Imagine um mundo em que os nossos dispositivos quotidianos funcionam sem problemas, nunca falhando devido à corrosão ou ao desgaste. Esta magia deve-se frequentemente a um processo crítico chamado galvanoplastia. Neste artigo, exploramos a forma como a galvanoplastia aumenta a durabilidade e o desempenho dos terminais electrónicos, aprofundando os seus métodos e vantagens. Ao ler, ficará a saber como esta técnica prolonga a vida útil dos conectores e porque é vital para manter contactos eléctricos fiáveis em várias aplicações.
A galvanoplastia é um tipo de processo de eletrodeposição de metais. Envolve a redução por descarga de iões metálicos simples ou iões complexos através de métodos electroquímicos na superfície de um sólido (condutor ou semicondutor), resultando na adesão de átomos metálicos à superfície do elétrodo para formar uma camada metálica.
A galvanoplastia altera as propriedades da superfície dos sólidos, modificando assim o seu aspeto, melhorando a resistência à corrosão, a resistência ao desgaste e a dureza, e conferindo propriedades ópticas, eléctricas, magnéticas e térmicas especiais à superfície.
A maioria dos conectores e terminais electrónicos é submetida a um tratamento de superfície, normalmente por galvanoplastia, por duas razões principais: em primeiro lugar, para proteger o material da mola do terminal contra a corrosão; em segundo lugar, para otimizar o desempenho da superfície do terminal, estabelecendo e mantendo a interface de contacto entre terminais, especialmente em termos de controlo da camada de película. Por outras palavras, para facilitar o contacto metal-metal.
Prevenção da corrosão:
A maioria das molas dos conectores são feitas de liga de cobre, que pode corroer no ambiente de funcionamento, como por exemplo através de oxidação e sulfatação. A galvanoplastia de terminais isola a mola do ambiente, evitando a corrosão. Os materiais de galvanoplastia devem ser resistentes à corrosão, pelo menos no seu ambiente de aplicação.
Otimização de superfícies:
A otimização das propriedades da superfície do terminal pode ser conseguida de duas formas. Uma é através da conceção do conetor, estabelecendo e mantendo uma interface de contacto estável. A outra é através do estabelecimento de contacto metálico, exigindo que qualquer película de superfície seja inexistente ou se rompa na inserção. A distinção entre a ausência de película e a rutura da película diferencia o revestimento de metais preciosos do revestimento de metais não preciosos.
Os revestimentos de metais preciosos, como o ouro, o paládio e as suas ligas, são inertes e não têm uma camada de película inerente. Por conseguinte, para estes tratamentos de superfícieO contacto metálico é "automático". A consideração passa então a ser como manter a nobreza da superfície do terminal, protegendo-a de factores externos como a contaminação, a difusão do substrato e a corrosão do terminal.
O revestimento de metais não preciosos, em especial estanho e chumbo e suas ligas, é coberto por uma película de óxido que se rompe facilmente com a inserção, estabelecendo assim uma área de contacto metálica.
O revestimento de terminais de metais preciosos consiste em cobrir a superfície subjacente, normalmente de níquel, com um metal precioso. As espessuras padrão de revestimento de conectores são 15-50 microns para o ouro e 50-100 microns para o níquel. Os metais preciosos mais comummente utilizados para revestimento são o ouro, o paládio e as suas ligas.
O ouro é o material de revestimento ideal devido à sua excelente condutividade e propriedades térmicas, bem como à sua resistência à corrosão em qualquer ambiente. Devido a estas vantagens, o revestimento a ouro é predominantemente utilizado em conectores para aplicações que exigem elevada fiabilidade, embora o ouro seja dispendioso.
O paládio, também um metal precioso, tem maior resistência, menor transferência térmica e menor resistência à corrosão em comparação com o ouro, mas oferece uma resistência superior ao desgaste. As ligas de paládio-níquel (rácio 80-20) são geralmente utilizadas nos terminais dos conectores.
Ao conceber o revestimento de metais preciosos, é necessário ter em conta os seguintes factores:
a. Porosidade
Durante o processo de revestimento, o ouro nucleia em numerosos contaminantes de superfície expostos. Estes núcleos continuam a crescer e a espalhar-se pela superfície, acabando por colidir e cobrir completamente a superfície, resultando num revestimento poroso.
A porosidade de uma camada de ouro está relacionada com a sua espessura. Abaixo dos 15 microns, a porosidade aumenta rapidamente, enquanto que acima dos 50 microns, a porosidade permanece baixa e a taxa de diminuição é insignificante. Isto explica o facto de a espessura do revestimento de metais preciosos se situar normalmente no intervalo de 15-50 mícrones.
