（文章來源：連接器世界網）

 

摘要：本文介紹了幾種新一代的提高電鍍制品耐腐蝕性的方法，即用各種方法尋找替代鎳/金工業標準的表面處理方法。電鍍層的一個主要功能就是提高基體和(或)其它被鍍層的耐腐蝕性。在電子應用中，這一點非常重要，因為對可靠性的要求越來越高，因此需要執行更嚴格的規范要求，尤其是在防腐蝕方面。幾十年來,傳統的電鍍鎳加硬金的行業標準在電子電鍍行業許多領域得到了很好的應用，現在正被一些應用中的替代品所取代，以滿足這些新的技術要求。通過幾種不同的方法可以提高電鍍電子器件的耐腐蝕性。本文將介紹幾種新一代方法，以提高電鍍制品的耐腐蝕性，使用各種方法尋找替代鎳/金工業標準的精飾表面。

 

關鍵詞：電連接器;鎳/金鍍層;耐腐蝕;表面精飾

 

1 引言

 

電鍍鍍覆層的一個主要功能是增強基底金屬(即電路板和連接器中的初級銅底層和/或所要施加鍍覆層的其它基底層)的耐腐蝕性。在電子應用中，這種鍍覆層還需要賦予其規定的導電性和耐磨性。此外，鍍覆層必須能夠通過焊接、物理插入等方式連接到其它表面上。

 

傳統的電鍍鎳(1μm~2μm)加薄鍍硬金(0.10μm~0.75μm，其厚度視具體應用而定)行業標準已經在電子器件電鍍行業許多領域應用了幾十年。如圖1所示，鍍鎳可提供了一個阻擋層，以保護基底金屬銅，否則，基底金屬遭受腐蝕損壞，就無法正常使用。金鍍層提高了它的導電性、耐磨性和可焊性。后處理可保護基底層，并在庫存中保持其應有的可焊性。

 

圖1 鎳-金方案示意圖

 

不過，可靠性要求的不斷提高使得我們不得不采取更為嚴格的技術規范，特別是在防腐性能方面。例如，隨著集成電路(IC)半導體器件和印刷電路板(PCB)尺寸的縮小，對電子互連器件的幾何要求急劇增加。因此，開發更加結實耐用的鎳/金替代方案已經成為當務之急。

 

本文將討論許多替代的工藝方案，首先從改進的阻擋層開始，然后再討論金和后處理工藝的替代工藝，最后討論需要采用全新電子精飾工藝的一些新興應用領域。

 

2 改良的阻擋層

 

傳統的電子器件精飾阻擋層采用的是啞光氨基磺酸鎳。多年來，它為電鍍工業提供了良好的服務，但電子器件小型化和幾何更趨復雜化又帶來了一些新的挑戰，超越了這種鍍覆層的極限。較低的鍍層厚度、在較低電流密度區加大厚度分布以及較低的內應力要求，凡此種種，傳統工藝都很難一一滿足。現有的替代工藝已經成功地滿足了新的規范要求，包括納米晶鎳和無鎳鈷-鎢(CoW)工藝。

 

2.1 納米晶鎳工藝

 

納米晶鎳是一種先進的鍍鎳工藝，專門用于高速/卷筒-卷筒電鍍應用中，可顯著改善鎳厚度的分布狀況，并在專用電解質中改善其耐腐蝕性。這一工藝產生了一種半光亮、低應力并具有延展性的沉積鍍層。其晶粒尺寸以納米來度量，接近于無定形電鍍。

 

表1表示納米晶鎳和氨基磺酸鎳沉積電鍍層的特性對比。從表1中可以看出，納米晶鎳具有較低的應力和較高的硬度，在較小的幾何尺寸條件下仍然保持了一種保護性的阻擋層。

 

表1 納米晶和氨基磺酸鎳特性對比較

 

電鍍浴液導電率越高，其分散能力就越強。從圖2所示的連接器設計數據中便可略見一斑：使用納米晶鎳之后，其鍍層厚度分布大幅提高了30%~40%(紅色數據)。

 

(Functional Area：功能區域;Tail Area:尾部區域)

 

圖2 納米晶鎳和氨基磺酸鹽鎳分散能力對比

 

納米晶鎳鍍層的耐腐蝕性也優于標準的氨基磺酸鎳鍍層。圖3顯示兩種鍍層經過兩個小時硝酸蒸汽暴露試驗之后的對比試驗結果。

 

(l)氨基磺酸鎳-120μin.，Au-30μin.;(r)納米鎳-100μin.，Au-30μin.

