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连接器手册 

第二章 接触界面及接触过程
 
  在 章已说过,接触界面的微观结构决定了电连接器的电子性能和机械性能。例如,可分离接触界面和 性接触界面的电阻值和插接力以及耐久性都依赖于接触界面的微观结构。因些,有关接触界面的的基本结构和接触界面形成的过程的知识对了解接触界面对连接器的一些重要性能特征的影响是很必要的。这些知识,反过来,又会帮助理解界面的设计和制造界面的材料对创造和维护确实可靠的连接器特性的影响。下面的讨论将主要针对可分离接触界面,但是,这些相似的讨论也与 性机械接触界面有关。
 
2.1接触界面的形状
  如前所述,当把插头插入插座孔时,接触界面就产生了。威廉先生提供了一份说明界面产生过程的详细数据。
  有时候,根据连接器和地球外表的相似点,使连接器接触点 (a-spots) 具体化是很有益的。事实上,乡村确实提供了一种非常有用的典型连接器接触界面的拓朴模型。山丘高度与山丘间距离的比例和连接器接触表面的微观拓朴模型是相当相似的。两者之差异大约在 1% 10% 之间。根据轮廓测定法 (profilometric) 和语义学 (SEM) 原理绘出的详细的连接器表面图与普通的地球轮廓图是相当相似的,而且把两个导体压在一起,就象把美国的佛蒙特州翻过来盖在英国的汉普夏郡,比例是 1 3 000 000
  这个模拟例子阐述了关于接触界面构形的凸凹面的重要性,并且介绍了微观接触界面的形状,图 2.1 描绘了这种微观接触界面的形状。实际上,只有接触界面的高点,即微观凸面,能够相互接触。这些微观凸面被称为接触点。虽然它还受其它因素的影响,但是接触点的数量取决于接触面的粗糙度,这一点以后将详述。由于尺寸太小 ( 微米数量级 ) ;即使在“板对板 阶段,在一克力的作用下,这些接触点也会因发生塑性变形而被破坏。这个破坏要持续到一个足够承受施加负荷的接触表面形成时。威廉和格林针对这一问题作了详细的讨论。
  从应用的角度看,上述讨论暗指实际接触界面的大小仅取决于施加的负荷。对于一个连接器来说,该负荷对应于接触正压力。对于典型的连接器,接触界面仅有一小部分 (1 ﹪左右 ) 是接触的。
  接触正压力决定接触面积,但如何分配这些接触区域则取决于接触界面的几何形状。如图 2 所示,球面接触将形成无数个圆形接触点。
  因些,接触界面的构形依赖于接触界面的粗糙度,该接触界面的粗糙度又影响接触点的数量、施加的负荷 ( 该负荷影响接触面积 ) 和接触界面的几何形状 ( 该几何开关又影响接触点的分布 )
  接触点的数量与接触界面的依赖关系是合理的,下面将作进一步说明。按照威廉和格林的观点,初始表面粗糙度决定接触点的数量,但是有多少接触点能接触却依赖于施加的负荷。连接器表面开始接触时,只有 的接触点能接触导通。这些一开始就接触的接触点的变形使得接触界面越来越相互靠近,这样,其它比一开始就接触的接触点稍低的接触点也逐渐实现接触导通。随着负荷的增加,这样的接触点将依次变形。当足够数量的接触点变形到某一程度,即,当所有接触点面积之和足够支承施加的负荷时,这种变形便停止了。如果引用一个硬度的概念,那么,对这个过程就可进行直观的描述了。材料的硬度是用力和单位面积比来定义的,例如克力每平方厘米。也就是说,如果某材料的硬度是 10 克力每平方厘米,那么一个 10 克力的负荷或力将产生 1 平方厘米的接触面积。那么,接触点的数量就依赖于表面接触点和施加的负荷。
  接触界面的宏观几何外形 ( 例如球面与平面平面接触 ) 决定了机械接触面积在整个接触面积中的分配方式。图 2.3 描述了影响的过程,该图用实例说明了当外载荷增加时,接触点的尺寸和数量也相应地变化。
  摘自 Green Wood 的图 2.4 提供了一个上述观点的实验依据,该实验显示,当一个钢球分别用两种不同的载荷,如 20 克力和 80 克力去挤压一平面时,两者的接触界面就产生了。该实验表明,在载荷作用下,接触点的数量、单个接触点的尺寸,以及由无数接触点组成的宏观接触区域面积都将相应地增加,这一结果与上面的论述完全相符。
  接触界面的粗糙度或接触点模型可以描述如下:
接触界面是由分布于宏观接触区域上的接触点组成的。宏观接触区域的大小取决于接触界面的几何外形。接触点的数量和大小处决于表面粗糙度和负荷。负荷也决定了接触界面的光洁度。
  这种模型描述了接触界面上的机械构形,但是它仅仅从微观上描述了接触界面的外形。然而,考虑精炼炉的细微表面,甚至其表面的原子或分子结构都是非常重要的。所有的金属表面都覆盖着一层原子数量级的薄膜。图 2.5 简要地表达了几种可能覆盖于金属表面的薄膜。在金属表面的最外层可能是大量的化合物薄膜。氧化物是最常见的一种,其它物质 ( 如:硫化物、氯化物以及复合膜 ) 也可能存在,这是由金属材料和金属暴露环境条件决定的。不同金属的热力学性能和运动学性能差异很大,热力学性能决定生成何种薄膜,运动学性能则影响薄膜的生成快慢。
  如果考虑接触界面镀层的话 ( 这一点将在第三章论述 ) ,那么上述薄膜对连接器性能的影响就显得相当明显了。事实上,如 章所述,接触界面的镀层可以分为贵重元素 ( 不易发生化学反应的元素,如,金 ) 和非贵重元素 ( 如,锡,该元素表面通常有一层薄薄的氧化物层 ) 。因此,可以认为:生成化学膜的类型以及生成速度都依赖于基材金属和环境中的化学物质。除了化学物质以外,环境温度和湿度也在薄膜生成时扮演了重要的角色。
  除了上述化学膜以外,其它复合膜 ( 特别是含水量、组织以及各种各样的其它污染物和微粒 ) 也可能存在于金属外表。这些复合膜也可能对连接器的机械和导电性能产生很大的影响,这一点将在以后阐述。
 
2.2接触界面和机械性质
  本部分主要讨论点接触模式决定的接触界面的机械特性,尤其是对摩擦和磨损的影响。从连接器性能的角度来看,摩擦的重要性在于它对于连接器配合力的和接触界面的机械稳定性的作用。在连接器性能显然退化之前,磨损过程将影响连接器能经历的配合周期次数。点接触模式对摩擦和磨损的作用可以由图 2.6 中得到解释。在图例中展示了两种点接触方式,其中 a 区接触时间比 b 区接触时间更长且经历的变形量更大。如 2.2.2 部分中所述,在这些条件下 a 区的接触面积将大于 b 区,也就是说 a 区的连接将会更比 b 区稳固。此时 a 区的剪切力 ( 或剪切强度 ) 也比 b 区大。这种变化将会影响点接触的摩擦和磨损。
  为预测将会遇到的问题,摩擦和磨损是两种不同的方法,来描述点接触界面在受到压力之下的分离。接下来的讨论仅仅涉及到单一点接触模型。当然接触界面的性能将会影响多个的点接触结构以及由各个独立的点接触性能总和表现出来。此时将首先考虑摩擦作用的影响。
 
2.2.1 摩擦
  摩擦表现为一个力量,其作用是阻止两个接触表面之间在受到剪切力的作用下沿相对的方向移动。摩擦力可以由公式 2.1 来确定:
        Ff= μ Fn                   ( 2.1        
其中,  Ff== 摩擦力
        μ == 摩擦系数   
          Fn== 维持两表面接触的力 --- 对连接器而言是接触正压力
  由 Rabinowitz 的理论,摩擦力可看作是分离两表面间连接的必需力量。摩擦力可以从下面公式中,由接触界面强度而进行简单的估计:
             Ff= τ s Ac                    ( 2.2
其中,  τ s== 剪切强度系数
      Ac == 点接触面积
接触区域与硬度, H( 接触高度 ) ,以及由等式 (2.1) 中的力 Fn 有关:
                Ac = κ H/Fn                                2.3
比例常数κ由很多参数而定,例如表面镀层的作用,润滑的状况,表面粗糙度,接触正压力以及变形的种类 ( 弹性 / 塑性变形 ) ,由此,我们将公式 (2.1) 与公式 (2.3) 合并后可得到:
               μ = κτ s H                           2.4
  如 Rabinowitz 所提出的,剪切强度和硬度同样要由材料的性质来决定,因此公式 (2.4) 中的系数可以被看作为 1 的常数。
  在实践中,摩擦系数是从 0.05 >1 不等,与理论上的偏差仅仅反映的了假设的简化模式的限制,尤其是接触总面积是金属以及表面的分离产生在原来的接触界面上。
  低的摩擦系数值表明接触表面是由镀层覆盖的,其中有化学联接层 ( 如氧化物 ) ,吸收层 ( 如水或有机物 ) ,以及趋向于应用的润滑剂层。这些涂层对于减少这两种机械接触表面的剪切强度都是非常重要。
  位于接触端的氧化层可减少金属接触面积。氧化层能支持但并不能促进机械式的金属接触。减少金属接触面积将导致剪切力的降低,其最终的结果是摩擦系数的减少。
  有机涂层尤其是润滑剂,提供了在两表面间具有更低的剪切力的接触表面和 inhabit 金属接触层,尤其是两表面之间具有相对运动。
  高的摩擦系数表明,点接触的塑性变形作用和金属性连接的产生,将会导致比基础金属材料更高的剪切强度。应用到接触界面上的剪切力将会导致在接触界面上一定距离内接触碎片的产生,此时将会导致更大的碎片接触表面积同时也将导致更的摩擦系数。使连接的碎片从原来接触表面中分离出来的可能性提供一种磨损过程的模式。
 
2.2.2  磨损过程
  正如 Bowden 以及 Tabor 所提到的,摩擦和磨损过程要由接触表面的分布位置而定。如前现所提到的,点接触塑性变形将会由于加工时的变硬而导致接触强度的增加。除了加工变硬之外另外一机理同样很重要:也就是冷焊。冷焊与经过接触界面联接的产生有关,而此接触界面是出现在两金属表面将成为 intimate 接触时。 在此条件下,相同的联接机理将对金属的粘着力量起到作用。事实上冷焊界面的强度高于基础金属,这是因为变形时产生加工硬化。这种可能性对在受到剪切力作用下的接触将会产生很大的影响,也同样要对磨损机理产生影响。现在回到图 2.6 中的 a- 区域,考虑一下当给定冷焊接触界面的模式时接触界面的分离怎样出现。在剪切力的作用下假定 a- 区经过了冷焊,将会从原来的接触表面中分离出去,导致磨损碎片的和金属转移,此时情况如图 2.6 中的下部所示。 b - 区部分具有较低的变形,因此也具有较低的冷焊时的加工硬化,也将会在原来接触表面的附近产生微小的分离,也就是说基本上没有磨损和金属转移。
  前述提到的磨损过程中, a 区为粘着磨损而 b 区为光滑磨损。粘着磨损的特性是高的摩擦系数和在两界面间出现金属转移,而光滑磨损过程是低的摩擦系数和极少的金属转移。应当注意到磨损是一个动态的作用过程,它只是当两接触表面间有相对的运动时才会产生。在此运动过程中,连接增长和 prow 成形将会随着大量的接触界面的形成和分离而出现,此时的结果将是磨损过程分布在其滑动的轨迹上。粘着磨损和光滑磨损轨迹上表面分别是粗糙和光滑的,此时可从相对的金属转移量而定。
  同样应当注意的是,如果 a- 区分离产生的转移磨损部分,将会在接触界面上产生如研磨一样的作用,这是由于它将产生的加工硬化,这里也就提到了第三个磨损机理:研磨磨损,如 Antler 所提到的,研磨磨损将会导致接触界面的磨损率的增加。
 
2.2.3 表面薄膜的摩擦和磨损
  表面膜对摩擦力及磨损的影响可通过分析图 7 加于讨论,图 7 大致显示了摩擦力系数的变化, µ ,作为随负载变化的函数。负载变化开始及其存在的范围依赖于表面膜,构造或化学接合和表面润滑状况。摩擦系统数随负载的变化能从小于 0.1 到大于 1.0 。据等式( 2.5 )显示,磨损系数κ,有相同的变化趋势,但因为磨损机理的变化其变化阶数很大,例如,接合处增大与凸头的形成。
  首先考虑摩擦。低负载状况下,氧化物的破损与脱落是不完全的,只有一小部分金属接触面产生及粘附,导致低摩擦系数。随负载的增加,表面变形增加,从而使表面氧化物破裂十分容易。随金属接触面的增大,摩擦系数亦跟着增加。最终,金属接触面变得很大,摩擦系数稳定下来。
  相似的情况在磨损系数变化中也可以见到。磨损系数可由一简单的破损等式确定:
          v= κ Fn L/H                        2.5
此处 v== 通过单程长度 L 的容量
     H== 硬度
     Fn== 负载
     κ == 磨损系数
  在该状况下,如前面所述,磨损系数集中于破裂的连接处。低负载情况下,小接触面积及极小的冷焊导致小连接处增大及凸头形成,并伴随小的磨损在原始接触面附近发生分裂。负载超过一定范围,磨损系数依赖于两种材料特性与接触形状,通过接触增大与凸头形成,表面薄膜破裂的增加促进了冷焊的形成和导致粘附性磨损的增强。随这种磨损机理转化的产生,磨损系数便显著发生变化。变化负载也依赖于接触面的润滑状况,是因为在滑动期间润滑对接触形成动力的影响。有效的润滑可减少与摩擦系数及磨损系数二者有关的金属接触面。 Antler 建议,对硬金属接触面而言,由光滑磨损向粘着摩擦变化所需的负载,无润滑接触面大约需要 10 克力,而有润滑的接触面则超过 500 克力。通常金镀层电连接器的正压力范围从 50 克力到 200 克力,暗示了使用润滑可延迟粘着磨损的发生。但是,该情况并非必定出现,因为在前述期间全部接触表面形成了污染膜 。这些污染物能提供表面润滑,虽然是以污染的方式。 Antler 指出这些偶然被污染的接触面可承受的负载范围大致为从 25 克力到 250 克力。为确保一致的低磨损状况,有计划的润滑是有益的。接触润滑将在第三章讨论。
 
2.2.4  机械特性小结
  接触面的机械性能,尤其是摩擦及磨损,强烈依赖于接触面粗糙微结构,因为这些粗糙微结构很小,它们在较小的负载下发生弹性形变而导致微结构接触面的工件硬化及冷焊的发生。接触点,接触点的破碎决定了接触面的摩擦系数及磨损系数。摩擦系数影响接触面的配合力和电连接器接触面的耐磨损持久性。
 
2.3接触面形态及电气特性
  影响摩擦及磨损的相同结构及薄膜决定了接触面的电气特性。简单而言,本讨论从金属接触面开始,薄膜的影响将在后面考虑。
  两个金属面接触产生一电阻,术语称之为接触面压缩电阻,压缩电阻产生的根源,如 Holm 所描述,是一个基本的结果并可通过图 2.8 加于说明,接触面接触点微结构使电流被压缩为仅从接触点通过,因而会产生“压缩电阻”这一术语。根据 Holm 所述,对单一接触点来说,压缩电阻由下式确定:
        RC= ρ 1/2 α + ρ 2/2 α              ( 2.6
此处    ρ 1 与ρ 2== 接触材料的电阻系数
               α == 接触接触点的直径
  如果两种材料相同,( 2.6 )式可简化为:
          Rc= ρ / α                           ( 2.7
  应该注意的是压缩电阻是一种几何形状上的效果。这就是说,如果如 2.8 图所描述的几何形状是因为在实心原料上加工一细小凹槽而形成接触点,尽管没有接触面存在仍有压缩阻抗产生。流过变小了的通过面的电流的压缩是因为接触面结构的相互独立。这种接触面构造能够导致阻抗的增加超出根据式( 2.7 )所得出的结果,例如薄膜,但是减少压缩电阻的 方法是增大接触面积。
  为了本讨论的目的,多个接触点及它们接触电阻的分配对总接触电阻的影响可由图 2.9 说明。插入的等式表明分布在同一接触面的单一接触点和多个接触点的压缩电阻依赖于其接触面的几何形状。而多点接触等式与通常接触表面更为相关:
          Rc= ρ /n α + ρ /D                      2.8
    此处     == 接触点的个数
          D== 接触所分布平面的直径
  该等式表示一系列宏观压缩电阻的合成决定于各个接触点的微电阻以及这些接触点所分布的接触面积。图 2.10 说明了这两种作用。 条件明确了并行排列的多个接触点的阻抗。对金属导体而言,这种情况的电流压缩与接触面非常接近。第二个条件则表明了电流压缩通过分布接触面的结果。等式( 2.8 ),可清楚表明,当接触点的接触数目非常大(数以十计)时,第二个条件尤其依赖于接触点的分布。在这些条件下,图 2.9 提出了一种近似的压缩电阻的第三等式。对显示的这种情况,其假定了接触点的圆形分布,分布面积(因而其直径)能够从接触材料硬度及其提供的压力中得到,结果如式( 2.9 )。
        Rc= κρ√( H/Fn                  2.9
此处        κ == 与表面粗糙程度,接触形状及弹性形变有关的系数
            H== 硬度
            Fn== 接触正压力
 
2.3.1 金属界面的压缩阻抗
  对以上这样简单的等式的论证在插图 2.11 中会有所提示,从具体角度来讲,它所涉及的就是针对接触表面为铜、镍、黄铜及锡这四种金属其各自的接合力以及相对应的压缩阻抗之间的对比关系。从图中可得知该接合力非常大,虽能保证一个较大的接触面积,但是接触表面的镀层金属容易被破坏,该两者之间的相互关系可用等式 (2.9) 来表示。图 2.11 中的表格所列的是关于三种金属的硬度及电阻系数。为了减小对压缩电阻的影响,必须控制接触面的粗糙度,对铜、黄铜、镍三种金属均应如此。对于锡,由于其极易遭磨损破坏而通常不用于直接受力部位,因此对其粗糙度不作讨论。首先来讨论关于铜的一些数据。图中虚线表示计算值,实线表示实验测试值。可以看出虚线与实线重合的非常好。对于锡和镍,图中仅仅显示了其测量值,因此对其只进行相关的讨论。注意到镍具有比铜更高的电阻系数及硬度。由于电阻系数及硬度与压缩电阻的关系分别为线性及平方根关系,因此镍的压缩电阻值会是铜的八倍。比较其测量值可看出接触压力为一千克力左右时,其重合度较好。对于锡,其电阻系数增加了十倍而硬度却降低了五倍,因此其压缩电总体上增加了,但这并不是说光考虑电阻系数的大小就能判断压缩电阻,因为其接触面的面积会增大。这些数据表明根据点接触模式导出的 2.9 式是正确的。
  然而,在连接器涂层部分,上述简单的等式运用起来受到干扰而变得复杂。因为在涂层部分需考虑到各层之间的相互作用使系数 K 很难决定,导致很难决定适当的硬度及电阻系数。在具有锡涂层的黄铜接触面,其利用锡的硬度和黄铜的电阻系数,如图 2.12 所显而易见。
  通常锡涂层的厚度会大于 2.5 微米,锡是一种十分软的金属,接触面磨损通常发生在锡涂层里。另一方面,有两个原因导致电流的压缩主要产生在接触弹片即黄铜涂层上。首先,黄铜的传导率略等于锡的传导率的 2.5 倍,因此在尚未接近有压缩变形的接触表面时,电流在黄铜中的分配会保持恒定。接触部分的面积与接触弹片横截面积的比越小则这种效果就越明显。
  由图 2.13 所示可显而易见这种选择的正确性。压缩电阻是通过等式 (2.9) 对锡的硬度及黄铜的电阻系数进行换算而得出,其可变的接合力是被指定在虚线所包括的范围。覆盖在黄铜表面厚度为 2.5 微米的锡涂层的测量电阻,作为接合力的一个特性而绘制成一条实线。该实线与虚线具有良好的重合性,而锡涂层的厚度若为 12.5 微米,则其测量电阻值实线与计算值虚线产生了较大的偏移,其原因可由图 2.14 的例子说明。厚的锡涂层对压缩电阻导入了较大的电阻(主要是因为锡的电阻系数较大的缘故)。
  显然,等式 (2.9) 的运用具有一定的限制条件,最起码要先了解设计及选材对压缩电阻的影响,尤其要知道一般接合力及接触面的分布是决定接触电阻的主要因素。接触面的分布主要依赖于接触面的宏观几何形状,亦即插座端子与插头端子各自接触表面的几何形状。
 
2.3.2  表面氧化物的接触电阻
  也许在这里还有必要重提等式 (2.9) 所介绍的金属接触,不论是何种金属涂层,其上均会附着一层诸如氧化物之类的化学物质,则前面所提及的接触面变形实际上就是指这些氧化物的变形。至于表面氧化膜,不管是开头所提到的还是在连接器的运用中出现的,均是影响接触界面的不利因素。选择合适的接触面镀层将对生成的氧化膜起着决定性作用,不仅可决定氧化膜的种类还可决定其受到破坏的容易程度。这类话题将在第三章中作详细讨论。
  如果表面氧化膜并没有消除或只是部分被消除,其结果将导致给压缩电阻额外加上一个电阻。氧化膜电阻可有两种存在形式,如图 2.15 示。如果氧化膜没被消除,伴随压缩电阻的产生将会产生氧化膜电阻(如 2.15 图左侧示意)。如果氧化膜被部分消除,则该氧化膜电阻会成为有效电阻与金属压缩电阻并联(如 2.15 图右侧示意)。这种高阻抗的氧化膜电阻由于金属接触导通而相当于被有效地减小了其厚度。但是,从整体上来讲,电阻值还是升高了,原因是氧化膜的存在减小了金属接触面的面积。
  表面氧化物引起的电讯衰弱.氧化物的电阻系数可以为很高,相当于半导体到绝缘体的电阻系数范围,并具有高度可变性。氧化物的可变性可发生在以下三个化合物性质方面:
  成份
  结构
  厚度
  这三个性质,均与氧化膜形成的条件有关。特别是环境的成份,温度,湿度对氧化膜的结构、性能起着决定性作用。由于氧化膜的易变化性,所以对氧化膜进行机械性的破坏是处理氧化膜的 方法。
  然而,氧化膜的结构却有利于与电相关的方面, Wagar Holm 均对此作过详尽描述,现简要地概括如下。一个电场穿过一绝缘体或者一高阻抗薄膜将会导致产生新的机构,如电桥、可提供 fritting 的机构,用一临界电场导致电压穿过氧化膜是实现这一目的的必要条件。可是,更多的情况下临界电场(甚至是临界电压)也是依赖于更前面所提及的可变因素:表面氧化膜的厚度、组成及结构。另外,当电桥产生以后,电桥的电阻也要依赖于电流的大小。该等电阻的可变化性加上电压需求的可变化性会导致表面氧化物的电子故障并给一般的电子应用带来麻烦。
  表面氧化物的机械破裂. 因为制造一金属接触界面的需要,表面氧化物的机械破裂在连接器上尤其重要。马口铁(镀锡铁皮)以锡作为接触镀层来源于这样一个事实,即马口铁表面上原有的氧化物薄膜在连接器对接时很容易破裂和转移。氧化物转移的机理如图 2.16 所示。在马口铁表面覆盖有一层又薄(几十分之一公尺)又硬又易破裂的氧化物薄膜,薄膜下的马口铁则又软又具延展性。当于此马口铁施加一接触压力时,很薄的氧化物层不能承受该载荷,又因为它很易破裂,在这样的条件下,载荷被传导进又软又具延展性的马口铁内部,其在载荷下开始流动,且随着马口铁的流动,氧化物薄膜扩大裂缝而马口铁通过裂缝被挤出。此外,马口铁表面开始形成可电性导通的区域。威廉姆斯在铝而不是在马口铁上证实了这种机理,如图 2.17 所示。图 2.17 之左图表示当一球载荷施加在铝平面上时,铝表面上的氧化物所发生的破裂;右图表示在铝的表面氧化物被去除此之后,原来发生破裂的区域。在铝的氧化物界面上,铝被明显从裂缝中挤出,而比铝更软的马口铁则更易受这一机理的影响。图 2.18 的数据可证实上面的假设。图 2.18 表明对于一个铝与铝相互接触的系统,接触阻抗对应于接触压力的关系。
  接触几何形状的研究包括半球面而不只是平面,加载与卸载的数据都表明:甚至在很小的接触压力下,当加载时,马口铁的表面氧化物很容易地转移是接触阻抗急剧下降的一个象征,这暗示一个金属接触界面的创建。进一步的金属接触的证据能够从以下事实被推证,即随载荷的移动,低阻抗价值被保持。这种特性被解释成为在接触界面发生了冷焊。随载荷的降低,冷焊维持完整的界面。更进一步的冷焊的证据是事实上,在许多情况下,对于卸载时的分离接触,一个确定的压力是必要的。泰姆塞特在研究铝的接触时证明了同样的特性。
  在图 2.18 的载荷条件下,从软和硬的物质上薄膜转移的不同可以得到图 2.18 与图 2.19 的数据比较.在这个例子里,对于半球面和平面,接触金属都是铜合金 C72500(89% 9% 2% ) 。空气中热老化性导致了表面氧化物的形成。 C72500 明显比马口铁硬所以在载荷条件下的破裂会更低。因为正是破裂驱使裂缝和表面氧化物分离的产生,而在 C72500 比在马口铁上更难转移氧化物。此外, C72500 通过裂缝挤压而出的部分将更少。这些不同如图 2.19 所示。随载荷的施加,对于分裂表面氧化物,更高的接触压力是必要的。直到 100 克力被施加,否则不会发生接触阻抗的明显下降。由于 C72500 比马口铁更硬,所以它上面的接触点会更小。此外,变形的减少将导致更少的氧化物的分离与挤出。因为金属接触区域的减少,这些机理影响下的组合会导致更高的接触阻抗。 C72500 的卸载特性也不同。它比马口铁具有更好的弹性,也经历更多的弹性变形,并随载荷的移动发生弹性回复。这会产生分离表面及打破接触点的趋势。正象所指出的那样,在低于 60 克力时接触阻抗的增加。以上数据表明,至少在微观上,当缺少残余应力去提供接触界面的机械稳定性时,单纯依靠冷焊不可能足以维持接触几何形状界面。这个事实会在以后被重提,并将在讨论卷曲连接时表现出其它的意义。
 
2.3.3  总论
在电子与机械方面,接触界面的粗糙模式都提供了解释。简单说来,接触界面形态论依靠 (depend on) 表面粗糙度、接触界面上的压力和接触表面的几何形状。表面粗糙度强烈地影响粗糙接触点创建的数目。接触界面压力,决定全部的接触区域,而接触弹性几何形状决定遍及 (over) 粗糙分配的区域。这解释了为什么接触压力和接触几何形状是主要的设计对数的原因,并且这两个因素都将在 6.2 节中详细讨论。
第三章  接触镀层
 
大多数电连接器使用接触镀层的原因有两个。首先保护接触弹片的基材金属不受腐蚀,其次是优化接触界面的性质,尤其是连接器的机械和电气性能。
  首先应考虑腐蚀防护。大多数电连接器接触弹片是由铜合金制成,而铜合金在典型的电连接器工作环境中容易受到腐蚀,如氧化和硫化。实际上,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)。作为腐蚀防护重要功能的同时,优化界面是选择合适的接触镀层材料的考虑因素。
  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。正如第二章所提到的,事实上这些要考虑的因素,是在相同基本效果下的两种不同的看法,即多点接触界面在相对运动过程中冷焊连接的分离。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。所有这些性质要依镀层材料的内在性质及其所运用的工作过程而定。
  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。如 章讨论的,电连接器电气性能的一个主要需求是建立和维持稳定的连接器阻抗。为达到这个目的,需要一个金属接触界面以提供这样的固有稳定性。建立这样的接触界面需要表面薄膜能在接触配合的时候避开或分裂。这两种不同的选择明确了贵金属或稀有金属和普通金属之间的区别。
  在不同程度上,贵金属镀层 ( 如金,钯以及它们的合金 ) 其本质对表面薄膜来说是游离的。对这些镀层来说产生界面的金属接触相对较简单,因为它仅仅需要接触表面的伴随物在配合时的移动。通常这很容易实现。为维持接触界面阻抗的稳定性,连接器设计要求应注意保持接触表面贵金属性以防止外在因素如污染物、基材金属的扩散以及接触磨损的影响。以上每个因素都将加以详细讨论。
  普通金属镀层—特别是是锡或锡合金—其表面都自然覆盖有一层氧化薄膜。锡接触镀层的利用,是因为这层氧化物容易在配合时候被破坏,这样金属接触就容易被建立起来。电连接器设计的需求是能保证氧化膜在连接器配合时破裂,而在电连接器的有效期内确保接触界面不再被氧化。再氧化腐蚀,在磨损腐蚀中,是锡接触镀层最主要的性能退化机理。银接触镀层 被当作是普通金属镀层,因为该镀层容易受到硫化物和氯化物的腐蚀。由于氧化物的形成通常也把镍镀层当作是普通金属。
本章将讨论接触镀层材料和电连接器的选择标准。在讨论材料之前先按次序讨论一下采用接触镀层的主要方法。
 
