Stellen Sie sich eine Welt vor, in der unsere alltäglichen Geräte nahtlos funktionieren und niemals aufgrund von Korrosion oder Verschleiß ausfallen. Diese Magie ist oft auf ein kritisches Verfahren namens Galvanisieren zurückzuführen. In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, wie die Galvanisierung die Haltbarkeit und Leistung von elektronischen Anschlüssen verbessert, und erläutern ihre Methoden und Vorteile. Sie werden erfahren, wie diese Technik die Lebensdauer von Steckverbindern verlängert und warum sie für die Aufrechterhaltung zuverlässiger elektrischer Kontakte in verschiedenen Anwendungen unerlässlich ist.
Die Galvanotechnik ist eine Art der galvanischen Metallabscheidung. Es handelt sich dabei um die Entladungsreduktion einfacher Metallionen oder komplexer Ionen durch elektrochemische Methoden auf der Oberfläche eines Festkörpers (Leiter oder Halbleiter), was zur Anhaftung von Metallatomen an der Elektrodenoberfläche führt und eine Metallschicht bildet.
Die Galvanotechnik verändert die Oberflächeneigenschaften von Festkörpern, wodurch sich ihr Aussehen verändert, die Korrosionsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Härte erhöht werden und besondere optische, elektrische, magnetische und thermische Oberflächeneigenschaften verliehen werden.
Die meisten elektronischen Steckverbinder und Klemmen werden aus zwei Gründen einer Oberflächenbehandlung unterzogen, in der Regel einer Galvanisierung: erstens, um das Federmaterial der Klemmen vor Korrosion zu schützen; zweitens, um die Leistung der Klemmenoberfläche zu optimieren, indem die Kontaktschnittstelle zwischen den Klemmen hergestellt und aufrechterhalten wird, insbesondere im Hinblick auf die Kontrolle der Filmschicht. Mit anderen Worten, um den Metall-zu-Metall-Kontakt zu erleichtern.
Korrosionsschutz:
Die meisten Verbindungsfedern bestehen aus einer Kupferlegierung, die in der Betriebsumgebung korrodieren kann, z. B. durch Oxidation und Sulfidierung. Die galvanische Beschichtung der Anschlüsse isoliert die Feder von der Umgebung und verhindert Korrosion. Die galvanischen Werkstoffe müssen korrosionsbeständig sein, zumindest innerhalb ihrer Anwendungsumgebung.
Optimierung der Oberfläche:
Die Optimierung der Oberflächeneigenschaften von Anschlüssen kann auf zwei Arten erreicht werden. Zum einen durch das Design des Steckers, der eine stabile Kontaktfläche herstellt und aufrechterhält. Der andere Weg ist die Herstellung eines metallischen Kontakts, der voraussetzt, dass es entweder keinen Oberflächenfilm gibt oder dieser beim Einstecken reißt. Der Unterschied zwischen dem Nichtvorhandensein eines Films und dem Abreißen des Films unterscheidet die Edelmetallbeschichtung von der Nicht-Edelmetallbeschichtung.
Edelmetallbeschichtungen, wie Gold, Palladium und ihre Legierungen, sind inert und haben keine eigene Schicht. Daher ist für diese OberflächenbehandlungenDer metallische Kontakt ist "automatisch". Dann stellt sich die Frage, wie die edle Oberfläche des Anschlusses erhalten werden kann, um sie vor externen Faktoren wie Verschmutzung, Substratdiffusion und Korrosion des Anschlusses zu schützen.
Nichtedelmetallbeschichtungen, insbesondere Zinn und Blei und deren Legierungen, sind mit einer Oxidschicht überzogen, die beim Einstecken leicht aufreißt und so eine metallische Kontaktfläche schafft.
Bei der Edelmetallbeschichtung von Anschlüssen wird die darunter liegende Oberfläche, in der Regel Nickel, mit einem Edelmetall beschichtet. Die Standardschichtdicken für Stecker betragen 15-50 Mikrometer für Gold und 50-100 Mikrometer für Nickel. Die am häufigsten verwendeten Edelmetalle für die Beschichtung sind Gold, Palladium und deren Legierungen.
Gold ist aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit und thermischen Eigenschaften sowie seiner Korrosionsbeständigkeit in jeder Umgebung das ideale Beschichtungsmaterial. Aufgrund dieser Vorteile wird die Goldbeschichtung vor allem in Steckverbindern für Anwendungen verwendet, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, obwohl Gold sehr teuer ist.
