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。如第一章討論的，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。銀接觸鍍層最好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和 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，而此運用不同于在永久性連接或其末端中鍍層的運用。選擇性接觸鍍層有用在永久性連接上的金鍍層，但鍍層厚度在每一末端可能不同。雙重電鍍（Duplex）通常都是鍍在永久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。第一：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 ﹪-銀25%-鈀6%)以及鈀60%-銀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%-鉛40%或 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最大的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至1.0微米之間而其鎳底層厚度一般在0.8至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 和 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。第一，80%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至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)：
Ｒc=kρ(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 0.1μm 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3μm到8μm。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到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．圖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/鈀/鎳/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．圖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。
第一，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移動是受限制的。該圖表明當鎳在腐蝕物移動方向上有足夠的延伸時，它能夠有效地防止腐蝕物擴散。
擴散．鎳底層阻礙擴散的有效性可通過圖3.15中的數據加以說明，該圖顯示了銅通過金，鈀，銀和鎳鍍層的相對擴散。同金或鈀相比，通過一定量或更多的減少可以看出鎳是一種有效的防銅擴散金屬。相似的情況發生其它典型基材金屬成份如鋅和鋇上。通過這種方式，鎳有效的防止基材金屬成份擴散到接觸表面，在該表面基材金屬成份可與其運用環境中的各種腐蝕起反應。
耐久性．鎳也能改善貴金屬接觸鍍層的耐久性。對金鍍層的影響將被表明，但相似的影響也發生在別的貴金屬鍍層上。根據Antler改編的圖3.16，表明瞭直接鍍有2.0um厚鈷—金合金接觸鍍層的銅和鈹銅底層的耐久性典線。應該注意到檢測樣品包括平面取樣片（flat coupons）和半球形附件（rider）。這些數據僅與幾何形狀有關而並不代表電連接器接觸界面的典型數值。但這些數據的趨勢與連接器的耐久性有關。
耐久性可用一磨損（wear）指標，即一種作為通過次數函數的基材金屬暴露總數的度量（耐久週期(durability cycles)）來評估。耐久性指標為50意味着出現的(showed)磨痕(track)有50%裸露了基材金屬。注意到銅基材的金鍍層耐久性明顯低於鈹銅基材的金鍍層。這種結果是由於鈹銅比銅更硬。更硬的底層金屬能夠提供支持層來增加鍍層的有效硬度，並由此而降低了在既定壓力下的接觸面積。因為磨損與接觸點的破裂有關，正如第二章所討論過的，接觸面積的減少會導致磨損降低。