3.1镀层方法
  有几种方法在接触镀层中得以运用。主要有三种技术:
  .电镀( electrodeposition
  .喷镀( cladding
.热浸( hot dipping
 
3.1.1 电镀
  电镀是在连接器制造中,在接触弹片上加以镀层有最为广泛的使用方法。这里仅对其基本过程作一简要描述。更为详细的讨论可见于 Durney Reid 以及 Goldie 的论述中。
  典型的电镀单元如图 3.1 所描述。电镀是电镀液中的金属离子沉积到阴极 ( 本图中是接触弹片 ) ,其中金属离子可来自电镀液中的可溶性阳极,以补充沉积到阴极上的金属离子。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。
  原则上电镀过程的现象描述是非常简单的。镀层材料如金,沉积在底层基本金属不同的点上并且在电镀过程中在镀层的表面渐渐加厚。达到一定厚度时,镀层“完全地”覆盖在底层金属的表面上。围绕“完全”这个词的引证都是为了揭示这样一个事实,即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。电镀过程中最普通的缺点是在镀层上有很多孔隙( pores )。这种多孔性( porosity )和它对接触性能的影响将在后面的章节中讨论。
  大多数电连接器接触镀层是在不断循环往复( reel-to-reel )的过程进行以充分利用这个过程的成本效用。在本世纪七十年代和八十年代初期,大量的努力都是为了减少电连接器镀层中金的使用量,因为当时其价格高达 800 美元。减少金镀层的厚度(如后面章节中将讨论的,利用镍底层是可能达到的)和控制金的数量及其在接触处的位置取得了极大成功。
  接触镀层电镀通常有三种类型:完全电镀( overall ),局部电镀 selective ),双重电镀( duplex )。上述例子可见图 3.2 所示。正如所预料的,完全电镀( overall )是镀层完全覆盖在接触表面上。锡接触通常是完全镀层。对贵金属接触而言,出于对成本的考虑一般采用局部电镀( selective )或双重电镀( duplex )。在这两种情况下,贵金属是有选择性的运用于可分离性接触的末端,而此运用不同于在 性连接或其末端中镀层的运用。选择性接触镀层有用在 性连接上的金镀层,但镀层厚度在每一末端可能不同。双重电镀( Duplex )通常都是镀在 性连接末端的锡或锡合金。
应当注意到电镀材料的性能,尤其是贵金属,它与相同的锻造性材料( wrought form )有很大的不同。一般来说,电镀材料更硬而延展性较差,且比锻造性材料的密度小。其变动范围与材料本身和电镀过程均有关系。
 
3.1.2 喷镀
  喷镀是指在高压作用下以机械结合的方法将两金属接触面结合到一起。通常有三种方式:完全喷镀( overlays ,选择喷镀( toplays 和镶嵌喷镀( inlays )。其中完全喷镀( overlays )完全覆盖底层金属。选择喷镀( Toplays )仅仅有选择的覆盖底层金属表面的一部分。镶嵌喷镀( Inlays )是包覆金属的一种特殊情况,其接触镀层材料是有选择性的喷镀在开有沟槽的底层金属上。所开镶嵌喷镀沟槽可提供清洁的接触表面以促进结合的可靠性。连续不断的减少是为了得到条状金属以达到最终需要的厚度从而增强金属结合的压力。此外结合增强因为相互扩散过程而发生在热处理过程中。更多关于喷镀( cladding )方面的数据可见于 Harlan
  镶嵌喷镀( inlay )和电镀接触镀层之间有两个主要的不同点。 :镶嵌喷镀使用锻造材料,这样使得其接触镀层的材料性能与电镀材料的性能不一样。第二,与电镀相比其可用的材料范围更广。特别是贵金属合金如 WE1( 其中金 69 - 25%- 6%) 以及钯 60%- 40% 合金作为镶嵌喷镀( inlay )材料是不能用在电镀过程中的。
锡和喷镀层或镶嵌层同样用在电连接器中,但并不总是用作接触界面。这些覆盖材料通常是在接触末端提供可焊接的表面。
 
3.1.3 热浸
  在电连接器运用中,热浸仅用于锡和锡合金。在下面的讨论中锡包括锡合金—在大多数情况下,指锡 60%- 40%   易熔的锡 - 铅合金。热浸包括将条形金属通过熔融的锡溶液使其表面镀上一层锡。其厚度控制是由不同的过程包括空气刀( air knives )及空气刷( air wipers )。典型的厚度,和厚度控制因此也由加工过程而定。
从一接触界面的透视图可以看出,热浸和镶嵌喷镀或电镀锡镀层之间 区别是在热浸过程中形成金属间化合物。甚至在室温下,铜 - 锡金属间化合物形成的同时,如果不小心热浸能产生大量金属间化合物。过多的金属间化合物不能提供可接受的接触性能且对接触的可焊接性能产生负面影响。   在热浸的时候将会产生金属间的厚度,为确保接触表面是事实上是锡而非金属间化合物,必须小心控制热浸过程中金属间化合物产生的厚度。
 
3.1.4 总结
采用三种方法将会在接触镀层的性能上产生不同的特性。电镀镀层通常比喷镀镀层更硬而延展性更差,很接近锻造材料的性能。热浸镀层仅限用于锡和锡合金。
 
3.2 接触镀层材料
接触镀层将分两类进行讨论,贵金属镀层和普通金属镀层。贵金属镀层包括金和钯及其合金材料。普通金属镀层包括锡和锡合金,银和镍。本节的讨论从贵金属镀层开始。
 
3.2.1 贵重接触镀层
  贵金属接触镀层是一种系统,其中每个组件执行复杂的功能。为了理解对接触镀层的需求,必须理解组件间的相互作用。
  贵金属接触镀层包括涂在底层,通常是镍表面的贵金属表层。贵金属表层厚度一般在 0.4 1.0 微米之间而其镍底层厚度一般在 0.8 2.5 微米之间。现在也开始使用厚度小于 0.1 微米的金镀层。如上所述,贵金属表层的作用是提供一 (film free) 金属接触界面以确保所需要的金属接触界面。镍底层是用于防止贵金属表层大量的潜在性结构退化( potential degradation mechanisms ),有些退化机理是源于接触弹片的基材金属,同时其它退化机理则是因为工作环境的影响。镍底层的这些保护功能将在后节详细讨论。如前所述,最常用的贵金属接触镀层材料是金、钯或其合金。
  金.金是一种理想的接触镀层材料,它不但具有相当优良的导电性能和导热性能,而且几乎在任何环境中,都有良好的抗腐蚀性。因为这些特性,金在要求高可靠性电连接器的使用中经常采用。但是金非常昂贵,因为该原因要考虑可替换的材料。关于金的替换性材料将在以后讨论。
  金合金. 金合金保持了纯金的许多特性同时其价格却比纯金低的多。金合金的运用已得到了各种各样的成功。成功的程度依赖于其熔合剂( alloying agent )的特性及电连接器预期的工作条件。合金处理将提高金的电阻系数及硬度和降低金的导热性及抗腐蚀力。其总的效果( net effect )是电阻有微小的升高但在环境稳定性方面却有潜在的重要降低。金硬度的提高使接触镀层的耐久性有了提高,但是,金合金的性能在一定范围的运用上可以接受的,所以它们不断地被利用。 Western Electric 发明的金合金 WE1 ,是一种 69% 金— 25% 银— 6% 铂的镶嵌喷镀镀层。
  钯.钯也是一种贵金属但是,除了硬度以外,其与上面所述的金的许多重要特性都不相同。与金相比,钯有较高的电阻率,较低的导热率,以及较差的抗腐蚀能力。除了活泼性,钯还是聚合体形成的催化剂( catalyst ),在有机水汽存在时,浓缩的有机水汽( organic vapors )通过摩擦运动集合在钯表面。这样的摩擦聚合体或棕色粉末( brown powder )会导致接触阻抗增加。钯的硬度比金要高,因此提高了钯接触镀层的耐久性。钯还有价格上的优势所以已大量用于电连接器,尤其是柱状端子( post )。但是大多数情况,钯的表面还要镀一层厚度大约为 0.1 微米的金( a gold flash )。 Whitley Wei Krumbein 对用金钯镀层代替金镀层进行了讨论。
  钯合金.有两种钯合金运用在电连接器上。 , 80% 钯— 20% 镍的钯镍合金,一种可电镀合金,通常其表面也要镀一层薄金。第二, 60% 钯— 40% 银的钯银合金,它既用作接触镀层金属也用作底层金属,其表面通常也镀一层薄纯金,钯银合金是一种镶嵌喷镀材料。
  合金处理对接触阻抗的影响.合金通过两种方式影响接触阻抗。首先,它改变了接触阻抗的初始值。其次更重要的是,它改变了环境中的稳定性( environmental stability )。下面的数据说明了这一点。软金,硬金(金—钴 0.1 ),钯, 80% 金— 20% 钯金钯合金及 80% 钯— 20% 镍的钯镍合金等接触镀层金属在“可接受条件( as-received )”下其接触阻抗随接触压力的变化数据(如图 3.3 所示)以及加热到 250 度在空气中保持 16 小时后的变化数据(如图 3.4 所示)。
  首先分析可接受条件下图 3.3 中的数据。所有上述材料在接触压力作用下具有近似的接触阻抗。该条件下这些材料的硬度、导电率及耐腐蚀性等方面差异都不明显。在 100 克力作用下(典型的电连接器接触压力值),接触阻抗大约在 0.6 2.0 毫欧之间变化。尽管这些变化是很明显的,但所有这些数值对大多数电信连接器的运用而言都是可接受的。加热后的数据(图 3.4 所示)则显然不同。
  软金、金钯合金及钯几乎不受温度影响。这些材料几乎不形成氧化物或者没有形成氧化物的倾向。实际上,在温度辐射降低硬度 (H) 和电阻系数 ( ρ ) 过程中由于退火( annealing ),阻抗值只有轻微的下降。硬度和电阻系数的下降对接触阻抗的影响可以从公式 2.9 得知,将其重新整理为公式 (3.1)
             R c=k ρ (H/Fn)1/2                    3.1
  但钯镍合金及硬金却表现出与之不同的特性,接触阻抗显著增加。在这两种情况下,接触阻抗的增加是因为表面氧化膜的形成。钯镍合金生成氧化物是因为合金中 20% 的镍。硬金中氧化物的生成则是由于钴硬化剂。钴很容易生成氧化物,甚至钴的含量很低 ( 大约 0.1%) ,加热到 250 度很快会生成氧化物。氧化物快速生成的机理是钴元素在金中的扩散。由于钴原子随机分布在金原子矩阵中,无论何时钴原子到达表面,它很快就被氧化并附着在合金表面。最终表面钴的浓度远远高于其内部 0.1% 的名义含量值,钴氧化膜即导致接触阻抗的显著升高。因为该原因,钯合金很少用在温度高于 125 度的环境中。
  这个简单的实验清楚表明了贵金属合金一个潜在的危险。金钯合金没有出现大的影响,如将要说明的,因为钯也是或相对而言也是一种贵金属。但金镍合金,因为镍强烈的氧化倾向,是一种非常不同的情况。合金的成份—特别是基材金属成份—在反应性环境( reactive environments )中对接触阻抗性能有很大的影响。
合成贵金属接触镀层. 合成贵金属接触镀层包括一厚度为 0.1 微米( on the order of 0.1 μ m in thickness )薄金层,及覆盖的以降低在腐蚀性环境中合金表面活性的反应性表面。在电连接器上,通常在钯或钯合金表面覆盖一层薄金。金表面保持了金的贵金属特性的优点。钯或钯合金作为一种贵金属底层材料,其提供了大部分镀层的指定厚度。这些利用 80% 钯— 20% 镍的钯镍合金及 60% 钯— 40% 银的钯银合金的金属底层,由于与金相比钯或钯合金的价格低廉,其在电连接器上运用正在上升。
 
.小结.
总的来说,对贵金属接触镀层而言,有必要保持镀层金属的贵金属特性以防止外来因素对镀层的腐蚀。如孔隙腐蚀,暴露基材金属边缘或磨痕的腐蚀,以及腐蚀的蔓延等。镍底层对减少这些腐蚀的可能性是很重要的。另外,镍底层提高了贵金属接触镀层的耐久性。注意到两件式电连接器的接触镀层,尤其是印制电路板上用于配合卡边缘电连接器的衬垫,应具有相当的性能。
 
3.2.2 普通金属镀层
  普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于它们的表面通常存在表面膜。既然建立并保持金属接触界面是电连接器设计的一个目标,必须要考虑这些膜的存在。对普通金属镀层设计要求是保证配合时膜的移动和阻止以后膜的形成,主要通过它们确保接触界面的稳定性。接触正压力与接触几何形状,同电连接器配合时的插拔一样,对含有膜的接触表面也非常重要。
  将讨论三种普通金属接触镀层:锡,银和镍。锡是最常用的普通金属镀层。银镀层有利于高电流接触。镍所知道的是限于作为高温接触镀层。如前面所讨论的,镍作为贵金属镀层的底层非常重要。
  锡及锡铅合金镀层. 本章中,词‘锡’的运用打算包括广泛运用在可分离接触界面的 93% 锡— 7% 铅合金。第二种合金, 60% 锡— 40% 铅,主要用于焊接连接,本节将不作讨论。
  如第二章所讨论的,锡作为可分离接触界面的运用源于锡表面大量氧化膜在电连接器配合时可能会移动( displaced )。这种移动是困为锡与锡氧化物的硬度相差很大。
  但是,连接器的运用过程中锡表面的再氧化是锡镀层的主要退化机理。该机理,后面将要讨论的,通常称作摩损腐蚀。
  银接触镀层. 银因为跟硫和氯反应产生表面膜而被作为普通金属。硫化膜如果不破裂能在银接触时产生二极管的功能效果。电话机收发过程中的继电器运用( relay applications in telephony )会受到这种影响而致使银作为接触镀层的名声很坏。但是应该注意到,这些运用都是低插拔或者无插拔( low-or non-wiping ),从而使接触界面对氧化膜非常敏感。电连接器配合时的插拔可减小这种敏感性。
  银的另一个特性限制了它的使用。它能够移到接触表面致使接触间或印制电路板的衬垫产间发生短路( shorts )。 Krumbein 对移动过程提出了总的看法。
  尽管银的两个性质,硫化物及移动,限制了银作为接触镀层的运用,但是如上所述,这种问题只是产生在继电器(尤其是无插拔继电器)而不是电连接器的运用上。
  典型的银镀层厚度从 3 μ m 8 μ m 。通常,与相同厚度的金相比,银相对软一些( knoop 100 ),这也与它作为接触镀层的耐久性相对应。银表面的硫化膜也非常软且容易破裂。注意到因为硫化物的形成银不会经受磨损腐蚀是很重要的。氯化物与普通化合物不同其移动更加困难,因为氯化膜更硬且更粘附。包括硫化物与氯化物的腐蚀物的混合型膜可在有些环境里形成,这些膜非常坚固。但是在大多数条件下,银表面膜通过配合时的摩擦容易破裂。
  银具有优良的导电性与导热性及高电流时的抗冷焊力。这些特性使得银成为优良的高电流接触的可选材料,在这些运用中应该考虑银接触镀层。
镍接触镀层. 镍镀层因其表面紧帖的坚硬的氧化物而属于普通金属。镍表面氧化物可以被破坏,但是需要很大压力,因为镍氧化物的厚度具有自我限制特性(大约为 100 纳米),施加不到 1 伏的电压即能电解。利用镍的这种性能其可作为电极( battery contact material )。同锡相似,镍也非常易受磨损腐蚀。
 
3.3  选择可分离接触界面的接触镀层的考虑
基于镀层材料性能总的简要看法,本讨论选择性考虑电连接器上的贵金属镀层与普通金属镀层。膜处理,配合时表面膜的破坏以及避免以后膜的形成,对两种不同镀层的要求是不同的。对贵金属而言,保持其贵金属性以防止裸露的基材金属受到腐蚀正是我们所需要的。从这个目的上来说作为底层的镍的作用十分重要。而对锡镀层而言,防止磨损腐蚀则是首要的。
 
3.3.1 贵金属接触镀层系统的设计考虑
  接触表面被履贵金属的存在,本身并不能保证 a film-free 表面。为防止能够达到接触表面的接触弹片基材金属的蔓延,金属镀层必须连续并且有足够的厚度。贵金属镀层的中断能导致基材金属裸露部位的腐蚀。镀层中断可因整个制造和镀层过程的不同原因而产生。多孔性( porosity )已经提到,接触镀层磨损是基材金属裸露的另一原因。当然,多孔性与磨损非常不同,多孔性是制造问题而磨损则涉及到运用。无论是多孔性还是磨损原因,基材金属的裸露是令人担忧的( of concern ),因为裸露的基材金属在典型电连接器的工作环境中可能受到腐蚀。接触弹片材料的基材金属成份蔓延到金接触表面能产生表面膜。正如将讨论到的,减少基材金属腐蚀的可能性是镍底层的功能之一。
  进一步详细考虑多孔性。在电镀过程的讨论中,多孔性被描述为产生于电镀金属的运动( kinetics )。对金镀层而言,典型的多孔性对镀层厚度的曲线如图 3.5 所示。当然,这些曲线的形状及厚度同电镀金属特性及运用一样依赖于端子加工过程。图 3.5 说明了为什么电镀贵金属接触镀层厚度一般从 0.4 1.0 微米的一个原因,镀层厚度小于 0.4 微米,孔数增加很快。而镀层厚度大于 1 微米,孔数很少,从运用观点来看,其降低比率是微不足道的。
不必担心孔隙的存在,因为孔隙的位置不会实质性影响金属对金属接触面的产生。担心的是如果孔隙暴露了基材金属可能在孔的位置产生腐蚀。图 3.6 对该腐蚀机理作了阐明。腐蚀物可充满整个孔隙而且,更重要的是,如图示的那样,腐蚀物可从孔隙的位置移到镀层的表面。随着腐蚀物延伸到镀层表面,如果端子接近另一端子,例如相互摩擦,很可能干扰接触界面的形成或减少既定接触界面的接触面积。
  多孔性对电连接器性能的影响是有争论的。根据刚才所述的机理,孔隙腐蚀可导致接触阻抗的升高,但多孔标准及其工作环境的相互作用决定该性能的退化速度和退化程度。镍底层对减少孔隙腐蚀可能性的作用将在后节讨论。正如所预料的那样,对处于混合流动气体环境中小体系电连接器的重要研究显示了电连接器性能随多孔性的退化趋势。但是并没有一个临界孔数标准。有许多高多孔性产品在预测最容易退化的环境里表现出良好的性能。后面将研究的电连接器中孔隙位置及其基座的屏蔽效果可以解释这种现象。
  接触镀层的磨损,如所提到的,也可能导致基材金属的裸露。接触镀层的抵抗力,或耐久性决定于许多因素。包括:
  .接触正压力
  .配合间距
  .接触几何形状
  .磨损机理
  .接触镀层
  为了本讨论,我们仅考虑接触镀层的影响。其它因素对电连接器耐久性的影响将在第六章讨论。
影响接触磨损或耐久性的三个镀层特性是:
1 )镀层材料的硬度;
2 )镀层材料的摩擦系数;
3 )镀层厚度。
随硬度的增大和摩擦系数的减少,在其它所列因素的联合作用下镀层的耐久性将会提高。耐久性也会因镀层厚度的增加而提高。同厚度对多孔性的影响一样,为既定的运用选择适当的镀层厚度也会影响接触磨损或耐久性。至于材料的特性,须首先考虑硬度的影响。
  电镀的接触金镀层通常是硬金( hard gold ),即金镀层包含有硬化剂( hardening agent )。从根据 Antler 改编的图 3.7 ,可以看出与软金( soft gold )或纯金相比,硬金耐久性有了提高。但是,通过使用镍底层,电连接器的耐久性有了更大提高。
  钴是最普通的硬化剂,但镍也是很有效的。正如前面所讨论的,硬化剂的可能负面影响包括提高了腐蚀敏感性,降低了导电性与导热性及镀层的延展性。
  因硬化剂导致的延展性的降低也能影响电连接器耐久性能。两种影响应同时加以考虑。延展性的降低能减少在既定压力下接触面积的增加,从而减少了粘附性磨损。但延展性降低能通过提高镀层破碎及促进研磨性磨损而增加磨损。
  镀层的缺点,无论是多孔性还是磨损,因为它们位于可能发生腐蚀的裸露基材金属上,是令人担忧( of concern )的。如所提到的,镍底层对减少这些腐蚀非常重要,下面将要讨论到。
  贵金属镀层中镍底层的功能 贵金属接触镀层系统中镍具有以下几方面优点:
  .减少孔隙及缺陷位置的腐蚀( pore and defect sites
  .阻止腐蚀的移动
  .减少基材金属成份的蔓延
  .增加延展性
  我们将分别讨论每个优点。
  多孔性. 3.8 基本表明了镍在减少孔及缺陷位置发生腐蚀的可能性与效果。该图也包括图 3.6 图示的没有镍底层的孔隙腐蚀说明。两者间最重要的区别在于在孔位置处的裸露的镍将形成可有效密封腐蚀孔隙的氧化膜。镍氧化膜的厚度是有限制的,典型为的 100 纳米,没有填满孔隙,更重要的是没有移动。类似的效果在缺陷位置包括磨痕也会产生。这种孔密封机理的效果在高浓度氯的环境中因为降低了氯对镍氧化物的影响就已经提出。但是,氯浓缩的必要性并没有很好明确。在这些环境中广泛的测试表明镍底层对很大范围的电连接器产品的优点。
  图 3.9 显示了孔隙腐蚀对置于模拟工业暴露环境的流动的混合气体( flowing mixed gas FMG )测试环境中金镀层片( coupon )的影响。测试环境由十亿分之几数量级( parts-per-billion )的氯,氢硫和氮的氧化物组成为主要污染物,加上温度为 25 度的潮湿(湿度为 75% )空气。在孔隙周围出现环状腐蚀,结果腐蚀物出现图 3.6 所示的腐蚀移动。这些腐蚀物的存在,当它们蔓延到接触表面时,对接触阻抗有很大的影响。
  来自于 Geckle 的图 3.10 ,提供了一些有关腐蚀物移动过程特性的实例。这些数据来自暴露在上段所述 FMG 环境中的金 / / / 铜合金镀层片,各层厚度分别为 0.1 1.5 2.5 微米。位于图中间的缩微照片显示了孔隙以及孔隙周围的环状腐蚀物。图上面一系列 X —光线图显示了孔隙通过所有层的延伸。因为金、钯和镍层中信号的缺少及没有缺少的强烈的铜信号,孔隙的存在是显而易见的。裸露的铜是腐蚀物产生的根源。显示了主要腐蚀种类( major corrosion species )位置的更低的 X —光线图,暗示了氧气主要停留在孔隙位置,氯可以轻微地移动,但硫腐蚀物明确局限于环状腐蚀物范围内。移动种类( species )明显包括铜 / 硫腐蚀物。
  腐蚀移动. 3.11 表明了一种评估腐蚀移动的实验方法。在这种情形下的五种不同系统,自镀有有益接触镀层系统的铜合金片( coupon )冲制( stamped )一圆盘形状。冲制过程产生暴露的基材金属边缘,其在 FMG 暴露环境为可腐蚀位置,暴露后的腐蚀移动大致与上述描述相同。图中插入的数据提供了暴露在 FMG 环境一定时间后腐蚀移动距离的实验性数据。该数据揭示了两种所关心的效果。
   ,注意到金表面腐蚀物的移动距离比钯大,依次,钯表面腐蚀物的移动距离比镍大。
  第二,镍底层将金和钯镀层腐蚀物的移动距离减少了一半。
  这两种效果可以根据腐蚀物移动的运动学,以一种简单但又关联的方式加以简明。基本的假设是腐蚀物在光洁表面扩散得很快,这种现象可能是因为表面张力的影响,类似于湿润现象。腐蚀物在表面自由扩散以至于超出表面膜。光洁金表面不会产生氧化膜。钯是一种催化剂( catalytic )材料,易于在其表面形成一层有机薄膜,且在测试环境里是反应性的( reactive ),这一点将在后面章节讨论。在测试的暴露环境里( in the test exposure ),钯表面很容易形成氧化膜。镍,正如所提到的,也会形成一层表面氧化膜。在已知假设下,腐蚀物的移动符合数据所显示的模式,腐蚀物在金表面扩散得最迅速,钯次之,镍最慢,这就解释了上述所观察到的在三种镀层金属上腐蚀物具有不同的扩散速度的原因。
  第二次观察,镍底层上腐蚀物的移动距离仅为金底层的一半,是因为镍阻碍了腐蚀物的扩散。在这种情况下,镍底层就象铜合金与贵金属镀层之间的栅栏。虽然镍能够阻碍腐蚀物的扩散,但由于镍层仅有几微米厚,腐蚀物很容易穿透镍层在金或钯镀层表面更快地扩散,在图 3.11 所示特定的测试条件下,可以想象镍底层的阻碍效果大约只有测试暴露环境的一半,这是简单的但基本正确的对实验数据的解释。
  图 3.12 显示了在与图 3.11 采用的数据类似的测试暴露环境里腐蚀物在镀有金∕镍∕磷青铜镀层金属的冲制圆盘上的扩散。外边缘的膜非常厚,且其扩散距离减少。表面上的亮点为探测点,其上接触阻抗的测量以金作为探针,在边缘位置,其阻抗值大于 2 奥姆,试验预设的极限值成立。如图 3.13 显示的只有在接近底层中心时,才会出现毫欧级的阻抗值。
  镍作为阻碍腐蚀物扩散对接触界面的正面( barrier normal to )效果明显受限于底层的厚度。但是,其侧   面的阻碍( lateral barrier )是非常有效的。图 3 14 提供了一个实例,所示端子完全镀镍且在其接触面上局部( selective )镀金。接触下部( the lower contact )也得到附加的薄金( gold flash )镀层(通常为 0.1 微米)。将端子置于同样的工业环境中。薄金镀层表面更有利于腐蚀物的扩散。当考虑到收容端子于基座( housing )的保留飞边结构( the retention lance )的腐蚀区域是冲压产生的形状,这就是显而易见的( this is obvious when considering the corrosion around the area where the retention lance that holds the contact in the housing is stamped )。冲压成形区域的镀层金属覆盖范围( plating coverage in the stamped area )不完全是因为冲压过程中剪断处( shear-break )的粗糙度和这些凹陷处( recesses )不能被有效电镀。这些区域镀层金属的欠缺导致基材金属(铜合金)裸露,从而成为腐蚀源。腐蚀物在薄金接触面很快地移动而它们在全部镍镀层表面的移动是受限制的。该图表明当镍在腐蚀物移动方向上有足够的延伸时,它能够有效地防止腐蚀物扩散。
  扩散. 镍底层阻碍扩散的有效性可通过图 3.15 中的数据加以说明,该图显示了铜通过金,钯,银和镍镀层的相对扩散。同金或钯相比,通过一定量或更多的减少可以看出镍是一种有效的防铜扩散金属。相似的情况发生其它典型基材金属成份如锌和钡上。通过这种方式,镍有效的防止基材金属成份扩散到接触表面,在该表面基材金属成份可与其运用环境中的各种腐蚀起反应。
  耐久性. 镍也能改善贵金属接触镀层的耐久性。对金镀层的影响将被表明,但相似的影响也发生在别的贵金属镀层上。根据 Antler 改编的图 3.16 ,表明了直接镀有 2.0um 厚钴—金合金接触镀层的铜和铍铜底层的耐久性典线。应该注意到检测样品包括平面取样片( flat coupons )和半球形附件( rider )。这些数据仅与几何形状有关而并不代表电连接器接触界面的典型数值。但这些数据的趋势与连接器的耐久性有关。
  耐久性可用一磨损( wear )指标,即一种作为通过次数函数的基材金属暴露总数的度量(耐久周期 (durability cycles) )来评估。耐久性指标为 50 意味着出现的 (showed) 磨痕 (track) 50% 裸露了基材金属。注意到铜基材的金镀层耐久性明显低于铍铜基材的金镀层。这种结果是由于铍铜比铜更硬。更硬的底层金属能够提供支持层来增加镀层的有效硬度,并由此而降低了在既定压力下的接触面积。因为磨损与接触点的破裂有关,正如第二章所讨论过的,接触面积的减少会导致磨损降低。
镀镍底层可提供一个比铍铜更硬的支持层,所以可以预测其耐久性有进一步提高。图 3.17 证实了这种预测,显示了磨损指针对镀有钴金合金的铜的配合周期次数随不同厚度的镀镍底层的变化。随镍底层厚度的增加,耐久性立即提高。
 
