Imagine um mundo em que nossos dispositivos cotidianos funcionem perfeitamente, nunca falhando devido à corrosão ou ao desgaste. Essa mágica geralmente se deve a um processo crítico chamado galvanoplastia. Neste artigo, exploramos como a galvanoplastia aumenta a durabilidade e o desempenho dos terminais eletrônicos, aprofundando seus métodos e benefícios. Com a leitura, você terá uma ideia de como essa técnica prolonga a vida útil dos conectores e por que ela é vital para manter contatos elétricos confiáveis em várias aplicações.
A galvanoplastia é um tipo de processo de eletrodeposição de metal. Ele envolve a redução da descarga de íons metálicos simples ou íons complexos por meio de métodos eletroquímicos na superfície de um sólido (condutor ou semicondutor), resultando na adesão de átomos metálicos à superfície do eletrodo para formar uma camada metálica.
A galvanoplastia altera as propriedades da superfície dos sólidos, mudando sua aparência, melhorando a resistência à corrosão, a resistência ao desgaste e a dureza, além de conferir propriedades ópticas, elétricas, magnéticas e térmicas especiais à superfície.
A maioria dos conectores e terminais eletrônicos passa por tratamento de superfície, geralmente galvanoplastia, por dois motivos principais: primeiro, para proteger o material da mola do terminal contra a corrosão; segundo, para otimizar o desempenho da superfície do terminal, estabelecendo e mantendo a interface de contato entre os terminais, especialmente em termos de controle da camada de filme. Em outras palavras, para facilitar o contato metal-metal.
Prevenção de corrosão:
A maioria das molas de conectores é feita de liga de cobre, que pode se corroer no ambiente operacional, por exemplo, por oxidação e sulfetação. A galvanização do terminal isola a mola do ambiente, evitando a corrosão. Os materiais de galvanoplastia devem ser resistentes à corrosão, pelo menos no ambiente de aplicação.
Otimização de superfície:
A otimização das propriedades da superfície do terminal pode ser obtida de duas maneiras. Uma delas é por meio do design do conector, estabelecendo e mantendo uma interface de contato estável. A outra é por meio do estabelecimento de contato metálico, exigindo que qualquer película de superfície não exista ou se rompa na inserção. A distinção entre a ausência de película e a ruptura da película diferencia o revestimento de metal precioso do revestimento de metal não precioso.
O revestimento de metais preciosos, como ouro, paládio e suas ligas, é inerte e não tem camada de filme inerente. Portanto, para esses tratamentos de superfícieO contato metálico é "automático". A consideração então passa a ser como manter a nobreza da superfície do terminal, protegendo-a de fatores externos como contaminação, difusão do substrato e corrosão do terminal.
O revestimento de metais não preciosos, principalmente estanho e chumbo e suas ligas, é coberto por uma película de óxido que se rompe facilmente na inserção, estabelecendo assim uma área de contato metálico.
O revestimento de terminais de metais preciosos envolve a cobertura da superfície subjacente, normalmente de níquel, com um metal precioso. As espessuras padrão de revestimento de conectores são de 15 a 50 mícrons para ouro e de 50 a 100 mícrons para níquel. Os metais preciosos mais comumente usados para revestimento são ouro, paládio e 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 essas vantagens, o revestimento de ouro é usado predominantemente em conectores para aplicações que exigem alta confiabilidade, embora o ouro seja caro.
O paládio, também um metal precioso, tem maior resistência, menor transferência térmica e menor resistência à corrosão em comparação com o ouro, mas oferece resistência superior ao desgaste. As ligas de paládio-níquel (proporção 80-20) são geralmente usadas nos terminais dos conectores.
Ao projetar o revestimento de metais preciosos, os seguintes fatores precisam ser considerados:
a. Porosidade
Durante o processo de galvanização, o ouro nucleia em vários contaminantes de superfície expostos. Esses núcleos continuam a crescer e a se espalhar pela superfície, acabando por colidir e cobrir completamente a superfície, resultando em um revestimento poroso.