Palladium, ebenfalls ein Edelmetall, hat im Vergleich zu Gold eine höhere Widerstandsfähigkeit, eine geringere Wärmeübertragung und eine geringere Korrosionsbeständigkeit, bietet aber eine höhere Verschleißfestigkeit. Palladium-Nickel-Legierungen (Verhältnis 80-20) werden im Allgemeinen für die Anschlussklemmen von Steckern verwendet.
Bei der Gestaltung von Edelmetallbeschichtungen müssen die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:
a. Porosität
Während des Beschichtungsvorgangs bilden sich auf zahlreichen freiliegenden Oberflächenverunreinigungen Goldkeime. Diese Keime wachsen weiter und breiten sich über die Oberfläche aus, kollidieren schließlich und bedecken die Oberfläche vollständig, was zu einer porösen Beschichtung führt.
Die Porosität einer Goldschicht hängt von ihrer Dicke ab. Unterhalb von 15 Mikrometern nimmt die Porosität rasch zu, während sie oberhalb von 50 Mikrometern gering bleibt und nur noch unwesentlich abnimmt. Dies erklärt, warum die Dicke von Edelmetallbeschichtungen in der Regel zwischen 15 und 50 Mikrometern liegt.
Die Porosität hängt auch mit Substratdefekten wie Einschlüssen, Laminierung, Stempelabdrücken, unsachgemäßer Reinigung nach dem Stanzen und falscher Schmierung zusammen.
b. Abnutzung
Die Abnutzung der beschichteten Oberfläche kann zu einer Freilegung des Grundmaterials führen. Die Abnutzung bzw. Langlebigkeit der beschichteten Oberfläche hängt von zwei Eigenschaften der Oberflächenbehandlung ab: dem Reibungskoeffizienten und der Härte. Je höher die Härte und je niedriger der Reibungskoeffizient ist, desto länger ist die Lebensdauer der Oberflächenbehandlung.
Bei galvanisch abgeschiedenem Gold handelt es sich in der Regel um Hartgold, das härtende Aktivatoren wie Kobalt (Co) enthält, das häufigste Härtemittel, das die Verschleißfestigkeit von Gold erhöht. Die Wahl einer Palladium-Nickel-Beschichtung kann die Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit der Edelmetallbeschichtung erheblich verbessern.
In der Regel wird eine 3-Mikron-Goldschicht auf eine 20-30 Mikron dicke Palladium-Nickel-Legierung aufgetragen, die sowohl eine gute Leitfähigkeit als auch eine hohe Haltbarkeit gewährleistet. Außerdem wird häufig eine Nickelunterschicht verwendet, um die Lebensdauer weiter zu verlängern.
c. Nickel-Unterschicht
Die Nickelunterschicht spielt bei der Edelmetallbeschichtung eine wichtige Rolle, denn sie erfüllt mehrere wichtige Funktionen, um die Integrität der Kontaktschnittstelle zu gewährleisten.
Indem Nickel durch eine positiv oxidierte Oberfläche eine wirksame Barriereschicht bietet, verringert es das Potenzial für Porenkorrosion und bietet eine harte Trägerschicht unter der Edelmetallbeschichtung, wodurch die Lebensdauer der Beschichtung verlängert wird. Welche Schichtdicke ist für diese Beschichtung geeignet?
Je dicker die Nickelunterschicht ist, desto geringer ist der Verschleiß, aber in Bezug auf Kosten und Kontrolle Oberflächenrauhigkeitwird im Allgemeinen eine Dicke von 50-100 Mikron gewählt.
Die Veredelung von Nichtedelmetallen unterscheidet sich von der Veredelung von Edelmetallen, da sie immer eine gewisse Anzahl von Oberflächenschichten beinhaltet. Bei Steckverbindern, die eine metallische Kontaktfläche schaffen und erhalten sollen, muss das Vorhandensein dieser Schichten berücksichtigt werden.
Bei Nichtedelmetallbeschichtungen ist in der Regel eine hohe Kontaktkraft erforderlich, um den Film aufzubrechen und so die Unversehrtheit der Kontaktschnittstelle zu gewährleisten. Die Scheuerwirkung ist auch für Endflächen mit Filmschichten entscheidend.