 

圖3硝酸蒸汽試驗2小時后的結果

 

2.2 鈷-鎢工藝

 

在某些應用場合，我們需要完全從電鍍工藝中去除鎳(例如，接觸鎳后會出現過敏性皮炎問題)。為此，人們已經為這些領域開發出鈷-鎢合金(CoW)阻擋層電鍍工藝。這種合金鍍層的組成成分為65/35 Co/W (±5%)。其結構也屬于納米晶體(如圖4所示)，硬度為600-700 VHN。其沉積鍍層應力較低，耐腐蝕性也非常好。

 

圖4 CoW鍍層FIB/SEM橫截面(50000x)

 

在生產過程中，該工藝提供了一個廣闊的操作窗口，在現有電鍍工藝線中可作為鎳或鎳-鎢電鍍浴液的替代方案。它適用于消費類電子應用領域，因為這種鍍層不含鎳，故不存在鎳的過敏性皮炎問題。

 

3 鍍金/后處理工藝替代方案

 

要尋找鍍金替代品往往涉及到成本問題。其中一個較為可行的方案就是使用金屬銀，再加上適當的后處理工藝。時至今天，鍍銀工藝在非汽車應用中的實施仍然受到兩個技術問題限制：

 

(1) 耐磨性，特別是在多次插入循環之后;

(2) 耐腐蝕性，即克服銀的變色問題。

 

目前，銀鍍層在汽車電子器件中的應用僅限于插拔次數很少的密封應用場合。一個較為理想的解決方案就是采用耐磨/耐腐蝕的鍍銀工藝。然而，傳統的銀在經過電鍍和烘烤之后，會出現高約1.2的摩擦系數。一個切實可行的選項就是采用銀合金鍍層。

 

3.1 銀合金電鍍層

 

目前，銀合金鍍層可以通過一個由銀合金電沉積和一個獨特的后處理工藝化學成分(Durasil™)組成的一種專有的兩合一組合方案來實現。與傳統的鍍銀工藝相比，這種組合方案可提供非常優良的鍍層導電性，同時又具有非常優異的防腐蝕性能，并能明顯地改善其耐磨性。

 

銀合金鍍層的硬度為175KHN。烘干之后，其硬度降至145 KHN。接觸電阻較低而且穩定，烘干并經過混合流動氣體(MFG)暴露20天之后，其接觸電阻最大值約為2.5 mΩ。

 

銀合金鍍層的耐磨性也很穩定，在相同的烘烤條件和為期20天的混合流動氣體(MFG)試驗條件下，其摩擦系數不超過0.2。耐腐蝕性試驗表明，在暴露于混合流動氣體(MFG)試驗20天后，其腐蝕程度極低，甚至未出現任何腐蝕現象。烘烤500小時之后，銀合金鍍層的可焊性經過測試完全符合J-STD-002C規定。

 

銀合金工藝可以與一種無機納米鍍覆工藝結合起來使用。這種工藝方法鍍層通過了硫腐蝕試驗：將零件完全浸入一種濃度為5%的硫化鉀(K2S)溶液中，并保持5分鐘，見圖5所示。按照EIA-364-65B，IIA級規定，在混合流動氣體(MFG)5天暴露試驗后，我們觀察到了類似的結果。

 

圖5 銀合金鍍覆層(左)在結合和未結合無機納米電鍍后處理(右)的硫腐蝕試驗結果

 

對于金屬銀來說，我們有幾種方案可供選擇，包括銀合金電鍍+后處理、鍍銀另加一層僅用于防腐保護的納米鍍覆層，以及鍍銀另加一種兩步驟的后處理工藝序列(包括納米鍍覆層+后浸(潤滑油))。這樣，既可以改善對銀鍍層的保護，同時也增強了其耐磨性。這些組合方案可以為連接器和相關應用提供類似于硬金鍍層的技術性能。

 

4 需要采用新型電子精飾工藝的新興應用

 

隨著新型應用的不斷涌現，電子精飾領域也將面臨一些新的挑戰。其中，最為重要的是在移動電話(手機)領域所需的耐電解質汗液連接器表面精飾、壓接連接器插針和高頻(5G)應用。

 

4.1耐電解質汗液(ESR)連接器表面精飾

 

手機技術的兩項最新變化對用于手機連接器的電鍍精飾產生了重大影響。一是用一個能同時執行充電功能和耳機連接的單一連接器替代傳統的耳機插孔;二是“快速充電”連接器技術的實現。手機在最初普及時，傳統的充電只包括一個5V/1A或1.0W充電方案。通過三代“快速充電”技術的不斷發展，動態充電、高達18W的充電方案如今已經得到了廣泛應用。

 

這兩個因素都影響了手機連接器技術。一邊使用耳機和/或給手機充電的同時進行鍛煉的消費者，因此要安裝/拆卸連接器，導致在有電流的情況下人體汗液出現在經過電鍍的連接器上。人體汗液也是一種電解質，因此也會出現腐蝕現象。再加上快速充電技術的充電電流/電壓較高，汗液電解腐蝕問題就變得更為嚴重。連接器插針材料的復雜性和多樣性又增加了這種挑戰性，見圖6所示。

 

圖6 USB-C連接器插針的配置和構造

 