A porosidade de uma camada de ouro está relacionada à sua espessura. Abaixo de 15 mícrons, a porosidade aumenta rapidamente, enquanto acima de 50 mícrons, a porosidade permanece baixa e a taxa de diminuição é insignificante. Isso explica por que a espessura do revestimento de metais preciosos geralmente está na faixa de 15 a 50 mícrons.
A porosidade também está relacionada a defeitos no substrato, como inclusões, laminação, marcas de estampagem, limpeza inadequada após a estampagem e lubrificação incorreta.
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 geralmente ouro duro, contendo ativadores 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, uma camada de 3 mícrons de ouro é aplicada sobre uma liga de paládio-níquel de 20 a 30 mícrons, proporcionando boa condutividade e alta durabilidade. Além disso, uma camada inferior de níquel é frequentemente usada para aumentar ainda mais a vida útil.
c. Camada inferior de níquel
A subcamada de níquel é uma consideração primordial no revestimento de metais preciosos, fornecendo várias funções importantes para garantir a integridade da interface de contato do terminal.
Ao oferecer uma camada de barreira eficaz por meio de uma superfície oxidada positivamente, o níquel reduz o potencial de corrosão por porosidade e fornece uma camada de suporte rígida sob o revestimento de metal precioso, aumentando assim a vida útil do revestimento. Qual é a espessura adequada para essa camada?
Quanto mais espessa for a camada inferior de níquel, menor será o desgaste, mas em termos de custo e controle rugosidade da superfícieEm geral, escolhe-se uma espessura de 50 a 100 mícrons.
O revestimento de metais não preciosos é diferente do de metais preciosos, pois sempre envolve um certo número de camadas de filme de superfície. Para conectores cujo objetivo é fornecer e manter uma interface de contato metálica, a presença desses filmes deve ser levada em consideração.
Normalmente, para revestimentos de metais não preciosos, é necessária uma alta força de contato para romper o filme, garantindo assim a integridade da interface de contato do terminal. A ação de esfregar também é crucial para superfícies terminais com camadas de filme.
Há três tipos de tratamentos de superfície sem ouro no revestimento de terminais: estanho (liga de estanho-chumbo), prata e níquel. O estanho é o mais comumente usado, a prata é excelente em aplicações de alta corrente e o níquel é 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.
O uso do tratamento de superfície de estanho decorre do fato de que a película de óxido de estanho é facilmente rompida. Um revestimento de estanho terá uma camada de película de óxido dura, fina e quebradiça em sua superfície. Por baixo da camada de óxido, há estanho macio. Quando uma força positiva atua sobre o filme, o óxido de estanho, por ser fino, não consegue suportar a carga e, devido à sua fragilidade, racha facilmente.
Sob essas condições, a carga é transferida para a camada de estanho, que, por ser macia e maleável, flui facilmente sob pressão. À medida que o estanho flui, as rachaduras no óxido se alargam. Por meio dessas rachaduras e da camada intermediária, o estanho se espreme para a superfície, proporcionando contato metálico. Nas ligas de estanho e chumbo, a função do chumbo é reduzir a formação de whiskers de estanho.
Os whiskers de estanho se formam como fios monocristalinos na superfície do estanho revestido sob tensão, podendo causar curtos-circuitos entre os terminais. A adição de 2% ou mais chumbo pode reduzir a formação de whiskers. Outra proporção comum de liga de estanho e chumbo é 60:40, semelhante à proporção da composição da solda (63:37), usada principalmente em conectores que exigem solda.
No entanto, a legislação recente exige cada vez mais a redução do teor de chumbo em produtos eletrônicos e elétricos, o que leva a um aumento na demanda por revestimentos sem chumbo, como estanho puro, estanho/cobre e estanho/prata. O crescimento de whiskers de estanho pode ser retardado com a aplicação de uma camada de níquel entre as camadas de cobre e estanho ou com o uso de uma superfície de estanho fosca e não brilhante.
b. Revestimento de superfície 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 sulfeto. Essa película de sulfeto atua como um semicondutor e pode apresentar características semelhantes a diodos.
A prata também é macia, comparável ao ouro macio. Como o sulfeto não é facilmente rompido, a prata não sofre corrosão por atrito. Com excelente condutividade elétrica e térmica, a prata não derrete sob altas correntes, o que a torna uma excelente opção para tratamentos de superfície de terminais de alta corrente.