.总结.
   在这里,镍作为底层的优点概述如下:
   镍通过其非活性氧化物表面,封闭基本孔隙位置,从而减少孔隙腐蚀的可能性。
   镍在贵金属接触镀层下面提供了一层坚硬的支持层可提高耐久性。
   镍可有效地阻碍基材金属成份迁移到接触表面,当基材金属迁移到接触表面时,会与操作环境发生反应。
   镍也可有效地阻止基材金属腐蚀物的移动。
  前三个优点是在金镀层变薄的同时保持相等的或是改良的性能。多孔性的影响已经减轻,贵金属不再用作阻碍腐蚀物移动,并且耐久性有了提高。   一个优点是减少形成于其它地方、移动到接触界面并导致接触阻抗增加的腐蚀物的可能性。
  这种特性 (nature) 的考虑突出了连接器镀层被作为系统来考虑的事实。镀层不同成分间的相互作用能强烈影响镀层性能。本讨论为下一节存在数据的解释提供了一个背景。
  贵金属接触镀层系统的环境性能 本节将描述在模拟工业暴露环境的 FMG 测试环境里贵金属接触镀层系统的腐蚀现象。被评估的镀层系统包括:
   0.75 ( )/1.25 /
   1.8 /1.25 / 磷青铜 (PB)
   1.8 (80)- (20)/1.25 /PB
          0.1 /1.8 /1.25 /PB
  上述厚度单位都是 um 。底层金属的不同只能影响最初的接触阻抗的大小而不可能影响在暴露环境下接触阻抗的变化。
  图 3.18 显示了在可接受条件 (as-received) 下如预先暴露于 FMG 环境,前三个系统 (first three systems) 接触阻抗对接触压力的数据曲线。使用软金探测参考,该图表明了九个探测点的数据分布。探测模式可以是随机性的或是有选择性的。在随机探测中,系统扫描表面,自动在九个随机点上探测。在选择性探测中,探测员 (probe operator) 降低探针,以便避开孔隙腐蚀位置并尽可能减少任何孔隙腐蚀或者腐蚀移动对接触阻抗的影响。在选择性探测模式中,可以评价镀层本身原有的腐蚀反应性。图 3.18 中的数据是随机探测获得的。注意到在 100 克力的接触正压力下,三个系统所产生的接触阻抗都在 1m Ω的范围里。
  图 3.19 表明了在同一模式下,暴露于 FMG 环境里 48 小时后得到的数据。孔隙腐蚀和腐蚀移动的影响明显表现在金与钯的数据上。得到的数据与在可接受条件 (as received) 下得到的数据相比,有些数据没有显出变化,但是许多探测点已经明显受到腐蚀物的影响。在不插拔 (non-wiping) 载荷的探测系统里,需要高压力来破裂腐蚀物。然而,钯-镍合金的数据则不同,取代两种模式下的阻抗数据,其同时有一个向上的移动和阻抗分布范围的变宽。这是表面膜的典型现象。
这种解释被暴露 100 小时后得到的数据所证实,如图 3.20 所示。金镀层数据仍显示了两种退化 (degradation) 模式。在这种情况下,钯的数据则显示了一种高水平的孔隙腐蚀。钯-镍数据继续有一向上的移动和数据分布范围的变宽。
  图 3.21 绘制了作为接触压力函数的钯 - 镍合金九个调查点接触平均阻抗的曲线。图表清楚的表明平均接触阻抗随暴露点的升高。钯 (80%)- (20%) 合金性能不象是贵金属,却象是基材金属,这也就不奇怪在合金中加入 20% 的作为基材金属镍金属。图 3.4 显示合金暴露在空气中有相似效果。
  图 3.22 包含的数据是测量了金和钯接触镀层经过相同的 FMG 环境后得到的。注意到到金的数据几乎不随时间变化。而另一方面,钯的数据显示了增大的变化和扩大的分布,尽管其比钯 - 镍合金的变化范围要小很多。钯则显示了对测试环境的反应。
  这些数据表明了为什么在大多数情况下钯和钯 - 镍合金镀层要与一个薄的金镀层 - 约几十个微米的金,配合使用。从图 3.23 中可清楚看到,钯外面的金薄层对 FMG 环境下腐蚀的作用是很有效的。接触阻抗的大小和分布表明暴露在 MFG 测试条件下 48 100 小时几乎没有变化。当金覆盖在钯 - 镍合金上时也会出现类似的情况。
  但是,应该注意到金薄层厚度可能不会完全覆盖钯的表面,所以薄膜效应就可能产生。这种可能性对镀有薄金层的钯 - 镍合金更有意义,因为其更有活性。此外金的缺失例如经过磨损腐蚀,将会导致其下层的钯的暴露。换句话说,覆盖有金薄层的钯和钯 - 镍合金容易受到机械磨损腐蚀退化的影响。对钯而言,摩擦聚合物的形成是其退化的主要机理。对钯 - 镍合金而言,经过氧化过程的腐蚀将会出现。
  总而言之,环境测试结果表明,这三种镀层对环境固有稳定性按其减少的顺序为:金,钯和钯 (80%)- (20%) 合金。基本钯镀层外的金薄层可有效的减少这种变动。此外在连接器应用中这种固有稳定性的差别会通过三种作用得到控制。
   ,遮蔽此类环境下接触界面的连接器塑料本体的作用,有效的增加了相互配合的连接器对环境的稳定性。环境遮蔽的效果取决于塑料本体的设计。封闭式塑料本体将明显比开放式更有效,尽管卡缘塑料本体可提供如 章所述的保护。
  第二,如数据所示,与在连接器镀层中一样,电镀过程中的多孔性对其受腐蚀可能性有很大影响。钯和钯 - 镍合金镀层的电镀经验表明钯和钯 - 镍镀层的多孔性通常会比金镀层的低。这种作用减少了其固有稳定性的变化差异。
  第三,受到腐蚀的可能性取决于其应用的环境。在典型的办公室环境下,仅有较少的硫和氯,实验表明腐蚀蔓延极小且孔隙腐蚀也同样减少。
这些考虑的因素减少了固有受腐蚀性差别的意义。在更多的腐蚀环境下,尤其是含有高浓度的硫和氯的时候,选择接触镀层时就应当考虑金所天然具有的贵金属性优点。
  贵金属镀层系统中的耐久性考虑 选择接触镀层另一个要考虑的因素是镀层的耐久性。在此情况下,经验表明其性能的顺序与在环境中相反,至少存在金薄层时是这样的。镀金的钯 - 镍合金比镀金的钯的耐久性高,而接下来镀金的钯比金要高。这种趋势被认为与镀层硬度有关。硬金的 Knoop 硬度为 200 ,而钯和钯 - 镍合金的 Knoop 硬度为 400 500
  以上关于金镀层的合格性解释非常重要,经验也表明由于钯和钯 - 镍合金镀层比金硬度更高而延展性更低,所以容易产生灾难性的易碎的破片结构。
 
3.3.2 普通金属接触镀层的设计考虑因素
  锡 ( 包括锡铅合金 ) ,银及镍被是用在连接器上的重要普通镀层材料。三者中,锡代表了大量应用的普通金属镀层,因此本节主集中对锡镀层进行讨论。
  普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于:普通金属接触镀层的设计考虑包括配合时普通金属接触镀层表面固有氧化膜的破裂 / 移动以及防止氧化膜的再生成。本节先讨论锡接触镀层表面膜的破裂,接下来讨论锡镀层的退化机理,磨损腐蚀。
  锡镀层接触界面的形成,回顾前面所述,锡用作接触镀层源自于:其固有的氧化膜在连接器的配合中通过接触表面的机械变形能够破裂和移动。因此原有的锡氧化物在连接器插接过程中将因机械毁损而被挤破和取代。重新利用图 2.16 作为图 3.24 来引证表面氧化物破裂的机理。又薄又硬又脆的锡氧化物在负载下容易破裂。载荷传到锡镀层,由于其硬度小、延展性好而易于流动。氧化物裂缝变宽,里层的锡从裂缝中挤出来形成所需要的金属接触界面。然而不幸的是,锡表面的再氧化导致了锡镀层的主要退化机理:磨损腐蚀。
  磨损腐蚀 3.25 说明了磨损腐蚀机理。图 3.25a 描述了包括裂缝、破碎的氧化物和从裂缝间挤出的锡接触区   域的原始接触界面。图 3.25b 显示了接触区域移到新的位置例如在机械干扰作用下。新的接触界面是通过相同的破碎机理形成的。然而,先前接触区域暴露的锡被再氧化。如果这些动作重复进行,也就是说,如果镀层系统慢慢被磨损 ( 3.25c) ,暴露的锡 ( 摩擦腐蚀的腐蚀部分 ) 连续不断的再氧化导致在接触界面形成一层氧化碎片( debris ( 3.25d) 。这些碎片将导致接触阻抗的增加甚至露出电路。引起接触阻抗不可接受的增加必要的磨损循环次数取决于许多因素,包括运动方式和磨损距离( length )。对转化运动而言( translational movement ),磨损运动只要移动几个到几十个微米单位的距离就足够产生磨损腐蚀。腐蚀磨损率依赖于磨损距离。磨损退化率依赖于磨损运动距离( length ),因为氧化碎片必须经过磨损距离上的累积。大位移运动有效地将锡氧化物推到运动轫迹的尽头。同样原因,摆动( rocking )或转动能加快磨损,因为碎片相对比较集中。
  对锡而言,产生不可接受的接触阻抗之前的磨损循环次数已经可以从几百到几万。镍在磨损次数和接触阻抗增加方面与锡很相似。 Bare Graham 报告了没有镀金的钯和钯镍合金镀层经过几万次循环之后的磨损情况。他们还报告了镀金的钯和钯镍合金镀层经过几十万次循环之后的稳定性能。
如果存在不同的热膨胀,这是连接器经常发生的情况,磨损运动可通过机械干扰或热循环产生。考虑一下装置于印制电路板 (PWB) 的连接器。印制电路板,接触弹片与连接器绝缘本体有不同的热膨胀系数。由于热膨胀不同( mismatch )产生的接触界面压力取决于其不同的大小,温度变化,及连接器的长度( length )。热膨胀不同是连接器磨损运动最主要的来源。
3.26 显示了磨损腐蚀 ( 因转动而引起 ) 发生后的锡接触表面。图标黑点表示锡表面典型磨损腐蚀区域。图 3.27 显示了磨损点的交错区。图中可以清楚看到压损的锡和锡氧化物碎片。
  图 3.28 显示了磨损腐蚀与增加接触阻抗之间的联系。图 3.28 的曲线通过缩微照片所显示的腐蚀点的接触阻抗的变化。一张氧气穿过腐蚀点的放大电子显微线迭加到缩微照片上,氧,表现为氧化物与接触电阻的关系非常清楚。
  假如磨损腐蚀是锡接触镀层主要的退化机理,那么如何才能有效地防止或减缓这种退化呢?下面将讨论这个问题。
  磨损腐蚀的防止 预防磨损腐蚀主要有两种方法。 种,也是最常用的方法是利用高正压力。这些正压力提供接触界面较大的摩擦力以防止磨损运动。然而,增加正压力有一个极限。当正压力增加时,连接器插拔力和耐久性都将受到相反的影响。锡因为比较软,有一极限耐久性且由于高摩擦系数—通常为 0.7 而表现出高插拔力,相对而言金的摩擦系数仅为 0.3
  第二种,利用预防磨损腐蚀接触润滑。图 3.29 说明了使用预防磨损接触润滑的功效。显示的数据来自一个因热膨胀不同而导致的磨损运动的试验容器。热循环温度介于 55 60 度之间。升温是用来加速氧化和润滑的退化。在这些条件下,产生的运动位移大约为 80 微米,这是好的磨损距离。
  “干锡”—干净的锡表面—的测试数据显示测试系统对产生磨损腐蚀有影响。它同时也表明磨损腐蚀可能是非常快的退化机理。在循环磨损数千次后,接触阻抗按二次方的增长速度增加。此外矿物石油润滑剂的测试数据也被列举出来。 矿物石油润滑剂最初很有效,但是最终仍产生磨损腐蚀。该缺点与环境中的保护无关而与矿物石油本身有关。矿物石油的结构在温度升高时从接触界面流走并且挥发 / 退化。密封作用消失,摩擦磨损开始。涂有防磨损润滑的接触的数据显示在摩擦循环数千次后表现了很好的抗磨损性能。经过数百次的循环摩擦之后接触阻抗的下降是因为接触界面被磨光而增加了接触面积。
  应该注意到除了摩擦腐蚀外,因为锡表面固有的氧化物的保护特性,锡接触镀层还提供了良好的环境稳定性。锡镀层在引起贵金属镀层腐蚀的 FMG 环境中表现出很好的性能。当磨损腐蚀可以防止 ( 通过高的正压力来防止磨损,或者通过有效的接触润滑来防止氧化腐蚀 ) 时,锡镀层在变化的工作环境和很宽的电流和电压范围内能提供稳定的接触阻抗。
  锡铅合金,连接器中主要利用下面两种锡铅合金:含锡铅( 93/7 )合金和锡铅( 60/40 )合金(或者 63/37 ,共熔焊剂成份)。 锡铅( 93/7 )合金可用作可分离性连接和 性连接,但锡铅( 60/40 )合金用作可软焊( solderable )连接。考虑成本和性能两方面的因素而使用低铅合金。在锡中加入铅可防止锡须 (tin whiskers) 的形成, 锡须是电镀过程中固有压力作用下形成的细小而单一的水晶状生成物。锡须直接或通过切断和短路其它部件而导致连接器的短路 (shorting) 问题。用于可分离接触界面的锡镀层厚度介于 2.5 4 微米之间,取决于其应用的方式。
   60/40 合金或 63/37 合金的应用厚度介于 1 6 微米之间,取决于焊接过程。因为这些合金的硬度低,易蔓延性且增加了复杂的铅腐蚀物,所以它们一般不用于可分离接触界面。
 
3.3.3 接触镀层的其它设计考虑
  接触镀层其它设计考虑有两种,两种考虑在一定程度上已经讨论过,尤其是对优点的详细讨论。即底层与接触润滑的应用。
  底层 两种主要使用的电连接器底层材料是铜和镍。如所讨论过的,镍的主要作用是作为贵金属接触镀层的底层以保持表面镀层的贵金属特性。铜,作为贵金属镀层的底层不能提供相同的功能。如所讨论的,铜是一种腐蚀源,铜蔓延能导致接触表面的退化。铜在提高接触镀层耐久性方面也不如镍有效。尽管存在这些限制,在不可接受镍底层磁性的应用中铜仍然用作底层。
  镍底层的第二个重要作用与 性连接有关,保证可焊性--特别是为可软焊产品提供一种活性( a shelf life )。保持可焊性将详细讨论。
  成功的焊接需要锡焊剂( tin of the solder )与基材金属衬底( base metal substrate )成份间产生金属间化合物。因为铜和镍与锡形成金属间化合物适合于焊接,因而作为底层以保持可焊性。保持可焊性的全部镀层系统包括底层和锡,金或钯表面涂层( coating )。不同系统分别有不同的保持可焊性机理。
  涂锡或焊剂的表面是可熔的( fusible )。锡涂层在焊接过程中熔化并渗入到衬底表面产生的金属间化合物中。比较而言,金涂层表面是可溶解的( soluble ),这意味着金完全溶解在焊剂里,金属间化合物在裸露的底层形成。金涂层实质是保护了底层的可焊性。钯在熔剂里溶解则慢得多,焊剂的结合通常是与钯形成。
  焊剂( solder coatings )在保持其可焊性方面更加有效,就象其花费更少一样。因为它们是焊剂而没有引入新的退化机理。而另一方面,金则引入了新的退化机理,两种情况都是因为锡 - 金金属间化合物的形成。金 - 锡化合物易碎而降低了焊接的机械强度。熔化的金 - 锡化合物在焊液里的累积将最终降低焊接过程的有效性。因为这些原因,焊剂涂层是确保可焊性的更好方式。
焊接过程产生金属间化合物是必要的,但金属间化合物本身不是必须可焊的,且过量的金属间化合物会产生可焊性问题。室温下金属间化合物的增多可能导致可焊性降低并有可能提高接触电阻。铜 - 锡间化合物比锡 - 镍间化合物增加得更快。
  许多铜合金是可焊的,且底层可以增强可焊性,尤其是镀在黄铜基材金属表面。黄铜表面需要底层以防止锌的蔓延,但这也可能降低了可焊性。
接触润滑 接触润滑常完成两种不同的功能:
  .减小摩擦系数
  .提供环境保护
  减小摩擦系数有两个益处。 ,它减小了连接器的配合力( mating forces )。第二,它通过减少磨损而提高了连接器的耐久性。
  接触润滑通过形成“密封”阻止或减缓外界环境进入接触表面而能够提供环境保护。对锡接触镀层而言,接触镀层的首要功能是在防止磨损腐蚀方面提供环境保护。预防磨损润滑可以减小摩擦系数,但并非其主要目的。事实上,如果润滑不能有效防止氧化,摩擦系数的减小可能增强磨损腐蚀。摩擦系数的减小因为减小了机械稳定性而使接触界面更容易受到磨损。在没有润滑存在的接触移动中不会产生的干扰可能产生润滑性接触的移动。
  对贵金属镀层而言,接触润滑是为了减小摩擦系数和提高连接器的耐久力,但是,伴随提供环境保护重要性的提高,提供环境保护成为有益的附加功能。
  几个与接触润滑相关的考虑值得注意。对有效润滑而言,其在接触界面数量必须足够。测量和监测( monitoring )润滑的存在是很困难的工作。
  连接器可能伴随有适当的润滑出售,但是组件过程(特别是,焊接或柱焊的清洗( post soldering ))可能移走润滑剂。因而,需要第二次补充润滑剂。
  润滑剂可能收留粉尘,如果在粉尘或污染环境中应用,可能会出现接触阻抗和耐久性问题。 ,润滑的适用温度可能限制它的应用。
润滑潜在的益处—减小配合力,提高耐久性,和在环境中的保护—是非常需要的,但是在评价接触润滑对给定应用的连接器的总的效果应考虑所提到的限制。
 
3.4 接触镀层选择
  选择适当的接触镀层决定于其应用所考虑因素的数量。包括:
  .配合需要
  .应用环境
  .线路需要
  贵金属镀层与普通金属接触镀层的区别在于其所考虑的每一性能。为了简单,以金作为贵金属的代表,而普通金属的代表则为锡。
  为了为接下来的讨论提供一个背景,一些通常的注解是有用的。因为贵金属镀层比锡镀层更低的正压力要求,更高的天然耐久性,及更低的摩擦系数,在配合需要方面它们的应用更加广泛。因锡的硬度低,锡接触镀层需要高正压力来尽量减少潜在的磨损腐蚀且其耐久性较差和摩擦系数较高。最终的效果是锡镀层的耐久性较差而配合力较高。
  所有的接触镀层在毫伏到伏和毫安到安的一定范围内都能提供可靠的性能。金与锡的区别在于阻抗的稳定性。磨损腐蚀也是主要的区别。产生于磨损腐蚀过程的阻抗变化能够导致在信号线路中产生噪音和在高电流应用中热散发的可能性。金接触镀层在很宽的适用条件范围内有助于保持接触阻抗的稳定。
  应用环境必须考虑机械、热及化学环境。机械因素,如振动,影响连接器所需的机械稳定性。接触界面的移动将导致锡镀层的磨损腐蚀和使金镀层易存在外来的腐蚀物或污染物。热环境通过不同的热澎胀引起接触界面的移动而达到相同的结果 . 然而,高应用温度—大约 105 度—可能会因挤压松驰而使正压力降低。这种正压力的降低,锡比金表现得更隐蔽。由于本章其它部分讨论的外来腐蚀的各种各样的来源,环境腐蚀对金镀层有很大的影响尽管金具有很强的固有的抗腐蚀能力。锡除了磨损腐蚀外,由于原有的表面氧化物而表现出很好的抗腐蚀能力。
  下面的讨论将更详细地考虑上述各个考虑因素同时指出金、钯、钯镍合金及锡镀层之间的一些区别。
 
3.4.1 配合要求
  两种配合要求必须考虑:连接器必须承受的循环配合次数和连接器配合要求的压力(配合力)。如 章所提到的,连接器要求的循环配合次数取决于相互连接的层级。第 2 4 级连接典型的要求仅仅是几十次的配合循环。第 5 和第 6 级连接,因为它们提供输入 / 输出功能,可能需要更高的循环配合次数。另一方面,配合压力显示出相反的趋势。第 2 和第 3 级通常要求考虑 配合压力,因为这些层级的连接 pin 数倾向于比第 4 到第 6 级连接的 pin 数高得多。插座和两件式板对板连接器其 pin 数各自可能从 400 到超过 1000 。而几十到一百的 pin 数在第 4 到第 6 级连接中更为典型。
  接触镀层及耐久性 影响接触镀层耐久性的主要因素是镀层的硬度及其摩擦系数。贵金属镀层具有比锡镀层更高的硬度和更小的摩擦系数,因此贵金属镀层固有的耐久性也比锡镀层高。
  耐久性不仅依赖于接触镀层,还与下列因素有关:
  .接触正压力
  .接触几何形状
  .接触长度
  .润滑
  .镀层厚度
  除了镀层厚度以外,其它因素在第二章均已经讨论过并将在第六章继续讨论。本节重点是讨论接触正压力,因为接触镀层的选择决定了连接器所需要的接触正压力。其它因素对贵金属及普通金属镀层来讲具有相似的影响。另外,镀层厚度对耐久性的影响也应该注意。
  如前所述,锡镀层比金镀层需要更高的正压力来尽量减小磨损腐蚀的可能性。为了提供机械稳定性,镀锡连接器的正压力通常在 200 克力以上,比较而言,金镀层连接器只需 50 克力左右的正压力即可保证其接触稳定性。当耐久性的需求很重要时,耐久性随着正压力的增加反而降低的事实使金镀层相对于锡镀层的优势更加明显。
  贵金属镀层耐久能力的差别并不是很明显,在 3.3.1 节,应该注意到贵金属镀层的相关特性,按递减顺序,为镀金的钯镍合金层,镀金的钯及金镀层。按这样的顺序,可以想到贵金属镀层是镀在镍底层上。
  另外,镀层的耐久性取决于镍底层的厚度及其硬度,这些相互作用使得很难超过一般顺序得到连接器耐久性的确切值。
    理所当然地可以说接触镀层的耐久性取决于镀层厚度,但这种耐久性与镀层厚度的关系也取决于前面提到的镍底层的材料性能,所以耐久性—厚度关系不可能是一直线。
  有效的接触润滑能通过两种方式减少贵金属镀层的相对差别。润滑结果也能减少耐久性的差别。另外,能提供环境保护的润滑剂能减少固有腐蚀敏感度方面的差别。
  影响耐久性的几何参数上面已经列出。连接器的设计在这些方面变化很大。接触几何形状和接触长度的主要影响是各自的磨损区域和磨损轨迹长度。所有这些对比的最终结果是连接器的耐久性根据试验的方法已被最可靠地评估出来。
  接触镀层和配合力 配合力取决于以下几个因素:  
  .接触正压力
  .接触几何参数
  .摩擦力
  .润滑
  接触镀层是通过影响接触所需正压力的大小亦即通过影响由摩擦系数决定的摩擦力的大小来影响配合力的大小的。先前已经指出,由于金镀层比锡镀层具有更低的正压力要求和更低的摩擦系数,因此金镀层比锡镀层具有更低的配合力。通过使用接触润滑可使摩擦系数的不同在一定程度上能得以改善。贵金属镀层的间区别很少用配合力而是用耐久性来表示。
注意到接触配合力和更重要的参数─连接器配合力的不同是十分重要的。当然,连接器配合力不仅依赖于每个接触接触时的配合力,也包括连接器绝缘本体以及连接器各部分的紧固力的影响( alignment of the connector halves )。连接器的配合将在第六章更为详细的讨论。
 
总结
当应用需求包括高耐久力和高 pin 连接,那么贵金属镀层是 的。有薄金层的钯( 20 %)镍( 80 %)合金镀层能提供 的耐久力,接下来是有薄金层的钯镀层和金。锡镀层,因为其固有的低硬度和需要较高正压力来减少摩擦腐蚀的可能性,故锡镀层与贵金属镀层相比表现出有限的耐久性和较高的配合力。高配合力要求限制了具有锡镀层的连接器的接触 pin 数。
 
3.4.2 应用环境
  在应用环境这个标题上要考虑以下几个因素。包括有机械环境,除了配合条件,还包括振动和磨损;热环境方面包括温度和温度波动;化学方面包括湿度以及一些潜在的腐蚀如氯化和硫化腐蚀。应用环境的每个方面都会对接触镀层的选择产生影响。
  机械方面 虽然机械配合是作用在连接器上的最常见的机械压力,但在连接器的整个有效期内还会受到许多潜在的干扰。机械冲击和振动是必须要考虑的其它因素。连接器暴露在许多潜在的冲击和振动源中。然而,无论什么样的原因,所关心的效果是因为干扰而产生的对接触界面的压力是否足于导致连接器两部分的相对移动。如果产生这样的运动,它们能常被限于一定的范围而归属于磨损的一种。磨损有两种令人担忧的结果:磨损损耗和磨损退化( fretting wear and fretting degradation )。磨损损耗是指在第二章中所描述的磨损过程,产生的结果是接触镀层受损。磨损退化包括摩擦腐蚀( fretting corrosion ),相关的锡、镍、钯镍合金以及摩擦聚合物,相关的钯。
  注意到潜在的磨损损耗是很重要的,因为它能引起镀层的穿透性磨损。连接器期望达到的预测配合循环次数不仅仅是连接器磨损方面的 因素,这种考虑使得薄镀层重要性增加,例如钯、钯合金和镍镀层外面的薄金层。因磨损所引起的薄金层的损失会导致底层的钯和镍裸露出来。换句话说,镀金的钯和钯镍合金对磨损退化机理是很敏感的。而对钯来说,摩擦聚合物的形成则是其主要的退化机构。钯镍合金或镍的磨损腐蚀是通过氧化作用发生的。镀有薄金层的钯和钯镍合金镀层已被许多调查者评价。大多数而不是全部的研究,已经报告过它的稳定性能。镍镀层表面金薄层的使用是近期的事,所以这段时间几乎没有什么证明经验。但是,可以肯定的是这些镀层金属对摩擦腐蚀非常的敏感。还应该注意到,暴露底层金属的其它机理的存在。例如:不完全的镀层,镀层的损坏如刮擦。
  总而言之,与机械环境相关的主要论题与磨损损耗及磨损退化有关。锡镀层对磨损退化是最敏感的。然而,金镀层的选择应该考虑到这些机械性的影响。
  热环境.热环境存在两个主要因素:应用温度和热波动。 温度能导致大量潜在的退化机理。热波动的主要影响是因为热膨胀的不同而经过的潜在性磨损。
  重要的可能性敏感温度的退化机理包括腐蚀,扩散和金属间化合秀的形成。腐蚀率一般随着温度的升高而加快,尽管温度对水份的吸附效果能减缓这种作用。扩散速度也随温度的升高而加快,结果能产生表面膜。如图 3.4 所示。
  金属间化合物( IMC )的形成对锡镀层是很重要的。金属间化合秀的形成速度随温度升高而加快。如果金属间化合物的形成消耗了锡而在接触面上的该点形成大量的金属间化合物,那么接触电阻可能受到影响。一般来说,保留在表面上的锡,能提供有效的接触。图 3.30 中的数据对此作了描述。图 3.30 显示了一个 3 微米厚的镀锡铜( tin-over-copper )以软金探针所测得的接触阻抗随压力的曲线。数据在可接受的条件下显示,一是增时处理使锡转化为锡化合物,二是增时处理和腐蚀后。 IMC 阻抗的增加超过了可接受条件下的值但但它对许多应用是合适的。虽然增时处理的时间足于完成从锡到金属间化合物的全部转化,但通常仍能发现残留在表面上的锡。如果表面被腐蚀物取代,金属间化合物本身的接触导致接触阻抗的额外增加。
  总之,热环境能导致腐蚀退化,它也能影响贵金属的腐蚀速度和潜在地影响锡镀层的金属间化合物的生成。
  化学性 化学环境包括湿度及一系列可能的腐蚀种类,如氯,硫和氧。氯和硫对于贵金属镀层特别重要,而氧则对锡镀层很重要。如先前所提及的,锡氧化物对锡提供了来自于在其它腐蚀源 (source) 的腐蚀保护。
  湿度对腐蚀率和腐蚀物水合度的影响是令人担忧的。经验也表明,湿度变化能影响腐蚀机理和腐蚀率。
  贵金属的腐蚀机理在 3.3.1 节中已经作了讨论。为了更加完整 (for completeness) ,对贵金属镀层而言,应该注意到主要的腐蚀机理随环境成分特别是氯和硫的含量 (content) 的变化而发生变化。随环境恶劣程度 (in severity) 的增加,主要的退化机理由多孔腐蚀变化到腐蚀扩散 (creep) 。正如前面所说的那样,移动类型以铜-硫腐蚀物出现。
  对于锡镀层,由于氧在磨损腐蚀中的作用,氧是主要的反应 (reactive) 类型。由于锡氧化物固有的保护特性,所以锡在 FMG 环境中性能良好。
总结 总之,应用环境的考虑表明了接触镀层选择上的不同权衡,取决于化学方面,热,或是与腐蚀相关方面,何者占支配地位。在恶劣的机械环境里,因为磨损腐蚀而限制了锡的使用。但是,磨损损耗的可能性,磨损退化的产生,在恶劣的条件下不应该低估。高温环境要求对锡金属间化合物的产生和对影响贵金属镀层的蔓延 / 氧化的考虑。腐蚀考虑对贵金属和锡来说是不同的。而且,磨损腐蚀主要涉及到锡。随恶劣条件的增加,贵金属的腐蚀机理会随环境从孔隙腐蚀转变为扩散 (creep) 腐蚀。
 
