銀鍍層在聯結器端子中的應用

1.

概述

在電子聯結器行業公母端子可分離介面上金和錫鍍層是廣泛應用的，而且這些應用很多人都瞭解，製程也相對成熟、穩定且易於控制。

銀鍍層多用於高電流強電傳輸的可分離介面，也有用在一些低電流的應用中。在所有的金屬中，銀具有最高的導電率和導熱率，這可以產生低的接觸電阻值（在高的正壓力下，可以達到0。1 - 1 mΩ）。在高電流強電傳輸聯結器中，常用的設計方案是高的正壓力（10 - 100 N），良好的擦拭距離，銀鍍層厚度大於2μm，甚至達到20μm，通常沒有鎳底鍍層。低電流強電聯結器典型設計為正壓力最小2N，正常的擦拭配合、鎳底鍍的厚度為最小1。25μm，銀鍍層的厚度為最小2μm，且插拔耐久性要求較低。

2.

銀作為接觸鍍層的特徵

2.1

優點

銀具有獨特的材料特性組合，例如所有金屬中最高導熱性和導電性以及相對較低的硬度。理論和經驗都表明，這些特點將產生公母端子間很低的接觸電阻值。這些屬性使其在強電應用中具有吸引力。

銀也有很好的焊性特性，即使銀有些變色也不影響其可焊性。如果變色的程度過高，則可能需要更多的助焊劑。浸銀工藝被廣泛用於電路板上作為一種可焊性的鍍層，但如果銀暴露在環境中，則其保質期可能會受到限制。

2.2

潛在的問題

銀有一些不利於接觸效能的屬性。銀不具有金的“貴金屬”特徵，暴露在含硫大氣中時，表面會形成硫化銀薄膜層。銀具有高的摩擦係數（高插入力）和差的磨損特性（耐久性差）。在特定條件下，銀還有可能發生電子遷移失效（類式於錫須失效）。

2.2.1

銀表面膜層

銀表面膜可以有多種顏色，從黃色到棕褐色，從藍色到黑色都有可能。 客戶可能會反感在接觸介面上出現這種腐蝕的外觀。鍍銀端子表面可能會變色，如果在應用程式中正確使用，結果仍然是良好的。

在大多數穩定的聯結器應用環境中，銀腐蝕膜的增長是線性的，並且不是自我限制的。在大多數聯結器現場應用中銀鍍層表面上產生的腐蝕膜主要是硫化銀（Ag2S），以及非常少量的氯化銀（AgCl）。膜的形態通常是不均勻的，在水可以聚集的表面周圍可能存在更多的膜層。這些變色的、主要成分是硫化銀的膜層在足夠的正壓力作用下會呈現半導電狀態。如果基材氧化物（例如銅）混入硫化銀膜層中，則可能會出現接觸電阻問題。這也是為什麼建議儘可能使用鎳底鍍的原因之一，而當不使用鎳底鍍時，則應使用較厚的鍍銀層。

使用銀鍍層端子的歷史資料表明，在許多應用中，銀表面發生了變色，甚至有厚度約為一千埃的氧化膜存在的情況下，銀鍍層的端子表面仍然保持低且穩定的接觸電阻。如果銀變色或氧化的質量和水平不過高，在聯結器設計中考慮了擦拭距離和足夠的正壓力，銀髮生氧化通常不會導致接觸效能問題。薄膜層甚至可以使插拔耐久性和插入力得到改進。

2.2.1.1

硫化銀

在典型聯結器環境中，在銀鍍層表面的水膜中溶解的少量硫（HS-）與銀原子發生反應時，就會形成硫化銀（Ag2S）。這種少量硫的主要來源是溶解在水中的硫化氫（H2S）氣體，或者是極少量的溶解在水中的硫化碳化物（COS）。硫化氫來自於有機物腐爛、燃燒過程、火山活動以及造紙廠、汙水處理廠和高硫包裝材料等源頭。如果在有硫化氫的環境中使用或儲存未受保護的銀鍍層，那麼銀被硫化的可能性會變得很大。