鍍鎳底層可提供一個比鈹銅更硬的支持層，所以可以預測其耐久性有進一步提高。圖3.17証實了這種預測，顯示了磨損指針對鍍有鈷金合金的銅的配合週期次數隨不同厚度的鍍鎳底層的變化。隨鎳底層厚度的增加，耐久性立即提高。
．總結．
在這裡，鎳作為底層的優點概述如下：
‧鎳通過其非活性氧化物表面，封閉基本孔隙位置，從而減少孔隙腐蝕的可能性。
‧鎳在貴金屬接觸鍍層下面提供了一層堅硬的支持層可提高耐久性。
‧鎳可有效地阻礙基材金屬成份遷移到接觸表面，當基材金屬遷移到接觸表面時，會與操作環境發生反應。
‧鎳也可有效地阻止基材金屬腐蝕物的移動。
前三個優點是在金鍍層變薄的同時保持相等的或是改良的性能。多孔性的影響已經減輕，貴金屬不再用作阻礙腐蝕物移動，並且耐久性有了提高。 最後一個優點是減少形成于其它地方、移動到接觸界面並導致接觸阻抗增加的腐蝕物的可能性。
這種特性(nature)的考慮突出了連接器鍍層被作為系統來考慮的事實。鍍層不同成分間的相互作用能強烈影響鍍層性能。本討論為下一節存在數據的解釋提供了一個背景。
貴金屬接觸鍍層系統的環境性能 本節將描述在模擬工業暴露環境的FMG測試環境里貴金屬接觸鍍層系統的腐蝕現象。被評估的鍍層系統包括：
‧0.75金(鈷)/1.25鎳/銅
‧1.8鈀/1.25鎳/磷青銅(PB)
‧1.8鈀(80)-鎳(20)/1.25鎳/PB
‧ 0.1金/1.8鈀/1.25鎳/PB
上述厚度單位都是um。底層金屬的不同只能影響最初的接觸阻抗的大小而不可能影響在暴露環境下接觸阻抗的變化。
圖3.18顯示了在可接受條件(as-received)下如預先暴露于FMG環境，前三個系統(first three systems)接觸阻抗對接觸壓力的數據曲線。使用軟金探測參考，該圖表明瞭九個探測點的數據分布。探測模式可以是隨機性的或是有選擇性的。在隨機探測中，系統掃描表面，自動在九個隨機點上探測。在選擇性探測中，探測員(probe operator)降低探針，以便避開孔隙腐蝕位置並盡可能減少任何孔隙腐蝕或者腐蝕移動對接觸阻抗的影響。在選擇性探測模式中，可以評價鍍層本身原有的腐蝕反應性。圖3.18中的數據是隨機探測獲得的。注意到在100克力的接觸正壓力下，三個系統所產生的接觸阻抗都在1mΩ的範圍里。
圖3.19表明瞭在同一模式下，暴露于FMG環境里48小時后得到的數據。孔隙腐蝕和腐蝕移動的影響明顯表現在金與鈀的數據上。得到的數據與在可接受條件(as—received)下得到的數據相比，有些數據沒有顯出變化，但是許多探測點已經明顯受到腐蝕物的影響。在不插拔(non-wiping) 載荷的探測系統里，需要高壓力來破裂腐蝕物。然而，鈀－鎳合金的數據則不同，取代兩種模式下的阻抗數據，其同時有一個向上的移動和阻抗分布範圍的變寬。這是表面膜的典型現象。
這種解釋被暴露100小時后得到的數據所証實，如圖3.20所示。金鍍層數據仍顯示了兩種退化(degradation)模式。在這種情況下，鈀的數據則顯示了一種高水平的孔隙腐蝕。鈀－鎳數據繼續有一向上的移動和數據分布範圍的變寬。
圖3.21繪製了作為接觸壓力函數的鈀-鎳合金九個調查點接觸平均阻抗的曲線。圖表清楚的表明平均接觸阻抗隨暴露點的升高。鈀(80%)-鎳(20%)合金性能不象是貴金屬，卻象是基材金屬，這也就不奇怪在合金中加入20%的作為基材金屬鎳金屬。圖3.4顯示合金暴露在空氣中有相似效果。
圖3.22包含的數據是測量了金和鈀接觸鍍層經過相同的FMG環境后得到的。注意到到金的數據幾乎不隨時間變化。而另一方面，鈀的數據顯示了增大的變化和擴大的分布，儘管其比鈀-鎳合金的變化範圍要小很多。鈀則顯示了對測試環境的反應。
這些數據表明瞭為什麼在大多數情況下鈀和鈀-鎳合金鍍層要與一個薄的金鍍層-約几十個微米的金，配合使用。從圖3.23中可清楚看到，鈀外面的金薄層對FMG環境下腐蝕的作用是很有效的。接觸阻抗的大小和分布表明暴露在MFG測試條件下48或100小時幾乎沒有變化。當金覆蓋在鈀-鎳合金上時也會出現類似的情況。
但是，應該注意到金薄層厚度可能不會完全覆蓋鈀的表面，所以薄膜效應就可能產生。這種可能性對鍍有薄金層的鈀-鎳合金更有意義，因為其更有活性。此外金的缺失例如經過磨損腐蝕，將會導致其下層的鈀的暴露。換句話說，覆蓋有金薄層的鈀和鈀-鎳合金容易受到機械磨損腐蝕退化的影響。對鈀而言，摩擦聚合物的形成是其退化的主要機理。對鈀-鎳合金而言，經過氧化過程的腐蝕將會出現。
總而言之，環境測試結果表明，這三種鍍層對環境固有穩定性按其減少的順序為：金，鈀和鈀(80%)-鎳(20%)合金。基本鈀鍍層外的金薄層可有效的減少這種變動。此外在連接器應用中這種固有穩定性的差別會通過三種作用得到控制。