3.4.3 电路需求
  从一个基本的观点出发,如果能创建并保持一个金属接触界面,那么在一个大电压和电流范围里的接触镀层间的功能 (finishs with respect to their functionality) 没什么不同。在这样的条件下,因硬度和阻抗系数的差别产生的阻抗的变化是相对较小的。镀层间的不同在于阻抗的稳定性,即接触界面对于应用条件下退化的敏感性 (sensitivity) 。自然地,对比罗简单的描述有几个限制因素。
  电压 在电连接器上,除了电能的应用,电压相对很低──只有几伏特。金属间的接触界面将以奥姆来衡量,即电压与电流间的关系是线性的,其斜率由系统阻抗决定。只有当接触界面不完全是金属接触面时 (cease to be completely metallic) ,也就是说,当它们开始退化时,电压的影响才显现出来。在这种条件下,电压可能允许薄膜的电性中断 (breakdown) 并由此而建立或重建一个较低的接触阻抗,这一现象有时称作自我复原( self-healing )。不幸的是,这种阻抗容易变化并且不可恢复,这也是为什么薄膜的机械破坏和薄膜形成的避免对电性中断是首要的。 Wagar Holm 提供了电性薄膜中断特性的讨论,主要概括在 2.3.2 小节中。
  本讨论目的关键点是导致中断的必要电压和的和因此产生的高变化性阻抗。电压的变化源自于薄膜结构本身的易变化性。厚度,组成和结构都依赖于薄膜形成的环境。阻抗的变化性产生于因为中断引起的导电区域取决于中断时间里电流的流过的事实。
   Bock Whitley 提供了有关磨损退化的电流及电压决定条件的证据 (evidence of this cu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)
  电流 正如 章所述,针对电流有两种基本电性应用:信号和电能。对于信号应用,典型的电流通常低于 1A 。而电能应用则可能需要几十甚至上百安培的电流。
  对于信号应用,在可能引入系统的噪声或者数字式应用上可能的数据丢失方面,接触镀层退化的影响及在随之而来的接触阻抗的变化是非常重要的。 Abbott Schrieber 研究了这一影响,而且 Abbott 是针对磨损腐蚀来考虑。根据这些著作,发生数据丢失的可能原因是,随接触阻抗的退化所产生的瞬间开路趋势的增加。在可引起贵金属镀层磨损腐蚀的条件下,也可以得到类似的结果。
  在典型能量应用更高电流下,由于高电流下而产生的焦耳热和红外线,会导致额外的考虑。两个单独的 (separate) 问题值得讨论: (a) 什么因素决定镀层所能承受的 电流。 (b) 高电流时,接触阻抗的退化有什么影响。
  接触镀层所能承受的 电流由接触界面的温度所决定。接触界面温度反过来又取决于产生的焦耳热与从接触界面到接触弹片散热的平衡。热量的产生取决于镀层阻抗系数和阻抗系数随温度的变化率。而散热取决于热传导率和热传导率随温度的改变率。这些反应可能相当复杂,就象 Williamson 所讨论的那样。
  为了本讨论的目的,注意到每一个镀层在其熔化时都有一特征电压,特征电压的大小,及依据前面提到的相互作用所能达到的比率就足够了。对于金,银和锡镀层,各自的熔化电压分别是 430 370 130 毫伏。
  在实际上,通过接触界面的电压下降由电流产品 (product of the current) 和接触界面阻抗所决定。 At a first cut ,熔化电压能被用来指示镀层的电流容量,其公式如下:
          Vm=I*Rc                          (3.2)
其中   Vm== 熔化电压
        I== 电阻为 Rc 且即将发生熔化时的电流
        Rc== 接触界面阻抗
  在第二章已经讨论过, Rc 取决于镀层和接触压力。对于一个确定的接触阻抗,通过熔化电流的减法, 电流能够被确定。恒定的电流容量一般由温升条件所决定,而温升条件又取决于接触阻抗的大小,这一点将在第十二章中讨论。
  按这个标准,锡具有低电流容量,然而金和银却是相当的。钯和镍则具有更高的熔化电压,但是它们所拥有的高阻抗和低效热传导性能制约了这一优点。
  对于高电流应用,银由于自身的低电阻抗和高效热传导性能而占有优势。在电能接触中,银的弱点,污点和移动趋势并不重要。电能接触的典型的高压力 (high forces typical of power contacts) 使污点的影响降至 。巨大的尺寸,分离和通常典型的电能应用接触间的绝缘减少了移动反应。
  接触阻抗退化在高电流性能上的影响是明显与前述讨论有关。这样的退化更进一步促进了接近熔化电压。以这样一个观点,镀层对退化相对的反应有更大的影响在电能应用的镀层选择上。再次,锡由于自身的低的熔化电压和对磨损腐蚀的反应 poses 危险。
  电路参数综述. 在理论上,金属间界面对电流和电压没有反应,但接触界面的退化连同接触界面阻抗的变化引入了一系列的考虑。
 
3.5  接触镀层概述
  合适的接触镀层的选择包含了使用和功能需求的考虑。例如,由于对锡的高的接触压力需求和在装配压力及磨损的共同影响,高接触数量,高适配循环需求决定了贵金属镀层 ( 参见表 3.1 和表 3.2) 。环境考虑是复杂的,包括在贵金属镀层上的多孔性和在锡镀层上磨损退化的可能性之间的权衡。考虑一个确定的应用,合适的镀层是在性能与可靠性间的“ ”的折衷。
 
3.1  接触镀层的接触压力需求
  镀层     最小接触压力 (g)         评价
  金       25     最小值由机械稳定性和污染物的转移所决                  
                          定。尤其是零接触压力 (zero-force) 条件必须
                          极力避免。
 钯       50       由于接触反应的作用表面薄膜的可能性。
                    此外,金的评价也适用。            
- 钯或         50     薄金表面将是多孔的,所以需要使用钯。   
钯-镍            
 锡        100      100g 是最小值。更高的值可用来解释磨损 
                 腐蚀。但必须提供机械稳定性。 
 银            75         必须解释表面硫化膜。如用作电能接触则          
                 可能需要更高的压力。    
 镍         300    更高的硬度需要更高的压力来确保破坏薄膜。        
 

3.2  接触镀层的镀层,硬度,延展性及摩擦系数
 镀层  硬度 (Knoop) (%)  延展性范围     摩擦系数常用值
 纯金     <90               7-10            0.5->1 0.7
 钴金       130-200              <1             0.2-0.5 0.3
 钯        200-300              1+              0.3-0.5 0.3
- 钯或钯 -    200-300              1+             0.3-0.5 0.4
 银           80-120              12-19           0.5-0.8 0.6
 
 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
双列直插队                                      0.2-0.8
直插封装
 镍           140-400                 5          0.5-0.7 0.6
 
第四章 接触弹片材料
   
  铜合金在电气和电连接器上得到了很广泛的应用,其原因是由于它具有良好的传导性能、强度、成型性以及抗腐蚀性能。在本章中将从连接器使用者的观点,来对商业上可加以利用且其性能适合于运用在连接器上的合金进行其性能的对比。然而与连接器制造相关的重要性能也没有被忽略,因为它们同样也影响合金材料的选择。除了一些对连接器来说独特重要的方面,一般的关于铜合金的信息读者都可从参考目录 1-4 中得到指导。
  如表 4.1 中所总结的,当选择合金材料时连接器产品的功能性需求如设计因素和材料性能之间的相互关系将会共同作用。合金的种类能满足产品的功能性需求以及其所分布的功能和如 4.1 部分中所总结的它们在碾磨过程中的总的方面。铜合金将会在 4.2 部分中由一般术语进行回顾,更专业的将会在 4.3 部分中的合金中另以叙述。
 
4.1 主要的铜连接器合金
 
4.1.1 铜合金的制造
  铜合金材料在运用于连接器的加工过程中,先是被加工成为薄片状的板材,然后切成条带形状以适应后面的冲压过程的需要。线材同样应用于连接器中,但是在端子组件和其它类型的连接器中这样的材料应用得很少。
  图 4.1 描述了一个典型的薄板和条带铜合金的制造流程。此外在参考书目 3 中可以得到更详细的描述。合金线材以同样的方式制造但具有几个显著的特点:热挤压,轧制,和通过冲模的拉拔以改变热轧制和冷轧制在板材中的应用,以及退火处理过程经常用于这种产品。
  溶炼和铸造   铜合金是 用于可回收的商业应用的金属之一,这是因为工业上能用经济的办法将铜合金中的杂质维持在一个较低的水平。溶炼常用于电溶炉之中而少见于铜合金在真空和惰性气体下的溶炼和铸造过程中。  碳层能提供一足够的保护。此外,利用真空或特殊的空气环境将会很大的增加合金制造的成本。
  氢、氧和碳的污染影响由溶炼过程和热力学方法来平衡其溶炼层进行控制,其中氢能溶解于铜,氧能与铜和一些合金元素形成氧化物,而碳能与有碳化物组分的合金起反应。溶炼控制包括纯电解阴极铜和有选择的兼容合金碎屑。当一些纯组分如镍、锡、硅或起支配作用的合金如磷、铍、和铬合金组分增加时,都会引起合金成份改变。
  板材锻造的制造过程是从不连续的铸造成大矩形横截面金属锭或薄铸片开始的。前述大金属锭的典型尺寸为约 150 毫米厚, 300 900 毫米宽,并且经过热轧制处理以有效的减少其厚度并消除在铸造过程中残余的铸造微片。另一种铸造方法是薄铸片 ( 常用于窄条状铸造材料 ) ,其典型的尺寸是约 15 毫米厚, 150 450 毫米宽,这些薄铸片将直接转到冷轧过程之中。选择条形铸造是基于经济上的考虑因素 ( 热研磨需要较高的资金成本 ) 以及合金的特性 ( 一些铜合金不容易在热条件下工作 )
  前述半连续且大的金属锭在铸造过程中垂直利用一个中空水冷的铜模,在开始时此铜模的下底部被封住。溶化的金属实际上并未象图 4.1 中所示的直接进入溶模。此溶化的金属通过 槽及分配系统进入溶模,分配系统能通过一陶制阀系统控制金属的流量。底关闭部从溶模中降低,此时形成一稳定的固体外壳以容纳溶化的金属。铸造将继续进行直到一直冷 (DC) 金属锭形成以足够热轧制的长度。直冷 (DC) 金属锭处理的经济上的优点是几个金属锭可当溶炉中的溶化金属加入相邻的溶模时同时形成。此外接着通过热轧制在厚度方面的分离是一个快速有效的方法,尽管在轧制以前要经过重新加热。
  水平方向进行的条状铸造将会产生呈盘旋状的薄片,此薄片的厚度是与冷轧中 次分离的轧磨容易相配合的。薄片在制造中被切成盘旋状而不影响其铸造过程。铸造后的表面将会重新研磨加工以形成高的表面精度。锡青铜大多数情况下用于条状加工是因为其较差热环境下的工作性能,而黄铜可广泛用于热轧制中的大部分应用范围,一些合金制造商还将其用于条状铸造加工中。
  热轧制 直冷锭在几小时之内加热以用于特殊合金温度的需要,这样就能通过回动研磨将其从 25 150 毫米的厚度减少约 10 25 毫米。在热轧制中快速减少其厚度是可能的,因为其温度变化可使合金快速再结晶而不是硬化。典型的预热温度是从 850 950 ℃。溶炉环境能有效的将氧化过程减小到中性的程度。此阶段形成的氧化物对其要求并不严格,因为现有的热轧制片将会在研磨中把表面氧化物及缺陷部清除。此外更重要的是热处理抹掉了纹理粗糙的铸造结构,这样就能达到均匀和较好的效果。
  当热轧制完成后,而在水喷淬火及盘卷之前时轧薄片的温度大约在 600 ℃左右。接着是用机械方法去除热轧制后的表面和边缘,此后合金片将要经过一系列的冷轧和退火处理以降低其表面粗糙度,其中退火处理能提高纹理的微观结构、促进其均匀性并得到所需的性能。
  冷轧过程   经过制造商与一系列的轧制和退火加工相配合的冷磨处理之后将会得到一性能均匀和尺寸均匀重达 1000 公斤的盘卷片。分离轧制过程在处理中的厚度可利用前后安排的四高研磨 (four-high mill)( 其中两加工轧制由一大直径的回程轧制 ) ,以及独立,回程研磨。非常普遍的是通过一系列的研磨后过程可以得到 的厚度和性能 ( 如已知的 Sendzemir 研磨,其加工轧制是经过几组轧制实现的 ) 大尺寸的厚度是通过接触计量器的盘旋长度来监测和控制,小尺寸的微观厚度是通过 X- 射线或伽玛射线来度量。线张力和轧制形状在轧制过程中可以调整以提供一均匀的条状尺寸。
  退火 冷轧可减少条状厚度面增加合金强度但同时也降低了其延展性。有效加工过程中的持续性需要在加工过程中的薄片在其中的几处通过退火处理娈软。退火过程中的变软驱动力是轧制变形过程中存储能量的释放。新的纹理是从变形纹理中成形的,并且其尺寸也同时增加。至新纹理处的延伸是允许增加的,因为在成型性和强度上需要更好的纹理微观结构,此延伸是由退火温度及持续时间的选择决定的。
  铜合金的退火是在同一溶炉的不同盘旋片中进行的,其温度将保持几个小时当开放的盘旋薄片通过一退火溶炉 ( 请参照图 4.1) 。每一退火方法都有其优点和局限。成批退火其侧重点在于加重的前末端处理厚度;通过镀层厚度处理的退火能达到更大的灵活性,并且每一种方法之间可以相互替换。
  整炉退火处理是位于一可移动、类似锺形的内腔之中进行,且此内腔的下部封闭。在内腔的盘旋片是通过处于低氧和低湿度的氮或氮 - 氢成分的气体来防止其被氧化。而上述的气体在内腔快速循环。此内腔又被一更大的可移动的外部空腔所包围,以收容此加热源 ( 燃烧气体或电加热 ) 。内部锺形腔内的温度从 250 ( 一般用于纯粹的铜 ) 到约 650 ( 用于一些铜合金 ) 。表面质量是由被覆物所保持,而此被覆物可防止线圈之中包裹物的粘贴。残余的被覆物在之后的清除加工过程中将被去除。
  合金线圈将在一到两个小时内达到均匀的温度,然后其设在一定温度并保持几个小时。通过去除了外层的容腔后退火的冷却速度将会加快。内部容腔及其内部的保护气体成分将一直保持到金属完全冷却,以避免其受到氧化。
  线圈的连续退火可利用将薄片 (sheet) 通过溶炉而实现,此溶炉还包括有一燃烧室以通过直接接触来对金属进行加热。氧化可通过控制气体成分来减少。对如图 4.1 中所安排的垂直溶炉来说,板材通过一顶端封闭部进入加热区,并且其冷却是利用冲击气体在从下端封闭部退出前进行。板材在低于出口部的水中淬火。排列成一直线的酸清洗和研磨刷将会在板材被盘卷之前完成,而此过程位于溶炉线之末端。
  氢气是从压缩的氨水中提炼出来的,它可与氮气混合在一起而不发生化学反应。使用这些干净气体的火炉除了可能水平放置并且具有更高的防止外面空气进入的密封装置外,具有与普通燃烧炉同样的特性,该火炉通常是在近似标准大气压下工作的。薄片 (sheet) 被外部的热蒸馏瓶 (retort) 或者火炉内部自配的电加热组件加热升温。薄片 (sheet) 在进入大气前被喷出的气体冷却。
  在退火过程中,铜合金氧化被减少到了 点,但是它是不能完全避免的。氧化的程度及形成的氧化物的耐火性依赖于合金组成成分同保护气体发生氧化反应的活性。非合金的铜和黄铜抗氧化能力相对强一些,因为退火温度低并且由于热力学原因, 残余的氧化物及用于降低气压的露点形成控制要求是适度的。合金氧化物具有很活泼的元素,如金皮或铝,在商业许可的环境中不能逃避被氧化。酸浸 (Acid pickling)( 包括稀释的可与过氧化氢反应而生成更具腐蚀性物质的硫酸 ) 和研磨刷及抛光被广泛地应用于确保不会引起印刷工具不可接受的磨损的高质量表面和材料。
  后处理 合金型材制造的 工艺-退火是相当关键的,因为这一步形成了一种材料以达到需要的性质。进行后续退火处理材料的厚度依赖于硬化合金以达到所需的强度或生成调剂的冷轧的次数。本节后续部分提供了冷轧选定合金的例子。为了提高合金材料的性能或降低内部残渣的弹性伸缩率,材料治炼过程常包括低温退火工艺。
  为了消除片状材料的弯曲或提高其整个面板的平整度,片状材料可能在 工序被拉紧抚平。 拉紧抚平包括整块材料向相反方向顺序弯曲,啮全碾平,片状料板在拉力作用下同时保持平整。内部纲孔的数量在条料宽度各段会有所变化。来于内部纺织翻转和拉伸的反向弯曲的联合效应引起片状材料塑性变形并局部形成更好的配合邻接区域。片状材料中心处更多的塑性变形导致消除由转曲遗留的长边缘的皱形。延长边缘的水平装置用作消除中等宽度的弯曲。弯曲生产过程被设计来生产可能的最平的长条材料,该材料仅用于必要的更重要的场合。
  被加工成宽度介于 250mm 800mm 的薄料最终要用装在合适位置的转刀将之切开并压在冲模宽度。最终冲压件被象包扎薄饼似地轻轻地包装以便于运输。
 
4.1.2 标准的规定 (standard designations)
  合金组成 . 合金元素的种类、浓度及其加入治炼过程的影响控制着铜合金的强度。合金强度值可通过几种途径来提高,这依赖于合金所包括的关键元素类型。由溶液的原子尺寸不同于铜原子尺寸的合金元素引起的不适当的张力和来源于凝结物的张力 (strain fields) 代表了两种提高合金强度的途径。固溶合金及凝结强化合金在用作连接器的合金中占大部分。二次散布合金的颗粒,比后者粗糙,代表了又一种高强度合金的来源。这些粒子有助于提高冷轧的强度效应。用于提高铜合金强度的机械治炼在本章的后续部分详细描述。
  铜合金是根据其包含的重要合金构成物来分类的,因为这些重要的合金构成物对合金的性能有很大的影响。这些合金构成物包括含锌的黄铜;含镍,铝或硅的青铜;含不同数量锡的黄铜及镍与其它元素 ( 如锌,硅及锡等 ) 的组合物。表 4.2 列出了连接器上应用的几种主要的铜合金,该表还列出了这些合金名义上的组成物和北美用于区分这些合金的统一数字系统 (UNS) 的代号。每组中决定强度的主要元素都被列于表 4.2 中并用来标识合金的类型。
  在统一数字系统 (UNS) 中,每一组的铜合金都用字母 C 开头,其后跟着 5 位数字 ( 包括以铜或黄铜开头的 3 位数字系统 ) 。通常只采用前 3 位或 4 位数字。 ( 当尾部数字是零时,常将之省略以帮助铜合金的识别。 )
  统一数字系统 (UNS) 标准中, 位数字介于 1 9 之间,并且数字 1 7 表示可锻铜合金 ( 位数字 8 9 表示合金铸件 ) 。非合金铜和高铜合金 ( 含铜量至少在 90.6% 以上 ) 被归入 C1xxxx 系列的一组。铜锌合金列于其后 (C2xxxx 系列 ) ,以下依次是锡黄铜 (C4xxxx 系列 ) 、锡青铜 (C5xxxx 系列 ) 、铝或硅铜合金 (C6xxxx 系列 ) 和镍铜合金 (C7xxxx 系列 ) 等。后面紧跟的数字用来区别每组中的不同组成成分,如 C23000 C26000 分别代表含 10% 30% 锌的铜合金。表 4.2 省略的部分是几组含铅的合金型号,如含铅青铜 C3xx 系列,因为这些类型通常用于机械部分 ( 杆状物和条状物 ) ,而在连接器上用得较少。
  调制回火 铜合金调剂的命名系统是由 ASTM 定义的,推荐的应用型号是 B601 。该系统是为了取代原有述语,即半硬性、弹性等,但是现在新旧命名同时存在。表 4.3 总述了用于铜合金 ( 不论产品形式 ) 的退火环境。
  用作特殊合金的调剂是通过回火冷作硬化或特殊热处理等联合效应而生产的得到的。调剂是用拉伸强度和延伸率或者屈服强度来描述的,这些都是用扭转的方向来测量的。溶液强化合金和二次散布强化合金是由特殊合金的厚度通过在“准备加镀层”的回火环境 ( 参考 4.1.1 ) 冷弯曲而制得的。固溶强化合金和二次散布强化合金,将在 4.1.3 节描述,通常是用前述方法来说明的,然而,屈服强度常用于凝结强化合金。
  金属是由许多微小颗粒组成的 (polycrystalline) ,其中单个微小颗粒可以想象为泡沫。 微小颗粒的平均直径被测量为介于沿着置放在穿过样品部分的冶金光泽上的随意分布边界的截距。微小颗粒在回火环境有等量退化 (equiaxed) 的趋势,在冷轧回火环境中有延伸的趋势。 微小颗粒的尺寸在某些场合被详细地加以说明,这已成为铜合金的习知记录。典型的铜合金微小颗粒直径介于 5 25 微米之间,包括在某些特殊情况下产生的优质颗粒和劣质颗粒。
 
4.1.3 合金种类及其治炼技术
  合金也根据其比纯铜更可靠的占优的冶金学机械特性在表 4.2 中进行分组。而且,每种合金不同地反应了制造某种特性 ( 该特性能区别该合金 ) 的化合物的过程。
  铜合金占优的冶金强化机理包括固体溶解强化、二次散布强化和凝结强化等。一些合金通过多种途径化合强化。固体溶解合金指那些主要被广泛地溶解于合金里的元素强化的合金。当某一合金元素超出溶解极限时便产生了尺寸由粗糙 (1 微米以上 ) 到中等大小 ( 几十分之一微米 ) 再到很细 ( 几百分之一微米 ) 的第二阶段的粒子。提高强度的 功臣是尺寸为亚微米的细小颗粒。 颗粒一般来源于铸件。具有中等尺寸的颗粒来源于热机械过程。二次散布强化合金包括通过增加冷加工效应来提高强度的中等尺寸颗粒。凝结强化合金把其强度归功于由促进其形成的热处理特殊顺序生成的细小颗粒的特性。
  固体溶解合金.含有锌,锡,硅,铝及镍的铜合金构成了大多数商业上的固体溶解强化合金。这些合金主要另外由一到二种元素组成。锡,硅和铝等额外元素提供了 强度。锌和镍必须加入比锡和硅更多的剂量以达到相同的强化功效,但它们有合金中也具有更大的溶解度。经过固体溶解强化的合金具有与铜相同的原子晶体结构并且当对某部分进行微观分析时会发现其呈现单一阶段微观结构。
  把固体溶解合金象典型的冲压那样变成片状的碾磨过程包括重复多次的受控冷压过程和热压或铸造环境的回火过程。 4.2 举例说明了由 a read-to-finish 的回火环境得到的固体溶解合金的典型冷压弯曲过程 ( 该图描述了 C260 ,一种含 30% 锌的黄铜合金 ) 。这些弯曲用作定义在制造合金调剂中所需的弯曲强度值。就象厚度减小延伸性下降一样,冷压增加了合金的强度但也会伴随着更低的延展性。
  单独的固体溶解合金元素的强度增加主要包括三个重要因素:( 1 )由加入元素的原子半径与铜原子半径不合适和相对铜的电子结合(原子价)引起的强度提高效应;( 2 )合金元素溶解的多少及( 3 )其对从冷压操作到最终回火条件的冷作硬化率的影响。图 4.3 列出了三种商业合金中的锌和锡对合金强度的单独影响。这些合金包括含 10% 铜的锌黄铜器 (C220) 和含 5% 铜及 8% 锡的青铜各为 (C510 C521) ,该合金常与非合金铜 (C110) 作比较。如果在回火和冷作硬化条件下对含 5% 铜的合金和含 8% 锡的合金作比较就会发现两者的强度比含 10% 锌的合金的强度提高的多得多。如果根据每种合金中合金元素的百分比含量来作比较,就会发现各种合金的强化效应具有更大的差异(由于更厚的锡比锌含有更低的原子百分比)。
  图 4.3 显示,若达到相同的强度, 8 %锡合金所要求的冷轧次数较少。拉伸度及可成型性等其它方面因此随强化合金在高强度时更加可靠。因为铜合金需要更多次的冷轧,所以对锡 - 铜合金而言,冷轧铜达到相同的强度,其可成型性更差。各种合金各自的可成型性将在本章后面讨论。
  固溶合金中的合金元素引入了其它替换性特性。其中商业性合金的导电性只有非合金铜的一半,更多关于合金处理对导电性影响的说明将在第 4.2.1 节讨论,对抗腐蚀性的影响将在 4.2.5 节将论。
  通常来讲,固溶合金在中等强度作用下的可成型性较好,对腐蚀及导电性有不同程度的替换。与固溶合金形成竞争的是二次散布合金( dispersed second-phase alloy ),它在中等强度作用下能够提供更好的导电性,并且凝结强化合金在导电性、强度及成型性有更好的结合。
  二次散布合金 该组合金通过加强对亚微米粒子而不是粒子冷处理的反应而具有更优的强度。冷处理会在包含有一定比例拉伸力的金属结构内部产生线性分离( linear defects )。相同数量的二次散布合金粒子与普通固溶强化合金( solid solution-strengthened alloy )粒子相比,二次散布合金粒子会促进更多欠缺的产生。因运行而产生的欠缺越多,通过它们间相互干扰所产生的连续变形抵抗力就越大,即增加了它们的强度。
  二次散布强化对提高强度的作用是因为热加工过程而不是来自于铸造过程。选定可使合金元素形成固溶合金的临界退火温度,失去退火条件( strip annealing conditions )也须调整到不再溶化已处理合金元素而可以再结晶,尽管该退火方式也能用于再溶化所需要的合金元素。
  对固溶合金而言,传送原料带的回火度由冷轧通过对经过退火的准备镀层的量的控制而得到。二次散布粒子同时也通过延迟粒子在退火过程中的增长而精炼微粒构造,因此而促进合金的强度及经常促进其可成型性。
  图 4.4 显示了两种不同二次散布铜合金工件的硬化曲线。一种主要包含 2.3% 的铁及数量更少的磷和锌,而另一种包含了 22% 的锌以及更少的铝和钴( C688 )。铜铁合金成份超过了铁在铜中的溶解度,且在退火过程中形成铁粒子。这些分散粒子的主要影响是提高经冷处理后的铜合金矩阵的强度。该影响通过比较 C194 与非铜合金 C110 的冷轧曲线而更加明显。大约不到 0.01% 的铁保留在固溶合金中,这些散布的铁粒子减小了铜的导电性。
  铜 -22% 的锌铜( C688 )含有钴 - 铝金属间化合散布阶段,该过程对精炼粒子到 10 µ m 以下尤其有效。相反, 10 25 µ m 的粒子是典型的 阶段,固溶合金。零件的硬化率也固有意地加入 C688 粒子而得到提高。 C688 与锌铜二元合金及相同数量的锌( C240 )的曲线比较说明了这个效果(图 4.4 )。对相关的那些经单独溶解而强化的二次散布合金而言,较少冷处理零件通常需要达到相同的强度,因此,二次散布合金在相对强度下通常更容易成形。
  二次散布合金可提供很宽的导电率范围(请参阅第 4.4.1 节)。 C688 与该组其它合金相比其导电率更低,尽管其硬度很高。散布保持在铜基材合金中的铝与钴说明了为什么合金的导电率较低。从该组合金中同时将较好的成型性与适当的高强度结合起来是可行的,它们性能的结合接近于凝结强化合金的这些特性。
  凝结强化合金 可以在凝结强化合金中得到提高的过于精炼的二次散布粒子通过阻止线性原子的分离运动而直接影响合金强度(对经强化了的冷处理零件中的二次散布合金的主要影响)。它们的封闭空间,有时通过可伸缩的不适当扩大阻止产生塑形的影响范围弹性区域的辅助,对它们的强化效果是有影响的。这种不适当的弹性源于铜与合金元素之间原子大小的不同,因为后者原子簇在以铜原子为主的合金原子矩阵中形成了粒子。
  仅仅有一小部分铜合金可以得到凝结强化。它们与其它合金相比突出的特性在于:在温升时合金元素的高溶解性,及低温热处理时更低的溶解性。通过持续的热处理充分利用它们的双重溶解特性,设计这些合金进程发展更精细的二次散布合金。因此,处理过程在相对的高温下通常包含料带退火,并伴随快速冷却,以尽可能地溶解溶合。该处理以后,通过低温且更长时间的临界退火(或增加处理)产生所需要的精炼凝结粒子分布。
  商业上重要的凝结强化合金是与金皮或铭元素,或双层镍与银或锡,或铅的合金。尽管数量很少,凝结强化合金在要求更多的电连接器应用上仍是一组重要的合金,优良的成型性、对高温下伸缩的高抵抗力、以及良好的抗腐蚀性是该组合金的特殊性质,而导电性则可以从相对较低,与 的铍铜相比,到适当较高的数值,与铜铭合金相比。
  凝结强化(或提高寿命)处理可以通过电连接器的加工或通过合金的研磨进行。决定选择一种或是另一种取决于商业上对强度及冲压成型性这种特殊的热处理加工性能,及与室内执行该 强化处理相关的成本对研磨处理合金的更高成本的要求。通过优化的处理溶液加上冷却条件可以得到 的可能强度。其成型性随强化处理强度的增加而降低。因而,大多数对几何形状有要求的部件在材料处理前预先成形。凝结硬化处理前后的屈服强度如图 4.5 所示。冷轧回火热处理,而不仅仅是溶解处理,导致 合金强度的增加。导电性及强度随铜原子矩阵在合金成份中因二次强化铍化物的形成而逐渐衰竭。
  但更经常的是,凝结硬化处理过程通过料带加工作为 的制程,在该状况下材料是指研磨硬化材料。这些研磨处理的回火在强度与成型性之间形成一种平衡;合金典型地被处理为在 强度以下从而提供比完全凝结强化条件下更好的成型性。图 4.5 所示的这种研磨硬化回火显示了与合理有用的成型性的关系。
  通过研磨硬化回火( mill hardened tempers )有两个优点:( 1 )潜在降低加工成本及( 2 )更好控制尺寸( dimension )。热处理过程中没有氧化物移动,附加的操作及挑选酸性物质处理即可以避免。在凝结过程中特定的体积变化可能改变尺寸。成形部件上残余的压力促进凝结反应的进行,同时拉力促进凝结产生的体积膨胀。这种影响在商业上通过对热处理时部件的压迫,或成型可补偿预期变形的尺寸而得到控制。大多数凝结强化合金,包括金皮铜和铜 - 镍基材合金,因为该理由而经常利用研磨硬化条件下( mill-hardened condition )。
 