2.2.1.2

氯化銀

在很少的情況下，才會在變色的銀鍍層表面檢測到氯化銀（AgCl）。銀對氯離子非常敏感，並且會反應生成氯化銀。氯化物可能來自溶解的氯化氫（HCl）氣體或其他含有氯的顆粒物（例如NaCl）等。破壞掉銀鍍層表面的絕緣氯化銀膜層的難度相對要高一些（相對於硫化銀的破壞水平）。在實際使用時，在大多數現場應用環境中，銀鍍層的氧化膜層主要以硫化銀為主，偶爾會含有少量氯化銀。

2.2.1.3

硫酸銀

銀鍍層在二氧化硫（SO2）存在的情況下，有可能形成硫酸銀（Ag2SO4），但只有在高濃度的二氧化硫存在的情況下（二氧化硫的含量比正常環境中高2到3倍）才會形成硫酸銀。在常用的聯結器應用環境中，銀鍍層的氧化膜中未發現過硫酸銀。

2.2.2

潛在的氧化加速因素

2.2.2.1

氯氣

即使銀不直接與氯氣（Cl2）反應，但是當氯氣與硫化氫氣體結合，它的存在對銀硫化的形成有加速作用。這在銀表面暴露在含有硫化氫和氯氣的加速測試環境中尤為明顯（例如MFG測試）。如果硫化氫與氯氣的比例足夠大，銀表面硫化薄膜增長率會偏離線性和接近拋物線。類式MFG這種人工環境暴露的樣品生成硫化銀薄膜的速度更快，氯化銀含量也高於大多數在實際應用中的含量。實際情況是，通常用於混合流動氣體測試（MFG）的氯氣在大氣中幾乎不存在。這種協同作用產生的接觸電阻比實際應用中產生的接觸電阻要高很多。這也說明了在可能具有氯氣源的特定環境中使用銀鍍層的風險。

2.2.2.2

水

銀在腐蝕環境中的氧化是需要水存在的。這種水分會使腐蝕性元素溶解，導致金屬銀的分解。銀表面的水膜可以由溼度產生的，也可以是以凝結的形式形成。

2.2.2.3

二氧化氮:

雖然銀與二氧化氮（NO2）不發生反應，但是有研究表明，二氧化氮的存在可以稍微加快硫化銀的形成速度，儘管這些機制沒有得到很好的理解。它不被認為是銀腐蝕的主導因素。

2.2.2.4

臭氧/光腐蝕:

另一個加速氧化的因素是臭氧的存在（O3）。臭氧不直接與銀髮生反應，但如果在環境中普遍存在，則會加速形成腐蝕膜層，從而引起接觸電阻的增加。事實上，氧化銀（AgO和Ag2O）的形成是絕緣性很好而且很難去破壞並移出。臭氧在大多數聯結器應用環境中沒有明顯地存在。

腐蝕膜層形成的另一個相關的是光子腐蝕。這種現象在聯結器環境中沒有得到很好的理解，但資料表明，在某些情況下它可能是失效的原因。另一項研究的初步資料顯示，氧化銀形成需要臭氧和紫外線照射。

2.2.3

銀氧化膜層蠕變到金鍍層表面

一個端子設計中，如果銀鍍層與金鍍層區域相鄰很近，那麼銀氧化膜層具有爬到相鄰的金鍍層表面的傾向。這會導致金表面高的接觸電阻，因為要想破掉掉金表面的銀氧化膜層是困難的。這也是為什麼銀通常不用作金鍍層的外表面附加鍍層的原因。在大多數的端子設計中，這種風險是可以避免的。

