發(fā)生微動(dòng)失效的程度取決于產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的方法和所用裝置。接觸電阻變化測(cè)量結(jié)果取決于測(cè)試電流/電壓的高低和測(cè)量接觸電阻的過(guò)程。本試驗(yàn)采用強(qiáng)制進(jìn)行微動(dòng)的方法來(lái)確定不同的端子鍍層配合是否容易引起微動(dòng)腐蝕。人們應(yīng)該知道，這種測(cè)試的結(jié)果只是一個(gè)定向的研究，這種研究方法不能用于特定連接器針對(duì)微動(dòng)的易感性設(shè)計(jì)參數(shù)。

這個(gè)研究在是三個(gè)條件下進(jìn)行評(píng)估的：1）沒(méi)有施加潤(rùn)滑劑；2）用帶抗磨損配方的潤(rùn)滑劑；3）用專有的抗微動(dòng)配方的潤(rùn)滑劑。在產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)的裝置上進(jìn)行了微動(dòng)測(cè)試。這種方法在先前的工作中已證明是有用的。使用由直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單軸平移來(lái)產(chǎn)生微動(dòng)運(yùn)動(dòng)。圖3顯示了設(shè)備的示意圖。平均速度、平移距離和停留時(shí)間由微處理器控制。在本次研究中，使步進(jìn)電機(jī)與一個(gè)平板相連，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)使平板的移動(dòng)速度為 0.005厘米/秒，平移/穿過(guò)距離設(shè)置為0.005厘米，停留時(shí)間設(shè)置為 2 秒。已經(jīng)證明了，如果使用更快的循環(huán)周期，則需要增加必要的循環(huán)次數(shù)才能達(dá)到失效狀態(tài)。一個(gè)固定的壓頭，其頭部是一個(gè)0.635厘米直徑的半球，垂直地壓在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的平板上。壓頭與平板間的正壓力被設(shè)置為100gf。

圖3. 微動(dòng)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)裝置的示意圖

使用 Keithley 型號(hào) 580 微歐姆表進(jìn)行了接觸電阻測(cè)量。采用小功率電路模式（Dry current)，即開(kāi)路電壓限制為20mv，最大電流限制為100mA。這保證了測(cè)量電阻的行為不會(huì)擊穿接觸界面的表面氧化膜層。在平移運(yùn)動(dòng)的極端位置，進(jìn)行接觸電阻的測(cè)量。經(jīng)驗(yàn)表明，接觸電阻的最高值與這些微動(dòng)軌道的最大位置位移存在相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)中用到的鍍層材料在表1中列出。

表1. 測(cè)試用的鍍層材料及厚度

結(jié)果

沒(méi)有施加潤(rùn)滑劑的條件

測(cè)試的組合為一端為錫鍍層，另一端分別為金、鈀、銀和錫鍍層。在不加潤(rùn)滑劑條件下，圖4顯示了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的微動(dòng)失效的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果有些相似，在500到1500個(gè)周期內(nèi)的所有情況下的接觸電阻都達(dá)到了歐姆級(jí)。“錫對(duì)金”鍍層的組合和“錫對(duì)鈀”鍍層的組合表現(xiàn)要差一些，“錫對(duì)銀”組合略好于“錫對(duì)錫”組合。

圖4. 錫對(duì)錫、錫對(duì)金、錫對(duì)鈀和錫對(duì)銀的微動(dòng)腐蝕失效測(cè)試結(jié)果

由于微動(dòng)，氧化磨損碎屑堆積在錫觸點(diǎn)上。圖 5 顯示了在錫、金、鈀和銀表面上出現(xiàn)的斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)是不同的鍍層材料與錫鍍層配合后經(jīng)過(guò)微動(dòng)產(chǎn)生的。每張圖片上都顯示與微動(dòng)腐蝕相關(guān)的特征"黑點(diǎn)"。

圖5. 錫、金、鈀和銀觸點(diǎn)的光學(xué)顯微照片，它們與錫配合并經(jīng)過(guò)了微動(dòng)測(cè)試。注意到通常與微動(dòng)損傷相關(guān)的特征“黑點(diǎn)”。

當(dāng)微動(dòng)腐蝕是失效機(jī)制發(fā)生時(shí)，用掃描電鏡進(jìn)行元素分析可以識(shí)別接觸界面的氧化物。在所有接觸組合的界面上都識(shí)別到了錫氧化物。分析結(jié)果如圖6和圖7所示。轉(zhuǎn)移后的錫成分以及轉(zhuǎn)移的錫氧化物中的氧成分在每個(gè)不同的金屬接觸界面上都有顯示。