4.2 电连接器合金性能
 
4.2.1 合金的选择因素
  材料性能与电连接器的功能性要求间的关系可参阅表 4.1 所总结。大多数重要材料与功能相关的性能包括导电率、强度及伸缩系数。通过减少接触压力(伸缩现象)和抗腐蚀力来影响可靠性。可成型性及尺寸控制影响满足电连接器产品功能性需要合金的机械加工可靠进行的能力。
  与导电性有关的决定性因素是电连接器是试图传输电流(通常几十安培)还是试图传输电信号(通常 1 安培以下)。正如所预测的,高导电率合金更有利于电能传输应用以避免产生大量的焦耳热,但在电压必须受预定的电路损耗时,它们可能对信号传输更为有利。
  合金产生的强度及伸缩系数决定了电连接器配合时接触弹片的接触正压力。经常,对提高接触压力的有效性压力可通过变曲得到。从弹性臂端子(见第 6.3.1 节)得到的正压力( Fn )的关系可表示为:
       Fn= α modulus × deflection ×α stress          4.1
  几何上因素(如梁的宽度、厚度、及长度)使该等式最终成立。弯曲伸缩系数可遵循胡克定理提供的悬臂弹性而用于决定接触压力(这就是说,所加的弯曲压力不能超过比例限度)。该比例限度随着其它屈服强度的增加而倾向于增加,并因此受合金及其过程影响。因而,在给定材料厚度的情况下,高强度合金通常能提供更高的接触压力。施加压力超过其弹性限度会导致微结构的变形。最终结果是如果弹性移动仅仅通过伸缩应力产生则接触压力小于将要达到的( 接触压力)。
  连接器的可靠性需要连接器处于工作状态过程中,接触压力保持稳定,或至少不会低于所允许的极限值。当接触弹片处于长期的应力状态下时,即使应力是在弹性范围以内,微量塑性变形依然会发生。一些初始的弹性应力和张力可以被塑性变形所取代,这样会导致接触力减小。 ( 一种解释为应力释放的现象 ) 。冶金过程中的微塑性变形是受温度影响的,并且,当工作温度处于 80 100 ℃时铜合金的微塑性变形会变得很明显。某些合金对温度的影响具有较高的抵抗力。多个连接器并联时,接触力的稳定性明显增加。为了让插入力处于一个合理的水平中,接触力可以被设计得接近于允许的极限值,这是为了保持可靠的电性连续性。然而,这种情况下的工作过程中,初始力的降低必须保持在范围允许的最小值。
  对于可靠的连接器性能还需要满足一个额外的要求,那就是其合金的成份必须能够防止在工作环境中受到的化学腐蚀。如有必要,铜合金会镀上一层金属以增加对受污染的空气及化学物质的抵抗能力。
  折弯加工是连接器成型过程中最常见的工步。端子料带材料存在一个在加工过程中不至于断裂的极限范围,该极限是选择端子合金及其回火方式的关键之一。在某些连接器的组成部分要防止伴随成型加工所生成的不规则的粗糙部的产生。如果镀层出现很明显的起皱现象,就会影响表层金属的连续性,但不至于一起基材铜合金的破损,所以这种起皱现象在连接器的特定部位上发生或许是可取的。
  同样与成型加工相关的是对受成型过程或成型后热处理过程弹性回复影响的尺寸的控制。这可依照经验或者由铜合金料带供货商所提供的信息来调整治具,以实现对尺寸的控制。
  在以下的章节里,将选择性的讨论合金的性质,尤其是前文所提到的对连接器性能很重要的性质。首先要讨论的是 有区别特性的合金传导率及其强度。一般来讲,强度越高的合金其传导率越低。
 
4.2.2 传导率 / 焦耳热
  铜合金的电性传导率是以一种独特的方式即占纯铜标准 (International Annealed Copper Standard IACS) 的百分比来描述。在早于一个世纪以前当纯铜标准刚建立时, IACS 百分数值是用来表示纯铜的纯度。随着冶金技术的进步,开发出许多具有商业价值的具有更高传导率的铜合金。 C110 IACS 百分比值为 101 ,它是商业纯铜。纯度测量的基本原理是先测出其电阻率再经由除以 172.4 从微殴转换成 IACS 百分比值。连接器用的铜合金其电性传导率 IACS 值一般在 5 95 %范围内。 IACS 值小于 30 %的铜合金其传导率适合于信号及小电流传输的连接器。以传输电力为主的连接器其 IACS 值一般要超过 70 %。表 4.4 中列出了常用的连接器合金的传导率数值。与稳定的溶液相比,合金的传导率会随着各种其它金属成份的减少而增加。插图 4.6 描绘了向稳定溶液中分别加入镍、锡、锌三中杂质后所得不同传导率的曲线。每组合金曲线体现了相应商业合金的最小传导率主要取决于合金中的主要合金成份(当然亦包括含量较少的一些杂质元素)。某些元素如锡和镍的存在会使传导率大为降低。锌杂质对合金传导率的影响不是很明显。经完全退火处理的合金其电性传导率亦会降低,但这种影响较小( IACS 值在 2 3 %范围内的较为典型),而经回火处理的合金其电性传导率受到的影响明显得多。
  溶解元素的凝结会导致较高的传导率(如合金中镍与硅结合形成的硅溶液,铁从铜-铁合金中结晶出来)。插图 4.7 将连接器合金按照传导率(或强度)分类描述,同时也显示了这些合金各自的增加强度的不同方法。
  铜合金的电性传导率及热传导率之间是通过 LORENZ 法则联系起来的,如插图 4.8 示。该法则从所建立的超导体金属模型上获得,它指出电性传导率与热传导率之间通过 LORENZ 系数相互联系。有了这一法则,合金的热传导率就可以通过测量电性传导率或电阻率而方便地得到。
  在室温环境中,低的电性传导率对应于低的热传导率。可以推理得出,奥姆加热器用低电性传导率的合金作成,当给其加入较大电流时,由于其热传导率亦较小热量不易散发而产生大量热能。对于具有相同传导率及相关基本组成成份的合金来说,各成份的比例关系十分重要。
   LORENZ 系数与温度有关,而且各种合金成份的电传导率和热传导率与温度变化的关系不完全一致。举个例子说明,不含合金成份的铜,当温度升高时,其电性传导率比热传导率要降低得多得多,而对于铜的合金成份,其电性传导率随温度升高而降低的同时,某些热传导率却会随温度的升高而升高, LORENZ 系数可在 10 20 %的精度范围内将热传导率从电性传导率(或电阻率)中区别出来。
 
4.2.3 强度
  延展特性,包括屈服强度及弹性系数,作为区分各种合金成份的一种尺度而应用于特殊连接器的设计当中。由于连接器常见的应力形式为弯应力,因此弯曲应力也要作为合金的一种机械特性而附加考虑。拉伸及弯曲应力特性是合金加工中十分重要的考考虑因素。各种各样铜合金的弹性系数均有略微不同,弹性的恒定并不是取决于各合金自身受到加工过程的影响,而是由其材料形成时结晶组织所固定的弹性系数来决定的。
  拉伸强度   按照拉伸特性所选择的连接器用合金按照其相关电性传导率列示于图 4.7 。图中多数结晶合金均运用回火工艺而获得 380 700MPA 的拉伸强度,其传导率一般低于 35 IACS ,而较为离散的合金其传导率却较大,一般在 50 IACS 以上,其强度只比那些集中点代表的合金略低。凝结强化合金和与其具有相同传导率的溶液强化合金相比其具有 的强度,和二次散布合金相比具有较高的强度但是传导率较低。
  弯曲强度 / 接触压力  对于最初的材料选择和对它们从供货商得来的规格,可延展性能是足够的。然而,弹性端子常常是悬臂梁,所以 (and) 弯曲应力—应变特性基本上是适用的。依靠材料性能上的限制是否被超出,或者当使用错误的应力应变数据时,接触压力可能被错误地预测。
  如图 4.9 所示的青铜在接触弹片 (contact spring) 受压超过了性能极限时的拉伸、压缩和弯曲应力应变曲线。这些曲线的限制 (Dert-ermination) 在合适的指定的 ASTM 方法下会被覆盖。弯曲包括暴露表面的拉伸和压缩特性,并且这些特性间不存在必然性的对应关系。因此,弯曲应力应变曲线将对在缺少拉伸和压缩数据时接触压力的预测会更有益。如例子 C260 所示的那样,压缩曲线在强度上比拉伸曲线更高,但这个相对的顺序不能被认为是一般性的。
  而且,对于冷轧制材料的管理,弯曲歪斜反应常常是相当直接的。如图 4.9 也表明了 C260 的各向异性。当弹性端子组件被对齐普通 ( 或垂直 ) 长条 (strip s) 旋转方向时,可以期待从合金中得到更高的接触压力。而且在垂直方向上,拉伸曲线比压缩曲线更高,在横向方向上则刚好相反。长条在横向和纵向上的相对强度也由合金与制程所控制。
  弹性系数 合金化处理和加工过程只是稍微会影响铜合金的拉伸与压缩弹性性能。手册中的弹性系数的数值范围是在高铜合金和锌黄铜直到 C230 上加压 117MPa ,和在 C260 与锡青铜上加压 110MPa 所得到的。例如对于镍银合金和 C725 加压 124-138MPa ,含镍合金比后者具有更高一点的弹性系数。低硬度合金也具有比其它合金更高的弹性系数,即对于老化回火的铍铜和 C7205 具有 131-138MPa 的值。
  制程在两方面影响弹性系数。冷轧制回火的稳定韧化依靠合金和回火,易于增加弹性系数 5-7MPa 。制程也改变了弹性性能的方向。弹性常数直接是铜合金之类原料的三次方,不象导电率只是平方。例如 C7025 有经向和纬向上分别具有 131MPa 140MPa 的弹性系数。
 
4.2.4 应力松弛 / 接触压力稳定性
  对于连接器可靠性能的关键是当它在工作时,它保持电性导通 (transparent) 。然而,当受拉伸应力时,来源于在弹性端子原料里多微孔性的接触压力的降低最终可能导致不可接受的接触阻抗。因为发生多微孔性的制程是由于受热引发的,所以高耐用温度导致它们发生不同程度的变化,这依靠于合金和它如何制成。
  如果端子初始变形超出了弹性变化范围,那么伴随任意的原料畸变,接触压力在 次插入后迅速的发展取决于弹性端子的弹性回复。当使用时,弹性变形随弹性原料依靠时间和温度的多孔性畸变会部分被回复,从弹性变形到塑性变形的变化结果会降低接触压力。这种变化称之为应力松弛,它随温度的增加而增加。然而应力松弛不同于发生在固定不变的端子弹片上的随时间变化而应力降低的现象,而应下意识地联系到在装配载荷下随时间变化而引起的几何形状的变化 ( 应变 )
  许多合金在室温条件和微小温度变化情况下有足够的实用性,但当工作温度增加到 80--100 度时, 表中可利用的合金性能会受到更大的限制。应力松弛的阻抗会受固溶合金元素和其它对金属上微量塑性畸变的阻碍而变化,比如细微的二次散布合金颗粒和凝结合金颗粒。
  检测不同铜合金的相对应力松弛的阻抗常常是在悬臂弯曲中进行的,最初是在检测设备中施加 50% 100% 的屈服强度压力。按最初在制订的持续曝光条件下保持的弹性应力的百分比数来指定稳定性标准。 C510 的应力松弛性能如图 4.10 所示。当以对数坐标来描述时,应力保持数据是线性对应的。这个线性特性允许用推断法去预测更长远的性能。检测常常持续充足时间以确保应力松弛特性保持线性或者包括任意可能发生的直线斜率的变化。
  图 4.10 中的例子也表明冷工作的数量常用在取得强度上的影响稳定性 ( 更大强度的回过火的 H08 的稳定性比 H02 要低 ) 。在某些场合,因为具有更好的长期稳定性,低温回火能在端子上提供更高的承载能力,甚至低温回火能使应力低于开始状态。同时也应该注意到其强度明显低于初始状态,在 小时内,初值下降得很快也表明了这一点。
  应力松弛特性也可通过最初在漫延 - 破裂上发展起来的雷斯密尔方法而得出。这种方法需要在大范围内的雷斯密尔参数来决定。该参数被用来限制一个控制曲线,从而估计保持在任意时间和温度组合条件下的压力。该方法的一个缺点是假设了简单机理反映了在一个决定参数的温度范围里的应力松弛。因此,从这种方法中可能得出错误的结论;由于应力松弛特性受温度影响,是以该方法的另一缺点仍在争论之中。
  低温热处理能提升应力松弛阻抗。这种处理主要目的是用来有效避免强度的改变,就象在调质退火的轧制 H08 的回火而产生 HR08 一样。稳定性也能是具有方向性的,随横向和纵向的性能不同而在退火中变得更明显,或经冷加工而使该差异更为明显。
  在某些特定的温度下,一些合金元素能比其它元素更具有影响力。这种影响的层次相关于同样的因素,即列在前面由溶解元素加强的因素。锡在增加了基体百分比后有额外的超过锌的对应力松弛的影响力。如图 4.11 所示,一种含锡 8% 的青铜合金 (C521) 比含锡 30% 的青黄铜 (C260) 具有更大的应力松弛阻抗。同时要注意到锡青铜具有更高的硬度 (730MPa 的屈服强度 --H08) 相对于 C260 黄铜 (590MPa 的屈服强度 --H08)
  由不同合金元素所提供的温度稳定性也不同。锡青铜能比锌青铜用在更高温度的场合。如图 4.11 所示, C260 处在边缘,因为保持在 1000 小时 ( 折合 5 周的使用时间 ) 后,只有低于 75% 的应力存在。青铜在使用温度上受到限制,不得超过 75 100 度,而锡青铜和锡黄铜可达 125 度。一些散布层次的高强度合金比黄铜具有更好的稳定性,如图 4.12 所示,但 C151 是例外的。
  在从中温 (105-125 ) 到高温 (150-175 ) 的 应力松弛阻抗对于结晶合金是可利用的。以 150 度调质退火的锡青铜与铍铜的比较来看表明了这种影响 ( 如图 4.13 所示 ) 。两种所示的回火合金都具有相近的导电率。
 
4.2.5  成型性
  对于选择合金材料重要的是在冲压成型过程中能够获得所需要的几何形状的能力。按治具的半径弯曲 90 度或是更大的角度,也同时降低厚度来帮助弯曲定位,都是连接器冲制上常用的。当合金充分退火后,绝大多数成形是可利用的,但在此条件下,强度会降低。固体溶液的冷轧制和散粒硬质合金增加了强度,但却消耗了成型性能。铸造方式有效地改变了回火性能,这可能由于它造成的加工硬化而损害了成型性能,或者由于其厚度降低而导致有助于成形。
  在它们制程中的大量的冷加工所发展起来的更高强度的回火结构也可能在一个方向上比在另一个方向上表现出更好的成型性能。当可能时, 成形能力出现在弯曲轴线垂直于卷曲方向。这个方向是 的,因为它常常比另一方向的回火能具有更好的成型性。在这个方向上的成形称之为径向的,因为它指出了随弯曲的进行金属流动的方向。对应到平行于轧制方向的弯曲轴线的成形则称之为纬向的。纬向弯曲上最小的可接受半径能比经向上更大,特别对于高温回火的固溶合金和散布强化合金。在连接器壳体部分中的 90 度的弯曲常常朝向窄条导向以利用纵向的成型性。窄条能形成而不产生裂缝的冲模最小范围为由设计者和制造商所共同支持的合金窄条所定义,其中的裂缝定义为一不可接受的粗糙表面。材料的工作性能可以从弯曲的最小弯曲半径 (MBR) 而得知,由窄条厚度 (t) 所分割。较小的 MBR/t 值表明有较好的成型性。
  图表 4.5 中总结了所选择合金的相关成型性。此图表表明了名义上可拉伸强度其其每一合金可接受的最小弯曲 (MBR/t value) 在其纵向上和横向上从 1 1.5 。在冲压工具中的实际性能与此有些不同。此图表中所示的强度在纵向上较高,这样与通常此方向上的成型性较好是一致的。此图表同样表明了铜合金的一个与其独立的强度来源相关的总趋势。此固体溶解强化合金可提供一较高的强度,从而能使规定的最小成型性比固溶合金以及散布强化合金要小,因为此成形过程与其冷工作下性能的相关性很小。与此相似,在一组固溶合金中,如 C521 ,其溶解强度为 8% 时能提供比 C511 更高的强度,而 C511 只有 C521 含有锡的一半 (4%) 。同样地分布强度合金有比纯铜高得多的强度。
  不要忽略在固体溶液中的合金元素其强度可在传导过程中得到增加。凝结强化合金能提供较高的传导性且与其它类型的合金相比在高强度下有更好的成型性。灵活性可从铜模的溶液强化的联合中得到,而此铜模与冷加工和沉积变硬结果将导致强度、研磨过程中的成型性之间的独特的平衡。此平衡也在图表 4.5 中得到反映。
 
4.2.6  抗腐蚀性
  铜合金通常对化学侵袭有较强的抵抗力,所以好经常在没有保护镀层的情况下使用。当在苛刻的环境下使用时,如自动化应用中,铜合金通常在其表面上镀一层锡或锡料以提高对腐蚀的抵抗能力。在这些实例中,锡或锡料镀层也用于接触镀层表面。铜合金在其它的应用性能中所覆盖的东西更为详细。
  作为连接器应用的一个重要性能,是其局部微观结构的压力腐蚀。可以将其描述为腐蚀性的环境和高弹性的外部拉压力,将导致对其的裂缝产生和最终失效。此压力的存在有一外部根源,如产生于连接器配合过程中,以及内部根源 ( 如来自保持导引线的成形及弯曲的残余应力。 ) 局部失效模式将在其作用显现于表面时被觉察到,并且其没有显著的塑性变形。此裂缝路径位于微粒之间 ( 其可相互作用 ) ,而裂缝可通过纹理结构进行传播。此裂缝可通过合金与媒介进行传播漫延。
  要出现压力腐蚀就必须有如下三个条件的存在:
   1. 合金必须易受到压力腐蚀的影响。
   2. 其工作环境使得此特定的合金易受影响。
   3. 拉伸力的存在。
  此相关的几种合金对用于连接器的可接受性如图表 4.6 中所总结。此指数用于在不同环境下整合其性能的分类。这些工作环境的范围从轻 - 中等的工业环境到航海的条件以及最恶劣的暴露于潮湿的氨气中的条件下。此指数成线性分布从 0 1000
  最易受保护的金属包括锌, C260 包含有 30% 的锌是最易受保护。其作用是产生限制以达到一个良性的环境。而如只含有 15% 锌的 C230 以及含有仅仅较低锌和附加的镍 ( C770) ,其可显著的增加对压力腐蚀的低抗能力。锡 - 青铜,镍 - 硅和铍 - 铜合金都是具有较好的抗腐蚀能力的铜合金。铜 - 镍合金和高铜合金对化学侵袭产生的裂缝将有很重要的保护作用。
 
4.2.7 可焊性
  大多数铜合金能被锡、锡-铅合金、以及其它不同的常用于低温合金的焊料焊接而用于电气和电子应用。从比率图系统中此相关的可焊接能力表明,对一特定的流量来说其概括了锡和焊料层的性能特性,并且与相关的容量可消除任何位于材料上的污垢。
  内在的焊接性能通常由可视的样品检查来决定 ( 经过军方标准和美国材料实验协会规定 ) ,其通常是溶化并浸入焊料之中经过一特定的时间。一级品为完全被焊料所浸湿,而三级品的焊接性为只有 50% 的被浸湿 ( 残余物显示在焊接薄膜上有铜 - 锡合金的金属间化合物的产生 ) 。焊接性能在三级以上或更好的合金适用于大多数的连接器应用。电子应用中溶剂的侵入其范围从适度的树脂 ( R ) 到逐渐具有活性 ( RMA ) 。与我们所期望的一样侵入更多的焊料将会导致更好的焊接性能级别。
  表 4.7 显示了当使用一种中等活性的助溶剂时所选合金固有的可焊性。大多数电连接器合金都具有 1 2 等级的可焊性黄铜的可焊性比其它合金差。在可焊性要求很高时,具有第 3 等级可焊性的材料是通过在镀锡或焊剂的条件下获得的而不是在溶化的焊剂里加入助溶剂而制得。
  锡和焊剂铸成品被应用于铜合金条以确保由该材料制造的成品具有良好的可焊性并保持相当时间及提供抗腐蚀能力。现在可生产数种这样的铸成品:这些成品被机械地磨擦或被空气刀切出一条溶化的路径,就象电镀和回流那样 ( 被加热或高温油浸泡溶化 ) 。每种铸造成品都具其自己的内部金属厚度特性 ( 来自于底层铜合金与锡的反应 ) ,合金厚度边界和公差许可的制造厚度。
  在室温仓库中,即使是冲压后没有内部金属阶段的电镀锡铸件在一个月后也会生成 20 30 微米厚的内部金属层。内部金属阶段的形成也表明底层合金与锡或焊剂铸件之间发生了金属原子的扩散。合金成分扩散到铸件表面并且当这些成分与硫或氧等发生化学反应而生成抵抗薄膜时, 合金成分扩散就会使铸件的焊接性能下降。一些合金的成分很可能扩散到合金表面而形成诸如锌的反应薄膜。 Steam-aging 和高温烘烤测试被用于判断锡铸件的质量。接触电阻的增加和焊接性能的下降是内部扩散和合金成分与周围大气反应的结果。
 
4.3 特殊合金性质
 
4.3.1 稀释铜合金 (Dilute Copper Alloys)
  稀释铜合金又称高铜合金,指合金元素含量低于 4% 的铜合金。作为一组,这些铜合金在所有铜合金中具有 的导电率和 的在一般压力和高压力下的耐腐蚀能力。在足够的成形能力下的拉伸强度被限制在低于大约 500Mpa 拉伸强度,因为其拉伸强度主要由冷卷 ( 请回忆前面提过的主要用于降低成型性能的冷作硬化 ) 。该合金组在相对零温度到 80 摄氏度 ( 华氏 176 ) 之间提供了很好的对压力松驰的抵抗能力。
  表 4.8 总述了合金元素含量低的铜合金的典型特性。按合金中合金元素含量的比率来计算,上述铜合金的相对导电率有所下降。合金元素自己也极大地影响了传导性能,这是其内部电子结构因素的结果。 C151 是一种也具有 的合金含量 ( 0.1% 左右的锆 ) 和 的导电率的二元合金。该合金通过铜锆的易扩散以与冷作硬化结合而生成第二阶段颗粒而使其强度提高。留有固体溶解物里的锆元素含量不超过 0.02% C151 的最重要的性能是在高温下仍具有很高的抵抗压力释放的能力,尽管其合金元素含量很低。该合金由于在高温下具有比其它高铜合金,包括凝结强化合金,明显的优良性能,因些该合金等级较高。 C151 150 摄氏度的高温下保温 3000 小时后仍具有其初使 87% 的压力;然而强度比凝结合金要低得多。
  镁和磷在 C155 中要反应生成磷化物。这些颗粒在通过从溶液中除去镁和硫而达到高导电率的同时增加了冷作硬化的效应。该合金也需要加入微量的银以在低温回火时提高防止软化的能力。 C155 应力松弛阻抗在高铜合金中是适度的。
  低级别的锑和锡 ( 含于低氧铜或磷再氧化的铜 ) 也能增加软化抗力,如 C1443 C145 。控制残留的氧对避免生成防止锑元素提高软化阻力的锑氧化物藉非常重要的。这些合金的导电率是很高的,因为留在溶解合金里的合金添加物的含量是很小的。这类合金的压力释放过程并不特别。
   C194 C195 C197 代表了一组基于钢和磷组成物变化的合金。强度提高是因为当这些合金被冷压以生成调剂时用作增加冷用硬化效应的磷化物的扩散 ( 含有钴,钢和镁元素 ) 。强度和导电率是由添加于 C195 的溶解强化的锡来均衡的。在该组基于合金的磷化钢中, C197 提供了 的导电率,因为 C197 含有在其形成过程中生成的混合钢和磷化镁。
 
4.3.2 锌、锡及改善黄铜 (Modified Brasses)
  铜锌合金在用作制造工作温度 ( 环境温度或焦尔热 ) 适中且成本低的电连接器的铜合金中最出名。在这些合金中, C230( 15% ) C260( 30% ) 恐怕是最常用的了。在相同的成型能力下, C230 的强度并没 C260 的高 ( 如表 4.5 所示 ) ,但是这些低合金组成物提供了更高的导电率。锌黄铜合金 ( 包括 C230 C260) 的压力释放阻力是适度的 ( 4.9) ,这限制了其使用温度大约在 75 摄氏度左右 (167 华氏度 ) 。含有 15% 或稍少的锌的黄铜合金也更不易受挤压腐蚀裂缝的影响。
  锡铜合金由于比二元铜锌合金具有更好的强度成型组成物和压力释放阻力以及抵抗压力腐蚀裂缝的能力而显得更具特色。锡加入物在强度上是可靠的,因此在冷作硬化时需要降低组成物的含量;更好的成型性能是该举措最直接的效益。通常含有 10% 锌和 2% 锡的合金 C425 作为降低锡合金成本的替代物应用呈上升趋势。 C425 的导电率与 C260 不相上下。 C425 的导电率也比最重要的锡青铜合金要高 ( 下一节将对此讨论 ) ,但成型性能并设有锡青铜那样好。 C425 的压力释放阻力也要比上述锌青铜合金好,这允许它应用于达到 125 摄氏度 (257 华氏度 ) 高温的环境中。
  铁,钴,铝及硅等合金加入物和铜锌组成物进一步改善了原本已经高度易成型的基本黄铜合金的一些重要特性。 C664( 4.9) 中的铁和钴是扩散的粒子加入物并将导致在与 C260 相同的强度水平下获得更高的成型性能。合金 C664 很可能在需要更高强度的应用中作为 C260 的潜在替代物。
  锌黄铜 (C688) 的铝和钴等加入物混合了来自对呈现的钴铝合金进行更有效的冷作硬化以获得精炼粒子 (10 微米以下 ) 的强化功效。该结果是得到一种易成型的合金,该合金提供了不经凝结强化的可得到的 强度。表 4.9 列出了相对于其它锌铜合金的铝扩散强度合金的特性。值得注意的是作为冷作硬化的高效能的组成物,需要更少的工作即可达到所需强度,成型性能在横向与纵向是一样的 ( 参阅表 4.5) 。与随后说明的凝结硬化合金不同, C668 合金及大多数其它黄铜合金的压力释放阻力被限制应用于低于 100 摄氏度 ( 含锡合金 C425 除外 ) 的条件。
 
4.3.3 锡青铜
  粗糙的锡青铜也指磷青铜,因为加入的磷 ( 含量在 0.03 0.35 之间 ) 是为了使金属还原和达到更好的流动性。含量在 1% 10% 之间的锡通过溶解硬化和增加锡元素给予铜的 ( 4.10) 加工硬化率而达成强度提高。商业上最重要的锡青铜合金是 C510 C521 C510 合金是最常用的锡青铜合金,当更高的强度 / 成型能力组成物成为必要时,常使用成本稍高的 C521 合金。后者高出的成本是由加入的金属基本成本和加入的锡影响热加工而提高的成本组成。含锡量高的青铜必须铸成条状,因此防止大部分成本,热压碎成为了可能。
  源于更高的锡的充许范围的强化处理被低导电性所抵销,如表 4.10 所显示的。因而锡铜合金不适用于高电流接触,而应用于电信号传输上更好。锡铜对伸缩的抵抗力直到接近 125 度都有良好的特性。对更高温度时的稳定性要求已促进了锡铜合金向凝结强化合金的转化。
  锡铜合金有良好的成型性。例如,因为对强度的冷处理要求更少, C521 C510 能提供更好的成型性。因此,对于相同的强度 C521 的应力松弛阻抗力比 C510 更优。典型地,通过提高冷处理次数对 C510 的强化处理稍微减小了其伸缩抵力,但可通过减轻退火度得到提高。
与其说锡铜的应力腐蚀抵抗力受到影响不如说锡的抵抗力提高。在个观点上,锡铜与锌铜的区别在于锌抵抗力的提高对   应力腐蚀敏感性提高有极深地影响。
 