2.2.4

磨損腐蝕---粘合和磨損

銀鍍層具有高的導電率以及相對軟的硬度（增大接觸面積），這也會導致插拔壽命上的效能很差。乾淨的銀表面具有相對較高的摩擦係數，並且不是一個很耐磨損的鍍層。

在互相配合的兩個乾淨的鍍銀表面，在正壓力的作用下，支撐表面間的材料是塑膠變形的，並且發生加工硬化（變形區），在接觸介面形成多個金屬點粘合（如冷焊）。當接觸介面發生相對運動時（即滑動），原始凹凸連線介面周圍的材料在連線處破裂，這將導致表面材料的剪下，從而破掉掉鍍層表面產生磨損。磨損的嚴重程度隨著正壓力的增加而增加。

銀固有的高摩擦係數使壓在一起的銀表面需要一定的力才能拉開，從而導致材料從其中一個表面剝落。基於電效能可靠性的原因，銀鍍層的端子觸點通常在較高的正壓力下使用（相對於硬金），因此銀鍍層的耐用性進一步受到限制。這些因素決定了銀鍍層具有高的插入力。銀鍍層通常不適用於高插拔耐久性的應用。

高的正壓力和銀表面高的摩擦係數可以防止機械或熱脹冷縮引起的相對微動傳遞到接觸介面上，從而提高了接觸介面的耐振動穩定性。在典型的聯結器環境中，銀本身不易發生微動腐蝕。如果條件嚴重到足以發生微動運動，則銀很容易受到嚴重的粘合微動磨損。微動運動可能會迅速導致鎳或銅基材的暴露，這些材料容易發生微動氧化失效，並且接觸電阻增加到無法接受的水平。

另一方面，銀表面上甚至出現少量的銀氧化膜層是一個可以發生剪下的層，其可以削弱金屬與金屬之間的接觸介面粘合力。在銀表面上由於儲存原因而生成的銀氧化膜，即使是很小量的也具有促使摩擦係數降低的趨勢。它可以減少磨蝕/磨損的等級和降低插入力，提高耐用性，而且對接觸電阻的影響很小或者沒有影響。

2.2.5

環境

鍍銀聯結器在PCB焊腳上會出現電遷移短路問題，類式於錫須的失效。在聯結器端子可分離的連線介面應用中，通常不會發生電遷移失效，因為幾何形狀和應用條件的組合使其極不易受到影響。對於電遷移失效，有幾種方法可以降低風險：第一種是避免使用電鍍銀。其他的方法就是最大限度地加大端子間的中心距、最大限度地減少電壓降（驅動力）、使用疏水材料、限制可能積水的特徵（如劃痕、裂縫、PCB板上的縫隙等）、應用疏水和/或符合性塗層、用不活躍的金屬鍍層覆蓋銀鍍層、限制或消除離子汙染的可能性（例如，避免無清潔的焊劑殘留物、紙纖維等），並以其他方式最大限度地減少水膜的形成。如果鍍銀焊腳與鍍金的PCB焊盤進行焊接，並且在設計和條件的結合下可能會使電遷移成為可能，則可能需要進行專門的測試評估。

3.

在聯結器中使用銀鍍層的建議

3.1

正壓力和擦試距離

由於銀鍍層具有差的插拔耐久性以及銀表面的氧化膜層是不可預見的原因，在設計時需要公母端子在配合時能夠擦除/破壞並且移走氧化膜層。因此，建議銀鍍層接觸介面設計具有較高的正壓力，以及儘可能大的擦試距離。典型的鍍銀端子設計需要2N的正壓力。

3.2

插拔耐久性考量

由於銀的插拔耐久性差，建議在低的插拔耐久性應用中使用銀（如< =10個插拔迴圈）。一個指定聯結器的實際耐久性週期數將由具體的設計和應用來決定。可以使用一些方法來減少表面磨損（如潤滑劑），這樣可以增加銀鍍層的插拔耐久性，並且要保證這些方法在特定應用環境下仍然可以正常工作。