A porosidade também está relacionada com defeitos do substrato, como inclusões, laminação, marcas de estampagem, limpeza inadequada após a estampagem e lubrificação incorrecta.
b. Desgaste
O desgaste da superfície revestida pode levar à exposição do material de base. O desgaste ou a longevidade da superfície revestida depende de duas características do tratamento de superfície: o coeficiente de atrito e a dureza. À medida que a dureza aumenta e o coeficiente de atrito diminui, a vida útil do tratamento de superfície melhora.
O ouro galvanizado é normalmente ouro duro, contendo activadores de endurecimento, como o cobalto (Co), o agente de endurecimento mais comum, que aumenta a resistência ao desgaste do ouro. A escolha do revestimento de paládio-níquel pode melhorar significativamente a resistência ao desgaste e a longevidade do revestimento de metal precioso.
Normalmente, é aplicada uma camada de 3 mícrones de ouro sobre uma liga de paládio-níquel de 20-30 mícrones, proporcionando uma boa condutividade e uma elevada durabilidade. Além disso, é frequentemente utilizada uma camada inferior de níquel para prolongar ainda mais a vida útil.
c. Camada inferior de níquel
A subcamada de níquel é uma consideração primária no revestimento de metais preciosos, fornecendo várias funções importantes para garantir a integridade da interface de contacto do terminal.
Ao oferecer uma camada de barreira eficaz através de uma superfície positivamente oxidada, o níquel reduz o potencial de corrosão por porosidade e fornece uma camada de suporte dura por baixo do revestimento de metal precioso, aumentando assim a vida útil do revestimento. Qual é a espessura adequada para esta camada?
Quanto mais espessa for a camada inferior de níquel, menor será o desgaste, mas em termos de custos e de controlo rugosidade da superfícieA espessura escolhida é geralmente de 50-100 microns.
A metalização de metais não preciosos difere da dos metais preciosos, uma vez que envolve sempre um certo número de camadas de película superficial. Para os conectores, cujo objetivo é fornecer e manter uma interface de contacto metálica, a presença destas películas deve ser tida em conta.
Normalmente, para revestimentos de metais não preciosos, é necessária uma força de contacto elevada para quebrar a película, assegurando assim a integridade da interface de contacto terminal. A ação de esfregar é também crucial para superfícies terminais com camadas de película.
Existem três tipos de tratamentos de superfície sem ouro na galvanização de terminais: estanho (liga de estanho-chumbo), prata e níquel. O estanho é o mais utilizado, a prata destaca-se em aplicações de alta corrente e o níquel está reservado para ambientes de alta temperatura.
a. Tratamento da superfície de estanho
O estanho também se refere a ligas de estanho-chumbo, especialmente a liga de estanho 93-chumbo 3.
A utilização do tratamento de superfície de estanho resulta do facto de a película de óxido de estanho ser facilmente rompida. Um revestimento de estanho terá uma camada de película de óxido dura, fina e quebradiça na sua superfície. Por baixo da camada de óxido está o estanho macio. Quando uma força positiva actua sobre a película, o óxido de estanho, sendo fino, não consegue suportar a carga e, devido à sua fragilidade, racha facilmente.
Nestas condições, a carga é transferida para a camada de estanho, que, sendo macia e maleável, flui facilmente sob pressão. À medida que o estanho flui, as fissuras no óxido alargam-se. Através destas fissuras e da camada intermédia, o estanho espreme-se para a superfície, proporcionando um contacto metálico. Nas ligas de estanho e chumbo, o papel do chumbo é reduzir a formação de cristais de estanho.
Os whiskers de estanho formam-se como fios monocristalinos na superfície do estanho revestido sob tensão, podendo causar curto-circuitos entre terminais. A adição de 2% ou mais de chumbo pode reduzir a formação de whiskers. Outro rácio comum de liga de estanho-chumbo é 60:40, semelhante ao rácio de composição da solda (63:37), utilizado principalmente em conectores que requerem soldadura.
No entanto, a legislação recente exige cada vez mais a redução do teor de chumbo nos produtos electrónicos e eléctricos, o que leva a um aumento da procura de revestimentos sem chumbo, tais como estanho puro, estanho/cobre e estanho/prata. O crescimento de whiskers de estanho pode ser retardado através da colocação de uma camada de níquel entre as camadas de cobre e estanho ou utilizando uma superfície de estanho mate e não brilhante.
b. Revestimento de superfícies de prata
A prata é considerada um tratamento de superfície de metal não precioso porque reage com enxofre e cloro para formar uma película de sulfureto. Esta película de sulfureto actua como um semicondutor e pode apresentar características semelhantes a díodos.
