鍍層質量對電接觸轉換可靠性的影響

王思醇，李文明，楊瓊，吳遠進

（貴州振華群英電器有限公司(國營第八九一廠)，貴州 貴陽 550018）

信息技術產業是關系國民經濟安全和發展的戰略性、基礎性、先導性產業，也是世界主要國家高度重視、全力布局的競爭高地。電子元器件是支撐信息技術產業發展的基石，也是保障產業鏈供應鏈安全穩定的關鍵。當前我國電子元器件產業存在整體大而不強、龍頭企業匱乏、創新能力不足等問題，制約了信息技術產業的發展。面對百年未有之大變局和產業大升級、行業大融合的態勢，加快電子元器件及配套材料和設備儀器等基礎電子產業發展，對推進信息技術產業基礎高級化、產業鏈現代化，乃至實現國民經濟高質量發展具有重要意義。

電子元器件中電接觸轉換的器件有繼電器、微碰開關、轉換器等，該類產品的質量主要表現在接觸轉換參數的可靠性上，其電接觸轉換可靠性直接影響產品和器件的壽命、使用過程特性等，如飛行器的遠程控制，配電輸出轉換控制等。因此，本文就電接觸材料鍍層質量對接觸轉換可靠性的影響進行探討。

1 試驗條件

1.1 電接觸材料

直接參與電接觸的結構材料分強、中、弱3種，主要用于電力、電器、儀器儀表、電信及電子裝置、遙感裝置等，主要性能是接觸電阻、抗電侵蝕、電弧腐蝕速率、耐機械磨損等。航空航天領域常用的電接觸材料有AgMgNi、AgPd30、AgCdOn、AgSnOn、AuAg、AuNi、AuAgCu、AuAgCuMn、AuAgPdPtCu 等[1]。

1.2 電接觸材料的鍍層及其質量要求

1.2.1 電接觸材料鍍層

常見的電接觸材料表面鍍層有鍍銀、鍍金或鍍銀后鍍金。電接觸轉換時切換的功率不同，鍍層的厚度要求就不同。

1.2.2 鍍層質量要求

1.2.2 .1 外觀

目測鍍層色澤一致，以及用8 ～ 45倍可調顯微鏡觀察鍍層表面晶粒無異常。

1.2.2.2 厚度

元器件的使用領域不同，對鍍層厚度的要求不同。如信號類鍍層0.3 ～ 0.5 μm，功率類切換鍍層1.33 ～3.50 μm。鍍層厚度的檢測方法比較多，目前常用的是X射線測厚儀。

1.2.2 .3 結合力(結合強度)

結合力是指鍍層與所覆蓋的基體金屬的結合強度。檢測結合力的方法很多，在不同基體上的鍍層、相同基體上的不同鍍層以及不同厚度鍍層的結合力檢測方法不盡相同，常見的有彎曲斷裂法、劃線法、熱震法、敲擊法、焊接法等。對于厚度小于2 μm的金、銀、銅鍍層，一般不使用劃線法和敲擊法。對于鍍金層，用來回彎曲法可以觀察疲勞變形區的起泡、裂紋，用焊接法可以觀察熔焊界面的飛濺、起泡、斑點(缺損)，用熱震法可以在高低溫后觀察起泡、裂紋等。

1.2.2 .4 孔隙率

孔隙率是指一定鍍層厚度條件下，單位面積鍍層存在的針孔以及鍍層原子堆積縫隙。不同的基體材料和不同的鍍層金屬有不同的孔隙率檢測方法。一般銀合金材料上鍍金采用硫化法[2]檢測鍍金層的孔隙率。

1.2.2 .5 鍍層內應力

金屬電沉積得到的鍍層內部常處于應力狀態中，該應力是鍍層沉積過程中在層內的應變。內應力一般分張應力和壓應力，前者為正值，后者為負值。鍍層的內應力S可按式(1)[3]計算。

