连接器接触件的无铅电镀

1、连接器接触件的无铅电镀闻春国 译 国际线缆与连接技术版2002年4月刊 摘要：尽管对电子产品是否采用无铅法案目前尚在激烈的辩论之中，但如果顾客要求提供无铅电子元件，那么连接器制造商必须满足其市场要求。接触件换用无铅电镀浴液则要求面临着晶须生长和树脂材料的选择问题。此外，试验还发现锡/铜电镀层在焊接和机械接点中性能优良。 1 引言近年来，各国颁布的法律一直在不断呼吁全球各公司减少电器、电子产品中的含铅量。日本和荷兰的现行法律要求制造商回收那些含铅的电子产品，并要进行适当的处理。欧洲联盟的立法也包括了类似的回收条款。为了不至于触犯复杂的回收法规，许多制造商坚持在他们的产品应该实行无铅化。在美国，对

2、铅上的唯一限制在于其总量限制。过去，申报的含铅量25000磅/年，现在使用限量只有100磅/年。这表明，几乎所有的美国连接器制造商都必须公布其铅的年使用量。 铅在电子产品中的用量只占全世界铅使用总量的0.5 %左右。尽管对于这些法律是否应该针对电子产品尚存争议，但法律和市场的力量可能会使这场争论变成空谈。如果一家原设备制造商 ( OEM ) 希望提供一种无铅电子元件，那么连接器制造商和其它元件制造商就只得满足其要求。 2 晶须生长在连接器中，铅首先存在于一些接触件电镀浴液中。另有少部分来自螺丝加工铜所用的铅添加剂 (便于金属加工) 以及在聚乙烯氯化物( PVC )电线绝缘材料中所含的铅。金和钯

3、电镀层不含铅，它们是锡/铅电镀的昂贵替代电镀材料。而绝大多数连接器的接触件电镀层都含有一定比例的锡和铅。这些电镀层中的铅具有特定的功能。它减少晶须生长并可提高与锡/铅焊接系统的相容性。它还可以在相对较低的温度下熔化，节省能耗，并且使得连接器可以使用普通塑料。 盛行于20 世纪70年代初的纯锡亮镀层，就存在晶须生长等问题。第一次电镀时，锡镀层含有内应力。随着时间的推移，锡的内应力开始释放，但是其释放方式极不平常。电镀层形成锡单晶体核，就象一根晶须一样从表面勃发出来。晶须继续成长，直到内应力耗尽为止。晶须可以长到较长的长度，往往超过100 m ( 参见图1 )。 晶须会危害连接器的可靠性，尤其是小

4、间距连接器。相邻两个接触件的晶须朝对方生长，以至于最后接触，从而造成接触件短路。为避免晶须生长，连接器制造商可以使锡镀层重新熔化以减小内部应力，这一过程称为"锡回流"。但是，在以后的加工工序中，端子冲压会导致端子边缘出现裸铜。对于一些应用领域来说，这些铜边缘是令人讨厌的，因为它们可能会导致接触件腐蚀或可焊性差。 在锡电镀层中增加铅会导致晶须生长的减少或消除。许多连接器制造商采用60%锡和40%的铅以达到良好的可焊性。连接器工业已经把许多接触锡/铅电镀层中的含铅量减少到7 %。通过试验和20年的实际经验显示出，这一含铅比例可以将晶须生长减缓到规定的限度内，这样就不会影响连接器

5、的可靠性。采用这一比例还可以获得良好的可焊性。3 温度和塑料还有一个与无铅接触件有关的问题是温度。为了实现无铅焊接，箱内温度必须由40左右增加到260，以便于熔化和键合。波焊浴液温度还必须增加到280以上。 图2.10种塑料中仅有5种适用于温度在260°C 以上的环境，因为其HDT超过此。PBT =聚丁烯；PPE = 聚苯醚；SPS = 间规聚苯乙烯值。 连接器壳体塑料需要增加其焊接温度。连接器壳体可以也可能无法承受这一温度，这主要取决于塑料的选择。图2表示连接器壳体所用的10种普通塑料的熔化温度和加热偏转温度 ( HDT )，水平红线表示260° C。该组中只有5种材料的