Es gibt drei Arten von Nicht-Gold-Oberflächenbehandlungen bei der Klemmenbeschichtung: Zinn (Zinn-Blei-Legierung), Silber und Nickel. Zinn wird am häufigsten verwendet, Silber eignet sich hervorragend für Hochstromanwendungen und Nickel ist für Hochtemperaturumgebungen reserviert.
a. Zinn-Oberflächenbehandlung
Zinn bezieht sich auch auf Zinn-Blei-Legierungen, insbesondere auf die Legierung Zinn 93-Blei 3.
Die Oberflächenbehandlung mit Zinn ist darauf zurückzuführen, dass die Oxidschicht des Zinns leicht zu zerstören ist. Eine Zinnbeschichtung weist eine harte, dünne und spröde Oxidschicht auf ihrer Oberfläche auf. Unter der Oxidschicht befindet sich weiches Zinn. Wenn eine positive Kraft auf die Schicht einwirkt, kann das dünne Zinnoxid der Belastung nicht standhalten und reißt aufgrund seiner Sprödigkeit leicht.
Unter diesen Bedingungen wird die Last auf die Zinnschicht übertragen, die, da sie weich und verformbar ist, unter Druck leicht fließt. Wenn das Zinn fließt, weiten sich die Risse im Oxid. Durch diese Risse und die Zwischenschicht drückt sich das Zinn an die Oberfläche und stellt einen metallischen Kontakt her. In Zinn-Blei-Legierungen besteht die Aufgabe des Bleis darin, die Bildung von Zinnwhiskern zu verringern.
Zinnwhisker bilden sich als monokristalline Stränge auf der Oberfläche von plattiertem Zinn unter Belastung und können Kurzschlüsse zwischen den Anschlüssen verursachen. Die Zugabe von 2% oder mehr Blei kann die Bildung von Whiskern verringern. Ein weiteres gängiges Verhältnis von Zinn zu Blei ist 60:40, ähnlich dem Verhältnis der Lötzinnzusammensetzung (63:37), das hauptsächlich bei Steckverbindern verwendet wird, die gelötet werden müssen.
Die jüngsten Rechtsvorschriften verlangen jedoch zunehmend eine Verringerung des Bleigehalts in elektronischen und elektrischen Produkten, was zu einem Anstieg der Nachfrage nach bleifreien Beschichtungen wie Reinzinn, Zinn/Kupfer und Zinn/Silber führt. Das Wachstum von Zinnwhiskern kann durch eine Nickelschicht zwischen den Kupfer- und Zinnschichten oder durch eine matte, nicht glänzende Zinnoberfläche verlangsamt werden.
b. Silberne Oberflächenbeschichtung
Silber gilt als Oberflächenbehandlung für Nichtedelmetalle, da es mit Schwefel und Chlor reagiert und einen Sulfidfilm bildet. Dieser Sulfidfilm wirkt wie ein Halbleiter und kann diodenähnliche Eigenschaften aufweisen.
Silber ist auch weich, vergleichbar mit Weichgold. Da das Sulfid nicht leicht aufgespalten wird, ist Silber frei von Passungsrost. Aufgrund seiner ausgezeichneten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit schmilzt Silber nicht unter hohen Strömen und ist daher eine ausgezeichnete Wahl für die Oberflächenbehandlung von Hochstromanschlüssen.
Die Schmierung spielt je nach Oberflächenbehandlung des Terminals eine unterschiedliche Rolle und hat vor allem zwei Funktionen: Verringerung des Reibungskoeffizienten und Isolierung von der Umwelt.
Die Verringerung des Reibungskoeffizienten hat zwei Vorteile: Zum einen wird die für die Steckverbinder erforderliche Einsteckkraft gesenkt, zum anderen wird die Lebensdauer der Steckverbinder verlängert, da der Verschleiß minimiert wird. Die Schmierung der Klemmen kann eine Schutzschicht bilden, die eine Beschädigung der Kontaktschnittstelle durch Umwelteinflüsse verhindert oder verlangsamt und so für Isolierung sorgt.
Bei der Oberflächenbehandlung von Edelmetallen wird die Schmierung in der Regel eingesetzt, um die Reibung zu verringern und die Langlebigkeit der Verbindungen zu erhöhen. Bei der Oberflächenbehandlung von Zinn dient sie der Isolierung von der Umgebung, um Passungsrost zu verhindern. Obwohl Schmiermittel auch nach der Beschichtung verwendet werden können, handelt es sich dabei lediglich um eine zusätzliche Maßnahme.