其中E為基體材料的彈性模量(單位：Pa)，t為基體材料的厚度(單位：mm)，d為基體材料上鍍層的厚度(單位：mm)，R為試樣的彎曲半徑(單位mm)。

1.3 電接觸轉換可靠性要求

參照我國軍標《電子及電氣元件試驗方法》(GJB 360B-2009)，在125 °C下對線圈加額定電壓，電接觸轉換觸點在規定的電流、電壓負載下循環規定的次數，循環頻率為180次/min。

要求：在循環過程中，閉合觸點的接觸電壓降應不大于觸點施加電壓的5%，斷開觸點間的電壓降不應小于觸點施加電壓的95%。

1.4 試驗設備

D38-4H型電接觸轉換壽命監測，WG01型高溫試驗箱，XUL220型X射線測厚儀(Fischer)，三坐標測量儀，顯微鏡，JSM-6490LV掃描電鏡、金相儀(帶拍像儀和金相拋光機)、Bruker D8 ADVANCE型X射線衍射儀，等等。所有設備的使用環境(如溫度、相對濕度、塵埃個數等條件)均符合操作規程。

2 鍍層質量對電接觸轉換可靠性的影響

2.1 分析流程

收集例試失效產品→測試→篩選電接觸轉換樣品→拆除外罩→測試→總裝拆卸→分析→改進。

2.2 鍍層質量對電接觸轉換可靠性影響的特征

2.2.1 動黏靜斷(或動斷靜黏)

電接觸轉換的動黏靜斷或動斷靜黏常與鍍層的厚度、成分雜質、結合力等不符合要求有關，指的是在規定條件、額定負載下，電接觸轉換(如圖1所示)循環過程中常開觸點與中間簧片的轉換斷開時間長或不斷開(黏結)，常閉觸點與中間簧片的轉換未在規定時間內接通或未接通(斷開)，或者常開觸點與中間簧片的轉換未接通(斷開)，常閉觸點與中間簧片的轉換未斷開或斷開時間長(黏結)等故障現象。

圖1 接觸轉換示意圖Figure 1 Schematic diagram of contact switching

在額定負載試驗中，弱功率電子元件出現動黏靜斷或動斷靜黏的主要原因是電接觸過程中金屬的轉移方式不同，一是定向轉移(如圖2所示)，二是拉弧產生的金屬氛化(如圖3所示)。

圖2 電接觸轉換過程中的金屬定向轉移Figure 2 Directional transfer of metal during electrical contact switching

圖3 電接觸轉換過程中的金屬氛化Figure 3 Formation of metal atmosphere during electrical contact switching

2.2.2 接觸電阻大

額定負載試驗后，如果接觸電阻檢測大于規定值，一般歸結為鍍層的雜質成分或孔隙率等不符合要求。

2.2.3 出現微粒

電接觸轉換過程中有微粒產生常常是因為接觸材料鍍層結合力差。微粒會使接觸轉換卡滯、接觸轉換抗電弧能力下降，導致電接觸轉換黏結(即應斷開時沒有斷開或延時斷開)。

2.2.4 連接松動

鍍層厚度不均勻、存在內應力等情況會使電接觸材料在結構連接中的焊接參數變化大，焊接過程出現虛焊，于是電接觸轉換過程中接觸壓力發生變化，導致接觸轉換出現黏結或斷開的故障。

2.3 影響因素分析

根據鍍層質量影響電接觸轉換可靠性的特性，分析它們影響接觸轉換的機機制。

2.3.1 鍍層的結晶構造

不管工藝方法如何，即使基體材料不同，不同鍍層的原子結構就只有3種──面心立方、體心立方和密排六方。鍍層的電沉積過程中，一般晶粒的成長速率比生成速率小，鍍層內應力隨著電沉積的進行而不斷增大。在電接觸轉換過程中，接觸電弧或斷開電弧會導致鍍層應力釋放，使得鍍層形成金屬定向轉移、金屬氛化或開裂，從而出現額定負載下電接觸轉換黏結，產品試驗失效。如果鍍層的晶粒尺寸大，那么鍍層孔隙率增高的概率會增大，鍍層就易吸附有害物質(如無水乙醇中的脂類物、空氣中的二氧化硫等)，導致額定負載下電接觸轉換斷開(接觸電阻大或接觸不通)，產品試驗失效。