第一，遮蔽此類環境下接觸界面的連接器塑料本體的作用，有效的增加了相互配合的連接器對環境的穩定性。環境遮蔽的效果取決于塑料本體的設計。封閉式塑料本體將明顯比開放式更有效，儘管卡緣塑料本體可提供如第一章所述的保護。
第二，如數據所示，與在連接器鍍層中一樣，電鍍過程中的多孔性對其受腐蝕可能性有很大影響。鈀和鈀-鎳合金鍍層的電鍍經驗表明鈀和鈀-鎳鍍層的多孔性通常會比金鍍層的低。這種作用減少了其固有穩定性的變化差異。
第三，受到腐蝕的可能性取決于其應用的環境。在典型的辦公室環境下，僅有較少的硫和氯，實驗表明腐蝕蔓延極小且孔隙腐蝕也同樣減少。
這些考慮的因素減少了固有受腐蝕性差別的意義。在更多的腐蝕環境下，尤其是含有高濃度的硫和氯的時候，選擇接觸鍍層時就應當考慮金所天然具有的貴金屬性優點。
貴金屬鍍層系統中的耐久性考慮‧選擇接觸鍍層另一個要考慮的因素是鍍層的耐久性。在此情況下，經驗表明其性能的順序與在環境中相反，至少存在金薄層時是這樣的。鍍金的鈀-鎳合金比鍍金的鈀的耐久性高，而接下來鍍金的鈀比金要高。這種趨勢被認為與鍍層硬度有關。硬金的Knoop硬度為200，而鈀和鈀-鎳合金的Knoop硬度為400或500。
以上關於金鍍層的合格性解釋非常重要，經驗也表明由於鈀和鈀-鎳合金鍍層比金硬度更高而延展性更低，所以容易產生災難性的易碎的破片結構。
3.3.2普通金屬接觸鍍層的設計考慮因素
錫(包括錫鉛合金)，銀及鎳被是用在連接器上的重要普通鍍層材料。三者中，錫代表了大量應用的普通金屬鍍層，因此本節主集中對錫鍍層進行討論。
普通金屬鍍層與貴金屬鍍層的區別在於：普通金屬接觸鍍層的設計考慮包括配合時普通金屬接觸鍍層表面固有氧化膜的破裂/移動以及防止氧化膜的再生成。本節先討論錫接觸鍍層表面膜的破裂，接下來討論錫鍍層的退化機理，磨損腐蝕。
錫鍍層接觸界面的形成，回顧前面所述，錫用作接觸鍍層源自于：其固有的氧化膜在連接器的配合中通過接觸表面的機械變形能夠破裂和移動。因此原有的錫氧化物在連接器插接過程中將因機械毀損而被擠破和取代。重新利用圖2.16作為圖3.24來引証表面氧化物破裂的機理。又薄又硬又脆的錫氧化物在負載下容易破裂。載荷傳到錫鍍層，由於其硬度小、延展性好而易於流動。氧化物裂縫變寬，里層的錫從裂縫中擠出來形成所需要的金屬接觸界面。然而不幸的是，錫表面的再氧化導致了錫鍍層的主要退化機理：磨損腐蝕。
磨損腐蝕‧圖3.25說明瞭磨損腐蝕機理。圖3.25a描述了包括裂縫、破碎的氧化物和從裂縫間擠出的錫接觸區 域的原始接觸界面。圖3.25b顯示了接觸區域移到新的位置例如在機械干擾作用下。新的接觸界面是通過相同的破碎機理形成的。然而，先前接觸區域暴露的錫被再氧化。如果這些動作重複進行，也就是說，如果鍍層系統慢慢被磨損(圖3.25c)，暴露的錫(摩擦腐蝕的腐蝕部分)連續不斷的再氧化導致在接觸界面形成一層氧化碎片（debris）(圖3.25d)。這些碎片將導致接觸阻抗的增加甚至露出電路。引起接觸阻抗不可接受的增加必要的磨損循環次數取決于許多因素，包括運動方式和磨損距離（length）。對轉化運動而言（translational movement），磨損運動只要移動幾個到几十個微米單位的距離就足夠產生磨損腐蝕。腐蝕磨損率依賴於磨損距離。磨損退化率依賴於磨損運動距離（length），因為氧化碎片必須經過磨損距離上的累積。大位移運動有效地將錫氧化物推到運動軔跡的盡頭。同樣原因，擺動（rocking）或轉動能加快磨損，因為碎片相對比較集中。
對錫而言，產生不可接受的接觸阻抗之前的磨損循環次數已經可以從几百到几萬。鎳在磨損次數和接觸阻抗增加方面與錫很相似。Bare和Graham報告了沒有鍍金的鈀和鈀鎳合金鍍層經過幾萬次循環之後的磨損情況。他們還報告了鍍金的鈀和鈀鎳合金鍍層經過幾十萬次循環之後的穩定性能。
如果存在不同的熱膨脹，這是連接器經常發生的情況，磨損運動可通過機械干擾或熱循環產生。考慮一下裝置於印製電路板(PWB)的連接器。印製電路板，接觸彈片與連接器絕緣本體有不同的熱膨脹係數。由於熱膨脹不同（mismatch）產生的接觸界面壓力取決于其不同的大小，溫度變化，及連接器的長度（length）。熱膨脹不同是連接器磨損運動最主要的來源。
圖3.26顯示了磨損腐蝕(因轉動而引起)發生后的錫接觸表面。圖標黑點表示錫表面典型磨損腐蝕區域。圖3.27顯示了磨損點的交錯區。圖中可以清楚看到壓損的錫和錫氧化物碎片。
圖3.28顯示了磨損腐蝕與增加接觸阻抗之間的聯繫。圖3.28的曲線通過縮微照片所顯示的腐蝕點的接觸阻抗的變化。一張氧氣穿過腐蝕點的放大電子顯微線迭加到縮微照片上，氧，表現為氧化物與接觸電阻的關係非常清楚。