4.3.4 铝与硅铜
  铝铜包括含有硅、铁、钴、或其它附加于铜 - 铝基材的元素的合金。用于电连接器上的硅铜合金,含有锡及其它附加于铜硅基材中的元素。该组合金中对电连接器有重要商业意义的例子如表 4.11 所示。
   C638 ,含有铝及更少量的钴和硅,可以同时提供很高的强度及良好的成型性。精细散布的钴硅化物,具有很小的粒子,包含在该合金中对其硬度有一定影响。该合金在拉力达到近 700Mpa 时仍保持了相对成型性。 C638 的应力松弛阻抗力比较适中,限制其利用的温度为 75 度左右或更低。
   C654 是一种固溶且经过冷轧的合金,其能提供与 C510 125 度( 的推荐应用温度)时相同的应力松弛阻抗力。 C654 的成型性在 690Mpa 拉力作用下比 C510 更优,尽管其导电性大约只有后者的一半。与 C510 一样, C654 实质上不受应力腐蚀分裂的影响。
 
4.3.5 锡与含锌的铜镍合金
  大多数重要的用在电连接器上的铜 - 镍固溶合金有 C725 C762 C770 。其中, C725 因为中等强度条件下良好的成型性,适中温度时良好的伸缩性,以及很好的腐蚀抵抗力而应用 (表 4.12 )。
 
4.3.6 凝结强化合金
  温度升高时,高强度、良好成型性、优良的应力松弛阻抗力、以及适中的导电性最有利的适中结合,从那些能够通过热处理得到强化的合金中实现。该组合金突出的特性在第 4.2.2 节中已经讨论。
  主要的凝结铜合金以铍(与钴或镍结合)或镍(与硅或锡结合)。这些合金与电连接器相关的可能用到的性能总结在表 4.13 中。
  所有铜合金中能够加热处理到 强度的含铍合金是 C172 。钴的加入是为了通过高温溶合退火步骤中形成粒子周围的钴铍化合物而控制微粒的大小。在其 强度及应力松弛阻抗力时,钴有很差的成型性。在需要 性能的情况下,合金料带( the alloy strip )在热处理达到其 强度前,首先从溶化处理或溶化处理状态下的冷轧回火形成部件。经常,冷轧余热淬火料带,用于表示强度与成型性之间的平衡。应力松弛阻抗力也考虑冷轧料带的优点但是其不如高强度状况下稳定。正如第 4.2.2 节中所提到的,因为需要移走热处理过程中形成的铍氧化物,也可能为避免变形而需要移走设备,故部件热处理会产生附加的加工成本,在性能与最终的决定条件( final aged condition )总结在图 4.4 中。
   C175 C172 中稀释铍的形式,在压延回火( mill-hardened tempers )过程能提供更高的导电性,但缺少可成型性。为了降低金属成本而实质上不影响金属的性能, C175 已被 C1751 所替代,而 C1751 中的镍被钴所替换。 C175 中铍与钴的容量进一步减少到一定程度已经被作为 C1741 介绍过, C1741 只有在压延条件下才是可用的。但是后者在强度轻微下降的同时,却有更好的成型性。
  加入铜镍基材合金中的硅通镍硅氧化物的凝线导致足够硬度的合金。访组中的合金 [C7025 (其也包含有镁)及 C7026] 因为在适中导电性时有良好的强度 / 成型性而有贵金属性。 C7025 对温度升高有相适配的抵抗力和其它可与稀释铍铜相竞争的性能。 C7025 的应力腐蚀抵抗力与高抵抗力的磷铜合金。
  加入铜 - 镍基材中的锡,根据合金的成份和热处理,能提供与 C172 几乎相同的强度。该组中 的含锡合金是 C729 。这些合金主要的强化处理是一种被称为旋节分解( spinodal decomposition )的精炼凝结。该组合金中镍与锡的含量范围从 的 C729 15% 的镍及 8% 的锡)到 C7265 8% 的镍及 5% 的锡)。更为稀释的成份,如 4% -4% 锡( C726 ),和 9.5% -2.3% 相对的锡( C725 )不能通过凝结热处理得到强化。 C729 据报告在高温工作环境中可提供非常好的应力松弛阻抗,例如暴露在 200 度环境中 1000 小时能保持 90% 的初始压力。而 C7625 经过相同的条件强度有轻微降低,稳定性也有些下降,同时可保持 80% 的压力。 C7265 C729 是该组中最常用的合金。但是,因为制程及金属成份的成本,使得它们很成本很高;且后者因为较差的热性能通常通过粉末压合来加工。像铍铜一样,镍 - 锡合金在冷轧回火(为了增加形成后的寿命)及压延回火也是可用的。
 
4.4 相关成本因素
对选定的高容量( high-volume )的商业铜合金的定价如图 4.14 所示,实际的价格根据铜与各自合金成份的价格、定购数量、容许的尺寸要求,以及金属供货商的不同而有所不同。锌铜是最不昂贵的,因为历史上锌的价值比铜低。更高的锡及镍的价格反应到锡铜合金及含镍铜合金的价格更高。含铍成份,此处通过 C172 C1751 非独有的成份来代表,历史上已经成为铜合金中最昂贵的铜合金,而 C172 是最昂贵的铜合金。大多数很高的镍锡合金、凝结硬化合金( precipitation-hardenable alloy )的定价都以 C172 为参照。
第五章 连接器用工程热塑性材料
 
工程塑料由于具有良好的韧性、尺寸稳定性、高阻抗、化学抗蚀力、短期热稳定性及长期抗老化性之类的关键特性,因而逐渐成为许多连接器供应厂商的主要原材料。近年来,连接器的生产及开发技术趋势极大的改变了市场。随着高密封装和微元化趋势的流行,今天的连接器设计要求在更小的空间里实现更高的性能,因此表现出更薄的壁厚。塑料原料应能满足在更长的连接器本体上填充薄壁的设计,并能保持原有的性能,同时也满足成本与生产工时的需求。  
人们现在正在研制流动性更好的塑料原料来满足薄壁的要求,并且允许更快的生产循环时间。今天,在制造周期和随后的成型生产周期里,塑料一直被暴露在高温条件下。例如,在高密度的电路板上安装更小的组件,已逐渐采用表面粘着技术,可用更低的价格提供一个更可靠的集成电路板。在连接器工业上这种明显的趋势要求连接器材料具有更好的高温性能、更小空间里的耐压性能,并且具有更低的成本。
由于连接技术不断地更新,所以连接器设计也不断地在变化。随之尔来的是,对连接器用塑料原料性能的要求也极大地变化着。事实上,对连接器用塑料,连接器的设计人、制造商和最终用户都正不断提出新的特点与更高的特性要求,即在这些关键的地方同时具有良好的温度及物理性能。
连接器本体具有下述的功能:
     * 两两接触的电绝缘性能。
     * 提供一定的接触的机械支持。
     * 为可分离或 式连接界面提供机械的 / 尺寸的稳定性
     * 在任何使用环境下保持需求的性能
在合理成本潮流下,以上要求应当被满足,其中每一个问题都将在本章中阐述。连接器制造厂商一直努力以 廉的成本来提供 性能的连接器,然而最终用户却想以 的价格买到 连接器。
连接器本体的性能,很大程度上依赖于所使用的工程塑料的物理特性。连接器本体必须具有良好的物理特性和制造性能。聚合物必须提供良好的韧性和尺寸稳定性,同时具有高阻抗和绝缘之类的电气性能。聚合物也应当满足最终使用的需求,例如:化学抗蚀力、阻燃性、短期热稳定性、长期抗老化能力及其它成型性能。而且韧性和冲击性能之类的性能在一定的环境里会减弱。这样一些性能是塑料所固有的,但常常加入添加剂以达到特别的性能水平。典型添加剂包括滑石和玻璃纤维,它们能改善塑料的物理特性,并能有助于阻燃(参见 5.3.1 部分)。玻璃纤维添加剂能改善模具薄壁部分的填充能力。云母和滑石提供改进尺寸上的稳定性的功效,尤其在半晶体聚合物,为增加流动与润滑,还可加入其它一些添加剂。
对连接器原料来说,化学抗蚀力和热稳定性是关键的性能。在过去几年里,这是千真万确的。现在,当成型过程和最终使用时,它要达到这样的水平,即连接器原料应适应不断被暴露在各种化学环境中的工作要求。
本章的目的是在工程师和设计人员在做原料选择时,提供使用在电子行业中的绝缘原料的信息,协助它们作出决定。这些信息,在连接器行业显得尤为重要,因为正在使用塑料原料的电机和电子工程师,可能需要一些基本的知识关于有实用性的原料、原料特性、适用范围、强度和弱点,及其各部分之间的相互依存关系。
由于自身的性能特点,人们长期以来一直在各类连接器设计时采用这些工程塑料。最近的原料简介更进一步地增加了使用性设计的选择权。本章也注意到通用性设计的考虑,所以包括了一个附加的破坏性能讨论。
自从各种形状、尺寸、颜色及功用的连接器问世以来,对于零部件原料的要求可能是具有挑战性的。在决定做连接器本体用的原料上,连接器的最终使用及其在生产阶段经历的成型过程中扮演了重要的角色。
对于制造系统,随着在更小空间里负载电流要求的与日俱增,在电子行业里的一个主要发展趋势是不断朝微元化和更好更多的功能方向发展。不久前,典型的端子触点间的端子容室在 100 156mils 之间,而今天,它通常只有 50mils ,随之而来的是围栏厚度减到 5 10mils ,所以连接器本体的薄壁部分成了关键点。对于每一个薄壁围栏,具有良好的尺寸稳定性,同时保持所需绝缘性的特殊原料很重要。它还要以更快的成型时间去填充模腔各部分,以提高产能。
决定聚合物的另一重要因素是聚合物的分子量( MW )。聚合物由何种方法制成及保管决定了分子量。分子量能影响粘度、物理性能和热容量性能。分子量的分配,在聚合物内部,决定内链的长度范围,也随制程的变化,对以上性能产生明显的影响。
聚合物内链分子量决定粘度或原料的流动性。因为分子量影响了内链运动和内网,这能极大的改变粘度或原料的流动性。聚合物内链必须具有一特定的长度,才能形成内网,从而限制内链的相互移动。因此,同样基体的高分子聚合物较低分子聚合物具有更低的流动性和更高的粘度。
物理性能如延展长度也受分子量的影响。对于低分子聚合物,延展压制的可能性为零。但随着分子量的增加,延展长度将会增加,且到一定水平会断裂,具有一个近似的 延伸长度。正如在晶体聚合物部分的讨论,形成晶体物质的必要条件是一种聚合物必须达到一特定分子量或内链长度,从而使内链排成直线。依靠化学药品,高分子聚合物能比低分子聚合物提供更多的机会。晶体延迟了性能的改善,例如充模能力和化学抗蚀力。一般说来,随着分子量的增加,机械强度和熔融粘度性能会增加,但流动性和制程能力下降;同时随分子量分配范围变大,流动充模能力和熔化强度增加;随着分子量分配范围变小,抗冲击强度增加,但 warpage 流动性和制程能力下降。
总之,分子量的增加会导致机械性能的增强。是以,大多数聚合物的分子量介于一万到一百万之间。除非至少可获得分子量为一万的聚合物,否则强度性能得不到改善。此外,分子量也能影响制程流动性和聚合物别的一些物理性能,如抗冲击强度和延展长度。
 
5.1 聚合物结构
对于理解关于一特定连接器所使用的塑料而作出的恰当的选择,了解聚合物的结构常识是必要的。从一个微观观点来考虑,聚合物可画分为两类:无定型聚合物和晶质聚合物。
 
5 1 1 非晶体聚合物
非晶体聚合物由聚合物内链组成,这些内链以一个随机无序的形式排列。在这里把它们看作为一碗意大利面条,如图 1 所示。相对晶体聚合物,非晶体聚合物被认为有更宽的熔解范围、更低的收缩率、更低的 warpage 和更低的流动性。它们具有良好的延展性、抗冲击强度及尺寸稳定性。这些原料包括了非晶体聚合物范围,且它们所拥有的大量物理和机械性能,具有很强的温度依赖性。低温时,非晶体聚合物是玻璃质的,坚硬但易碎。随着温度的增加,非晶体聚合物超过了自身玻璃质转换温度 Tg ,加热到该温度时,聚合物结构转向橡胶质 ( 在冷却时,转化为玻璃质 ) 。在 Tg 温度上,聚合物将失去明显的自身所有的机械性能,如图 5.2 所示, in modulus shown 这些性能会急剧下降。因此,当以非晶体聚合物原料来设计连接器时,考虑大致的使用温度是首要的。关于非晶体聚合物有聚苯乙烯和聚碳酸酯等。
 
5.1.2. 晶体聚合物
通常所说的晶体聚合物指半晶体聚合物并包括晶体、非晶体聚合物范畴,而非晶体聚合物只包括非晶体聚合物。晶体聚合物被推断以图 5.3 所示结构有序的排列。随着早期的推断。晶体聚合物被想象成一碗混合了煮熟的和直硬未熟的意大利面条。这种有序通常是由于聚合物内链有这样一个结构,可让它们排成直线并聚集形成晶体范围。直线型态由这样的几何特征而来,并被在聚合物内链间形成的低能量化合物所保持这些低能量化合物如氢合物等。中间链的结合依靠内链长 ( 即分子量 ) ,这就是为什么分子量是如此重要的塑料原料参数的原因。塑料原料里晶体的百分比由聚合物类型 ( 化学组成 ) 所决定,它也影响着内链主链的柔韧性,和能促进结晶的可能的内链反应。例如:尼龙内链有能力形成氢合物,因此在聚合物内促进了结晶。聚酯也能形成氢合物,并影响构成聚合物内链的化学单元长度,因此促进了结晶。
晶体聚合物 sharper 熔点和玻璃质转化温度,比起无定型聚合物具有更高的系数和抗拉强度。尽管它们的抗冲击性能低于那些非晶体聚合物,但通常认为晶体聚合物具有良好的化学抗蚀力。
在熔融状态,晶体聚合物也是非晶体的;也就是说,聚合物内链以随机的方向排列。但随着熔液的冷却,内链开始直线排列并形成晶体聚合物。直线型式可促使先前提到的系数和化学抗蚀力的加强。
通常,原料晶体的性质能对连接器组件的制程和物理性能施加一个可预测的影响。随着成型过程所使用的成型方法及添加进基体塑料的化合物的变化,晶体也随之变化。随着晶体百分比的增加,机械性能也增强。图 5.4 表示了一典型的应力-应变曲线。当晶体增加时,如前叙,随晶体百分比的增长,屈服点和主要的强度会提高。被作为一种衡量硬度的尺度的弹性的模量 ( 应力对应应的比率 ) 也在增加,但晶体的增长通常会造成原料韧性的下降。而内链的直线排列和前述的中间链聚合,引起了机械性能的提高。在聚合物的机械性能上,晶体的增长具有明显的影响。晶体聚合物主要有乙烯聚合物的氯化物( PVC ),尼龙和聚酯,例如:聚乙稀、对苯二酸盐( PET )和聚丁烯( PBF )。
.工程塑料原料
现在这将有助于详细调查一些使用频率很高的连接器原料。这些原料将根据它们是否属于晶体或非晶体聚合物而划分为两大类。
 
5.2.1  非晶体聚合物
丙烯晴-丁二烯-苯乙烯( ABS )  ABS 由一系列的有时被用于低要求连接器运用场合的配方构成。尽管 ABS 具有良好的冲击性能,并且相对比较便宜,但它对有机溶剂几乎没有抵抗力,一经暴露在这类环境下,它就会变脆。 ABS 也不具有长期的热稳定性。 ABS 也不具有长期在高温环境中的使用性能,因此不能适用于一些高要求的连接器运用场合。 ABS 还具有良好的机械性能、热和化学的抵抗力、良好的耐久性、高冲击强度及磨损抵抗力。
聚碳酸盐酯( PC   PC 是具有良好尺寸稳定性和冲击强度的非晶体聚合物。当运用上需要时,它的透明也很有价值。 PC 也具有相对较高的加热性能和 1500 度的热变形的温度。但它不具备良好的化学抗蚀力,而且在有机溶剂中可能会被裂解。它具有良好的电性能,本质上是自衰的。 PC 和其它合成橡胶、热塑性聚乙烯、 ABS 磺化聚合物混合的特性是可利用的,并可提供改善的低温韧性和制程性能。
Polyphenylene PPO  由于处理和成型简单聚合物的困难, PPO 典型被用在改变混合形式上。连接器场合上大部分的混合是随高冲击强度的聚苯乙烯( HIPS )或尼龙而变化,并是玻璃质增强的。这些混合能阻燃以达到 UL 94-VO 易燃品窗体要求。 PPO 和它的混合物具有良好的温度系数和一定的化学抗蚀力(它对酸性和碱性环境具有良好的抵抗力,但会溶解一些芳香醇和氯化溶剂)。在一个大范围的湿度和温度条件下,该等聚合物具有低的吸水率和良好的电气性能。然而, PPO 不具有类似聚乙烯的良好的流动性,故无法使用在薄壁连接器上。
聚眠甲烷  市场上有许多价格与性能差异很大的聚眠甲烷。这些原料具有良好的加热性能尺寸稳定性能,但是对有机溶剂几乎没有抵抗力,尤其是对氯化的碳化氢。它们具有高的受热斜向温度、良好的尺寸稳定性、良好的爬行阻抗及好的电性连接性能。聚眠甲烷本身具有良好的阻燃性,并具有相对较高的受热性能。
Polyetherimide(PEI)   PEI 是一种高温非晶体原料。它通常用在需要较高受热阻抗或尺寸稳定性条件下。它具有符合 UL94-VO 的阻燃系数。 PEI 是一种高稳定的聚合物,它可以被研磨及通过复合途径使用。它具有良好的 UV 和γ射线阻抗。在沸水中浸泡 10 000 小时后它还能保持 85% 的拉伸强度。在不同温度、湿度、频率条件下, PEI 具有良好的电气性能。它的散布对于微波是透明的。对于波峰焊和气焊制程的 PEI 的阻抗也是通用的,这使它特别在电性运用上引人注意。 PEI 主要的不利因素在于它的成本很高、制程温度高、流动性差。
Polyether ketone(PEK)   PEK 是一种相当贵的原料,它被用于高温场合。该原料由于固有的磨损和疲劳阻抗而具有良好的化学性能和抗腐蚀性能。只有浓缩无水的或是强酸才能对它起作用。酮 可溶于酸。它们对于热水分解具有很高的抵抗力。酮有时也会发生翘曲,这可以被铸造克服。酮类聚合物具有高达 3000 度的熔点。它们具有低烟率并在整洁环境里通过了 UL 94-VO 的测试。酮类聚合物是具有一定韧性、强度、硬度和高冲击强度和负载承受能力的。酮类聚合物会受 UV 的影响,但在一个大的温度范围里对α、β、γ射线具有高的抵抗力。
 
5.2.2  晶体聚合物
Polyoxymethylenes (缩醛)  缩醛是具有良好流动性和类似对有机溶剂的化学抵抗力一样好的制程性能的半晶体聚合物,但它们当暴露于强酸作用下时,会发生退化。缩醛固有的缺点是不具有阻燃性,因此它们在使用上受到限制。缩醛具有在长时期大范围里保持良好的机械、化学、电子性能结合的能力。它们对承受负载和疲劳具有良好的抵抗力。对于在 2000 度高温下使用,也具有较高的热抵抗力,并具有很好的水稳定性。这些塑料是坚硬的、牢固的和具有良好韧性的。
聚乙烯  在电子工业领域,有许多原料是聚合物内链的酯结合,因此都属于工程塑料的聚乙烯家族。许多标准连接器由聚乙烯组成是因为它能提供良好的流动性、很光滑并具有良好的溶解抵抗力。这些原料主要是 PBT PET PCT 。选择这些玻璃增强剂的性能被纳归纳在表 5.1 中。简单的树脂不同于化学合成的,故也由于该不同而造成具有不同的性能 ,如表 5.2 中所示。基于用来制造不同聚合物的单体,聚合物的内链会被改变。结构的不同会影响到化学性能、熔点 (Tm) 、晶体百分比和其它一些性能。晶体的变化会在物理性能、化学抵抗力和其它一些原料的重要性能上产生很大的影响。聚乙烯的半晶体原料,很容易在成型时收缩。
PBT 具有良好的化学阻抗性能,此外还具有不受湿度影响的电气性能。它也不受水、弱酸及其通用有机溶剂的影响。
PET 具有高的强度、韧性、尺寸稳定性、化学和热抵抗力及其一些其它的性能。它 PBT 对水和制程中的水的百分比更敏感,这会导致成型聚合物的退化。不填充 PET 的成型收缩率是 2% ,但当加入 30% 的纤维添加剂后,收缩率只有 0.1% 0.3%
PCT 具有 285 度的熔点,相对 PBT 225 度和 PET 255 度,更高的温度阻抗使它更易于在表面安装电子组件。 PCT 主要的缺点是它的制程窗口由于很小的熔解和退化温度跨距而很狭窄。但它也有很好的物理、化学、电子、机械和热性能。
PBT PET PCT 更牢固。当 SMT 不成为问题时,良好的流动性和牢固的晶体使 PBT 聚合物用在很多连接器上。这实质上是允许更快的循环时间,因为它能更快地填充模具并成型。 PET 是低晶体并因此导致更长的成型时间,这会延长循环周期。 PCT 具有和 PBT 大致相当的晶体百分比,但更慢的晶体化过程而导致更慢的循环周期。 PET PCT 型由于它们的高熔点而需要更高的成型温度。这类聚乙烯通常被用作绝缘原料,而且受所需的化学抗蚀力、温度决定,并且 PBT 在使用中占很大比重。
Polyphenylene sulfide PPS )  PPS 是具有良好流动性和受热能力的半晶体聚合物。它具有良好的流动制程性能并能填充复杂连接器设计的薄壁部分。大部分的 PPS 原料和混合物是下班露出增强剂,这是因为它的简单构造。它在成型中不易碎并不会闪光。 PPS 通常用在需要高温的 PCT 上。 PPS 固有阻燃性,但它的价格限制了它的使用。 PPS UL 94-VO 评定过。当玻璃纤维增强后, PPS 可持续使用在 2000 度的的温度等级里。 PPS 在大的温度和湿度范围里也具有很好的电气性能。
Polyamide PA )  PA 最常见的是尼龙,可以有很多种。依靠所使用的单体,原料在性能和成本上有很大的变化。表 5.3 和表 5.4 中分别提出了选择简单和填充尼龙树脂的性能 。大部分尼龙是半晶体聚合物。尼龙能够随使用的添加剂和混合物的不同而发生很大的原料性能变化。尼龙的流动性也会发生变化,因此能被用在各种需要高强度和系数的场合。但是通常尼龙需要添加添加剂和强度添加剂。尼龙具有良好的韧性和水解稳定性。它们具有长期老化性能但不具有阻燃性。使用尼龙的缺点是收湿性;它所吸收的湿气会随温度和湿度的变化而发生变化,因而会导致聚合物矩阵的延伸。但通过烘干,条件是可逆的。由于这个原因,一些 PA 不适合应用于要求三维尺寸稳定性的场合中。吸湿性也影响了一些性能,例如它增加了翘曲和冲击强度但减少了拉伸强度。聚合物的电气性能对于湿气和增加了水分后的变质很敏感。尼龙对于烃和芳香族化合物具有很强的化学抵抗力,但受强酸、碱、酚的影响。在一定的持续时间和暴露强度下,提高温度和超声波照射 (UV) 都将使尼龙退化。
液晶聚合物( LCP   液晶聚合物包括大量的树脂,树脂在熔解和固体时其结构均显示出了很高的硬度,在薄的部分也是这样。它们同样显示了较高的温度稳定性和化学抵抗性能。用于连接器工业中的液晶聚合物通常为含酯类酸的聚脂类液晶聚合物材料。液晶聚合物具有很好的机械和热性能同时还具有较好的流动性。因此它们用于薄壁应用中。如果连接器上端子之间的距离很小时就应该考虑使用 LCP ,因为 LCP 的流动性比 PPS 的要好四至五倍。在流动方向上的塑造收缩只有千分之一英寸的大小。 LCP 可归为改善的热塑性塑料一类,在表面安装的应用中其比 PBT 在制造薄壁型产品的时候具有更好的性能。
液晶聚合物受基于外来芳香族化合物而导致较高的各向异性的形态的影响。这种化学作用的影响将使材料的价格的升高。为降低成本 LCP 常与其它一些的低成本的材料相混合使用,如人造树脂、添加剂以及玻璃纤维。 LCP PPS 相混合使用的 个商业目的是可降低 LCP 的成本以及减少 PPS 的闪光。液晶聚合物的性质特征为低溶解粘性,良好的拉伸性,具有压缩力以及弯曲系数值;以及非常好的化学,辐射,及热稳定性。图表 5.5 中显示了 LCP 的选择性有代表的性能参数值。
如图 5.6 所示,基于其化学性 LCP 可分为三类。与熔解温度特性相应的是其最显著的特征是 HDT LCP 竟争力的一个优点是其快速出模和制造薄壁产品而不留毛边的性质。此类材料具有经受高温处理和长时间处于升温的状态。
LCP 材料中也存在如下的缺点,它们的各向异性将导致出现横向应力,并且将导致部分的 warpage 。这些问题可通过增加添加剂来改善。结晶同样会出现在此类材料中,这样将会减少前端流动熔合的时间。这样将导致焊接线强度较差,但是这种问题也可通过控制成型过程和加工工具设计来加以控制。由于未充满的 LCP 具有各向异性,为了加强其在电子方面的应用,通常在其中加入 30% 50% 的玻璃纤维。高熔解温度在 300 ℃范围内,高系数会对波动,蒸汽阶段以及红外线焊接条件产生影响。 LCPs UL 94-VO 的阻燃率,以及在燃烧时不会产生烟雾。其对酸的以及稀释碱,有机溶剂化学抵抗力非常好。强碱如氢氧化钠和胺将会使 LCPs 到一个加高的温度。
LCPs 在连接器市场上能有一席之地是因为有两个重要的因素:设计上的小型化和在自动生产过程中的高生产率。近年来的趋势是具有更高生产率的表面粘着技术,其经济性允许使用高成本的 LCP 材料。
 
5.2.3 热固性聚合物
为了更完整的叙述接下来便是热固性聚合物。热固性聚合物从熔解状态到冷却状态因此不能被软化或再加热以用于其它目的。因此它们只能提供较为有限的机会在再研磨用的过程中。在化学上热固性树脂在处理中要经历一个交叉连接的反应过程,以产生一个固定的分子间的网络结构。热固性材料在交叉连接的时通常是收缩的,但是这种收缩是能通过附加如添加剂和加强光纤进行控制。在热固性状态下的这些材料的变化可以在室温和高温下完成,而树脂则能在加热下进行得更为彻底。总的来说热固性材料比热塑性材料具有更好的温度性能。
 
5.3  添加与添加剂
在连接器领域应用的大多数树脂可以通过添加剂的方式来提高其性能。这些添加剂的范围从阻燃剂到惰性添加剂以及加强料。很多用作绝缘的材料可通过增强处理和添加剂的方式来提高其性能。增强处理通常用来提高材料的强度、硬度、尺寸稳定性以及热和机械性能。其通常能减小热膨胀系数 (CTE) 并且在薄片结构中它们能减小卷曲和收缩。添加剂通常能增强硬度、尺寸稳定性、和热机械性能。它们有时会影响强度和工作性能。添加剂通常便宜且能降低材料的成本。在很多情况下增强剂和添加剂联合与玻璃纤维使用以平衡成本与性能之间的关系。这里有一些因素能控制附加添加剂的使用:
载荷 --- 附加添加剂的数量将决定一定载荷下硬度、强度以及热性能的增加。一般情况下 50% 的载荷常常被用到。
比率 --- 在很多情况下增强效率要由玻璃纤维和添加剂在比率方面 ( 长度 / 直径比率 ) 来决定。很多添加剂是易碎且在材料的铸造和成型时易碎裂和退化。具有低比率的材料经不起太大的损坏。
界面连接 很多矿物质和玻璃基于其化学组成而具有高表面积,其组成占有很高的表面能量。 Coupling agent sizing 可用于量度材料增强树脂矩阵之间的联接。通常的 coupling agent 包括 silanes ,石蜡, titinates 和胺。
混合处理 - --- 添加剂与聚合物矩阵相联接的方法将会在其性质上产生想不到的效果。
用得最广泛的增强和添加剂是阻燃剂、玻璃光学纤维、云母片、 wallastonite 以及滑石粉。
 