以鍍金為例，其晶格結構是面心立方，不同條件下得到的鍍金層只是晶粒尺寸不同而已。采用與產品試驗的電接觸材料同時電鍍后再加厚鍍的測量塊(直徑35 mm，高0.2 ～ 1.0 mm)進行X射線衍射檢測(入射角2°，掃描速率 2°/min，掃描角度 5° ～ 90°，環境溫度 20 ～ 30 °C，相對濕度 65% ～ 80%)，結果見表1。

表1 不同基體材料和不同電鍍方法所得鍍層的晶粒尺寸Table 1

鍍層的晶粒堆積方式決定著鍍層的晶粒尺寸、內應力、孔隙率、臨界結合力以及雜質含量，并決定轉換過程中抗摩擦黏結的能力，對電接觸轉換可靠性的影響較大。

下面探討幾種鍍層性質對電接觸可靠性的影響。

(1) 孔隙率：鍍層孔隙多就易吸附環境中的有害物質，使得電接觸轉換過程中的接觸電壓降不符合要求，往往表現為接觸電阻大或接觸斷開。例如，用掃描電鏡在 1 000倍下觀察銀鎂鎳材料無氰鍍金中鍍層厚度為0.95 ～ 1.15 μm的不良品時發現鍍層明顯存在孔隙，如圖4所示。

圖4 銀鎂鎳材料無氰鍍金不良品的鍍層微觀形貌Figure 4 Micromorphology of cyanide-free gold plating defects on AgMgNi contact

(2) 內應力：鍍層在焊接時，焊接熔化熱被內應力釋放帶走，易出現虛焊。內應力嚴重時，焊接過程中傳導熱局部差距使得鍍層成塊狀或粉末狀(如圖5所示)。但若內應力不太嚴重，則焊接時不易發現，等到電接觸轉換過程中，在燒蝕、電弧作用下，鍍層就會出現裂紋(如圖6所示)。

圖5 虛焊時鍍層的外貌Figure 5 Appearance of coating in the case of false welding

圖6 鍍層散熱區的裂紋Figure 6 Appearance of crack in heat dissipation zone of coating

對于多層鍍產品，層間內應力往往不一致，內應力釋放后很可能會導致層間出現縫隙。對于陶瓷元件濺射金后鍍金而言，在元件放置一段時間后，濺射金層與鍍金層之間會出現縫隙，如圖7所示。而對于光亮鍍銀后鍍金而言，鍍銀層在8 μm內鍍金層無異?，F象，但當鍍銀層厚度增加，隨后的鍍金層就會因銀層內應力分布的不同而出現缺陷，如圖8所示。

圖7 濺射金層與鍍金層之間的縫隙Figure 7 Gap between sputtered gold layer and electroplated gold layer

圖8 鍍銀13 ～ 15 μm后鍍金層的形貌Figure 8 Morphology of electroplated gold layer on a silver layer with a thickness of 13-15 μm

(3) 臨界結合力(臨界結合強度)：臨界結合力比正常的結合力稍差，焊接時鍍層就會有熔退(熱推)現象，如圖9所示。在電接觸轉換過程中的電弧熱作用下，鍍層會形成金屬氛(如圖10所示)，通常導致接觸黏結，不能分斷。

圖9 鍍層熔退現象Figure 9 Melting accumulation phenomenon of coating

圖10 額定負載后鍍層形成的金屬氛Figure 10 Metal atmosphere formed on coating at rated load

(4) 雜質含量：雜質常使鍍層與基體結合力差、內應力大、孔隙率高，導致電接觸轉換過程中的接觸電阻大，接觸轉換可靠性下降。

2.3.2 鍍層的表面膜

結束電鍍過程的瞬間，鍍液與活化(極性)鍍層表面反應會形成一層含有金屬水合物或有機化合物、氧化物的膜。電接觸觸點上的表面膜直接影響電接觸轉換的接觸電壓降，同時增加接觸拉弧(電弧)概率和積碳。

