用于高温应用的连接器接触材料
到高温的应用需要坚固耐用的连接器,能够承受这些恶劣的操作环境。应考虑各种弹簧和接触材料。
消费电子产品市场主导产品制造。因此,大量的设计、包装和可靠性标准都集中在以尽可能低的成本满足消费者市场购买模式上。评估的一个指标是工作温度。消费品的上限可能达到 100°C (212°F),从连接器性能和成本角度来看,这是一个非常可控的温度。
其他电子细分市场不享受消费细分市场的容积杠杆,其中许多细分市场具有更具挑战性的温度暴露范围。在这些苛刻的应用程序中,标准现成的连接器可能会出现故障,因此为这些市场设计的坚固耐用的组件通常是正确的选择。在温度暴露方面对应用进行定性可以帮助指定工程师识别连接器接触材料,这些材料专为承受高温环境而设计。
汽车电子产品细分市场包括许多暴露在高温下的应用,而标准的现成连接器产品无法承受。
高温环境
表一总结了几个电子细分市场和预期温度暴露范围。除军事和航空航天市场外,其他细分市场的高温限制大大超过消费者限制(100°C)。
表一:几个电子细分市场的典型运行温度。
在这个公式中,k是恒定速率,T是开尔文的绝对温度,A是指数前因子(每个化学反应的常数),Ea是反应的激活能量(与R*T单位相同),R是万能气体常数,以确定反应速率的温度依赖性。对于阿赫纽斯型反应行为,可以估计,每次温度增加10°的反应率翻倍。因此,25° 的增加将使比率增加 6 倍(22.5),125°的增加将使反应率增加 6,000 倍。按照这个逻辑,可以放心地假设,在消费者应用的高温限制下几乎不能工作的组件会在要求更高的环境中迅速降解。
表二详细介绍了汽车细分市场的温度状况。使用标准设计和布线技术,尚未实现预计 150°C 或 200°C 的底温。已记录到最高温度为 125°C,尽管稳定状态温度要低得多,但较新的设计和布线技术将显著增加这些峰值温度。机电一体化是将电子控制直接放置在机电设备上(例如发动机上、变速器上、车轮上和排气流上)。这些各种设备通过普通总线相互连接。虽然发动机和变速箱控制将经历预期的峰值温度,车轮和制动控制将超过这些限制 50°C 至 100°C。
表二:汽车细分市场内各种应用的温度配置文件。
热效应是累积的,因此几次短期暴露的净效应等于在同等时间内的单次暴露。为了设计和符合高温应用部件的条件,必须了解热剖面。例如,重要的是要知道,暴露是否或多或少是同热的,就像地热墙一样,或者温度是否会像汽车需求一样分布。对热分布的了解将带来可靠的测试计划。
连接器故障模式和效果
有两种与热暴露相关的故障模式。一是失去正常接触力,可导致弹簧材料与塑料外壳之间的热膨胀效应,降低弹簧材料在温度下的强度,使弹簧材料应力放松。第二个故障模式是将膜形成在接触材料表面,这通常会导致在可分离接口上传导的完整屏障。薄膜可能由于塑料外壳或其他相邻挥发性材料的过气而形成,或者通过接触表面的非贵金属的扩散和随后氧化而形成。共同的影响是接触阻力的不可接受的上升。接触力的减少导致实际接触面积的减少,因此接触阻力增加。机械稳定性也受到这种减少的影响,并可能导致间歇性中断。
连接器弹簧材料
由于铜的固有导电性,大多数连接器弹簧材料都以铜为基础。强度水平通过工作硬化来实现:固体溶液与工作硬化或降水硬化相结合。强化机制和合金程度决定了温度应用上限。含合量小于5%的高铜合金往往在高温下迅速失去强度。例如,纯铜 (Cu) 将在 315°C 下在 15 秒内完全退化。 在短期接触期间,C51000磷青铜开始显示在100°C时的正常力降低,而更高度合金的材料,如C72500(Cu-Ni-Sn),在200°C时仅显示中度降低。 这两种材料对长期暴露期间的压力放松很敏感。
降水硬化铜合金,如C17200(铜或合金25)、C17410(磨硬化铜或合金174)、C7025(铜或合金),C7 026 (Cu-Ni-Si) 和 C72900 (Cu-Zn-Sn-Fe-Pb-Mg-Mn-Ni-Nb) 在高温下保持正常力,并在长期暴露于 200°C 期间表现出对压力放松的抵抗力。 然而,氧化和强度降低都是温度超过200°C的问题。 非铜材料(如不锈钢)以其高强度和耐氧化性著称,应考虑在 200°C 以上的弹簧材料设计。
连接器联系材料
常用的连接器接触材料通过电镀或嵌入包层工艺应用于弹簧材料。一般来说,由于两种材料固有的微观结构,电镀材料的运行温度低于金属镶嵌层。电镀材料与包接触材料相比,往往具有极其精细的颗粒,细粒材料具有较多的颗粒边界面积,因此容易在高温下颗粒边界扩散。钴或镍硬化金(Co-Au或Ni-Au)的结构是一个复杂的金粒,周围环绕着谷物边界内的有机材料。与未硬化矿床的谷物边界相比,这些谷物边界要宽得多。事实上,硬质黄金(即具有 Knoop 硬度的 120–300 和纯度为 99.7-99.9%) 的谷物边界沿线的扩散率。接近那些在自由表面测量的,将硬金的使用限制在125°C以下。
连接器触点采用电镀或内衬,并配有各种材料,以实现应用特定的性能特性,包括长时间对高温操作的强耐性。
包镶嵌占统治规则的两个例外是锡 (Sn) 和纯金或软金 (即 60-85 的 Knoop 硬度为 Knoop 的黄金)。锡的上限温度与应用方法无关,因为暴露在高温下的锡连接器故障是由锡的消耗引起的,因为锡是通过在形成金属间化合物的弹簧材料中与铜的化学反应引起的。接触表面没有自由锡,无法跨越界面进行金属对金属接触。值得注意的是,不锈钢上的锡在温度下进行了评估,温度高达锡的熔点,接触阻力没有显著退化,因为锡不会与不锈钢形成金属间化合物。然而,在175°C以上,电镀纯金和软金也将完全退化,从而使谷物结构变粗,减少谷物边界面积,降低对扩散效果的敏感度。
扩散研究
已进行了若干全面的扩散研究,以了解接触材料在高温下的行为。在 250°C 以下,缺陷辅助或颗粒边界扩散占主导地位。暴露在高温下产生的浓度配置文件描绘了接触表面和原始接口的高浓度以及接触材料中的少量材料。
在 175°C 以上,镍扩散屏障成为表面非高贵污染物的来源。如果指定镍屏障,则必须增加接触材料厚度,以形成镍扩散的物理屏障。电镀铂(Pd)和包镶嵌(60Pd40Ag)都是镍扩散的有效屏障。这些材料已成功地应用于镍和接触材料之间,以延长最高温度限制。
设计指南
表 Ill 包含各种连接器接触材料的建议上温度限制和接触材料厚度。这些数据是通过评估在温度下 3,000 小时的等热老化前后接触阻力变化生成的。
表三:根据最大工作温度对接触材料选择和厚度进行一般指南。