Immaginate un mondo in cui i nostri dispositivi quotidiani funzionino senza problemi, senza mai guastarsi a causa della corrosione o dell'usura. Questa magia è spesso dovuta a un processo critico chiamato galvanoplastica. In questo articolo esploriamo il modo in cui la galvanoplastica migliora la durata e le prestazioni dei terminali elettronici, approfondendone i metodi e i vantaggi. Leggendo, capirete come questa tecnica prolunga la durata dei connettori e perché è fondamentale per mantenere contatti elettrici affidabili in varie applicazioni.
L'elettrodeposizione è un tipo di processo di elettrodeposizione dei metalli. Comporta la riduzione per scarica di ioni metallici semplici o complessi attraverso metodi elettrochimici sulla superficie di un solido (conduttore o semiconduttore), con conseguente adesione di atomi metallici alla superficie dell'elettrodo per formare uno strato metallico.
L'elettrodeposizione altera le proprietà superficiali dei solidi, modificandone l'aspetto, migliorando la resistenza alla corrosione, all'usura e alla durezza e conferendo speciali proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e termiche alla superficie.
La maggior parte dei connettori e dei terminali elettronici viene sottoposta a un trattamento superficiale, in genere galvanico, per due motivi principali: in primo luogo, per proteggere il materiale della molla del terminale dalla corrosione; in secondo luogo, per ottimizzare le prestazioni della superficie del terminale, stabilendo e mantenendo l'interfaccia di contatto tra i terminali, soprattutto in termini di controllo dello strato di pellicola. In altre parole, per facilitare il contatto metallo-metallo.
Prevenzione della corrosione:
La maggior parte delle molle dei connettori è realizzata in lega di rame, che può corrodersi nell'ambiente operativo, ad esempio per ossidazione e solfatazione. La galvanizzazione dei terminali isola la molla dall'ambiente, impedendo la corrosione. I materiali galvanici devono essere resistenti alla corrosione, almeno nell'ambiente di applicazione.
Ottimizzazione della superficie:
L'ottimizzazione delle proprietà della superficie dei terminali può essere ottenuta in due modi. Uno è la progettazione del connettore, che stabilisce e mantiene un'interfaccia di contatto stabile. L'altro è la creazione di un contatto metallico, che richiede che la pellicola superficiale sia inesistente o si rompa al momento dell'inserimento. La distinzione tra assenza di pellicola e rottura della pellicola differenzia la placcatura in metalli preziosi da quella in metalli non preziosi.
I metalli preziosi, come l'oro, il palladio e le loro leghe, sono inerti e non hanno uno strato di pellicola intrinseco. Pertanto, per questi trattamenti superficialiIl contatto metallico è "automatico". Si tratta quindi di capire come mantenere la nobiltà della superficie del terminale, proteggendola da fattori esterni come la contaminazione, la diffusione del substrato e la corrosione del terminale.
La placcatura di metalli non preziosi, in particolare stagno e piombo e le loro leghe, è ricoperta da una pellicola di ossido che si rompe facilmente al momento dell'inserimento, stabilendo così un'area di contatto metallica.
La placcatura dei terminali in metalli preziosi consiste nel ricoprire la superficie sottostante, in genere il nichel, con un metallo prezioso. Gli spessori standard di placcatura dei connettori sono 15-50 micron per l'oro e 50-100 micron per il nichel. I metalli preziosi più comunemente utilizzati per la placcatura sono l'oro, il palladio e le loro leghe.
L'oro è il materiale di placcatura ideale grazie alle sue eccellenti proprietà di conduzione e termiche, nonché alla sua resistenza alla corrosione in qualsiasi ambiente. Grazie a questi vantaggi, la placcatura in oro viene utilizzata prevalentemente nei connettori per applicazioni che richiedono un'elevata affidabilità, sebbene l'oro sia costoso.
Il palladio, anch'esso un metallo prezioso, presenta una maggiore resistenza, un minore trasferimento termico e una minore resistenza alla corrosione rispetto all'oro, ma offre una resistenza superiore all'usura. Le leghe di palladio-nichel (rapporto 80-20) sono generalmente utilizzate nei terminali dei connettori.
Quando si progetta la placcatura in metalli preziosi, è necessario considerare i seguenti fattori:
a. Porosità
Durante il processo di placcatura, l'oro nuclea su numerosi contaminanti esposti in superficie. Questi nuclei continuano a crescere e a diffondersi sulla superficie, fino a scontrarsi e a ricoprire completamente la superficie, dando vita a una placcatura porosa.
La porosità di uno strato d'oro è correlata al suo spessore. Al di sotto dei 15 micron, la porosità aumenta rapidamente, mentre al di sopra dei 50 micron la porosità rimane bassa e il tasso di diminuzione è trascurabile. Questo spiega perché lo spessore della placcatura di metalli preziosi è tipicamente compreso tra 15 e 50 micron.