A prata é também macia, comparável ao ouro macio. Uma vez que o sulfureto não se rompe facilmente, a prata não sofre corrosão por atrito. Com uma excelente condutividade eléctrica e térmica, a prata não derrete sob correntes elevadas, o que a torna uma excelente escolha para tratamentos de superfície de terminais de corrente elevada.
A lubrificação desempenha papéis diferentes consoante o tratamento da superfície do terminal, servindo principalmente duas funções: reduzir o coeficiente de atrito e proporcionar isolamento ambiental.
A redução do coeficiente de fricção tem duas vantagens: em primeiro lugar, reduz a força de inserção necessária para os conectores; em segundo lugar, prolonga a vida útil do conetor, minimizando o desgaste. A lubrificação do terminal pode formar uma camada protetora que impede ou retarda a degradação ambiental da interface de contacto, proporcionando assim isolamento.
Normalmente, nos tratamentos de superfície de metais preciosos, a lubrificação é utilizada para reduzir a fricção e aumentar a longevidade do conetor. No caso dos tratamentos de superfície de estanho, proporciona isolamento ambiental para evitar a corrosão por atrito. Embora os lubrificantes possam ser aplicados no processo pós-revestimento, trata-se apenas de uma medida adicional.
Para conectores que precisam de ser soldados em placas PCB, o processo de limpeza da soldadura pode remover o lubrificante. Os lubrificantes atraem poeira, o que, num ambiente poeirento, pode levar ao aumento da resistência eléctrica e à redução da vida útil. Por último, a resistência dos lubrificantes à temperatura pode também limitar a sua aplicação.
Presume-se que o revestimento de metais preciosos seja feito em camadas sobre uma base de níquel de 50 mícrones. O ouro é o material mais comum, com a espessura a variar de acordo com os requisitos de vida útil, mas é suscetível a problemas de porosidade.
O paládio não é recomendado para situações que exijam proteção da soldabilidade. A prata é sensível ao embaciamento e à migração, sendo principalmente utilizada em conectores de potência, mas a sua vida útil pode ser significativamente melhorada através da lubrificação. O estanho apresenta uma excelente estabilidade ambiental, mas a estabilidade mecânica deve ser assegurada.
Os materiais de estanho ou de liga de estanho estão entre as melhores escolhas para a galvanoplastia de terminais, oferecendo uma solução rentável com baixa resistência ao contacto e excelente soldabilidade. Estes materiais cumprem os requisitos de desempenho de várias aplicações, tornando-os um substituto ideal para o ouro e outros metais preciosos na galvanização.
Abaixo estão dez regras firmes, embora, à medida que surgem novas aplicações, mais princípios aguardem a descoberta.
Evitar a utilização de terminais estanhados em ambientes com vibrações. A expansão térmica diferencial (DTE) entre os metais do terminal pode levar à corrosão por atrito numa gama de 10 a 200 micrómetros, danificando o revestimento, expondo o material de base e aumentando significativamente a resistência de contacto devido à oxidação.
Seguindo a segunda regra, com o aumento da pressão axial, torna-se necessária uma lubrificação adequada para reduzir o atrito. Ambos os terminais, macho e fêmea, devem ser lubrificados ou, pelo menos, uma das extremidades.
As temperaturas elevadas aceleram a formação de compostos intermetálicos entre o cobre e o estanho, resultando em camadas intermédias frágeis e duras que afectam a funcionalidade. Recomenda-se uma camada de revestimento de níquel como intermediário, uma vez que os compostos intermetálicos de níquel-estanho crescem mais lentamente.
O revestimento de estanho brilhante é esteticamente agradável; o estanho mate deve manter uma superfície limpa para não afetar a soldabilidade. O revestimento de estanho em latão deve incluir uma subcamada de níquel para evitar a perda de zinco do material de base, o que degradaria a soldabilidade.
Espessuras inferiores a 100 micropolegadas são normalmente utilizadas para produtos sensíveis ao custo com requisitos de soldabilidade mais baixos.
Esta prática conduz a um aumento da oxidação e da corrosão. O estanho migra para a superfície do ouro, causando eventualmente uma acumulação de óxidos de estanho no substrato de ouro mais duro. É mais difícil romper o óxido de estanho no ouro do que penetrar a camada de óxido diretamente no estanho. No entanto, a corrosão por atrito entre os terminais estanhados e prateados é semelhante à dos terminais estanhados em ambas as extremidades.
Este procedimento remove a camada de óxido do revestimento de estanho, assegurando um contacto metal-metal fiável. Este procedimento também é recomendado para terminais ZIF (Zero Insertion Force).
Devido ao baixo ponto de fusão do estanho, não é aconselhável utilizar estes materiais em situações propensas a arcos voltaicos, tais como pontos de contacto.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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