5.3.1 阻燃剂( FRs
  很多电子应用上要用到阻燃树脂。最明显的原因是防止可燃材料的点燃。有几种可燃途径必须注意到,如稀释物 ( 添加剂 ) ,保护层的成型 ( 磷化物 ) ,以及冷却物 ( 铝及从水中产生的氢氧化物 ) 。这种反应通常发生在固体或气体阶段。阻燃剂在使用了卤素元素之后将会妨碍原子团之间的反应。经过交叉连接反应它们会在材料表面形成一个烧焦或屏障层,这些是可通过磷化物的介入而产生的。
阻燃剂能作为反应剂和填加剂。作为反应剂的时候它们自己通常要进入聚合物的矩阵结构之中,而作为填加剂时它们通常只会物理上与聚合物矩阵结构相配合作用。 FRs 在工程热塑料材料上的应用一般是作为填加剂。其中一些在混合物中起配合剂的作用。这种阻燃剂的选择是可扩展的,并且其总类和影响对绝缘材料的作用将会被提到。
在工程塑料领域里应用的填充阻燃剂有最基本的两类:含卤素和不含卤素的 FRs 。有一些材料如 PEI PPS 它们自己分子结构内部就有阻燃剂,因此也就不需要附加的阻燃剂。含卤素的阻燃剂其效率增加的顺序为:氟 < < < 碘。含卤素的 FRs 通常使用溴作为卤源而有时也使用氯,这是由于卤素与碳原子相结合时其释放需要有一定的能量从而能提供给 FR FR 的化学活性已经大量的研究了但仍然存在争议。增加卤素通常会提高材料的成本同时也使此混合物的密度增加。含溴和含氯的 FRs 被束于脂肪类和芳香族的聚合物矩阵之中。脂肪类结合的卤素容易被破坏,所以它们比芳香族结合的卤素的温度抵抗性要差。芳香族结合的卤素在工程塑料中应用得很普遍,例如: tetrabromobisphenol A 乙烯 (tetrabromo-phalimide) ,以及 poly(dibro-mophenylene) 。这些材料的成分从 4% 15% 不等,这要依 FR 中的溴的含量以及能提供给阻燃剂的矩阵而定。由于分子和聚合物的不同这些材料所带有卤素将会影响绝缘材料的性质。例如很多聚合含卤分子用于工程塑料之中。
大部分情况下要用到锑基化合物。这样可以提高卤素阻燃的效率。配合氧化剂自己并没有 FR 的能力,然而它在含卤化合物中具有很强的配合作用并且还可与广泛的与卤素相配合使用。此类反应通常发生在气体状态下。
非卤素的阻燃剂同样也在研究之中,但由于其在应用中对一些材料的基本聚合物矩阵将产生损坏性的影响,所以其应用受到了限制。例如磷基化合物用于尼龙材料中而不能用于聚脂之中是因为其与聚脂微晶不兼容。磷化物所起的作用通常是在浓缩阶段。其化学组成通常为高含氧成分并用于聚脂中。磷类主要包括有亚磷酸盐、亚磷酸、磷化物、白磷、红磷以及磷酸盐。这些化合物可用于一些明显的材料并且通常作为烧焦层组分和屏障层组分。作用于表面的 FRs 可对表面的性能产生一定影响。例如形成烧焦层的材料将影响聚合物表面抵抗力,它们同样会妨碍铸造柱形表面过程。
工程塑料中很少有适合 FRs 的矿物质,因为大多数矿物质的分解温度比工程塑料形成温度还要低。含有矿物质的材料,如氢氧化镁、碳酸镁、氢氧化铝及含硼的化合物已经被应用。它们加热时通常要分解,但不象其它物质那样蒸发,而是释放出不燃烧的气体,如水和一氧化碳等稀释燃料的混合气体。同时它们也把聚合物和氧隔离,以免其被氧化。但是这些混合物因为需要高度浓缩以满足 FR 的需要而使其在工程材料中的应用受到限制。由于材料中包括了水和更低的物理特性,尤其是流动性和相互冲击性。许多情况下,这些材料也提供了稀释的作用,因此那些不燃烧的其它材料对 FR 的形成具有积极的效果。聚合物中含有许多其它物质,如硅,其表现出有限的分解延缓应用性,但是它们必须考虑成本和性能。
延缓分解性的要求一般是用 (Underwriters) 实验来确定的,许多确认延缓分解性的不同实验被采用,如 UL94 DIN4102 NEP92-507 等。获得 UL 证书需经过严格的测试。
当考察 FR 添加物和分解延缓材料时,应用的特殊性、全部材料的绝缘性能及材料的成本 / 性能比值都必须考虑。又,聚合物的许多性能可通过向聚合物矩阵添加 FRs 添加剂而得以改变,这一点也是需要考虑的。
 
5.3.2 强化添加剂
玻璃纤维   玻璃纤维是广泛用作强化剂中的一种。除了强化作用外, 玻璃纤维还可增加分解延缓性和使材料更耐化学和热作用。 玻璃纤维添加剂可大提高材料的物理性能。如,向 PBT 中加入玻璃纤维添加剂可使其弯曲系数增加 250% ,拉伸系数增加 100% 。在其它树脂中可看到相似的性能的提高。 玻璃纤维添加物一般要降低树脂的流动性并可能引起一些表面缺点。 玻璃纤维对选定的聚合物性能的强化作用被列于表 5.7 5.8 中。
云母   云母也是一种用作提高热传导性,温度阻值及电介质绝缘性能的同时降低热澎胀的天然材料。它可作为添加剂或强化剂并常与玻璃纤维合用,表 5.9 说明了这一点。
Wallastonite.  Wallastonite 也是一种天然的针状材料。它常与玻璃纤维合用并表现出很好的电绝缘性能和很好的热变形特性,表 5.10 对此进行了说明。
 
5.4   成型和应用
聚合物形成连接器绝缘本体的过程 ( 通常是注塑成型 ) 及关于成型过程部分设计的作用对连接器绝缘本体性能有很大的影响。连接器将被使用的应用也将影响聚合物选择的标准。关于此以后将继续讨论。
 
5.4.1  成型过程
某种连接器应用的特殊材料的选择可能受许多因素的影响。有时一种材料根据其物理特性来选择。在其它情况下,连接器的使用环境也可能影响树脂的,这一点也需考虑,并且热和化学兼容性必须作为主要因素加以考虑。作为首要考虑的因素,合适的熔化和成型温度必须考虑材料的数据表。高的成型温度一般导致低的成型压力,高的成型完整性及易流入较窄部位。为了获得统一的成型高温,建议采用喷吐机或热端子以从核心向外散热。温度平衡依赖以下三个因素:模具设计,熔化湿度及循环次数。冷模会引起过度的弯曲和收缩。
注塑压力值是成型过程的另一重要因素。较窄的部分成型尤其困难。它们需要大量的排气孔,热模及额外快速填充。注塑成型压力值依赖于局部几何形状、模型设计、成型材料及熔化温度。总的来说,连接器最常用的材料趁向于具有低粘性和易流动性。在连接器绝缘本体注塑成型时,使用低压注射是很重要的,这样可降低冲击,成型压力及模具小核心的疲劳度。如果采用过高的注塑压力,由于模具钢的移位或其它对模具的损害都可能引起注件尺寸的改变。
这样的影响在连接器的局部角落显得尤其突出,因为注塑件的外部比其内部冷却速度要快得多。降低角落处的弯曲程度的关键是使连接器两边的冷却率相等。达到这一点的典型做法是使角落处的内部比外部温度低。另一种做法是使角落处的内部升温。使核心部比外部洞穴降低到更低温度值的能力在许多连接器工具中是很重要的。
 
5.4.2  应用
表面粘结技术 (SMT) 将作为一个聚合物 / 应用干扰的例子。 SMT 允许向电路板密集地安装组件。 SMT 的主要优点是在装配时可降低成本,减小尺寸及减轻重量。许多电路板的制造商都编入采用各种 SMT 技术的制造设计技术 (DFM) 。制造商发现 up-front 、受控的放置规划、焊剂、修理维护及测试可显著地提高生产率和可靠性。考虑的重要设计是使用的 SMT 类型,电路板条件及可靠性和成本因素。
现在有两种基本的用于 SMT 的接触方式:波峰焊和流动焊。在波峰焊中,装置和接触面直接暴露于熔化的锡合金。流动焊依赖于传递的热以熔化置放的焊剂合金 ( 主要用作锡 / 导引 / 熔化粘着更重要的安置装置 ) 。波峰焊常用于穿孔插接 (PTH) 方式和在焊接过程中被收容于基树脂的低轮廓装置。流动焊则仅用作粘结以保持该装置。
流动焊是用于 SMT 装配方式,尤其是需要使用更新的、更好的树脂混合物的 的焊接方法。当几种方法存在以有效地流动焊接粘结时,常采用红外线来加热。激光、热气、热棒及局部集中的红外线在流动焊接中也常用的。
波峰焊或流动焊是一种适合使用 SMT 技术的制造的共同方法。波峰焊是一个过程,在该过程中,许多连接部与流动的焊剂波接触一小段时间,同时连接部被焊接。
除了焊接以外,粘剂和树脂也可以用于向组装表面安装组成物。粘着技术可用手操作机械的注射器而达成,或使用高速输出、可编程的机械分配手在需要组装其它组件的位置点上粘剂。
上面的关键点是 SMT 向电路板和连接器环境传热和化学物质的过程。注意 SMT 应用的材料挑选以材料在焊接端子的 SMT 过程中暴露的时间和温度为基础是相当重要的。这些绝缘材料在 490 华氏度 (255 摄氏度 ) 的高温下可以停留 30 秒到几分钟。
 
5.5  小结
电连接器材料可能暴露在热及化学环境中。此时,材料的选择更加严格。故设计者必须确定电连接器绝缘本体的材料选择在经过长时间的不良环境以后仍能保持其性能。
选择电连接器绝缘本体材料还有其它长期因素需要设计者加以考虑。其中之一考虑是如果部件在板清洗过程中暴露于碳化氢时对抗化学腐蚀力的要求。例如, postassembly 环境也是很重要的。例如,长期热及化学抵抗力在覆盖应用时( under--the--hood )应加以考虑。
高密度及小型化在电连接器市场上将会继续发展。可以预测未来之设计将要求在更少的空间有更高的性能。因而对设计者而言,在材料领域的变及表面粘接技术上处于变化的前列更为重要。
5.11 列举了不同材料的优点及缺点。同时表 5.12 包含了与电连接器应用最相关的选择的工程聚合物的一些聚合物性能总结。
 
5.11 电连接器应用所选择的工程聚合物的优点与缺点
 
材料
优点
缺点
ABS
良好的抗冲击性能,价格低廉
较差的有机溶液抵抗力,缺少长期抗热老化性,对大部分的连接器应用不适合
ACETAL
良好的流动性及化学抵抗力、成本低廉
在酸性或碱性环境中易退化,且阻燃性差
PBT
  良好流动及光滑,良好的电气性能及化学抵抗力,良好的热性能
高收缩性,在负载下易发热
PET
PBT 相比减小了翘曲性,比 PBT 更耐高热
流动性比 PBT 差,对空气湿    度敏感(比 PBT 的结晶性差)
PCT
的热聚合物,良好的流动性及化学抵抗力
易碎,制程窗口窄
PC
  天然阻燃性,良好抗冲击强度,尺寸稳定性,透明性,热性能
化学抵抗力差,压力下易分裂,流动性差
PPO blends
良好热性能,天然阻燃性,具有一定化学抵抗力
流动性差,可着色性差
Nylons
 良好流动性,抗热性,抗冲击性
吸湿性差,尺寸稳定性差
 
PPS
良好流动性,抗热性,化学抵抗力
易碎,反光,着色性差
PEX
非常好的热性能,良好的抗环境疲劳性,天然阻燃性
结晶慢,成本高
 
PEI
热性能好,天然阻燃性好
成本高
LCP
非常好流动性,热性能好,天然阻燃性好,电气性能好
编织线强度,着色性,成本,机械性能与流动性相对 perpendicular
附: PEI=polyetherimide PES=polyethersulfone PC=polycarbonate PBT=polybutylene terephthalate PCT=polycyclohexylene terephthalate PPS=polyphenylene sulfide PA=polyamide LCP=liquid crystal polymer ;其中: PC 不含有玻璃, PPS 含有 40% 玻璃,其它材料不含玻璃。
 
第六章   可分离式连接器
     
在 章中,就连接器曾给出如下的功能性定义:电子连接器是指一种能够为电子系统两个子系统之间提供可分离式接触界面的电子装置。
可分离式接触界面本身具有一些要求,其中包括耐久性,结合力及机械稳定性。耐久性指连接器可正常工作的结合周期。一个连接器所需要的结合周期取决于其具体应用。当制造工艺比耐久性重要时,这个数值可以较低,大约为 10 。至于便携式计算机 ( 如办公室或家庭用的笔记本计算机 ) 时,就需要数千周期。耐久性主要涉及接触面涂层消耗的可能性,其导致第三章中提到的腐蚀保护及界面 化的丧失。
结合力(连结连接器之插头与插座所需的力)对于高级端子计数连接器尤为重要,这种连接器由于其结合力较大导致须以工具辅助装设否则将被破坏。机械稳定性指连接器承受应用载荷如震动、冲击及热循环的能力,其可能导致接触面干扰。这种干扰也可能产生如第三章所述的电镀层脱落。
影响这些操作性能的主要的连接器设计及物料因素是接触面涂层、正常接触力及接触面形状。本书第二章、第三章曾就接触面涂层对摩擦、损耗及受此影响的耐久性、结合力的重要性和影响进行说明。
本章将讨论正常接触力和几何形状对操作性能的影响,其中正常接触力是重点,尤其是它的产生、大小及其稳定性的维持。
 
6.1  引言
为方便起见,将前述连接器横载面图 1.1 再现为图 6.1 。在连接器中各种各样的可分离的接触面接触之设计拓展了在不同环境的要求下应用的连接器的范围。可分离式连接器一般具有两部分。大体上,连接器的一端 ( 通常插座 ) 是弹性部分,而另一端 ( 插头 ) 之固体接触部为 post pins ,或者 PWB 。分类上,这些装置可归入 post/ 插座, pin/ 插座,及卡边连接器。
 
6.1.1 posts pins PWBs
6.2 是典型的插头接触端之实例。 PWB( 6.2.a) 就是三级和一些四级连接器装置的一部分。 posts pins 的主要差别在它们的几何形不同。 posts 为方形或其它规则形,而 pins 则为圆形。
6.2.b 所示的一侧边为 0.025 in(0.635mm) 25 针方形 post 是目前最常见的几何形状,尽管小一点的 post ( 15 针方形和 0.5mm) 的应用越来越多。贵重金属涂层应用于高操作性能之领域,而锡涂层则用于电子和商业产品上。在 3 4 级产品中, post 依据工作环境不同可以直接插入板上或收容于连接器端部,其可以被遮敝,也可以不遮蔽。
Pins 在四级产品中应用不多,其主要应用在于五级与六级产品中。根据不同情况其可应于很多尺寸。常用的两种型号为如图 6.2c 所示的加工螺杆及图 6.2d 所示的层迭式。二者主要区别在于加工螺杆的 pin 上没有接口缝,且不易于控制其尺寸。因此,其通常被认为具有优良的性能而同金接触涂层一起应用于军事和高性能系统。层迭式则用于电子及商业领域并可应用于贵重金属及锡涂层上。
 
6.1.2 母端子
大多数母端子都设计成悬臂梁形状,当然也可以看到混合接缝 . 一些最常见的形状如图 6.3 6.5 所示 .
最简单的母端子设计成悬臂梁,如具有卡片状边缘的端子 ( 6.3a) ,尽管有一部分端子呈现出如图 6.3b 所示的混合悬臂设计一样的复合形状 .
对于插杆 \ 插座系统,有多种的端子接缝在应用,如图 6.4a 6.4e 所示的敞开或盒子形状 . 除了图 6.4e 外,在这些例子中,两个悬臂梁使端子正对插杆的一面 . 敞开的双端子由于价格低廉而在商业利用上压制了盒子状端子 . 有四种形状的双端子比较常见;通俗地讲,他们指的是﹕秸叉 ( 6.4a) ,扭杆 ( 6.4b) ,单悬臂 ( 6.4c) 和卷盒 ( 6.4d) 。他们在实际制造和悬臂梁设计时有很大的不同,这些都影响到制造成本及工作性能 . 如图 6.4a 的平压端子是基本的设计。此外成形操作还带来一些附加的特征,图 6.4d 所示的设计对插杆的不平直度作了一些保护,而且对端子接缝的反超限应力也起了一定的保护作用,这是因为卷盒向里伸展。
这些系统提供了太过长的端子,它们都应用了贵重金属而且末端镀有锡, 的 25 平方母端子设计图是有四条接缝的卷盒端子,是为了适应贵重金属末端的要求,而主要应用了高性能和多插脚。
正如同对端子的决定一样,为了相同的市场公端子还应用于可机加工螺旋和冲压成型的类型。图 6.5a 和图 6.5b 分别所示的是可机加工螺旋和冲压成形的公端子。可机加工螺旋的端子常常镀金,而冲压成形的端子常常被发现在末端有贵重金属和锡。
 
6.1.3 总结
在应用中还有许多其它的母端子,都是为了适应耐久性配合力,成本的要求 . 上述有提及到,母端子弹性的一个重要功能是产生正常接触力。
 
6.2  接触正压力
由于接触正压力对于以下性能特性之影响,使其成为连接器设计中一个主要参数。
* 配合力
* 磨损
* 接触弹性部上之压力
* 连接器壳体上之压力
* 接触电阻
增加之正压力对以上前四项产生不利影响,而只对一项产生缓和之因素。如在第二章所讨论的,一样之接触面结构,即冷焊后之粗糙结合部,引起了磨擦及磨损。增加之正压力提高了磨擦力,也增大了配合力及磨损率。缓和之因素是增加之磨擦力同样提高了端子接触部之机械稳定性。这是一个有利的因素,因为它减少了接触面之潜在不稳定性,降低了它受在端子接触面或其附近出现之腐蚀性产品或污浊影响的敏感程度。
如将要被讨论的,增加之正压力使得在端子弹性部上之压力变大,这样反过来也对连接器壳体产生一个更高之压力,因为在大多数连接器设计中,端子是被壳体在某些点所固持的。在端子弹性部上的更高压力对弹性物质产生的强度和其可成形性间之权衡关系有更高之要求。在连接器壳体上之高压力导致壳体更易发生变形,这样可能影响弹性部之固持位置,进而影响正压力。从这一点来看,显示出增加之正压力总的来讲对连接性能产生不利之影响。
然而增加之正压力却可以抵销这些不利影响,如在第二章所讨论的,接触电阻随着正压力之增加而减少,正如公式( 2.9 )所显示出的,为方便叙述重复于公式( 6.1 )中。
Rc= 接触阻力
K= 一个包括表面粗糙程度,接触方式和弹性或塑性变形影响之系数
ρ=电阻系数
H= 硬度
Fn= 接触正压力
增加的正压力对接触电阻大小之必然影响是,接触面积增加,则接触电阻减小。另外,接触阻力的稳定性同样通过两种影响随着正压力之增加而增加。首先,增加之磨擦力提高了接触面的机械稳定性,以及随之产生的对抗端子接触面不稳定之阻力。其次,如将在 6.7.1 节进行讨论的,在端子区域里的这种增加同样提高了接触面之抗腐蚀能力。
从以上之阐述可以看出,正如 Whitley Mroczkowski 所论述那样,一个连接器的“ 化〞正压力来自于较高正压力对机械性能所带来的不利影响与端子磨擦力有利影响间之权衡。在大多数例子中,“ 化”被译成“最小化”以着眼于使不利之影响最小化。要理解这种权衡需要考虑对接触阻力之影响。两个因素必须加以考虑,正压力需要建立接触面,并且需要保持接触面之稳定性。建立接触面需要产生一个足够的金属接触区,——如果必要,通过破坏或移走表面之氧化膜或污物。在通过要求数量之配合周期后仍保持表面保护层之完整性之前提下,接触面之稳定性来源于通过增加磨擦力而保证之机械稳定性。
来自于 Whitley Mroczkowski 二人之图 6.6 显示,对于镀金之接触表面保护层, 10g 之正压力已足够产生 3 Ω之接触电阻,这对于实际中任何电讯装置都能满足需要。然而,这种“金属”或贵金属的最小力并不能解释氧化膜被破坏或移走之原因。常规知识解释说,对一个连接器“最小的”正压力是 100g 。这种常规知识之来源不为人所知,但可以追溯到一篇 1970 年贝尔实验室中的文章。不考虑这个来源,最小量也总是阐述成 10g 以上。所得到之结论是(如在参考 1 2 中所讨论的),最小正压力之剩余必须能够保证氧化膜之破坏和端子接触面在不同应用环境下之稳定性。
简单说来,但不是简单量化,正压力之要求由在连接器操作环境中的机械及热条件下保持端子接触面完整性之要求所决定。
如果在一个连接器中,理想的情况是将正压力“最小化〞,那么产生正压力之机械就会变得令人感兴趣。除此之外,对于在连接器应用过程和使用寿命中保证正压力稳定性有重要作用之设计因素,是值得讨论的。这些影响稳定性之因素将会进行一些细节讨论,但为了做这项工作,必须对在连接器中正压力是如何产生的进行讨论。
 
6.3 端子正常作用力及端子设计
在连接器里,端子正常作用力主要来自于两连接器插接时插座之端子梁因与插头配合产生的位移,该位移产生的弹性恢复力就是端子正常作用力。
 
6.3.1  材料性能和端子正常作用力
材料性能是决定端子正常作用力的基础,其性能指针是伸长(或称弹性)系数和弹性极限或屈服强度。为方便起见,图 6.7 根据应力与应变曲线指出这几个性能指针,伸长系数是应力与应变曲线线性部分或称弹性变形区的斜率,因此其亦称弹性系数;弹性极限强度是指某一临界点,于该点之前应力与应变停止线性关系,而此时塑性变形即将开始;屈服强度是使塑性变形进行到某一定程度时之作用力,在绝大多数情况下,屈服强度被指定为产生 0.2% 或其它定值之残余变形所需的作用力。下面我们将要讨论的是已知端子梁之几何形状如何将应力与应变曲线转换成力与位移曲线。
假如把端子近似视为一悬壁梁,遵循图 6.8 之注释,可得出有关端子正常作用力和梁设计参数之等式
   F=(D/4)*E*[W*(T/L)3]  ,               (6.2)
其中  D == 梁位移量
    E == 材料弹性系数
    W == 端子起拱处宽度
    T == 端子起拱处厚度
    L == 端子起拱处长度
该等式包括三个要素﹕梁位移 ( 设计选择 ) 、弹性系数 ( 材料参数 ) 和端子拱起处之几何形状 ( 亦为设计选择 ) ,其中每个要素都是独立的,且据不同之考虑导出。
Lowenthal et al. 报告的将上述等式运用于工程中,为端子承受正常作用力之连接器设计或材料选择提供了理论依据,该研究中端子之几何形状与图 6.4d 所示相似,其具有两个独立端子梁,其中每一个端子梁可视为简单的悬壁梁,如 6.2 式所述。
6.9 摘自参考 3 ,其为铜合金之选择提供了端子正常作用力和梁位移之关系 ( 6.2 式所述 ) 。以下讨论将只限于下面三种材料﹕ C51000( 磷青铜 ) C72500( 铜镍锡合金, 725 合金 ) C17200( 铍铜 ) 。这些合金的材料特性如图 6.9 和图 6.10 所示,其它合金材料特性均罗列于参考 3
梁之弹性率和正常作用力与位移之比例由下式可看出
         F/D=(E/4)*W*(T/L)3                           ( 6.3
该弹性率对应于图 6.9 所示的正常作用力与位移曲线之初始斜率,且该斜率的变化趋势与材料弹性系数的计算结果相类似,这就是早期将形状一定的端子的作用力与应变曲线转变成力与位移曲线的依据,此三种合金的斜率数 725 合金 ,铍铜次之,磷青铜最小。
端子之工作范围设计应包括位移从 0.0025 英寸至 0.05 英寸 (0.0635 毫米至 0.127 毫米 ) 之范围内,如 6.2 式所示,与其它两种材料相比,磷青铜端子所受的最小正常作用力 ( 最小位移对应的力 ) 较小,这主要取决于其较低的弹性系数,根据 6.2 式,端子梁的位移一定,如果要得到较大的正常作用力,可通过改变端子梁的几何形状而获得,正常作用力与梁宽度呈线性关系,而与梁长度和厚度则呈立方关系,为提高正常作用力可改变上述每一个参数。
提高梁宽度会有一负面影响,即难以保证连接器端子间间隔大小;而减小端子长度会使得端子柱的接触长度变小,这也是一个潜在的消极影响;另一方面,提高端子梁厚度可减小整个端子的几何变形,但对于相同的正常作用力,其却受到 冲击,比如在其它条件相同的情况下,梁厚度为 0.0105 英寸 (0.2667 毫米 ) 的磷青铜端子将能弥补弹性系数的差距,而达成与梁厚度为 0.010 英寸 (0.254 毫米 ) 725 和铍铜端子相同的正常作用力和弹性率。
 
6.3.2 弹性变形之极限
公式 6.2 仅适用于端子梁之弹性变形。从图 6.9 之数据中可以清楚地看到,情况不总是例证之端子那样, 725 合金之变形量随力的变化曲线关偏离了线性方向,并且图 6.10 表明了 725 合金在变形到达 变形量 0.005 英寸 (0.127 毫米 ) 之前就存在 变形。铍铜与磷青铜保持 " 弹性 " 725 合金之屈服强度较其它两种材料稍微低一点,但其弹性极限比其它两种低得多。因此,它在少量变形情况下就呈现塑性,在此设计中,其在未达到设计变形量 0.005 英寸 (0.127mm) 之前就已产生了一 变形。
端子变形量超出其弹性变形量范围,会对主应力产生两方面之影响。在连接器首次装配过程中 ( 最初之弹性变形 ) ,如果端子梁开始塑性变形,则主应力与变形量关系曲线将为非线性。换言之,有效之弹性系数将下降,并且在一定塑性变形情况下之主应力要比在弹性变形下之主应力低得多。
另外,在随之进行的装配中,端子梁会产生 变形,主应力也会因此减小。 变形之结果是使端子梁之设计变形量减小。例如,图 6.10 表明从连接器首次装配到产生 之梁变形过程中, 725 合金将产生 0.001 英寸 (0.0635mm) 。这个变形意味着端子之变形范围将减小 0.001 英寸。因此能产生最小主应力之最小变形量为 0.0025 英寸 (0.0635mm) ,因此主应力会减小 40% 。在 变形量为 0.005 英寸 (0.127mm) 时,主应力将减小 20% ,这仍是一个可观之数字。在设计时如果假定为弹性变形,不考虑 变形,则主应力之实际值较期望值低 20-40%
6.11 中表明在首次装配后, 变形将继续增长。由于变形过程中之端子弹性部硬化, 变形将趋向于某一定值,这使得端子之屈服极限增大,如此则端子弹性部开始变形发生在其扩大了的弹性极限内。
 
6.3.3 应力松弛和正压力
公式 6.4 叙述了悬臂梁上的正压力 Fn 与悬臂梁的尺寸及悬臂梁上的应力σ间的联系,它是有关表明端子之所受正压力与其设计 / 材料参数间关系的第二个等式:
        Fn= (σ/ 6 * WT L2                 (6.4)         
公式( 6.4 )表明了任何的应力减少都会导致正压力的减少。虽然应力松弛在第四章讨论过,但在这还是有必要复述其定义。
应力松弛是指应力在常应变的情况下会随着时间的延续而减弱。
就连接器而言,对公式 6.4 ,我们可以更确切地定义为在连接器使用期间,随着时间的延续,正压力会以一持续的偏差而削减。换句话说,仅仅是由于端子悬臂梁受到了因其配合偏移而产生的应力,而其所受正压力的削减可看作是时间和温度双重作用和结果。当连接器的工作温度升高,此时应力松弛就更为重要了。图 6.12 论证了其关系。当悬臂梁位于其 偏差 0.005 英寸( 0.127mm )时,在 96 小时内,正压力会随着温度的升高而减小。在连接器处于其一种更为典型的工作条件即恒温的时候,时间对正压力的作用类似于温度对正压力的作用。图 6.13 出示了三种被选择材料在 25 ℃到 105 ℃之间其应力松弛的数据。在室温条件下,应力松弛对任何材料均只是稍微有影响,拿磷青铜的最糟糕的情形来说,在经过 100 000 小时( 11.4 年)后,其应力变化小于 10% 。然而在 105 ℃的时候,可以看出应力会有很大损失,因而正压力会急剧减小。
6.14 是以又一种不同方式即 性变形随温度的变化关系来表示应力松弛引起的结果。
在应力松弛的过程中,该应力是来源于有助于加工硬化的弹性变形和允许尺度变化的塑性变形间的转换。这种转换的结果如图 6.14 所示。很明显的,这种 性变形随着时间变化而变化的趋势类似于正压力的损失随着时间变化而变化的趋势。由应力松弛而引起的 性变形同样对正压力有影响,如较早以前讨论过的机械 性变形﹕梁的可用偏差减小,正压力伴随着减小。
由于温度应用的要求增加,如何控制 性变形也变得更加重要了 . 虽然,正如附注 4 和附注 5 中所讨论的,设计因素对 性变形也会有影响,但是控制 性变形的办法主要还是通过对材料的选择 . 第四章给出了一些供许多铜合金参考的 性变形的数据。
.总结.
这种典型悬臂梁端子的特性反映了因端子所受正压力而产生的梁的偏移和应力松弛的重要性。由机械加载或应力松弛所引起的 性变形,其减小了梁的可用偏差,降低了正压力。这使得我们更希望弹簧能一直在其伸缩范围内工作,直到正压力达到 并还原。应力松弛可以靠操作的温度对长期的正压力产生重要的影响。正如第四章、附注 4 和附注 5 中所讨论的,在处理应力松弛时,材料的选择是主要的。
附图说明﹕
  图 6.11 表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其端子 性变形大小与其配合周期数的关系图。其由 AMP 公司提供。
  图 6.12 表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其端子所受正压力大小与其放置 96 小时之后所受温度的关系图。其由 AMP 公司提供。
  图 6.13 表示的是磷青铜、合金 725 、镀金铜三种材料在 25 ℃到 105 ℃间其 性变形大小与时间的关系图。其由 Olin 公司提供。
6.14 表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其 性变形大小与其放置 96 小时之后所受温度的关系图。其由 AMP 公司提供。
 
