錫（Sn）鈀（Pd）合金可以很好地降低端子的插入力。

汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的最新進(jìn)展導(dǎo)致電子控制單元和電路的數(shù)量增加，因此，必要的連接器和端子的數(shù)量增加了。同時(shí)，多孔連接器要求高插入力，這使得組裝操作困難。因此，對(duì)于降低插入力的端子鍍層的需求不斷增長(zhǎng)。我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種錫（Sn）合金電鍍技術(shù)來(lái)代替廣泛使用的錫電鍍。錫合金鍍層可抑制連接器匹配期間的磨料磨損，并成功降低插入力。

關(guān)鍵詞：低插入力，低摩擦，端子電阻，電鍍，Sn-Pd

1. 介紹

如今，越來(lái)越多的汽車(chē)功能受到電子控制，以改善環(huán)境性能，安全性和舒適性。這意味著電子控制單元的數(shù)量增加，這反過(guò)來(lái)又增加了連接到這些單元的傳感器和其他設(shè)備的數(shù)量，從而增加了單個(gè)單元中的電路數(shù)量以及連接器上的端子數(shù)量。對(duì)于多孔連接器，在將連接器連接到車(chē)輛的過(guò)程中，需要更大的力來(lái)使連接器配合（連接器配合力），從而降低了可使用性。

通常，當(dāng)配合力增加時(shí)，連接器結(jié)構(gòu)往往被分開(kāi)成很多子部件，或在連接器中增加推桿（Lever）結(jié)構(gòu)以承受增加的力。然而，為了確保乘客的舒適性和便利性，分配給電子控制單元的安裝空間正在縮小。這使得這些傳統(tǒng)解決方案變得困難，因?yàn)樗鼈冃枰嗟目臻g。

由于這個(gè)原因，對(duì)開(kāi)發(fā)新鍍層的需求越來(lái)越高，該鍍層降低了連接器的插入力和摩擦系數(shù)。從而即使針腳的數(shù)量增加，也可以將配合力保持在較低水平。

住友電工通過(guò)開(kāi)發(fā)獨(dú)創(chuàng)的電鍍技術(shù)來(lái)降低端子的插入力，從而制造了一種具有更多針腳的連接器。

這個(gè)技術(shù)補(bǔ)充了連接器的大部分配合力。

2. 接觸磨損機(jī)制

固體之間的接觸，表面總是存在一定的粗糙度，因此實(shí)際接觸面積比可見(jiàn)接觸面積小得多，如圖1 （a）所示。真正的接觸區(qū)域出現(xiàn)在突起的尖端之間， 如圖1（b）所示。這意味著接觸壓力變得非常高，并且在表面上產(chǎn)生了強(qiáng)大的結(jié)合力，從而增加了附著力。當(dāng)外力施加在兩個(gè)表面之一上時(shí)，粘附部分被剝離并形成新的粘附部分。重復(fù)此操作所需的力是粘合摩擦力。^（1）

傳統(tǒng)上，回流錫（Sn）鍍層已用于端子。這涉及將Sn 鍍到銅合金母材上，并使用回流處理*1 來(lái)熔化Sn 并使其重結(jié)晶。在相同材料的兩個(gè)零件之間發(fā)生磨損時(shí)，高親和力意味著發(fā)生牢固的粘附力，并且摩擦力增大。

圖1.實(shí)體表面之間的接觸示意圖

另外，由于兩個(gè)表面的輪廓不同或其他原因，一個(gè)表面被推入另一個(gè)表面。如圖2 所示，當(dāng)一個(gè)表面為球形而另一個(gè)表面為平面，并且兩個(gè)表面彼此相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，球形表面將推入平面。隨著被推入的球形表面的移動(dòng)，平坦表面與前面一起沿移動(dòng)方向被挖出。挖掘所需的力是犁摩擦力。

當(dāng)插入端子時(shí)，上述的粘著摩擦和犁式摩擦也會(huì)影響兩個(gè)鍍錫表面之間的磨損。為減少插入力而開(kāi)發(fā)的一種先前方法是鍍上薄的Sn 層，例如表1 所示的3 層鍍層。通過(guò)減小Sn 層的厚度，表觀硬度增加，犁摩擦和表面變形減少。但是，降低摩擦系數(shù)的效果僅限于20％左右。

圖2.犁摩擦力

表1.鍍錫的類型（代表性示例）

為了進(jìn)一步減小摩擦，我們考慮使用如圖3 所示的具有交替的軟層和硬層的電鍍結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能分離的電鍍。該結(jié)構(gòu)確保了與軟層（Sn）的接觸電阻，并且在端子插入硬層期間支撐了負(fù)載，以抑制犁摩擦力和粘附摩擦力。

以這種結(jié)構(gòu)為理想模型，我們著眼于以下事實(shí)：錫和鈀（Pd）的金屬間化合物（Sn-Pd 合金）很堅(jiān)硬并形成網(wǎng)狀圖案，并將其應(yīng)用于低插入力鍍層。形成的鍍層結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該鍍層的特征在于，在軟錫鍍層的厚度方向上形成硬質(zhì)Sn-Pd 合金，并在其外表面露出。Sn-Pd 合金的量取決于Pd 的濃度，并且可以根據(jù)需要調(diào)整合金的量。