2.3.3 鍍層的厚度

常見的電子元器件鍍層大部分都是貴金屬，往往較薄且厚度精度要求較高。用千分尺來測量時誤差較大，使用X射線測量則需進行標準樣板校正。保證鍍層厚度測量的穩定性是消除鍍層厚度不一致隱患的前提。一般而言，如鍍金層偏厚，電接觸轉換過程中就易出現黏結。由于鍍層厚度不同則結構連接時的焊接參數需相應變化，而在厚度測量不準的情況下，焊接參數就可能不匹配，容易產生虛焊。

3 改進鍍層質量的措施

3.1 完善工藝方法

(1) 細化過程控制：包括加強對水質、水壓的檢測，對電鍍過程中電鍍液金屬離子的含量進行監測，細化pH、溫度的自動控制(如制定 pH探頭的清洗方法)，實施陽極消耗及電鍍液金屬離子自動對比檢測和槽體死角濃度差的對比分析，等等。

(2) 強化技術狀態管理[4]：明確更改需要的驗證要求，定期對工藝方法的穩定性進行驗證。

3.2 改良鍍層構造

(1) 清除電接觸材料表面缺陷：進行適當的熱處理，如根據材料的熔點，按照泰勒溫度進行二次結晶或退火等操作，或通過光飾(機械或電化學方式)清除材料表面的缺陷，又或加強對電鍍后表面膜的清洗。

(2) 改進基體與鍍層結合的方式：包括提升雙電層的電場(如沖擊電鍍打底)，用化學或電化學方法預鍍(如化學鍍鎳)，用物理方法預鍍(如濺射)等。

(3) 改進鍍層的構造：如濺射0.05 ～ 0.15 μm貴金屬后鍍金，或鍍金后經熱處理(擴散)再鍍金，以及沖擊鍍金后依次鍍銀和鍍金。

3.3 改進鍍層質量檢測方法

(1) 強化鍍層穩定性的檢測：在測量環境恒定的條件下進行標樣對比檢測，要求測量偏差在測量儀器的偏差范圍內；電鍍過程出現參數變化及特定異常的情況下，應對鍍層質量進行檢測。

(2) 強化鍍層質量穩定性的驗證：定期對不同電鍍環境下的鍍層特性進行驗證。如對于環境溫度，可以針對低于0 °C和35 °C時的鍍層孔隙率、耐中性鹽霧時間、內應力、電弧金屬定向轉移等進行驗證。

(3) 抽樣方法的完善：根據金屬離子濃度變化、開班時間差抽樣，以及在控制參數(如溫度、pH)變化后抽樣，通過抽樣檢測來驗證鍍層質量與過程控制的關系。

4 改進措施的驗證結果

經產品試驗驗證，當鍍層晶粒尺寸在16 ～ 20 nm之間時，額定負載下抗電弧黏結能力明顯提升；鍍金工藝流程改進為“鍍金→熱處理(擴散)→鍍金”或“沖擊鍍金→鍍銀→鍍金”都令額定負載試驗合格率有明顯提升(如圖11所示)。

圖11 不同工藝方法所得鍍層在額定負載試驗后的形貌Figure 11 Morphologies of coatings obtained by different processes after rated load test

通過過程控制方法的完善，鍍層合格率在原有基礎上提升了至少5個百分點，批次合格率為100%，零件合格率達99.5%以上。

通過鍍層構造改進，經多批次產品統計，其合格率提升8個百分點以上，整體合格率超過了93%，產品例試(包括高低溫運行、低電平、中等電流和額定負載壽命試驗)合格率提升了至少25個百分點。

5 結語

電接觸轉換器件的可靠性與鍍層質量有關，而導致鍍層出現質量問題的內應力、孔隙率等性質與電鍍過程中原子堆積的方式有關，適當的晶粒尺寸是保證電接觸轉換可靠性的必要條件，這要求電鍍過程的控制參數有良好的一致性和穩定性。

本文針對低功率元件性能試驗常出現的問題進行分析，從鍍層的內應力、孔隙率及表面膜入手，通過改進鍍層構造的工藝方法，完善過程控制，強化工藝管理來確保鍍層質量滿足產品的性能要求。

至于電接觸轉換過程中金屬的定向轉移程度與鍍層內應力的關系，以及從金屬氛形成到黏結的表象特征過程量化，還有待研究。