6、HDT值大于260°C ：即高温尼龙 ( 聚酞酰亚胺（PPA）)、聚酰胺（ PA )、聚甲基对苯二甲酸二甲酯 (PCT)、液晶聚合物 ( LCP) 和聚苯撑硫 ( PPS )。 温度在低于HDT时，连接器的外形尺寸将保持不变；而高于此温度，则连接器上的应力会导致塑料变形。 在一些情况中，连接器壳体可以已经采用高温塑料。例如，许多插孔连接器采用液晶聚合物（LCP）。然而，其它连接器尤其是低端和传统型的连接器，则要求采用较昂贵的塑料代用品。对这些连接器来说，更换树脂将提高聚合物树脂的成本。 4 测试无铅电镀换用无铅电镀层要求连接器制造商解决晶须生长和树脂选择的问题。制造商还必须寻找那种在

7、焊接和机械连接中性能保持良好的电镀层。 通过试验，我们选择几种无铅镀层作为93/7 锡/铅电镀层的替代材料。这些材料分别是纯锡、锡/铜和锡/银电镀层。由于铋与焊料中的铅发生反应，形成在低温度下能熔化的合金，从而影响连接器的稳定性，故不能采用锡/铋电镀层。另外，铜镀铋后，其回收率较低。在测试无铅电镀层中，必须考虑机械连接的晶须生长、可焊性和性能特征。对于性能特征，电镀层还要进行标准测试以测得其摩擦系数、摩擦、磨蚀和腐蚀特性。至于晶须生长率，目前还没有标准的工业测试。不过，Tyco 电子公司已经制定出了自己的试验规范。在这项试验中，技术人员将电镀样品弄弯180°左右，然后将它安装到一台电

8、子扫描显微仪的一个支架上。电镀层的应力有2个来源：与电镀有关的内部来源和样品严重的机械弯曲。技术人员把样品放在50°C的烘箱中至少保持6 个月的时间。定期分析表面，以检查其晶须生长情况。试验显示，传统的纯亮锡电镀层往往会产生难以接受的晶须生长问题。通常，用来增加电镀沉积亮度的电镀浴液添加剂可能会使其应力增大，从而促使晶须生长。采用几种电镀工艺也可以减缓晶须生长，例如在锡和铜之间电镀一层镍。另外，将锡表面进行轧光处理也可以抑制晶须生长，并可降低电镀成本。对于可焊性来说，应根据 MIL-STD-202 标准中的208方法或EIA 576可焊性标准 (可焊性测试应使用63/37锡/铅焊料或

9、锡/铜焊料)进行。这包括在试验前将样品暴露于加热老化和蒸气老化环境下进行测试。锡/铅焊料的传统检验规则一般要求镀层具有良好的覆盖性，而且光滑、明亮、均匀。对于无铅焊接来说，检验人员只需检查其是否光滑、均匀即可。机械连接的无铅电镀层要求具有低插入力、低而稳定的接触电阻和耐磨性。摩擦系数机械测试显示出3种电镀层即93/7 锡/铅、纯锡和锡/ 铜类似的结果。这些结果显示3 种电镀层的插入力特性也基本相同。 为测试镀层的摩擦情况，在上述规定力的作用下将一个金属球放到电镀层表面使之滑动。接触电阻的测试与上述摩擦测试基本相同，只是金属球已经通上电流，并压入了电镀层表面。然后，测量电镀层和球之间的有效电阻。

10、 图3表示三种电镀层在腐蚀性混合流动气体 ( IIIA级 ) 48小时后接触电阻的变化曲线。由此可见，纯锡和锡/铜电镀层性能良好，但是锡/银电镀层由于出现腐蚀问题，从而产生了令人难以接受的高电阻。 图 4表示一种锡/铜电镀层的加热老化试验结果。该曲线显示初始电阻以及在125°C、负荷逐步增加的条件下，经过50 小时和500小时老化试验后的电阻。结果表明接触电阻较低，而且锡/铜电镀层较为稳定，是令人满意的机械接点。对纯锡镀层来说，其结果也相同。 某些锡/铜电镀浴的加热老化试验结果不理想是因为在电镀工艺中采用了的有机添加剂。因为，这些电镀层对于焊接的连接器有效，但对机械接点连接器则不起什么作用。因此，机械接点连接器的制造商在更换浴液之前必须认真选择地锡/铜电镀层的供应商。 5 结论 有关无铅电子法案颁布的时间表及其实施还在继续争论之中。但电子工业和它的供应商必须为此做好准备，以便提供低成本、高可靠性的工