A lubrificação desempenha papéis diferentes, dependendo do tratamento da superfície do terminal, atendendo principalmente a duas funções: reduzir o coeficiente de atrito e proporcionar isolamento ambiental.
A redução do coeficiente de atrito tem dois benefícios: primeiro, diminui a força de inserção necessária para os conectores; segundo, aumenta a vida útil do conector ao minimizar o desgaste. A lubrificação do terminal pode formar uma camada protetora que evita ou retarda a degradação ambiental da interface de contato, proporcionando assim o isolamento.
Normalmente, para tratamentos de superfície de metais preciosos, a lubrificação é usada para reduzir o atrito e aumentar a longevidade do conector. No caso de tratamentos de superfície de estanho, ela 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.
No caso de conectores que precisam ser soldados em placas de circuito impresso, o processo de limpeza da solda pode remover o lubrificante. Os lubrificantes atraem poeira, o que, em um ambiente empoeirado, pode levar ao aumento da resistência elétrica e à redução da vida útil. Por fim, a resistência dos lubrificantes à temperatura também pode limitar sua aplicação.
Presume-se que o revestimento de metais preciosos seja feito em camadas sobre uma base de níquel de 50 mícrons. O ouro é o material mais comum, com espessura que varia de acordo com os requisitos de vida útil, mas é suscetível a problemas de porosidade.
O paládio não é recomendado para situações que exigem proteção de soldabilidade. A prata é sensível a manchas e migração, sendo usada principalmente em conectores de energia, mas sua vida útil pode ser significativamente melhorada por meio de lubrificação. O estanho apresenta excelente estabilidade ambiental, mas a estabilidade mecânica deve ser garantida.
Os materiais de estanho ou de liga de estanho estão entre as melhores opções para galvanoplastia de terminais, oferecendo uma solução econômica com baixa resistência de contato e excelente soldabilidade. Esses materiais atendem aos requisitos de desempenho de várias aplicações, o que os torna um substituto ideal para o ouro e outros metais preciosos na galvanização.
Abaixo estão dez regras inabaláveis, embora, à medida que novos aplicativos surjam, mais princípios aguardem a descoberta.
Evite usar terminais estanhados em ambientes com vibração. A expansão térmica diferencial (DTE) entre os metais do terminal pode levar à corrosão por atrito em uma faixa de 10 a 200 micrômetros, danificando o revestimento, expondo o material de base e aumentando significativamente a resistência de contato devido à oxidação.
Seguindo a segunda regra, com o aumento da pressão axial, a lubrificação adequada se torna necessária para reduzir o atrito. Os terminais macho e fêmea devem ser lubrificados ou, no mínimo, uma extremidade.
As altas temperaturas aceleram a formação de compostos intermetálicos entre o cobre e o estanho, resultando em camadas intermediárias frágeis e duras que afetam a funcionalidade. Uma camada de revestimento de níquel é recomendada como intermediária, pois os compostos intermetálicos de níquel-estanho crescem mais lentamente.
O revestimento de estanho brilhante é esteticamente agradável; o estanho fosco deve manter uma superfície limpa para não afetar a soldabilidade. O revestimento de latão com estanho deve incluir uma camada inferior de níquel para evitar a perda de zinco do material de base, o que prejudicaria a soldabilidade.
Espessuras abaixo de 100 micropolegadas são normalmente usadas para produtos sensíveis ao custo com requisitos de soldabilidade mais baixos.
Essa prática leva ao aumento da oxidação e da corrosão. O estanho migra para a superfície do ouro, causando um acúmulo 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. Entretanto, a corrosão por atrito entre estanhados e prateados é semelhante à dos terminais revestidos com estanho em ambas as extremidades.
Esse procedimento remove a camada de óxido do revestimento de estanho, garantindo um contato metal-metal confiável. Esse procedimento também é recomendado para terminais ZIF (Zero Insertion Force, força de inserção zero).
Devido ao baixo ponto de fusão do estanho, não é recomendável usar esses materiais em situações propensas à formação de arco elétrico, como pontos de contato.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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