Bei Steckverbindern, die auf Leiterplatten gelötet werden müssen, kann der Reinigungsprozess beim Löten das Schmiermittel entfernen. Schmiermittel ziehen Staub an, was in einer staubigen Umgebung zu einem erhöhten elektrischen Widerstand und einer verkürzten Lebensdauer führen kann. Schließlich kann auch die Temperaturbeständigkeit von Schmiermitteln ihre Anwendung einschränken.
Es wird davon ausgegangen, dass die Edelmetallbeschichtung auf einer 50-Mikron-Nickelbasis liegt. Gold ist das gebräuchlichste Material, wobei die Schichtdicke je nach den Anforderungen an die Lebensdauer variiert, aber anfällig für Porosität ist.
Palladium wird nicht für Situationen empfohlen, in denen ein Schutz der Lötbarkeit erforderlich ist. Silber ist anlauf- und migrationsempfindlich und wird vor allem in Steckverbindern verwendet, aber seine Lebensdauer kann durch Schmierung erheblich verbessert werden. Zinn weist eine ausgezeichnete Umweltstabilität auf, aber die mechanische Stabilität muss gewährleistet sein.
Zinn oder Zinnlegierungen gehören zu den besten Werkstoffen für die galvanische Beschichtung von Anschlüssen, da sie eine kostengünstige Lösung mit geringem Kontaktwiderstand und hervorragender Lötbarkeit bieten. Diese Materialien erfüllen die Leistungsanforderungen verschiedener Anwendungen und sind ein idealer Ersatz für Gold und andere Edelmetalle in der Beschichtung.
Nachfolgend sind zehn feste Regeln aufgeführt, wobei mit dem Auftauchen neuer Anwendungen weitere Grundsätze entdeckt werden müssen.
Vermeiden Sie die Verwendung von verzinnten Klemmen in vibrierenden Umgebungen. Unterschiedliche thermische Ausdehnung (DTE) zwischen den Klemmenmetallen kann in einem Bereich von 10 bis 200 Mikrometern zu Passungsrost führen, der die Beschichtung beschädigt, das Grundmaterial freilegt und den Kontaktwiderstand aufgrund von Oxidation erheblich erhöht.
Die zweite Regel besagt, dass bei erhöhtem Axialdruck eine angemessene Schmierung erforderlich ist, um die Reibung zu verringern. Sowohl die männlichen als auch die weiblichen Anschlüsse sollten geschmiert werden, oder zumindest ein Ende.
Hohe Temperaturen beschleunigen die Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen Kupfer und Zinn, was zu spröden und harten Zwischenschichten führt, die die Funktionalität beeinträchtigen. Als Zwischenschicht wird eine Nickelschicht empfohlen, da intermetallische Nickel-Zinn-Verbindungen langsamer wachsen.
Glänzende Verzinnung ist ästhetisch ansprechend; mattes Zinn muss eine saubere Oberfläche aufweisen, um die Lötbarkeit nicht zu beeinträchtigen. Messingverzinnung sollte eine Nickelunterschicht enthalten, um den Verlust von Zink aus dem Grundmaterial zu verhindern, der die Lötbarkeit beeinträchtigen würde.
Dicken unter 100 Mikrozoll werden in der Regel für kostensensible Produkte mit geringeren Anforderungen an die Lötbarkeit verwendet.
Diese Praxis führt zu verstärkter Oxidation und Korrosion. Zinn wandert auf die Goldoberfläche und verursacht schließlich eine Ansammlung von Zinnoxiden auf dem härteren Goldsubstrat. Es ist schwieriger, Zinnoxid auf Gold aufzubrechen als die Oxidschicht direkt auf Zinn zu durchdringen. Die Passungsrostbildung zwischen verzinnten und versilberten Anschlüssen ist jedoch ähnlich wie bei Anschlüssen, die an beiden Enden mit Zinn beschichtet sind.
Dieses Verfahren entfernt die Oxidschicht auf der Verzinnung und gewährleistet einen zuverlässigen Metall-Metall-Kontakt. Dies wird auch für ZIF-Anschlüsse (Zero Insertion Force) empfohlen.
Aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts von Zinn ist es nicht ratsam, diese Materialien in Situationen zu verwenden, in denen es zu Lichtbögen kommen kann, z. B. an Kontaktstellen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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