假如磨損腐蝕是錫接觸鍍層主要的退化機理，那麼如何才能有效地防止或減緩這種退化呢？下面將討論這個問題。
磨損腐蝕的防止‧預防磨損腐蝕主要有兩種方法。第一種，也是最常用的方法是利用高正壓力。這些正壓力提供接觸界面較大的摩擦力以防止磨損運動。然而，增加正壓力有一個極限。當正壓力增加時，連接器插拔力和耐久性都將受到相反的影響。錫因為比較軟，有一極限耐久性且由於高摩擦係數—通常為0.7而表現出高插拔力，相對而言金的摩擦係數僅為0.3。
第二種，利用預防磨損腐蝕接觸潤滑。圖3.29說明瞭使用預防磨損接觸潤滑的功效。顯示的數據來自一個因熱膨脹不同而導致的磨損運動的試驗容器。熱循環溫度介於55到60度之間。升溫是用來加速氧化和潤滑的退化。在這些條件下，產生的運動位移大約為80微米，這是好的磨損距離。
“干錫”—干凈的錫表面—的測試數據顯示測試系統對產生磨損腐蝕有影響。它同時也表明磨損腐蝕可能是非常快的退化機理。在循環磨損數千次后，接觸阻抗按二次方的增長速度增加。此外礦物石油潤滑劑的測試數據也被列舉出來。礦物石油潤滑劑最初很有效，但是最終仍產生磨損腐蝕。該缺點與環境中的保護無關而與礦物石油本身有關。礦物石油的結構在溫度升高時從接觸界面流走並且揮發/退化。密封作用消失，摩擦磨損開始。塗有防磨損潤滑的接觸的數據顯示在摩擦循環數千次后表現了很好的抗磨損性能。經過數百次的循環摩擦之後接觸阻抗的下降是因為接觸界面被磨光而增加了接觸面積。
應該注意到除了摩擦腐蝕外，因為錫表面固有的氧化物的保護特性，錫接觸鍍層還提供了良好的環境穩定性。錫鍍層在引起貴金屬鍍層腐蝕的FMG環境中表現出很好的性能。當磨損腐蝕可以防止(通過高的正壓力來防止磨損，或者通過有效的接觸潤滑來防止氧化腐蝕)時，錫鍍層在變化的工作環境和很寬的電流和電壓範圍內能提供穩定的接觸阻抗。
錫鉛合金，連接器中主要利用下面兩種錫鉛合金：含錫鉛（93/7）合金和錫鉛（60/40）合金（或者63/37，共熔焊劑成份）。錫鉛（93/7）合金可用作可分離性連接和永久性連接，但錫鉛（60/40）合金用作可軟焊（solderable）連接。考慮成本和性能兩方面的因素而使用低鉛合金。在錫中加入鉛可防止錫須(tin whiskers)的形成，錫須是電鍍過程中固有壓力作用下形成的細小而單一的水晶狀生成物。錫須直接或通過切斷和短路其它部件而導致連接器的短路(shorting)問題。用於可分離接觸界面的錫鍍層厚度介於2.5到4微米之間，取決于其應用的方式。
60/40合金或63/37合金的應用厚度介於1到6微米之間，取決于焊接過程。因為這些合金的硬度低，易蔓延性且增加了複雜的鉛腐蝕物，所以它們一般不用於可分離接觸界面。
3.3.3 接觸鍍層的其它設計考慮
接觸鍍層其它設計考慮有兩種，兩種考慮在一定程度上已經討論過，尤其是對優點的詳細討論。即底層與接觸潤滑的應用。
底層‧兩種主要使用的電連接器底層材料是銅和鎳。如所討論過的，鎳的主要作用是作為貴金屬接觸鍍層的底層以保持表面鍍層的貴金屬特性。銅，作為貴金屬鍍層的底層不能提供相同的功能。如所討論的，銅是一種腐蝕源，銅蔓延能導致接觸表面的退化。銅在提高接觸鍍層耐久性方面也不如鎳有效。儘管存在這些限制，在不可接受鎳底層磁性的應用中銅仍然用作底層。
鎳底層的第二個重要作用與永久性連接有關，保証可焊性－－特別是為可軟焊產品提供一種活性（a shelf life）。保持可焊性將詳細討論。
成功的焊接需要錫焊劑（tin of the solder）與基材金屬襯底（base metal substrate）成份間產生金屬間化合物。因為銅和鎳與錫形成金屬間化合物適合於焊接，因而作為底層以保持可焊性。保持可焊性的全部鍍層系統包括底層和錫，金或鈀表面塗層（coating）。不同系統分別有不同的保持可焊性機理。
塗錫或焊劑的表面是可熔的（fusible）。錫塗層在焊接過程中熔化並滲入到襯底表面產生的金屬間化合物中。比較而言，金塗層表面是可溶解的（soluble），這意味着金完全溶解在焊劑里，金屬間化合物在裸露的底層形成。金塗層實質是保護了底層的可焊性。鈀在熔劑里溶解則慢得多，焊劑的結合通常是與鈀形成。
焊劑（solder coatings）在保持其可焊性方面更加有效，就象其花費更少一樣。因為它們是焊劑而沒有引入新的退化機理。而另一方面，金則引入了新的退化機理，兩種情況都是因為錫-金金屬間化合物的形成。金-錫化合物易碎而降低了焊接的機械強度。熔化的金-錫化合物在焊液里的累積將最終降低焊接過程的有效性。因為這些原因，焊劑塗層是確保可焊性的更好方式。