La porosità è anche legata a difetti del substrato come inclusioni, laminazione, segni di stampaggio, pulizia impropria dopo lo stampaggio e lubrificazione non corretta.
b. Usura
L'usura della superficie placcata può portare all'esposizione del materiale di base. L'usura o la longevità della superficie placcata dipende da due caratteristiche del trattamento superficiale: il coefficiente di attrito e la durezza. Quando la durezza aumenta e il coefficiente di attrito diminuisce, la durata del trattamento superficiale migliora.
L'oro galvanizzato è solitamente oro duro, contenente attivatori di tempra come il cobalto (Co), l'agente di tempra più comune, che aumenta la resistenza all'usura dell'oro. La scelta della placcatura con palladio-nichel può migliorare significativamente la resistenza all'usura e la longevità del rivestimento in metallo prezioso.
In genere, uno strato d'oro di 3 micron viene applicato su una lega di palladio-nichel di 20-30 micron, garantendo una buona conduttività e un'elevata durata. Inoltre, spesso viene utilizzato un sottostrato di nichel per prolungare ulteriormente la durata.
c. Sottostrato di nichel
Il sottostrato di nichel è un elemento di primaria importanza nella placcatura dei metalli preziosi, in quanto svolge diverse funzioni importanti per garantire l'integrità dell'interfaccia del contatto del terminale.
Offrendo un efficace strato barriera attraverso una superficie ossidata positivamente, il nichel riduce il potenziale di corrosione da porosità e fornisce uno strato di supporto duro sotto la placcatura in metallo prezioso, aumentando così la durata della placcatura. Qual è lo spessore adatto per questo strato?
Più spesso è il sottostrato di nichel, minore è l'usura, ma in termini di costi e di controllo rugosità della superficieIn genere si sceglie uno spessore di 50-100 micron.
La placcatura dei metalli non preziosi si differenzia da quella dei metalli preziosi perché comporta sempre un certo numero di strati di pellicola superficiale. Per i connettori che mirano a fornire e mantenere un'interfaccia di contatto metallica, è necessario tenere conto della presenza di queste pellicole.
In genere, per i rivestimenti di metalli non preziosi, è necessaria un'elevata forza di contatto per rompere la pellicola, garantendo così l'integrità dell'interfaccia di contatto del terminale. L'azione di sfregamento è fondamentale anche per le superfici terminali con strati di pellicola.
Esistono tre tipi di trattamenti superficiali non dorati nella placcatura dei terminali: stagno (lega stagno-piombo), argento e nichel. Lo stagno è il più comunemente utilizzato, l'argento eccelle nelle applicazioni ad alta corrente e il nichel è riservato agli ambienti ad alta temperatura.
a. Trattamento superficiale dello stagno
Lo stagno si riferisce anche alle leghe di stagno-piombo, in particolare alla lega di stagno 93-piombo 3.
L'uso del trattamento superficiale dello stagno deriva dal fatto che la pellicola di ossido dello stagno si rompe facilmente. Un rivestimento di stagno presenta uno strato di ossido duro, sottile e fragile sulla superficie. Sotto lo strato di ossido si trova lo stagno morbido. Quando una forza positiva agisce sul film, l'ossido di stagno, essendo sottile, non può sopportare il carico e, a causa della sua fragilità, si rompe facilmente.
In queste condizioni, il carico viene trasferito allo strato di stagno che, essendo morbido e malleabile, scorre facilmente sotto pressione. Quando lo stagno scorre, le crepe nell'ossido si allargano. Attraverso queste fessure e l'interstrato, lo stagno fuoriesce in superficie, creando un contatto metallico. Nelle leghe stagno-piombo, il ruolo del piombo è quello di ridurre la formazione di baffi di stagno.
I whisker di stagno si formano come filamenti monocristallini sulla superficie dello stagno placcato sotto sforzo, causando potenzialmente cortocircuiti tra i terminali. L'aggiunta di 2% o più piombo può ridurre la formazione di baffi. Un altro rapporto comune di lega stagno-piombo è 60:40, simile al rapporto di composizione della saldatura (63:37), utilizzato principalmente nei connettori che richiedono la saldatura.
Tuttavia, la recente legislazione richiede sempre più spesso la riduzione del contenuto di piombo nei prodotti elettronici ed elettrici, determinando un aumento della domanda di placcature senza piombo, come stagno puro, stagno/rame e stagno/argento. La crescita dei baffi di stagno può essere rallentata placcando uno strato di nichel tra gli strati di rame e stagno o utilizzando una superficie di stagno opaca e non lucida.
b. Placcatura superficiale in argento
L'argento è considerato un trattamento superficiale per metalli non preziosi perché reagisce con lo zolfo e il cloro formando una pellicola di solfuro. Questa pellicola di solfuro agisce come un semiconduttore e può presentare caratteristiche simili a quelle dei diodi.