（a）顯示接觸點(diǎn)和元素線掃描位置的圖像。（b）元素掃描的結(jié)果。圖6.掃描電子顯微鏡的元素分析表明了錫的氧化情況。將錫與錫配合并進(jìn)行微動(dòng)測(cè)試得到的

（a）顯示接觸點(diǎn)和元素線掃描位置的圖像。（b）元素掃描的結(jié)果。圖7. 金、鈀和銀的接觸表面在掃描電子顯微鏡元素分析中顯示了轉(zhuǎn)移的了錫和氧成分。這些觸點(diǎn)都是與錫配合的并且進(jìn)行微動(dòng)測(cè)試。

從錫和氧成分的分析可以得出：“錫對(duì)金”組合和“錫對(duì)鈀”組合的接觸界面表現(xiàn)出很差的性能。這將導(dǎo)致在較硬的鍍層材料上形成氧化錫層，想要去破壞掉這種硬材料上的氧化錫層所需要的機(jī)械力比破壞軟基材上的氧化物（例如錫上的氧化錫）更難。錫表面總是覆蓋著天然氧化物。盡管有這種氧化物，它相對(duì)很容易被破壞掉，從而建立金屬對(duì)金屬的接觸表面。這種容易破壞掉的原因是錫和氧化錫具有不同的機(jī)械物性。氧化錫是堅(jiān)硬而脆的。錫是柔軟并且延展性好，硬度的差異在受到外力時(shí)很容易促進(jìn)錫表面的氧化錫層開(kāi)裂。因?yàn)殄a在配合過(guò)程中是塑料變形的，其在配合時(shí)可以促使氧化錫層的破壞，同時(shí)錫從破壞的氧化層中擠出，從而建立良好的電氣接觸。

硬的鍍層材料，在這個(gè)試驗(yàn)中的鈷金或鈀，更能夠給腐蝕膜層（氧化錫）提供支撐，并且不易于開(kāi)裂破壞以及隨后的從底層材料擠壓出來(lái)。

錫對(duì)金的接觸界面在以前的文獻(xiàn)（參考文件1和2）中已經(jīng)討論過(guò)了。Abbott 和 Schrieber 在論文中說(shuō)，錫對(duì)金鍍層的界面的接觸性能特別差。他們將失效過(guò)程歸因于表面薄膜、氧化磨損碎屑和接觸界面的微動(dòng)。Mottine和 Reagor 調(diào)查了IC用插座連接器中的“錫對(duì)錫”和“錫對(duì)金”接觸界面的微動(dòng)行為。他們的結(jié)論是，純錫或者是錫鉛合金與它們自身相同的鍍層材料配合時(shí)或者與金鍍層配合時(shí)，都發(fā)生了微動(dòng)腐蝕失效。他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室中都觀察到了這些失效。

帶抗磨損配方的潤(rùn)滑劑的條件

本研究在這一部分選擇的潤(rùn)滑劑是6環(huán)多酚醚。該潤(rùn)滑劑被廣泛推薦用于鍍金端子觸點(diǎn)的抗磨損潤(rùn)滑劑（參考文件5和6）。使用這種潤(rùn)滑劑的接觸點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如圖8所示。步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置提供微動(dòng)。試驗(yàn)持續(xù)了10000個(gè)周期。在所有情況下，都發(fā)現(xiàn)了接觸電阻的失效。并且“錫對(duì)金”和“錫對(duì)鈀”的組合比“錫對(duì)錫”或“錫對(duì)銀”的失效速度明顯快很多。

圖8. 施加了6環(huán)多酚醚潤(rùn)滑劑后，錫對(duì)錫、錫對(duì)金、錫對(duì)鈀和錫對(duì)銀的微動(dòng)測(cè)試結(jié)果

Mottine 和 Reagor 報(bào)告了潤(rùn)滑劑對(duì) “錫對(duì)錫”和“錫對(duì)金”接觸界面的微動(dòng)腐蝕影響。在他們的研究中，加了潤(rùn)滑劑的IC 插座連接器是在低水平的振動(dòng)條件下進(jìn)行的測(cè)試，所用到的潤(rùn)滑劑是油和蠟的混合物。電阻數(shù)據(jù)顯示，“錫對(duì)金”接觸界面反復(fù)出現(xiàn)故障。而加了潤(rùn)滑劑的“錫對(duì)錫”或“金對(duì)金”的接觸界面沒(méi)有出現(xiàn)此類故障。他們說(shuō)，"潤(rùn)滑劑并沒(méi)有消除“錫對(duì)金"接觸界面的微動(dòng)失效，但確實(shí)延長(zhǎng)了失效發(fā)生的時(shí)間。我們的結(jié)果是一致的，并表明這種潤(rùn)滑劑延長(zhǎng)了失效的發(fā)生時(shí)間，但過(guò)程沒(méi)有受到實(shí)質(zhì)性影響。