在開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目上，在回流處理的合金化中，形成了Ni，Sn 和Pd 層以獲得圖4 中所示的原始結(jié)構(gòu)。

圖3.低摩擦鍍層的理想結(jié)構(gòu)

圖4. Sn-Pd鍍層的剖面結(jié)構(gòu)

。

3. 錫鈀鍍層性能

與常規(guī)的回流Sn 鍍層相比，我們?cè)u(píng)估了摩擦低的Sn-Pd 鍍層的性能。

圖5 示出了當(dāng)端子處于配合狀態(tài)時(shí)的橫截面示意圖。母端子在與公端子接觸的部分上具有球形突起。當(dāng)插入端子時(shí)，公端子與母端子上的突出部之間的摩擦力極大地影響插入力。因此，如圖6 所示，我們準(zhǔn)備了一個(gè)扁平的試件來(lái)模擬陽(yáng)端子，并準(zhǔn)備了一個(gè)凸起的測(cè)試件^*3來(lái)模擬陰端子的突出部分。每個(gè)試件都由銅合金制成板制成，厚度為0.25 毫米。鍍層規(guī)格如表2 所示。在凸起 的測(cè)試件上，進(jìn)行了被廣泛用于連接器的回流Sn 鍍層。對(duì)于平板，我們生產(chǎn)了兩種不同的類型：一種帶有回流錫鍍層，另一種帶有錫-鈀鍍層。表3 示出了在評(píng)估中使用的鍍層的組合。

圖5.配合狀態(tài)下的端子橫截面示意圖

圖6.扁平試件和壓紋試件

在這些條件下，我們?cè)u(píng)估了摩擦系數(shù)（3-1），耐磨損性（3-2），接觸電阻特性（3-3）和耐晶須^*4（3- 4） 。

表2.試件的電鍍規(guī)格

表3.用于性能評(píng)估的電鍍條件的組合（3-1?3）

3-1 摩擦系數(shù)

端子插入力取決于摩擦系數(shù)，較小的摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致較小的插入力。我們驗(yàn)證了由于用Sn-Pd 鍍層替代Sn 鍍層，從而導(dǎo)致的摩擦系數(shù)降低的測(cè)試。

圖7 顯示了用于測(cè)量摩擦系數(shù)的方法的示意圖。測(cè)試負(fù)載設(shè)置為3 N，以模擬多孔連接器中使用的小端子上的接觸負(fù)載。另外，將滑動(dòng)距離設(shè)置為2 mm，以模擬連接器配對(duì)時(shí)的端子插入距離。

圖7.摩擦系數(shù)測(cè)量方法示意圖

圖8 示出了在每個(gè)測(cè)試條件下的摩擦系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)滑動(dòng)距離最大為2mm 時(shí)，回流Sn 鍍層的峰值為0.54，Sn-Pd 鍍的峰值為0.36，因此降低摩擦系數(shù)的效果為33％。

圖8.摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果

3-2 耐磨性

圖9 顯示了在上一項(xiàng)的摩擦系數(shù)的測(cè)量過(guò)程中觀察到的磨損痕跡的結(jié)果。使用掃描電子顯微鏡（SEM）來(lái)進(jìn)行觀察。

圖9.磨損痕跡的比較觀察結(jié)果

利用回流Sn 鍍層，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)距離的進(jìn)行而增加。這是因?yàn)殡S著移動(dòng)的進(jìn)行，大面積的區(qū)域被挖出回流的Sn 鍍層，并反復(fù)附著在凸起側(cè)的Sn 上。這導(dǎo)致錫在凸起測(cè)試片上大量積聚。

相比之下，對(duì)于Sn-Pd 鍍層，即使在滑動(dòng)試件之后，摩擦系數(shù)也保持不變。通過(guò)Sn-Pd 電鍍，硬質(zhì)合金支撐了負(fù)載并防止凸起部分被推入，從而抑制了挖掘和磨損。此外，也認(rèn)為由于Sn 與暴露在表面上的Sn-Pd 合金部件之間的粘合力弱，因此減小了摩擦系數(shù)，并且具有抑制粘合劑磨損的效果。

3-3 接觸電阻特性

我們測(cè)量了負(fù)載接觸電阻以評(píng)估連接可靠性，這是連接器鍍層的重要特征。

評(píng)估的方法是如圖10 所示，將凸起壓紋測(cè)試片壓在平坦測(cè)試片上。我們?cè)诖怪狈较蚴┘拥呢?fù)載從0 N 緩慢升高到40 N，同時(shí)使10 mA 電流通過(guò)，并使用四端子法測(cè)量接觸電阻。

圖11 示出了負(fù)載接觸電阻的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，接觸電阻減小。這是因?yàn)閷?shí)際接觸面積隨負(fù)載的增加而增加。(3)關(guān)于此屬性，回流Sn鍍層與錫鈀鍍層之間沒(méi)有看到很大的差異，均顯示出良好的效果。