另一個挑戰是需要進行逼真的耐腐蝕性模擬試驗，以模擬涉及人體汗液腐蝕的條件。常規的暴露試驗就是將樣品置于腐蝕性環境中，例如在NAV測試中的硝酸煙霧或中性鹽霧(NSS)測試中的氯化鈉鹽霧，連接器從外部到內部都會發生腐蝕。在出現人體汗液的情況下，連接器實際上是浸沒在電解液中，所以從內到外都會發生腐蝕。

 

因此，使用耐電解質汗液(ESR)試驗，將陽極電荷施加到浸泡在人工汗液的電解質(基本上是改性的氯化鈉溶液)中的連接器上，如圖7所示。

 

圖7 電解質汗液試驗

 

試驗室中完成的廣泛測試，讓我們看到了電鍍工藝的一些關鍵要點，這是電鍍方案滿足測試規范所必不可少的?；A銅表面的制備至關重要，需要有耐腐蝕性極好的阻擋層。對于一些高端應用來說，原來用作阻擋層的鎳又被排除在其使用范圍之外。

 

連接器的最外層也不能使用金，因為它在ESR測試過程中很容易受到侵蝕。所以，有必要采用含銠 (Rh) 的沉積鍍層，因為它能抵抗人工汗液的侵蝕。最佳鍍層方案的選擇最終取決于性能與成本的權衡。

 

4.2 壓接連接器插針

 

連接器壓接插針的應用帶來了新的研制成果，見圖8所示。在這些應用中使用啞光的錫鍍層會在某種壓接條件下產生很長的晶須。晶須會引起短路。由于純錫表面較高的機械應力，在壓接中會觀察到晶須的快速生長。在某些情況下，在插入后2~6周之內即可觀察到長度大于2mm的晶須。

 

圖8 連接器壓接插針結構示意圖

 

多年來，連接器公司和/或終端用戶一直在嘗試采用各種非錫電鍍解決方案。最近，兩種不同的表面精飾已經成為解決受壓條件下壓接插針出現晶須問題的潛在解決方案。在鎳底層上鍍覆錫合金(Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Pb)表現出了良好的應用前景，而一種無錫的銦鍍層則出現了明顯的性能改善，見圖9所示。實際上，銦(In)現在已經成為某些壓接應用領域一種合格的/指定的表面精飾材料。除此之外，鉍(Bi)也被認為是某些應用領域不錯的選擇。我們知道，一些方案雖然性能表現良好，但也有其它的缺點，例如錫-鉛鍍層就要充分考慮其毒副性。

 

(左圖)鎳底層上的錫合金，(右圖)無錫鍍層

 

圖9 各種鍍覆層的錫晶須性能試驗結果

 

4.3 高頻應用連接器表面精飾(5G)

 

5G通信應用和隨之而來的高頻電子器件正在迅速涌現。同樣，這種新的方案對電子表面精飾也提出了挑戰。在這種情況下，我們發現印刷電路板(PCB)的最終表面精飾必須要考慮高頻信號的損耗問題。例如在采用標準的化學鍍鎳/浸金(ENIG)工藝方式時，就會遇到額外的高頻信號損失問題，如圖10所示?，F已發現，鎳鍍層是這種信號損失的主要來源。

 

圖10 裸銅與ENIG連接器表面精飾兩種方案的高頻信號損失對比

 

研究表明，為了將信號損失降至最低水平，連接器表面精飾需要有一層無鎳的阻擋層，另加具有良好導電性和耐腐蝕性的最終表面精飾(鍍覆層)。鈀(Pd)是一種合適的電鍍層，可以同時起到阻擋層和最終鍍覆層的雙重作用。不過，阻擋層的有效性要求有比較高的鍍層厚度(>0.75-1.0μm)，而電鍍鈀的缺點就是在厚度較高時容易出現微裂紋現象。

 

本方案是一種擁有專利技術的無裂紋鍍鈀工藝，如圖11所示。這一工藝產生低應力的沉積鍍層，在厚度不超過4μm的鈀鍍層中，并未觀察到自發形成的微裂紋。試驗證明，鈀鍍層厚度在2μm以下時可以防范在彎曲過程中出現開裂現象。該方案的工藝酸堿度(pH)為中性，沒有任何氨水氣味。它是一種穩定的電解液，其電流密度適用范圍很寬。

 

(a) 傳統的鈀鍍層-有裂紋

 

(b) 高延展性鈀鍍層-無裂紋

 

圖11 傳統鈀鍍層與適用于需要降低高頻信號損失的5G應用的低應力、高延展性、無裂紋鈀鍍層對比

 

5 結論

 

1) 對于一個傳統鎳/金電鍍工藝已經應用了四十年的行業，一些迅速變化正在悄然發生。

2) 人們正在考慮采用或實施某些替代的表面精飾方案，包括以前在連接器應用中從未被認可的外來材料，參見圖12。

3) 可以預見，連接器表面精飾行業還將迎來更多的變化，以便滿足其它互連器件和/或使用環境的要求。

 

圖12 滿足未來電子精飾工藝需求的新型鍍層概況

 

簡介

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