焊接過程產生金屬間化合物是必要的，但金屬間化合物本身不是必須可焊的，且過量的金屬間化合物會產生可焊性問題。室溫下金屬間化合物的增多可能導致可焊性降低並有可能提高接觸電阻。銅-錫間化合物比錫-鎳間化合物增加得更快。
許多銅合金是可焊的，且底層可以增強可焊性，尤其是鍍在黃銅基材金屬表面。黃銅表面需要底層以防止鋅的蔓延，但這也可能降低了可焊性。
接觸潤滑‧接觸潤滑常完成兩種不同的功能：
．減小摩擦係數
．提供環境保護
減小摩擦係數有兩個益處。第一，它減小了連接器的配合力（mating forces）。第二，它通過減少磨損而提高了連接器的耐久性。
接觸潤滑通過形成“密封”阻止或減緩外界環境進入接觸表面而能夠提供環境保護。對錫接觸鍍層而言，接觸鍍層的首要功能是在防止磨損腐蝕方面提供環境保護。預防磨損潤滑可以減小摩擦係數，但並非其主要目的。事實上，如果潤滑不能有效防止氧化，摩擦係數的減小可能增強磨損腐蝕。摩擦係數的減小因為減小了機械穩定性而使接觸界面更容易受到磨損。在沒有潤滑存在的接觸移動中不會產生的干擾可能產生潤滑性接觸的移動。
對貴金屬鍍層而言，接觸潤滑是為了減小摩擦係數和提高連接器的耐久力，但是，伴隨提供環境保護重要性的提高，提供環境保護成為有益的附加功能。
幾個與接觸潤滑相關的考慮值得注意。對有效潤滑而言，其在接觸界面數量必須足夠。測量和監測（monitoring）潤滑的存在是很困難的工作。
連接器可能伴隨有適當的潤滑出售，但是組件過程（特別是，焊接或柱焊的清洗（post soldering））可能移走潤滑劑。因而，需要第二次補充潤滑劑。
潤滑劑可能收留粉塵，如果在粉塵或污染環境中應用，可能會出現接觸阻抗和耐久性問題。最後，潤滑的適用溫度可能限制它的應用。
潤滑潛在的益處—減小配合力，提高耐久性，和在環境中的保護—是非常需要的，但是在評價接觸潤滑對給定應用的連接器的總的效果應考慮所提到的限制。
3.4接觸鍍層選擇
選擇適當的接觸鍍層決定于其應用所考慮因素的數量。包括：
．配合需要
．應用環境
．線路需要
貴金屬鍍層與普通金屬接觸鍍層的區別在於其所考慮的每一性能。為了簡單，以金作為貴金屬的代表，而普通金屬的代表則為錫。
為了為接下來的討論提供一個背景，一些通常的註解是有用的。因為貴金屬鍍層比錫鍍層更低的正壓力要求，更高的天然耐久性，及更低的摩擦係數，在配合需要方面它們的應用更加廣氾。因錫的硬度低，錫接觸鍍層需要高正壓力來儘量減少潛在的磨損腐蝕且其耐久性較差和摩擦係數較高。最終的效果是錫鍍層的耐久性較差而配合力較高。
所有的接觸鍍層在毫伏到伏和毫安到安的一定範圍內都能提供可靠的性能。金與錫的區別在於阻抗的穩定性。磨損腐蝕也是主要的區別。產生于磨損腐蝕過程的阻抗變化能夠導致在信號線路中產生噪音和在高電流應用中熱散髮的可能性。金接觸鍍層在很寬的適用條件範圍內有助于保持接觸阻抗的穩定。
應用環境必須考慮機械、熱及化學環境。機械因素，如振動，影響連接器所需的機械穩定性。接觸界面的移動將導致錫鍍層的磨損腐蝕和使金鍍層易存在外來的腐蝕物或污染物。熱環境通過不同的熱澎脹引起接觸界面的移動而達到相同的結果.然而，高應用溫度—大約105度—可能會因擠壓松馳而使正壓力降低。這種正壓力的降低，錫比金表現得更隱蔽。由於本章其它部分討論的外來腐蝕的各種各樣的來源，環境腐蝕對金鍍層有很大的影響儘管金具有很強的固有的抗腐蝕能力。錫除了磨損腐蝕外，由於原有的表面氧化物而表現出很好的抗腐蝕能力。
下面的討論將更詳細地考慮上述各個考慮因素同時指出金、鈀、鈀鎳合金及錫鍍層之間的一些區別。
3.4.1配合要求
兩種配合要求必須考慮：連接器必須承受的循環配合次數和連接器配合要求的壓力（配合力）。如第一章所提到的，連接器要求的循環配合次數取決于相互連接的層級。第2到4級連接典型的要求僅僅是几十次的配合循環。第5和第6級連接，因為它們提供輸入/輸出功能，可能需要更高的循環配合次數。另一方面，配合壓力顯示出相反的趨勢。第2和第3級通常要求考慮最大的配合壓力，因為這些層級的連接pin數傾向于比第4到第6級連接的pin數高得多。插座和兩件式板對板連接器其pin數各自可能從400到超過1000。而几十到一百的pin數在第4到第6級連接中更為典型。
接觸鍍層及耐久性‧影響接觸鍍層耐久性的主要因素是鍍層的硬度及其摩擦係數。貴金屬鍍層具有比錫鍍層更高的硬度和更小的摩擦係數，因此貴金屬鍍層固有的耐久性也比錫鍍層高。
耐久性不僅依賴於接觸鍍層，還與下列因素有關：
．接觸正壓力
．接觸幾何形狀
．接觸長度
．潤滑
．鍍層厚度
除了鍍層厚度以外，其它因素在第二章均已經討論過並將在第六章繼續討論。本節重點是討論接觸正壓力，因為接觸鍍層的選擇決定了連接器所需要的接觸正壓力。其它因素對貴金屬及普通金屬鍍層來講具有相似的影響。另外，鍍層厚度對耐久性的影響也應該注意。