圖10.負(fù)載接觸電阻特性測(cè)量示意圖

圖11.負(fù)載接觸電阻特性比較

3-4 抗晶須

在與母端子或零件壓入殼體的接觸點(diǎn)上，將外力施加到公端子上的鍍層。當(dāng)未施加回流處理的Sn 鍍層受到外部應(yīng)力時(shí)，鍍層表面可能會(huì)產(chǎn)生晶須。

通常，通過(guò)將Sn 熔化然后在回流處理中使其重結(jié)晶，是的Sn 鍍層的內(nèi)部應(yīng)力得到緩解，可以有效抑制晶須的產(chǎn)生。對(duì)于Sn-Pd 鍍層，人們認(rèn)為對(duì)晶須的抵抗力要比對(duì)回流Sn 鍍層更大，這是因?yàn)椋诉M(jìn)行回流處理外，硬質(zhì)Sn-Pd 合金還可以承受外部應(yīng)力并減輕純錫的負(fù)荷。而且?guī)缀鯖](méi)有純錫是晶須的來(lái)源。因此，為了評(píng)估Sn-Pd 鍍層的優(yōu)越性，我們實(shí)施了球形壓痕測(cè)試（日本電子和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)JEITARC-5241），該測(cè)試使用的苛刻條件會(huì)在回流Sn 鍍層上產(chǎn)生晶須。圖12 顯示了用于球體壓痕測(cè)試的方法。使用的測(cè)試條件是3 N 的測(cè)試負(fù)載，持續(xù)72 小時(shí)。

圖12.球形壓痕測(cè)試示意圖

圖13 顯示了測(cè)試后拍攝的SEM 圖像。在回流錫鍍層上，錫在壓痕周?chē)冃尾⒂^察到晶須。另一方面，在Sn-Pd 鍍層上可以看到壓痕，但是沒(méi)有晶須。

這些結(jié)果表明，Sn-Pd 鍍層比回流Sn 鍍層具有更高的抗晶須性。

圖13.球形壓痕測(cè)試后鍍層表面狀況

4. 產(chǎn)品示例應(yīng)用

4-1 連接器配合力

圖14 所示為對(duì)具有Sn-Pd 鍍層的多孔公連接器進(jìn)行配合力評(píng)估的結(jié)果的示例。母連接器經(jīng)過(guò)回流鍍錫， 只有公連接器上的鍍層被改變。如果將常規(guī)回流Sn 鍍層的配合力設(shè)為100％，則使用Sn-Pd鍍層可使連接器的配合力降低33％。

圖14.連接器耐用性評(píng)估的減少效果示例

4-2 連接器的耐用性

我們?cè)谲?chē)內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行了連接器耐久性評(píng)估。通常，在車(chē)輛組裝過(guò)程中，連接器會(huì)配合一次。但是，如果發(fā)生故障或問(wèn)題，則需要多次插入或卸下連接器。假定這些條件，我們檢查了即使插入和拔下連接器十次后接觸電阻是否也可以保持較低。對(duì)于金屬間化合物隨時(shí)間增長(zhǎng)而與Sn 相關(guān)的鍍層，我們測(cè)試了其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。將樣品在160℃的空氣氣氛中保存200 小時(shí)， 這是極端苛刻的條件，其中常規(guī)回流Sn 鍍層的接觸電阻增加。

圖15 顯示了這一系列耐久性測(cè)試的結(jié)果。即使將連接器配對(duì)十次后，接觸電阻也保持不變。在插入和移除連接器十次后進(jìn)行的高溫存儲(chǔ)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)電阻有所增加，但該值低于回流鍍錫的電阻。

圖15.連接器耐用性評(píng)估結(jié)果

 5. 結(jié)論

為了應(yīng)對(duì)汽車(chē)連接器上引腳數(shù)量的增加，我們開(kāi)發(fā)了具有低摩擦系數(shù)的Sn-Pd 鍍層。結(jié)果是：

(1) 與傳統(tǒng)的小型端子鍍錫相比，摩擦系數(shù)降低了33％

(2) 連接器配合力降低33％

當(dāng)對(duì)公連接器進(jìn)行Sn-Pd 電鍍時(shí)

(3)連接可靠性等于或大于傳統(tǒng)的回流鍍錫

(4) 晶須電阻等于或大于常規(guī)回流錫鍍層的晶須電阻

自2016 年以來(lái)已批量生產(chǎn)的公連接器已采用了這種電鍍技術(shù)。

技術(shù)詞匯

* 1 回流處理：一種處理，該處理包括在鍍覆后進(jìn)行加熱，以使金屬熔化并重結(jié)晶，以緩解電鍍中的內(nèi)部應(yīng)力，并通過(guò)與下層金屬的熱擴(kuò)散形成金屬間化合物，從而確保鍍覆穩(wěn)定性。

* 2 IMC：金屬間化合物：由兩種以上的金屬組成的化合物。

* 3 凸起壓紋測(cè)試片：通過(guò)使用模具在金屬板上形成半球形凸起而制成的測(cè)試片。

*4 晶須：晶須是在鍍層表面形成的金屬單晶。主要見(jiàn)于鍍錫。

參考文獻(xiàn)

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