3.3

端子中心距的考量

這種失效模式在很多聯結器中是不存在的。從歷史的角度看，在有吸溼性的PCB板材料中，並且在高電壓降的條件下，中心距比較小的PCB銀箔軌跡間會發生電遷移失效。經過改進PCB的製造，使沉浸銀工藝在PCB應用中得到廣泛應用，從此沒有此類失效的發生。由於聯結器行業正趨於小型化的原因，在特殊的情況下，電遷移失效的可能性需要進行測試。

3.4

鎳底鍍層

建議儘可能使用鎳底鍍層（最低1。25微米）。如果基材中的銅合金元素到達了端子的表面（類似於金鍍層發生的孔隙腐蝕），則表面氧化膜層的性質將發生顯著變化。如果這些複雜的氧化膜層進入到端子的接觸區，這很可能導致接觸電阻的增加。在較高溫度下，如果不使用鎳底鍍，氧氣將以較快的速度透過銀擴散到銅合金介面，並可能導致起泡。鎳底鍍層還可以防止在高於150℃的溫度下形成薄薄的一層銅銀金屬間化合物層。

3.5

銀鍍層的厚度:

多厚的鍍銀厚度是合適的？這取決於環境惡劣程度、溫度的持續時間、耐久性要求、鎳底鍍和表面附加處理等應用因素。在典型的應用中，在使用鎳底鍍情況下，可分離接觸介面的銀鍍層厚度通常在 2μm以上。如果不使用鎳底鍍，可能需要更高的銀鍍層厚度，以防止基材元素腐蝕物進入到端子表面。較高的鍍銀厚度可以使端子經歷較多的磨損週期而不暴露基材。

3.6

含有高濃度的硫和/或氯和/或臭氧的環境

銀鍍層的端子通常不用於暴露在戶外或工業環境的應用中，因為擔心在銀表面發生腐蝕的問題。還應避免接觸硫化氫（如造紙廠）、氯化物（如鹽霧）、氯氣和/或臭氧含量較高的環境。如果要在此類環境中使用銀鍍層，可能需要進行環境隔絕和密封來避免過度氧化的發生。

4.

銀表面的防腐蝕處理

表面處理可以有效減少氧化層的形成、減少插入力、提高耐久性以及在功能允許時將電遷移風險降至最低。比較常見的是液體潤滑油和表面處理膜（如半自動組裝膜（SAM）），有許多商業版本可用。但是表面處理本身可能也有一些問題。

有一種在銀表面塗上一層薄的固體層來防止銀氧化的方法。如果在配合時將其擦去，銀表面上的固體層將不再在接觸區域提供保護。因此，該方法僅對保持銀表面“不變色”有效，在接觸區域的作用有限。已經在嘗試在銀表面鍍一層薄金鍍層來防止銀髮生氧化。這種方法也存在三種風險：銀和金很容易相互擴散、硫化銀會在金表面上蠕變/遷移、金極易受到電弧的侵蝕。因此這種方法沒有多少實際價值。在使用這種方法時，要把這些風險因素考慮進去。

為了使表面塗層有效，它必須在不損失功能性或者不會導致接觸電阻過高的情況下發揮作用。它們通常不會被後續的焊接操作所影響，但是如果在組裝和使用過程中將其移除，或者暴露在高於或低於其正常工作範圍的溫度下，它們可能會失效或者變成有害的。如果多餘的表面處理材料可以遷移到聯結器或系統的其他區域，則使用這種表面處理可能也是不可接受的。表面處理能否有效地用於銀鍍層端子上取決於效能要求、應用條件中的暴露條件、設計限制、視覺要求和客戶的看法認知。

聯結器外殼（封閉或有密封圈的）的遮蔽效果以及任何裝置外殼或環境控制（例如空調、過濾）的效果對防止鍍銀表面腐蝕都是有效的。此外，填充了有時油脂或凝膠的聯結器外殼（例如，外殼“填充”了潤滑脂），可以進一步緩解腐蝕性元素流向接觸介面。

大多數包裝紙板和隔紙都含有並可釋放出足夠高的硫含量，導致被包裝鍍銀部件加速氧化。因此，通常要使用“低硫”產品來包裝鍍銀部件。銀鍍層保護紙等產品通常用於鍍銀部件，其有助於吸收環境中的硫，從而限制與銀的接觸量和化學反應。

5.