6.4  正常作用力和结合力学
如果说具有可分离性是我们使用连接器的主要原因,那么很有必要了解结合力学及其如何影响结合点的寿命和结合力大小。结合力学中有三个主要因素,即端子正常作用力,端子几何形状和摩擦系数。
6.15 所示是一条结合力与插入深度曲线,其将端子结合的两阶段里插柱在插座的位置反映出来。
在 阶段里,当端子正常作用力施加于插柱时,插入作用力快速增加,在该段曲线里端子梁不断发生偏移,此时曲线的斜率由结合的插柱或插座的表面几何形状、摩擦系数和端子梁的伸长率决定,亦即梁的位移与施加的作用力的比例;在第二阶段,正常作用力达到 值,端子梁的位移亦达到 值,且插座之端子梁沿插柱滑动,并因此产生一个摩擦力,该摩擦力大小由摩擦系数和端子正常作用力决定,而 插入力是最重要的参数,因为它决定了施加多大的力可与连接器结合。下面分别对这两阶段作一讨论。
 
6.4.1 阶段﹕插入阶段
当插柱开始进入结合区,插座的端子梁产生位移并承受端子正常作用力,同时,插柱开始顶着端子梁进行滑动,相对的会产生摩擦力,由于摩擦力的方向与运动的方向相反,因此使得插入力增大,故 插入力主要取决于摩擦力的大小和方向,而摩擦力的大小取决于摩擦系数μ和端子结合接触面的几何形状,所以,对一定的正常作用力, 插入力取决于端子结合接触面的几何形状和摩擦系数μ的原因是这些参数决定了摩擦力的大小和方向。
下面 插入力的等式是将其简化成施加于两夹角为α的平面上,这条件与图 6.15 所述的结合面几何形状类似,但这是忽略端子梁位移而不是正常作用力。
  Fi(max)=2Fn(max)[(sin α + μ cos α )/(cos α - μ sin α )]       (6.5)             
其中    Fi== 插入力  
       μ == 摩擦系数
       α == 结合面的夹角,如图 6.15 所示
在插柱插入过程中,结合面的角度随着插座与插柱的几何形状变化而发生变化。
如图 6.16 所示,对于 100 克的端子作用力和一定结合面夹角α,不同的摩擦系数对应于不同的 结合力。在未加润滑的情况下,镀金端子末端的摩擦系数的公称值是 0.3 。图 6.16 表明﹕在这个简单的模型里,当结合面夹角由 15 °变至 30 °将使得结合力增加 75%
 
6.4.2  第二阶段﹕滑移阶段
一旦端子梁位移达到 ,亦即插柱已达到相对插座端子插柱表面的滑移点,此时插入力可简单视为摩擦力,如 6.6 式所述
        Fi =μ Fn                                        ( 6.6
其中     μ == 摩擦系数
         Fn== 端子正常作用力
 
.总结.
端子结合或插入力取决于结合面端子的几何形状、端子的正常作用力和摩擦系数,且这其中每一个变量都是独立的。可通过使用端子润滑剂减小摩擦系数,从而大大减小结合力。另外,有关结合力学的研讨可参阅参考 6 7
显然,连接器结合力不是简单的各个端子结合力的累加。另外,如果在结合过程中发生端子不重合或对准不良,端子松动以及插头与插干涉都会大大增加连接器的结合力,故当连接器的针数增加,端子插入力和结合力应重点设计。 6.5  端子擦拭接触效力
如 和第二章所讨论的,建立一个金属接触面对于低稳定接触电阻来讲是极其重要的要求。视接触镀层和应用环境而定,可能需要清除各类膜层、污浊以确保金属接触。擦拭接触效力与在连接器配合过程中移走膜层、污浊之效率有关。
有关于连接配合的两个术语经常被交换使用﹕接合长度与擦拭接触。接合长度特别是指公端子插入母端子的全部距离。擦拭接触通常指的是端子表面相对于另一面之运动。接合长度与擦拭接触在大多数例子中从几何学角度来讲是一样的,它们的功用却明显不同。接合长度之要求是需要保证端子在任何容许条件下进行配合;例如,壳体之形变部分导致连接器沿其长度方向弯曲。这种要求与特殊的端子尺寸有关。典型之接合长度可以是 100 mis 或更多。在另一方面,擦拭接触效力要求保证有效转移表面膜层与污浊,这些表面膜层与污浊产生于明显少于 100 mils 之距离上。
擦拭接触效力由接触几何形状,接触正压力,擦拭接触长度以及必须要被破坏或移走之该种污浊。在这一节将讨论擦拭接触效力中关于确保移走在电路板上灰尘上的最小必要擦拭接触距离的内容。这一节之内容是总结于 Brockman Sieber Mroczkowski 的两篇论文。
有两种擦拭接触方式被考虑过了。在 种方式中,施加了全部的正压力,这样擦拭接触动作就发生了。这种方式模拟典型的连接器配合条件,在这种条件里,为了进行配合接触梁在一定之距离完全偏转。在第二种方式中,擦拭接触只在施加了正压力的时候才发生,这种方式是要模拟在零角度力连接器中的动作。这里的讨论将限于 种更典型之方式。第二种方式的结果在本质上一样的。
三个几何形状与两个正压力值作为独立变量在擦拭接触距离被用到。这些几何形状在图 6.17 中进行阐述。这些几何形状分别被描述成半球形 H ,椭圆形 E ,圆柱形 C 。半球形的半径只有很小的 0.060 in(1.524mm) ,半球的长轴与短轴是 0.040 0.020 in (1.016 0.508mm) ,圆柱形的半径也只有很小的 0.035 in (0.889 mm) 。圆柱形与椭圆形在几何形状上是近似的,但在相对于端子长轴运动方向上有所区别。椭圆形之长轴平行于运动方向,而它对于圆柱形的长轴则是垂直的。所有的端子在镍层上都镀上了 50 μ in(1.27 μ m) 金。
全部 50 120g 的正压力施加于端子上,擦拭接触运动由于在 X-Y 工作平台上之运动面产生。在所有的情况中擦拭接触长度为 0.025in(0.635mm)
控制表面要模拟一种严重到不合实际状况的污浊。在表面 50 μ in(1.27 μ m) 的镍上镀有 50 μ in 的磷铜试样金上,为保持灰尘而涂有油脂,其上被覆一层看的见的灰尘。其它的试样在一个清洁及清洁涂油处理过的条件下进行评侧,发现没有擦拭接触的现象,最初的电阻是较低的,在擦拭接触过程中没有改变。
主要结果总结于图 6.18 与图 6.19 中。这些图在曲线开始平直部分表示实施接触受力。 50g 接触受力线分为接触受力区及擦拭接触区还有 的由九个不同擦拭接触部分组成的稳定状态。接着擦拭接触开始,接触电阻的下降用以作为擦拭接触效力的衡量。接触电阻的稳定状态指示在接触几何形状、正压力等因素组合下,灰尘覆盖表面上之有效力的擦拭接触。
首先考虑 50g 接触受力量 ( 6.18) 。半球形状的情况没有显示仅仅是实施接触受力就足够擦拭掉灰尘。当擦拭接触开始后,大多数样品的电阻经过几 mil 的擦拭接触后会迅速降至稳定状态。椭圆形的状况在转移灰尘方面没有如此有效力。擦拭接触的效力是边际性的,只有一些样品达到了一个稳定的电阻值。对这个有点奇怪的结果,一个可能的解释是,椭圆形在擦拭接触方向上的长度导致在端运动过程中,端子在灰尘上有上有下的滑动。圆柱形显示出很差的擦拭接触效力。
50g 的接触受力上,半球的擦拭接触效力看起来是很好的,在擦拭接触区域的 0.010 范围里达到一个稳定状态。椭圆形的擦拭接触的效力是边际性的,圆柱形是没有效力的。
如预计的一样, 120g 接触受力可以观察到同样的趋势 ( 6.19) ,但性能有所改进。椭圆形的性能也有所提高。事实上,在 120g 接触受力的几个样品中半球不用擦拭接触动作就移走灰尘。在所有的例子中,擦拭接触的开端导致接触电阻实际上迅速下降到一个低稳定电阻值。椭圆形的性能同样也得到了提高,在许多样品中在擦拭接触时电阻固执地有所变化。圆柱形也改善了,但仍然在边际的情况 。
 
6.5.1 总结
这些数字核实了这样的预测,即擦拭接触依赖于接触力各接触几何形状。增加了的力和较尖锐较有穿透性的几何形状产生较高的擦拭接触效力。然而由于较尖锐几何形状而提高之改善必须与由于磨损痕迹的位置而产生的损耗之可能性来平衡。另外,如 Antler 所述,接触几何形状对产生和保持接触面之稳定性能有不同的影响,尤其是对在锡镀层而言。
 
 6.6  耐久性
  在第二章中我们曾讨论过接触正压力与耐久性的关系,其可简要概述为接触正压力决定接触区域及与此相关的表面损耗程度。大体上,随着接触正压力的升高,耐久性将下降。正压力的逐渐增加将使磨损机理发生变化。在应力较小时,摩擦损耗占主要地位。当正压力较大时,就会出现稠密的磨损,并且磨损速度将明显变快。机械磨损速度的加快与接触区域的增大和冷焊点的强度增加均有关。在 Bowde Tabor11 中曾经介绍过,载荷变大将导致冷焊区域变大,强度增加,结果使其强度大于基体强度。在这种情况下,物料块的内部会出现问题,将出现更大的磨损块,这将使损耗过程加快。机构从摩擦到磨损的转换的载荷取决于表面的润滑状态,随润滑效果好而增加。
必须指出影响耐久性的其它接触设计原因。例如,接触区域的分布取决于接触面的形状,并且因此而产生固定的磨损痕迹。结合过程中预设的接触长度也会影响耐久性。接触正压力和耐久性这种相互依赖使得难以准确给出二者的关系。所有的接触面形状和接触动力对于确立耐久性能都很关键。
摘自 Mreczkowski12 的一个例子阐明了接触正应力和接触面几何形状的相互作用关系。该研究中所采用的物料系统是由不锈钢球轴承组成,这些轴承具有 0.75 μ Co-Al 及超过 1.25 μ Ni 的镀层。图 6.20 6.21 为一些研究结果,图 6.20 为接触面形状不变时不同正压力之情况,而图 6.21 为正压力不变时改变几何形状之情况。
在讨论结果之前,先依次简要说明一下实验程序。图 6.20 中,每个磨损痕迹均由经过大量不同磨损周期的片段组成。获得具有大量磨损周期的单个痕迹的方法是在一定的周期数目给定之后改变磨损痕迹的长度。换句话说, 250 个周期后的磨损痕迹长度要比前一个 250 个周期的要短,而再过 500 个周期就更短。这样做仅仅是估测,长度的变化影响结果并非很可信。
由图 6.20 可知接触面形状不变时,磨损随正压力增加而加剧。 50 克和 100 克正压力的磨损痕迹很浅, 200 克和 400 克正压力的磨损痕迹随时间的增加从较浅的区域开始而转变为较宽较稠密的磨损痕迹,,这种转变是由循环压力、循环疲劳应力累积所产生的,这些应力最终导致镀层的破坏并改变磨损机理。在 600 克压力 ( 这个数目对于金镀层是相当高的 ) 下,稠密的磨损痕迹在 个 250 周期就可以观察到,随之而来的是在更长磨损时间里的一系列的破坏。这当然是意料之中。当正压力增加时从磨擦转变为磨损。
6.21 与上类似,但产生的原因不同。这时,载荷及由此产生的摩擦是通过改变不锈钢球的直径而得到的不同结果。现在回顾一下第二章,增加正压力的结果是引起接触区域和冷焊的增加。在几何形状上集中载荷也会取得相似的结果,因为总的接触区域取决于应用载荷。正如 Willamson Greenwood 13 所述的集中载荷分布会得到少数但较大较牢固的斑点。图 6.21 则示出了较尖利的几何形状将会加剧稠密的磨损。
6.20 和图 6.21 所示也说明了接触正压力与接触几何形状的相互作用关系。这种相互关系使人想到运用接触压力,该方案将在下一节中讲到。
 
6.7  赫兹应力与连接器性能
1989 年, Kantner Hobgood 根据业界经验提出赫兹应力可以提供一与连接器性能有关的参数。 Mroczkowski Fluss 提交了对此提议的鉴定。为理解此提议与鉴定,有必要作一简单的总结。
 
6.7.1 赫兹应力
1881 年,赫兹提出了用于计算两接触物体接触面上应力的模型。此模型假定有如下特征﹕
光滑平面内的点接触
与表面尺寸相比,接触面可近似认为一点
弹性变形
无摩擦
在这些假定条件下,赫兹推导出许多计算接触应力的公式,适用于多种几何形状接触表面。一简化的球面对平面公式就可满足本节讨论的需要。
          σ H=[Fn *( E/D ] 1/3                 (6 .7
在这里,σ H== 赫兹应力
    F n== 为所施加的外力
     == 杨氏弹性模量
     == 接触区域半径
此公式包括材料性能参数E、接触区大小参数D及接触力大小的设定参数F,上述几项都是独立变化项。
 
6.7.2 赫兹应力的理论 '' 有效性 ''
赫兹公式用于分析弹簧的性能,并且上述的假定与此项应用有一定的关联。但对于连接器插接,情况大不相同。如第二章所述,端子接触面可以被认为是宏观接触区域的许多小的接触点。假定此描述成立的说,则假定1不成立,但接触的宏观尺寸可以满足假定2。因为独立的接触点很小,它们在标准法向力情况下就产生塑性变形,因此假定3不成立。假定4也是不成立的。出现这么多理论上的间题,赫兹公式看起来好像不适用于连接器。抛开理论上的难题,只考虑其基本思想是否可以提供某些指导。
Kantner Hobgood 介绍对于复数柱状端子所采用的最小赫兹应力值为 150 000psi( / 平方英寸 ) ,此情况下,外力、连接器的典型尺寸及典型连接器材料的屈服极限都被赋予很高的值。对于高值赫兹外力 ( 的产生 ) 的理解存在两个方面的限制﹕较小的外力与凹凸不平的接触面几何形状,较大的外力与较平缓的接触面几何形状。考虑这两个极限是如何影响连接器的三个重要特性参数——接触抗力、疲劳强度及抗腐蚀能力。
  .赫兹应力与接触抗力
假定端子接触面宏观尺寸可以被认为一独立点,则接触抗力的 Holm 公式可以表示为﹕
       contact =ρ/d                      ( 6.8
这里, R contact== 接触抗力
      ρ == 材料抗力
       d== 接触区半径
从赫兹应力观点看, d 是重要的参数。用较小的外力与凹凸不平的接触面将产生 '' '' 的接触抗力,因为接触面积相对于较小的外力会很小,同样直径相对于较小的半径会很小。相反由较大的外力对较大的接触面积将提供高应力和高应力分布区。换句话说,对于给定值的赫兹应力所产生的接触抗力的大小依靠如何得到此赫兹应力。
.赫兹应力与疲劳强度
  从参考文献 12 中选取的图 6.22 对于接触疲劳强度同样适用。每一疲劳轨迹曲线都显示了相同的计算赫兹应力 ---115000 psi ,一个比最小推荐值小得多的值。很清楚,如 6.5 节所讨论的,疲劳行为也依赖于接触法向力与接触面积对赫兹应力交叉影响。
.赫兹应力与接触腐蚀
接触面腐蚀之接触抗力的理论分析是基于从参考文献 12 中选取的图 6.23 。图中所示两接触面处于相同的赫兹应力下,图 6.23a 为较小的外力与凹凸不平的触面几何形状的情形,图 6.23b 为较大的外力与较大的接触面积。原则上,由于两个原因,图 6.23a 中所示的接触面较图 6.23b 中所示的接触面更容易腐蚀。 ,腐蚀性气体必须经过一段较小的距离到达接触区域。第二,金属接触区域更小并且流动的更快。从上述可以看出,接触面对于腐蚀的敏感性与通过何种方式达到定值赫兹应力有关。
.总结.
兹应前述的讨论揭示了赫兹应力并不是连接器性能的良好体现者,因为认识到虽然定值的赫力对于连接器的三个主要特性–接触抗力、疲劳强度及抗腐蚀能力有着显著的影响。连接器特性对于设计变量的敏感性已经在上一节的实验研究中被着重强调了。
 
6.8 关于连接器设计 / 材料与连接器性能的实验性研究
1990 Eammons 等人提出了一种饶有趣味的、称之为“微型系统连接器接头稳定性测试”的研究。在此研究中,种种商用的微型系统连接器,其重要的样品尺寸,会受到其所处环境即预先模拟成的工业应用环境中的那种混合流动气体的制约。在其影响下的端子阻抗的变化被作为一连接器稳定性的衡量尺度, 10m Ω的变化量习惯上作为是失稳的标准。此研究涉及到许多传统设计 / 材料的变化及它们对连接器性能的影响这些要考虑的方面。这其中的有些资料在下面的部分会有概括。
 
6.8.1  孔隙率
如第三章中所讨论的,孔隙率是端子老化的潜在因素,这是由于在无遮蔽的底层金属上,其气孔处会受到气体的腐蚀。在前面研究所提及的环境下,其应该会促使气体的腐蚀就象腐蚀的迁移或蔓延那样。图 6.24 6.25( 说明书 18 中的图 16 17) 从两个角度表示了孔隙率和性能之间的关系。在图 6.24 中,孔隙率是用外观上至少含有一个气孔的样品的百分率来确定的。例如,那些图中突出显示的数据点给出的是关于孔隙率的测试,进行测试的连接器样品,将其暴露于氯蒸汽中,结果其 80% 的端子外观部位上至少有一气孔。关于其稳定性,连接器样品经验定显示近 99% 的端子其阻抗的变化小于 10m Ω。这里要注意的是﹕随着孔隙率百分比的增加,稳定性会趋于减弱。一些高孔隙率百分比的样品显示,其阻抗变化均没有高出前面所说的 10m Ω。此结论强调了前面关于孔隙率是一潜在的引起机构性能降低的因素的阐述。
以在每一端子上的气孔数这个角度来考虑孔隙率(如图 6.25 ),正如我们预期的那样,其结论更是否定的。然而仍有一些多气孔的端子样品,将其暴露于混合流动气体中,其经针对于孔隙率所谓“降低”作用的严格测试,仍显示其具有良好的性能。
为什么孔隙率不像预期的那样被认为是有害的,图 6.2 (说明书 18 中的图 13 )中的数据给出了其一个原因。这些数据图解说明了用连接器的绝缘本体作端子接触面的屏蔽的有效性,这正如第 1 章所说的。关于暴露于上述测试环境中的相配合的连接器组及连接器对的半边连接器的测试数据也在此给出来了。暴露的插头其受影响下降 ,正如预期的那样,因为在多数情况下端子区域会直接地暴露于该环境中。暴露的插座其受到的影响较少,这只是由于端子深入在绝缘本体内,屏蔽效果成熟。而相配合的连接器组其具有良好的性能。换句话说,绝缘本体的设计对处于腐蚀性环境中的连接器的稳定性有重要的影响。
 
6.8.2 端子常态力和赫兹应力
在这篇研究中,认为端子常态力与赫兹应力是设计变量 . 6.27 和图 6.28(Ref.18 的图 18 和图 19) 对这一注意很感兴趣 . 当力或赫兹应力获得高的结果时,所有的参数显示性能得到了提高 . 不管是 100g 的力还是 150.000psi 赫兹应力在辐照下的保护特性,但是数据并没有显示每个参数的临界结果 . 当认为高压力和高赫兹应力对耐久性及配合力有反面效果时,权衡和最适宜的重要性与设计参数的临界结果相比就得显而易见 . 这正是 Ref.18 结论所揭示的 .
 
6.8.3 研究结论
引自 Ref. 18 ,研究的结果获自于商业连接器系统的显著变化 . 它们不能显示性能,材料性能的传统测量与机械设计参数之间的明确关系 . 这不应被解释为说明,当前规范或设计操作应当修改 . 就是说,它的解释意味着变量之间的联系是非常复杂 . 挽句话说,理想上它应该是有差别的设计准则 . 连接器所面对的应用环境与性能要求的变化支配着设计 / 材料选项的独特评估与既定申请的权衡 .
 
6.9 总结
这一章从几个独立的方面评价了一些主要的设计思绪,重点是端子常态力和形状以及它们对连接器的重要工作性能的影响,如机械稳定性、配合力、耐久性及端子保持力 . 有关对连接器设计的讨论及对连接器性能的实验室评估阐明了端子力、端子形状和应用要求是高度地互相影响的自然状态 . 连接器设计 / 选择要求考虑许多复杂的相互作用,对材料和设计的选择,对连接器重要工作性能如机械稳定性配合力耐久性端子保持力的权衡 . 这样的思绪以及对端子最小常态力要求的考虑,从而得出的网状结果可以通过重复先前的陈述作一个总结 .
简单地描述,并不是简单地量化 . 连接器在机加工以及操作环境高温条件下,常态力要求是被保持端子接触面平直要求所决定的。
相似的注释同赫兹应力或实际上任何最适宜的端子设计 / 材料参数是有关系的。连接器的应用环境以及所发挥的功能会区分性能要求、设计 / 材料选项的重要影响、权衡特定应用的最适宜性的优先次序。
 
第七章  性连接概述
 
正如在 章所讨论的,使用连接器的主要原因在于,出于组配、维护、轻便和 / 或改良的目的,在两个电子次系统之间提供一个可分离的连接。除了可分离连接,对于被连接的次系统,连接器往往还包括 性连接。这些连接被称为 性是因为一般情况下它们只连接一次。由于这个定义,它们不需要考虑结合要求间的权衡,比如耐久性和结合力这些在可分离接触面上为主导的考虑因素。正如将要被谈到的,这种自由允许以较大的力和变形来机械 变形。
有两种基本的 性连接:机械方式的和冶金方式的。机械方式连接是在端子上一个特殊设计的部分和与其直接或间接连接的次系统间建立和保持一个金属接触区域而形成的。如在 章讨论的,机械方式连接包括卷曲式,弃皮式,压入式和包覆技术。卷曲和弃皮是线连接,而压入和包覆连接是与印刷电路板 (PWB) ,或者是采用直接方式 ( 压入 ) 或者采用间接方式 ( 包覆连接 )
冶金方式的 性连接的形成是通过一个液体媒介在接触弹性部与次系统之间形成一个金属接触面。冶金方式连接包括低温焊、铜焊和高温焊连接。低温焊和铜焊用一个中间媒介 ( 焊料或铜 ) 来产生液体。高温焊连接是通过直接将接触弹性部与所连接的组件熔化来形成的。
性连接将在这一章以及接下来几章进讨论。在这一章里,将回顾对机械方式 性连接的一些基本要求。在第八章将要讨论导线与接头的材料与结构问题,其重点是它们如何影响机械方式 性连接的形成。第九章将对导线与接头的机械方式 性连接进行讨论。在第十章将进行 PWB 技术的概述,对于印制电路板的机械方式与低温焊方式 性连接将在第十一章讨论。
 
7.1 对于机械方式 性连接的要求
在可分离接触面上,必须考虑对于机械变形和作用力的限制,这是因为它们对结合力与磨损的影响,然而正如所提及的,这些并不适用于 性连接。这样较高的作用力与变形度可以被引入到 性连接中来。然而变形与接触电阻、机械稳定性等性能特点之间的权衡必须又一次被考虑。由于这种连接是“ 性的”,它们也可能反而在电气和机械方面比可分离连接遇到更为为苛刻的要求。由于机械方面的要求,期望 性连接会在组装与 / 使用期间承受较高等级的机械压力是不切实际的。这种可能性使得对于变形权衡的考虑更加重要。对于接触电阻的要求,无论是大小还是稳定性,也可能变得更加严格。
这些问题将会在以下对于 性连接的基本要求的上下文中有讨论。
* 紧密的 / 足够的接触区域
* “气密性的”接触面
* 机械稳定性
* 得到控制的变形
对这些要求逐一进行详细的考虑。
 
7.1.1 紧密的 / 足够的接触区域
出于在第二章所讨论过的原因,对于紧密接触区域的要求对建立一个金属接触面来说是一个基本的要求。只有通过在一个足够的区域里建立和保持一个金属接触面才能保证接触电阻的低稳定值。电阻的大小取决于所建立的接触区域的大小。接触电阻的稳定性取决于保持在所处的应用环境里金属接触面的完整性。
对于可分离接触面,所述接触区域没有被赋予特别定量的值。相反,曾经被提到过的是,组成表面接触区域的粗糙分布应该包含足够数量的粗糙端子,以此来保证分布的产生好像是整个表面区域在进行。这种形为是因为这样一个事实,即如在第二章讨论的,所有的粗糙端子在电性上是平行的。
对于 性电阻,这里有两个针对接触电阻或接触区域的经验法则。对接触电阻,一个准则是 性连接电阻应和导体被连接的等效长度的电阻是同一个数量积。这种要求在一个碾压连接上不费吹灰之力就能目测到,在这个碾压连接上碾接桶的长度尺寸被定成“等效长度”。对于“接触区域”,根据以下 Whitely 的理由,有时假设一个与导体被连接的面积相等的区域。如果这个“等效接触区域”的要求满足了,连接中被挤压部分的电阻将达到一个最小值。图 7.1 以图示的方式解释了在一个圆导体和一个金属块之间的连接,对于图 7.1 的考虑可以理解这些理由。如果整个导体的横截面与金属块相连接,在导体中的电流就不会被挤压了。在这种条件下的挤压电阻由公式
R 挤压 = ρ /2d (7.1)
其中  ρ = 金属块的电导率,因为挤压仅发生在金属块上
     d= 导体的直径
这是在这个几何形状里可得到的最小挤压电阻。
如果碾接桶的厚度被认为足够可以使电流完全传播,则考虑使用被近似为这一相同几何形状的碾压连接。如果足够的接触区域产生在导体和碾压桶之间,导体 / 碾接桶的结合近似出导体和金属块的结合,因为在导体上不发生挤压。这是接触区域设计目的基础,这个接触区域与导体横截面相等的 --- 最小挤压电阻在这个区域内产生。其它的接触区域可以提高接触面的机电稳定性,但对于电阻的大小仅有很小的影响。
 
7.1.2 " 气密 " 的接触界面
" 气密性 " 是用来描述接触面本身的要求的,其通常的含义是要求接触界面具有一定的抗腐蚀能力。依据上述描述,接触面被认为可以封堵气体的进入,尤其是腐蚀性气体 . 气密性一般可通过以下试验来证明校验:将连接器外露于周围环境中,而在这种环境中用于制造这些连接器的材料的表面会产生斑点或者失去光泽 . 如果接触面保持没有污点情况,上述试验便证明了它的气密性。这些要求并不会直接影响连接器的性能,而仅仅作为抗腐蚀能力的一个指数一种指示,当然,这种抗腐蚀能力对于保证接触电阻的稳定是一个重要的考虑因素。
 
7.1.3 机械稳定性
在可分离连接中,机械稳定性是指连接器在应用载荷作用下防止移动而保持接触界面稳定的能力,这些应用载荷是连接器可能面对的震动 / 冲击或热膨胀失调这两种典型的应力。这种稳定性的要求对于减小磨损及减小腐蚀物的潜在影响是必需的,上述腐蚀物位于接触界面上或其周围。
在 性连接中,一般来讲,机械稳定性的要求要比可分离连接严格得多,原因是 性连接器更易于滥用。例如,线缆的碾压式连接部分可以直接拉长从而承受一定范围内的拉力。而能够实现的机械强度则取决于连接技术和连接器的整体结构。绝缘座的拉紧及定位的特点可以显著地增加机械强度和 连接的稳定性。这些特点对于应用 I.D.C( 瞬时动作的偏移控制技术 ) 技术的连接器来讲尤为显著。
 
7.1.4 变形的控制
对于变形的控制的要求就是对以下二者之间的权衡:要求保证最小接触电阻的接触区域和要求具有足够机械稳定性的接触区域。这种叙述类似于可分离连接中关于最小正压力的论述。在这种情况下,接触电阻由于接触面积的增大也就是变形的增大而变小 . 然而,较大的变形会减少导体的横截面,这将降低连接器的机械强度。因此,在机械 变形连接的过程中必须控制变形量。这种要求被称为个体连接技术。
 
7.2 焊接 连接
为便于全面理解,有必要就焊接 连接作一些说明。当然,焊接 连接也需要考虑接触电阻和机械稳定性的要求。不过在这种连接中焊点的尺寸决定其性能 . 而焊点的尺寸和几何形状又取决于焊接技术和连接器本身的设计 . 通孔和表面粘着技术在这两个方面都存在着明显的差别,本书第十一章将对此作简单说明。在连接器发展日益小巧的趋势下,焊点及其性能 ( 尤其是负载时机械强度和塑体变形度的性能 ) 变得越来越重要。关于这一部分的详细说明读者可以参考这方面的相关资料。
 
7.3 总结
对于机械 连接的要求可以概括为:这些连接和被连接的相同长度的导体而言,在接触电阻的大小 / 稳定性和机械强度方面应该是相同的,或者说接近相同的,这种要求等于再一次强调了在 章中曾经提到的 性连接应该是线 / 缆或印刷电路板到它们所连接的实体的延伸。

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