如前所述，錫鍍層比金鍍層需要更高的正壓力來儘量減小磨損腐蝕的可能性。為了提供機械穩定性，鍍錫連接器的正壓力通常在200克力以上，比較而言，金鍍層連接器只需50克力左右的正壓力即可保証其接觸穩定性。當耐久性的需求很重要時，耐久性隨着正壓力的增加反而降低的事實使金鍍層相對於錫鍍層的優勢更加明顯。
貴金屬鍍層耐久能力的差別並不是很明顯，在3.3.1節，應該注意到貴金屬鍍層的相關特性，按遞減順序，為鍍金的鈀鎳合金層，鍍金的鈀及金鍍層。按這樣的順序，可以想到貴金屬鍍層是鍍在鎳底層上。
另外，鍍層的耐久性取決于鎳底層的厚度及其硬度，這些相互作用使得很難超過一般順序得到連接器耐久性的確切值。
理所當然地可以說接觸鍍層的耐久性取決于鍍層厚度，但這種耐久性與鍍層厚度的關係也取決于前面提到的鎳底層的材料性能，所以耐久性—厚度關係不可能是一直線。
有效的接觸潤滑能通過兩種方式減少貴金屬鍍層的相對差別。潤滑結果也能減少耐久性的差別。另外，能提供環境保護的潤滑劑能減少固有腐蝕敏感度方面的差別。
影響耐久性的幾何參數上面已經列出。連接器的設計在這些方面變化很大。接觸幾何形狀和接觸長度的主要影響是各自的磨損區域和磨損軌跡長度。所有這些對比的最終結果是連接器的耐久性根據試驗的方法已被最可靠地評估出來。
接觸鍍層和配合力‧配合力取決于以下幾個因素：
．接觸正壓力
．接觸幾何參數
．摩擦力
．潤滑
接觸鍍層是通過影響接觸所需正壓力的大小亦即通過影響由摩擦係數決定的摩擦力的大小來影響配合力的大小的。先前已經指出，由於金鍍層比錫鍍層具有更低的正壓力要求和更低的摩擦係數，因此金鍍層比錫鍍層具有更低的配合力。通過使用接觸潤滑可使摩擦係數的不同在一定程度上能得以改善。貴金屬鍍層的間區別很少用配合力而是用耐久性來表示。
注意到接觸配合力和更重要的參數─連接器配合力的不同是十分重要的。當然，連接器配合力不僅依賴於每個接觸接觸時的配合力，也包括連接器絕緣本體以及連接器各部分的緊固力的影響（alignment of the connector halves）。連接器的配合將在第六章更為詳細的討論。
．總結．
當應用需求包括高耐久力和高pin連接，那麼貴金屬鍍層是首選的。有薄金層的鈀（20％）鎳（80％）合金鍍層能提供最高的耐久力，接下來是有薄金層的鈀鍍層和金。錫鍍層，因為其固有的低硬度和需要較高正壓力來減少摩擦腐蝕的可能性，故錫鍍層與貴金屬鍍層相比表現出有限的耐久性和較高的配合力。高配合力要求限制了具有錫鍍層的連接器的接觸pin數。
3.4.2 應用環境
在應用環境這個標題上要考慮以下幾個因素。包括有機械環境，除了配合條件，還包括振動和磨損；熱環境方麵包括溫度和溫度波動；化學方麵包括濕度以及一些潛在的腐蝕如氯化和硫化腐蝕。應用環境的每個方面都會對接觸鍍層的選擇產生影響。
機械方面‧雖然機械配合是作用在連接器上的最常見的機械壓力，但在連接器的整個有效期內還會受到許多潛在的干擾。機械衝擊和振動是必須要考慮的其它因素。連接器暴露在許多潛在的衝擊和振動源中。然而，無論什麼樣的原因，所關心的效果是因為干擾而產生的對接觸界面的壓力是否足于導致連接器兩部分的相對移動。如果產生這樣的運動，它們能常被限於一定的範圍而歸屬於磨損的一種。磨損有兩種令人擔憂的結果：磨損損耗和磨損退化（fretting wear and fretting degradation）。磨損損耗是指在第二章中所描述的磨損過程，產生的結果是接觸鍍層受損。磨損退化包括摩擦腐蝕（fretting corrosion），相關的錫、鎳、鈀鎳合金以及摩擦聚合物，相關的鈀。
注意到潛在的磨損損耗是很重要的，因為它能引起鍍層的穿透性磨損。連接器期望達到的預測配合循環次數不僅僅是連接器磨損方面的唯一因素，這種考慮使得薄鍍層重要性增加，例如鈀、鈀合金和鎳鍍層外面的薄金層。因磨損所引起的薄金層的損失會導致底層的鈀和鎳裸露出來。換句話說，鍍金的鈀和鈀鎳合金對磨損退化機理是很敏感的。而對鈀來說，摩擦聚合物的形成則是其主要的退化機構。鈀鎳合金或鎳的磨損腐蝕是通過氧化作用發生的。鍍有薄金層的鈀和鈀鎳合金鍍層已被許多調查者評價。大多數而不是全部的研究，已經報告過它的穩定性能。鎳鍍層表面金薄層的使用是近期的事，所以這段時間幾乎沒有什麼証明經驗。但是，可以肯定的是這些鍍層金屬對摩擦腐蝕非常的敏感。還應該注意到，暴露底層金屬的其它機理的存在。例如：不完全的鍍層，鍍層的損坏如刮擦。
總而言之，與機械環境相關的主要論題與磨損損耗及磨損退化有關。錫鍍層對磨損退化是最敏感的。然而，金鍍層的選擇應該考慮到這些機械性的影響。