L'argento è anche morbido, paragonabile all'oro morbido. Poiché il solfuro non si rompe facilmente, l'argento è esente da corrosione da fretting. Grazie all'eccellente conducibilità elettrica e termica, l'argento non si scioglie in presenza di correnti elevate, il che lo rende una scelta eccellente per i trattamenti superficiali dei terminali ad alta corrente.
La lubrificazione svolge ruoli diversi a seconda del trattamento superficiale del terminale, con due funzioni principali: ridurre il coefficiente di attrito e garantire l'isolamento ambientale.
La riduzione del coefficiente di attrito ha due vantaggi: in primo luogo, riduce la forza di inserimento richiesta dai connettori; in secondo luogo, prolunga la durata di vita del connettore riducendo al minimo l'usura. La lubrificazione dei terminali può formare uno strato protettivo che impedisce o rallenta il degrado ambientale dell'interfaccia di contatto, garantendo così l'isolamento.
In genere, per i trattamenti superficiali dei metalli preziosi, la lubrificazione viene utilizzata per ridurre l'attrito e migliorare la longevità dei connettori. Nel caso dei trattamenti superficiali dello stagno, fornisce un isolamento ambientale per prevenire la corrosione da sfregamento. Anche se i lubrificanti possono essere applicati nel processo di post-placcatura, si tratta solo di una misura aggiuntiva.
Per i connettori che devono essere saldati su schede PCB, il processo di pulizia della saldatura può rimuovere il lubrificante. I lubrificanti attirano la polvere che, in un ambiente polveroso, può causare un aumento della resistenza elettrica e una riduzione della durata. Infine, anche la resistenza alla temperatura dei lubrificanti può limitarne l'applicazione.
Si presume che la placcatura in metalli preziosi sia stratificata su una base di nichel di 50 micron. L'oro è il materiale più comune, con uno spessore che varia a seconda dei requisiti di durata, ma è soggetto a problemi di porosità.
Il palladio non è raccomandato per le situazioni che richiedono una protezione della saldabilità. L'argento è sensibile all'appannamento e alla migrazione; viene utilizzato principalmente nei connettori di potenza, ma la sua durata può essere notevolmente migliorata grazie alla lubrificazione. Lo stagno vanta un'eccellente stabilità ambientale, ma deve essere garantita la stabilità meccanica.
I materiali in stagno o in lega di stagno sono tra le scelte migliori per la galvanotecnica dei terminali, in quanto offrono una soluzione economica con una bassa resistenza al contatto e un'eccellente saldabilità. Questi materiali soddisfano i requisiti prestazionali di varie applicazioni e rappresentano un sostituto ideale dell'oro e di altri metalli preziosi nella placcatura.
Qui di seguito sono elencate dieci regole fisse, anche se, con l'emergere di nuove applicazioni, altri principi attendono di essere scoperti.
Evitare di utilizzare terminali stagnati in ambienti soggetti a vibrazioni. L'espansione termica differenziale (DTE) tra i metalli dei terminali può portare alla corrosione da fretting in un intervallo compreso tra 10 e 200 micrometri, danneggiando la placcatura, esponendo il materiale di base e aumentando significativamente la resistenza di contatto a causa dell'ossidazione.
Seguendo la seconda regola, con l'aumento della pressione assiale diventa necessaria un'adeguata lubrificazione per ridurre l'attrito. Entrambi i terminali, maschio e femmina, devono essere lubrificati, o almeno un'estremità.
Le alte temperature accelerano la formazione di composti intermetallici tra rame e stagno, dando luogo a strati intermedi fragili e duri che compromettono la funzionalità. Come intermedio si consiglia uno strato di nichelatura, poiché i composti intermetallici nichel-stagno si formano più lentamente.
La stagnatura lucida è esteticamente gradevole; lo stagno opaco deve mantenere una superficie pulita per non compromettere la saldabilità. La stagnatura dell'ottone deve includere un sottostrato di nichel per evitare la perdita di zinco dal materiale di base, che degraderebbe la saldabilità.
Gli spessori inferiori a 100 micropollici sono tipicamente utilizzati per prodotti sensibili ai costi e con requisiti di saldabilità inferiori.
Questa pratica porta a un aumento dell'ossidazione e della corrosione. Lo stagno migra sulla superficie dell'oro, causando alla fine un accumulo di ossidi di stagno sul substrato d'oro più duro. È più difficile distruggere l'ossido di stagno sull'oro che penetrare lo strato di ossido direttamente sullo stagno. Tuttavia, la corrosione da fretting tra stagno e argento è simile a quella dei terminali placcati con stagno su entrambe le estremità.
Questa procedura rimuove lo strato di ossido sulla stagnatura, garantendo un contatto affidabile metallo-metallo. Questa procedura è consigliata anche per i terminali ZIF (Zero Insertion Force).
A causa del basso punto di fusione dello stagno, non è consigliabile utilizzare questi materiali in situazioni soggette ad arco elettrico, come i punti di contatto.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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