使用防微動(dòng)配方的潤(rùn)滑劑條件

各種合成的或天然的潤(rùn)滑油已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以有效減少摩擦微動(dòng)腐蝕（參考文件4）。一般來(lái)說(shuō)，我們的經(jīng)驗(yàn)是液體或半液體比固體潤(rùn)滑劑更有效。液體或半液體潤(rùn)滑劑對(duì)表面的自我修復(fù)特性是非常重要的。A公司已開(kāi)發(fā)出一種潤(rùn)滑劑，具有非常好的抵抗微動(dòng)性能。該配方是專利的，含有特殊成分，已被證明在增加的微動(dòng)條件下，這種潤(rùn)滑劑可以提供穩(wěn)定的接觸電阻。這種潤(rùn)滑劑已被證明對(duì)”錫對(duì)錫“的接觸界面非常有效。

施加了這種專用防微動(dòng)潤(rùn)滑劑的鍍層組合的微動(dòng)結(jié)果如圖 9 所示。測(cè)試持續(xù)了100000個(gè)微動(dòng)周期。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，防微動(dòng)潤(rùn)滑劑能夠保持“錫對(duì)錫”和“錫對(duì)銀”組合的接觸電阻低的并且穩(wěn)定的值。但是，在“錫對(duì)金”和“錫對(duì)鈀”的接觸電阻卻增了到初始值的 5 到 10 倍。對(duì)于重要的應(yīng)用，這種增加是不可接受的。在所有情況下，施加了防微動(dòng)專用潤(rùn)滑劑的測(cè)試結(jié)果都優(yōu)于施加了防磨損潤(rùn)滑劑的效果。

圖9. 施加了專用的防微動(dòng)滑劑后，錫對(duì)錫、錫對(duì)金、錫對(duì)鈀和錫對(duì)銀的微動(dòng)測(cè)試結(jié)果

“錫對(duì)金”和“錫對(duì)鈀”組合的接觸電阻增加可能是微動(dòng)磨損的結(jié)果，而不是真正的微動(dòng)腐蝕的結(jié)果。磨損碎屑的堆積（相當(dāng)于接觸區(qū)域減少）會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的增加。金和鈀的硬度比較高（相對(duì)于錫和普通的銀），這增加了磨損碎片在接觸界面被移出的困難程度。這個(gè)假設(shè)目前正在研究之中，目前正在對(duì)硬銀進(jìn)行測(cè)試，其硬度值與鈷金（大約200 Knoop）相近。

結(jié)論

這項(xiàng)工作表明，“錫與錫”配合，以及“錫與金”、“錫與鈀”或“錫與銀”配合都要關(guān)注微動(dòng)腐蝕問(wèn)題。失效率取決于接觸區(qū)的鍍層材料以及潤(rùn)滑劑的狀態(tài)和類型。在不加潤(rùn)滑劑的表面和有防磨損潤(rùn)滑劑兩種狀態(tài)下，“錫對(duì)金”和“錫對(duì)鈀”的失效會(huì)比“錫對(duì)錫”嚴(yán)重很多?！板a對(duì)銀”的性能略好于“錫對(duì)錫”。

具有特定配方的防微動(dòng)潤(rùn)滑劑優(yōu)于防磨損潤(rùn)滑劑。專有配方已證明在“錫對(duì)錫”和“錫對(duì)銀”組合能有效提供穩(wěn)定的接觸電阻。但是在“錫對(duì)金”和“錫對(duì)鈀”的接觸界面電阻有增加（初始值的 5 倍）。對(duì)于重要的應(yīng)用條件，或者可能出現(xiàn)微動(dòng)的環(huán)境中不應(yīng)建議使用此類組合。

連接器應(yīng)用工程師應(yīng)該了解錫鍍層與金、鈀或銀配合時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。特別是在可能存在微動(dòng)條件的應(yīng)用時(shí)，將”錫對(duì)錫“的接觸界面中的公母端子中的一個(gè)換成另一種鍍層可能會(huì)使情況惡化。潤(rùn)滑劑對(duì)“錫對(duì)金”和“錫對(duì)鈀”配合系統(tǒng)也可能提供不了合適的性能。如果“錫與金”或“錫對(duì)鈀”的配合是不可避免的，那么防微動(dòng)腐蝕潤(rùn)滑劑則是一種必要的但是并不完美的解決方案。

參考文件

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