銀鍍層端子的常見測試方法

由於銀鍍層端子具有插拔耐久性差、插入力高等特點，耐久性和插入力測試被廣泛應用。具體的測試級別和型別取決於聯結器的所有特徵以及期望的應用條件。因此，此類測試的引數是根據產品和應用來制定的。

氯化物暴露測試（如鹽霧）可導致形成堅硬的過量氯化銀膜層並且難以去除。因此，這是額外引入的失效機制，如果實際使用中不存在這種氯化物應用條件，就不能對聯結器上進行鹽霧測試。如果聯結器確實應用於這種型別的環境中，需要進行環境隔絕或密封，否則不能使用銀鍍層。這種型別的測試也常用於確定不同金屬間的電化學腐蝕的易感性。

電遷移測試很少是針對可分離的接觸介面進行的測試。主要是針對焊腳間的。在某些特定情況下，根據應用需要，可能進行這樣的測試。

混合流動氣體（MFG）測試是透過在特定的溫度和溼度條件下使聯結器暴露於一定等級的多種腐蝕性氣體中來進行的。這是產品合格性測試要求所定義的測試序列中的一步。這些MFG測試是在經過長時間的資料對比之後開發出來的，該資料對比是把不同表面鍍層聯結器的市場應用資料與相應的實驗室測試的樣本資料進行了比較，以使實際壽命暴露效能與加速的測試結果相關聯。但是，由於銀腐蝕過程的複雜性，多種氣體水平之間的協同作用以及銀對硫化氫氣體敏感的事實，因此無法開發出行業認可的“與現場壽命相關的”加速MFG實驗來評估銀表面鍍層。替代的單一氣體測試環境方法（例如，硫化氫、硫華）具有誤導性，並不能代表銀的實際應用暴露條件。

MFG測試主要是針對“銅合金+鎳底層+金的表面鍍層”而開發的測試程式。有幾個版本的方法在使用，最常用的是Class IIa（室內）和Class IIIa（室外）。本來並不是為銀鍍層而開發的測試方法。但是因為這些標準的含硫氣體環境是可重複的，可利用的，並且會在銀表面上產生一定水平的硫化銀和/或氯化銀的腐蝕膜，所以會考慮用這種方法來對銀鍍層進行測試。但是，這個測試方法的使用是針對特定的應用環境、客戶需求或分析進行的定製化測試。這種型別的測試與真實的銀鍍層在實際應用中的結果沒有相關性，也不一定會形成具有與實際應用結果相同的形態、化學成分或膜層。

6.

銀合金的考量

常用的可分離介面的電鍍銀材料是啞光或半亮純銀。半亮的銀是在純銀透過加入新增劑（例如有機硫化物、亞硒酸鹽），其會在硬度上增加一些，但是在幾個月之內硬度又會顯著降低，反爾接觸電阻效能不會降低。

銀合金或者硬的銀鍍層通常不用在可分離的接觸介面中。可用的銀合金溶液並不多。這些銀合金通常由金屬新增劑（如銻、鉍、金）來硬化。其理念是提高銀的亮度和耐用性。這些合金製劑所提高的硬度會隨著時間的增長而降低。不幸的是，這些合金元素也往往顯著增加電阻率或接觸電阻。如果合金元素本身容易腐蝕，它可能會使這類合金材料表面的氧化膜層更加絕緣、堅韌且更難去除。這些因素決定了銀合金在可分離的接觸介面中不能被廣泛使用。

7.

結論

本文概述了使用銀作為接觸介面鍍層的質量和問題點。在許多訊號聯結器應用中，其可能是一個很好的鍍層選擇，但前提是設計特徵和應用要求是適當的。適當性應透過設計應用分析、產品測試、解決客戶需求、客戶的看法認知來確定。