熱環境．熱環境存在兩個主要因素：應用溫度和熱波動。絕對溫度能導致大量潛在的退化機理。熱波動的主要影響是因為熱膨脹的不同而經過的潛在性磨損。
重要的可能性敏感溫度的退化機理包括腐蝕，擴散和金屬間化合秀的形成。腐蝕率一般隨着溫度的升高而加快，儘管溫度對水份的吸附效果能減緩這種作用。擴散速度也隨溫度的升高而加快，結果能產生表面膜。如圖3.4所示。
金屬間化合物（IMC）的形成對錫鍍層是很重要的。金屬間化合秀的形成速度隨溫度升高而加快。如果金屬間化合物的形成消耗了錫而在接觸面上的該點形成大量的金屬間化合物，那麼接觸電阻可能受到影響。一般來說，保留在表面上的錫，能提供有效的接觸。圖3.30中的數據對此作了描述。圖3.30顯示了一個3微米厚的鍍錫銅（tin-over-copper）以軟金探針所測得的接觸阻抗隨壓力的曲線。數據在可接受的條件下顯示，一是增時處理使錫轉化為錫化合物，二是增時處理和腐蝕后。IMC阻抗的增加超過了可接受條件下的值但但它對許多應用是合適的。雖然增時處理的時間足于完成從錫到金屬間化合物的全部轉化，但通常仍能發現殘留在表面上的錫。如果表面被腐蝕物取代，金屬間化合物本身的接觸導致接觸阻抗的額外增加。
總之，熱環境能導致腐蝕退化，它也能影響貴金屬的腐蝕速度和潛在地影響錫鍍層的金屬間化合物的生成。
化學性‧化學環境包括濕度及一系列可能的腐蝕種類，如氯，硫和氧。氯和硫對於貴金屬鍍層特別重要，而氧則對錫鍍層很重要。如先前所提及的，錫氧化物對錫提供了來自于在其它腐蝕源(source)的腐蝕保護。
濕度對腐蝕率和腐蝕物水合度的影響是令人擔憂的。經驗也表明，濕度變化能影響腐蝕機理和腐蝕率。
貴金屬的腐蝕機理在3.3.1節中已經作了討論。為了更加完整(for completeness)，對貴金屬鍍層而言，應該注意到主要的腐蝕機理隨環境成分特別是氯和硫的含量(content)的變化而發生變化。隨環境惡劣程度(in severity)的增加，主要的退化機理由多孔腐蝕變化到腐蝕擴散(creep)。正如前面所說的那樣，移動類型以銅－硫腐蝕物出現。
對於錫鍍層，由於氧在磨損腐蝕中的作用，氧是主要的反應(reactive)類型。由於錫氧化物固有的保護特性，所以錫在FMG環境中性能良好。
總結‧總之，應用環境的考慮表明瞭接觸鍍層選擇上的不同權衡，取決于化學方面，熱，或是與腐蝕相關方面，何者占支配地位。在惡劣的機械環境里，因為磨損腐蝕而限制了錫的使用。但是，磨損損耗的可能性，磨損退化的產生，在惡劣的條件下不應該低估。高溫環境要求對錫金屬間化合物的產生和對影響貴金屬鍍層的蔓延/氧化的考慮。腐蝕考慮對貴金屬和錫來說是不同的。而且，磨損腐蝕主要涉及到錫。隨惡劣條件的增加，貴金屬的腐蝕機理會隨環境從孔隙腐蝕轉變為擴散(creep)腐蝕。
3.4.3電路需求
從一個基本的觀點出發，如果能創建並保持一個金屬接觸界面，那麼在一個大電壓和電流範圍里的接觸鍍層間的功能(finishs with respect to their functionality)沒什麼不同。在這樣的條件下，因硬度和阻抗係數的差別產生的阻抗的變化是相對較小的。鍍層間的不同在於阻抗的穩定性，即接觸界面對於應用條件下退化的敏感性(sensitivity)。自然地，對比羅簡單的描述有幾個限制因素。
電壓‧在電連接器上，除了電能的應用，電壓相對很低──只有几伏特。金屬間的接觸界面將以奧姆來衡量，即電壓與電流間的關係是線性的，其斜率由系統阻抗決定。只有當接觸界面不完全是金屬接觸面時(cease to be completely metallic)，也就是說，當它們開始退化時，電壓的影響才顯現出來。在這種條件下，電壓可能允許薄膜的電性中斷(breakdown)並由此而建立或重建一個較低的接觸阻抗，這一現象有時稱作自我復原（self-healing）。不幸的是，這種阻抗容易變化並且不可恢復，這也是為什麼薄膜的機械破坏和薄膜形成的避免對電性中斷是首要的。Wagar和Holm提供了電性薄膜中斷特性的討論，主要概括在2.3.2小節中。
本討論目的關鍵點是導致中斷的必要電壓和的和因此產生的高變化性阻抗。電壓的變化源自于薄膜結構本身的易變化性。厚度，組成和結構都依賴於薄膜形成的環境。阻抗的變化性產生于因為中斷引起的導電區域取決于中斷時間里電流的流過的事實。
Bock和Whitley提供了有關磨損退化的電流及電壓決定條件的証據(evidence of this cu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)。
