减少贵金属用量，保持连接器的高可靠性
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1 引言 在本文中，我们将对Ni/Pd-Ni/Au-Co镀层是否适用于在通信工程用电镀连接器接触件进行检测。在下列研究中，我们将对作为现有的标准电镀工艺Ni/Au-Co和Ni/Pd-Ni/Au-Co替代工艺的该镀层的技术适用性(电气特性、耐腐蚀和耐磨性)和成本(包括纯贵金属的成本以及工艺成本)进行评估。本研究的目标是要检测第3种标准镀层器件的技术性能，以便于进行推介。这种Ni/Ni-P/Au-Co镀层器件可以减少连接器制造商和网络技术的最终用户对动荡不定的贵金属价格的依赖性，并具有一定的成本优势。 2 连接器的应用范围与要求 只要元件或组件需要彼此暂时连接的地方，连接器就有用武之地。与其它连接方法相比，以这一方式配置后它具有一个优点就是器件可以扩展且便于维修。连接器的需求量和连接器的类型可能会因其使用量和应用领域的不同而有所不同。这包括医疗工程、工业电子、数据和通信工程、汽车工业以及消费类电子产品。 本文在此仅研究用于通信工程类的连接器。这些所谓的背板连接器用于转换装置并确保可靠信号在各个组件和背板之间流动。这种转换装置安装在一个密闭的建筑物内也可以用于室外(移动电话)。这些背板通常配备有模组插头连接器，而子板则配备相应的插孔连接器。 作为寻求替代表面镀覆的第一步，这些高密度插针连接器器件便深受人们的关注，其原因有二： 一方面，由于在毫安值范围内的电流接触可靠性的严格要求，故只有用贵金属作为接触件的表面镀覆材料，所以，采用某一方法替代或减少这些贵金属使用量就可以大大降低制造成本。 另一方面，通信连接器市场在上述领域的销售额中占有较大份额，约25%。 目前，通信领域最常用的元件为符合IEC61076-4-101和104标准的2.0mm间距模组器件。图1表示该产品系列的不同连接器。此外，符合IEC61076-1-100标准的2.5mm器件依然在传统的电话网络中通用。传统的TDM网络可以很好地说明接触件可靠性的重要性。用于转换技术的连接器其失效率可望达到0.3 fit(失效时间，1 fit等于每109工时一次失效)。以上述交换机为例，这意味着每年可能只有3个接触件失效。
图1 符合IEC61076-4-104标准的连接器器件 为了检验和验证对这些接触件的可靠性的高要求，网络制造商和运营商要求对所使用的元件进行广泛的质量检测。相应的标准(IEC61076-4-1xx或Bellcore GR 1217-CORE)和规范规定了测试次序(包括电气、机械和大气测试次序)。这一环境模拟试验的目标是以一种快速和可复制的方式描述所有的外部影响，因为它们会在运输和运行过程中对某一系统产生影响。一个负荷是否损坏元件主要受控于接触电阻这一电性能关键值。该值由实际接触电阻和压接或焊接插头和插孔连接器的引线电阻组成。 一个信号是否可以稳定地流经接触点取决于两个决定因素： ——接触电阻较低的无膜、匀质表面; ——有足够大的接触力。 接触电阻较低可以确保稳定的信号流，而首先就是使接触电阻尽量保持恒定不变。 各个插头接触件的接触力无法任意增大。一方面，这会进一步加大插拔过程中连接器的磨损并因此使接触件镀层变得更薄。另一方面，要插入的元件以及连接器本身封装得越来越密集，这样就必须确保组件的总插入力保持在一个仍然可控的范围内。PCB连接器的单体正向接触力在0.60~0.90 N范围内。 因此，技术优化测试以及降低制造成本的愿望主要集中在接触表面和目前尚在应用的标准镀层器件的替代上。它们分别是： ——镍(1~2μm)/金-钴(0.8~1.3μm); ——镍(1~2μm)/钯-镍(0.5~1.0μm)/金-钴(薄镀0.1~0.2μm)。 每种可能的替代方法都必须完成这些标准镀层。其基本判据是接触电阻。根据类型和标准不同，其接触电阻可以在20和50mΩ之间。不过，比绝对电阻值重要得多的是在电气(如恒定电流)、机械(如插拔次数、振动或冲击)和大气(如污染气体或湿热)负荷后所发生的接触电阻的变化。规范一般要求接触电阻在初始值的基础上变化50mΩ。贵金属被磨损后以及/或非贵金属氧化后接触电阻会出现更大的变化。对于mA范围内的信号电流来说，如果这些异物膜层损坏两端的2-引脚双接触件(见图2)，那么，即使是极薄的异物膜层也可能意味着失效。
图2 通信连接器的双接触件 3 试验计划和完成 3.1连接器类型 为了完成此项研究和随后的试验，我们选择CBC20系列(2mm间距)的96针标准插头连接器。 接触件的替代材料为CuSn6。为了根据标准测试表面镀覆，应采用镀层次序为Ni/Pd-Ni/Au-Co的标准插合的连接器。 3.2镍/镍-磷/金-钴镀层的组合 镍-磷/金-钴镀层器件的优良特性及其作为标准接触表面的替代材料早已为人们熟知。其优点是其具有极好的防腐、耐高温和耐磨性，其缺点是镍-磷合金镀层的延展性较低。镍-磷电镀液的电镀速度比镍低也是一个不利因素。这样一来，连续电镀的速度必须降低或者增加电镀池的数量，以便达到通常的2μm镀层厚度。 为了消除这两个缺点，镍/镍-磷/金-钴镀层组合似乎是一个最佳的解决方案。一部分镍-磷镀层用镍代替。使用氨基磺酸镍电镀液可以提高电镀速度和镀层的延展性。 为了优化这一镀层组合，我们编制了一个试验模型(表1)。定向试验均显示出积极的结果，这样在质量检定研究中只采用了品种1并与对照组作了比较。 表1 作为试验型片的镍/镍-磷/金-钴镀层器件的镀层厚度的变化
* 用钯-镍代替镍-磷。 3.3电解液 3.3.1镍 第一次镀覆施加的镍镀层是由一种商用半光亮氨基磺酸镍电解液电镀的，其工作参数列述如下： 镍含量：80~100 g/l Ni; 氯化物含量：28~40 g/l NiCl2 ×6H2O; 硼酸：45~55 g/l H3BO3; 温度：60℃; pH值：3.8; 电流密度：1~30 A/dm2; 电镀速度：0.2~6μm /分钟。 3.3.2镍-磷 为了电镀连接器，应采用一种镍-磷电镀液(镍-磷965)，其技术参数列述如下： 镍含量：80~100 g/l Ni; 磷含量：25~30 g/l P; 温度：60℃; pH值：2.6; 电流密度：5~30 A/dm2; 电镀速度：0.5~3μm /分钟。 在上述条件下，电镀液给这些镀层沉淀一层80~94重量百分比镍和12~6重量百分比镍磷的合金成分。这些镀层具有抗磁性(P>11%)。其硬度在550和600HV范围内。当弯曲时，这些镀层与光亮镍镀层特性相同。 3.3.3金-钴 硬金镀层采用一种高速电镀液(AURUN A7100)，其技术参数分述如下： 金含量：80~100 g/l Ni; 温度：45~60℃; pH值：4.2~4.4; 电流密度：最高达10 A/dm2; 电镀速度：最高达2μm /分钟。 |