電流‧正如第一章所述，針對電流有兩種基本電性應用：信號和電能。對於信號應用，典型的電流通常低於1A。而電能應用則可能需要几十甚至上百安培的電流。
對於信號應用，在可能引入系統的噪聲或者數字式應用上可能的數據丟失方面，接觸鍍層退化的影響及在隨之而來的接觸阻抗的變化是非常重要的。Abbott和Schrieber研究了這一影響，而且Abbott是針對磨損腐蝕來考慮。根據這些著作，發生數據丟失的可能原因是，隨接觸阻抗的退化所產生的瞬間開路趨勢的增加。在可引起貴金屬鍍層磨損腐蝕的條件下，也可以得到類似的結果。
在典型能量應用更高電流下，由於高電流下而產生的焦耳熱和紅外線，會導致額外的考慮。兩個單獨的(separate)問題值得討論：(a)什麼因素決定鍍層所能承受的最大電流。(b)高電流時，接觸阻抗的退化有什麼影響。
接觸鍍層所能承受的最大電流由接觸界面的溫度所決定。接觸界面溫度反過來又取決于產生的焦耳熱與從接觸界面到接觸彈片散熱的平衡。熱量的產生取決于鍍層阻抗係數和阻抗係數隨溫度的變化率。而散熱取決于熱傳導率和熱傳導率隨溫度的改變率。這些反應可能相當複雜，就象Williamson所討論的那樣。
為了本討論的目的，注意到每一個鍍層在其熔化時都有一特征電壓，特征電壓的大小，及依據前面提到的相互作用所能達到的比率就足夠了。對於金，銀和錫鍍層，各自的熔化電壓分別是430，370和130毫伏。
在實際上，通過接觸界面的電壓下降由電流產品(product of the current)和接觸界面阻抗所決定。At a first cut，熔化電壓能被用來指示鍍層的電流容量，其公式如下：
Vm=I*Rc (3.2)
其中 Vm==熔化電壓
I==電阻為Rc且即將發生熔化時的電流
Rc==接觸界面阻抗
在第二章已經討論過，Rc取決于鍍層和接觸壓力。對於一個確定的接觸阻抗，通過熔化電流的減法，最大電流能夠被確定。恆定的電流容量一般由溫升條件所決定，而溫升條件又取決于接觸阻抗的大小，這一點將在第十二章中討論。
按這個標準，錫具有低電流容量，然而金和銀卻是相當的。鈀和鎳則具有更高的熔化電壓，但是它們所擁有的高阻抗和低效熱傳導性能制約了這一優點。
對於高電流應用，銀由於自身的低電阻抗和高效熱傳導性能而佔有優勢。在電能接觸中，銀的弱點，污點和移動趨勢並不重要。電能接觸的典型的高壓力(high forces typical of power contacts)使污點的影響降至最低。巨大的尺寸，分離和通常典型的電能應用接觸間的絕緣減少了移動反應。
接觸阻抗退化在高電流性能上的影響是明顯與前述討論有關。這樣的退化更進一步促進了接近熔化電壓。以這樣一個觀點，鍍層對退化相對的反應有更大的影響在電能應用的鍍層選擇上。再次，錫由於自身的低的熔化電壓和對磨損腐蝕的反應poses最大的危險。
電路參數綜述．在理論上，金屬間界面對電流和電壓沒有反應，但接觸界面的退化連同接觸界面阻抗的變化引入了一系列的考慮。
3.5 接觸鍍層概述
合適的接觸鍍層的選擇包含了使用和功能需求的考慮。例如，由於對錫的高的接觸壓力需求和在裝配壓力及磨損的共同影響，高接觸數量，高適配循環需求決定了貴金屬鍍層(參見表3.1和表3.2)。環境考慮是複雜的，包括在貴金屬鍍層上的多孔性和在錫鍍層上磨損退化的可能性之間的權衡。考慮一個確定的應用，合適的鍍層是在性能與可靠性間的“最好”的折衷。
表3.1 接觸鍍層的接觸壓力需求
鍍層 最小接觸壓力(g) 評價
金 25 最小值由機械穩定性和污染物的轉移所決
定。尤其是零接觸壓力(zero-force)條件必須
極力避免。
鈀 50 由於接觸反應的作用表面薄膜的可能性。
此外，金的評價也適用。
金-鈀或 50 薄金表面將是多孔的，所以需要使用鈀。
鈀－鎳
錫 100 100g是最小值。更高的值可用來解釋磨損
腐蝕。但必須提供機械穩定性。
銀 75 必須解釋表面硫化膜。如用作電能接觸則
可能需要更高的壓力。
鎳 300 更高的硬度需要更高的壓力來確保破坏薄膜。
表3.2 接觸鍍層的鍍層，硬度，延展性及摩擦係數
鍍層 硬度(Knoop) (%) 延展性範圍 摩擦係數常用值
純金 <90 7-10 0.5->1 0.7
鈷金 130-200 <1 0.2-0.5 0.3
鈀 200-300 1+ 0.3-0.5 0.3
金-鈀或鈀-鎳 200-300 1+ 0.3-0.5 0.4
銀 80-120 12-19 0.5-0.8 0.6
錫
粗糙度 9-12 20 0.6-1.0 0.8
亮度 15-20 3 0.4-0.6 0.5
93-7 9-12 17 0.5-0.8 0.6
雙列直插隊 0.2-0.8
直插封裝
鎳 140-400 5 0.5-0.7 0.6
