射頻連接器導體表面耐腐蝕性能比較

景興斌， 劉金義， 張寶根

(1.北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西西安 710025;2.西安中大科技有限公司，陜西西安 710048)

射頻連接器導體表面耐腐蝕性能比較

景興斌1， 劉金義1， 張寶根2

(1.北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西西安 710025;2.西安中大科技有限公司，陜西西安 710048)

射頻連接器導體表面鍍層狀態(tài)直接影響到射頻連接器的電氣性能，如鍍層氧化、腐蝕、硫化和斑痕現(xiàn)象發(fā)生將會增加或破壞其固有的電氣特性。為了能得到最佳的電氣性能，除設計因素外，還必須使鍍層表面保持潔凈無腐蝕，在目前的自然環(huán)境下很難達到，故必須考慮給鍍層表面防腐蝕性保護。因此，在射頻連接器導體表面上使用潤滑保護劑，并對其防護性能和電氣性能的影響及其改善效果加以驗證。

射頻連接器;鍍層表面;導體;電氣性能;腐蝕;潤滑保護劑

引 言

為了能使射頻連接器(RF)得到最佳的電氣性能，同時使射頻連接器又具有最優(yōu)化的成本，就必須優(yōu)先考慮設計因素和環(huán)境因素。

設計因素是指除了RF導體要求的機械強度、加工性能、導電率、再加工性、可焊性及表面粗糙度等諸多因素外，還要根據射頻連接器使用要求選擇鍍種及其與導體表面的結合力。鍍層選擇原則是，在技術要求不高的工作場合，為了防止導體腐蝕可以采用鍍鎳作防護層，如家用75Ω阻抗的視頻連接器;在要求損耗和衰減小的工作場合，可以采用鍍銀或用碾壓銀層的復合材料作防護層;在防護性能要求較高的工作場合，可采用鍍金作防護層;在要求耐磨性能很高的工作場合，可以采用鍍銠或鈀作防護導電層。

此外，在選擇棒材和管材時，要求其必須具有光滑平整的外表面和管壁表面，且無腐蝕、擦傷或損傷。在較粗糙表面會產生諸多意想不到的問題，如尖銳的毛刺或棱角會使導電表面所傳輸微波的最大峰值功率下降;粗糙的表面還會使傳輸線的等效電阻增長等等。等效電阻的增長是因為高頻趨膚效應的產生影響緣故，趨膚深度δ定義是，當電流密度衰減為原來的1/e時的深度。表1列出幾種常用金屬的導電率 σ與在f=10GHz時的趨膚深度 δ［1］。

表1 幾種常用金屬的導電率和趨膚深度

在以GHz計的頻段上，即便良導體的趨膚深度也有微米數(shù)量級，因此，導體表面粗糙度為Ra0.8或 Ra0.4(Ra0.2 的均方根偏差高度 Hck=0.4 ～0.8 μm，平均高度 Hcp=1.6 ～3.2μm)也不能認為是非常理想的平整光滑導電表面。

導體表面如果有機械加工刀紋存在衰減必然會增加，原因1)導體等效電阻長度加長，這是因為電流是在導體趨膚深度內流通為主，如果垂直電流是在等邊三角形槽形刀紋上流通則等效電阻長度為實際長度的2倍;如果是方形溝槽上流通則等效電阻長度同樣也是實際長度的2倍;2)由于導體表面順電流流通時刀紋的凸緣處的電磁場切線分量均比凹處大，那么電流流通集中于刀紋的凸緣，這樣也會增長表面的等效電阻［2］。

眾所周知，金屬導電表面受環(huán)境因素影響產生的腐蝕膜和腐蝕斑痕會影響電阻和損耗特性，它們所造成的影響又隨頻率變化而變化。若要改善金屬導電表面的電氣性能而采用機械拋光的方法降低表面粗糙度，并不能有效地減少表面損耗，甚至更有害。這是因為機械拋光后的金屬表面晶格結構遭到了破壞，微小凸凹起伏增多，對表面導電更不利，甚至由于拋光劑嵌入金屬表面，使損耗更加大?？梢?，在適當?shù)臋C械加工后采用化學拋光和電化學拋光來消除表面粗糙的峰谷會更合理些?；瘜W拋光可以使金屬表面粗糙度減少1～2μm，對微小凸凹整平很有效，但對大的峰谷則不能完全消除。所以機械加工時要求一定的表面粗糙度，再結合化學拋光就能得到較理想的效果?；瘜W拋光后，工件的清洗不容忽視，絕不能把腐蝕性介質殘留于工件表面而產生腐蝕。

大量衰減測試表明，一般導電金屬表面粗糙度Ra為0.1μm以下時，在10GHz時與理論計算衰減值很接近，測量與計算誤差為±5%;在24GHz時測試衰減值大于理論計算值10%～20%;而在55GHz時測試衰減值大約50%，顯而易見，粗糙度愈高表面形成的衰減愈大。

導體表面鍍覆的目的主要是增強表面抗蝕能力，保護導電表面和增加表面的導電能力。電鍍層本身結晶結構疏松不如整體金屬致密，因此，電鍍層導電率比用作電鍍材料的金屬本身標稱電導率要低。就銅及其合金而言，鍍覆主要是為了增加抗蝕能力，若鍍金，δ為0.10 ～1.27μm 即可;對要求耐磨性很高就要鍍銠和鈀;而對于導電率比純銅低得多的導體，鍍覆層是為加強表面導電能力，因此可以采用鍍銀，其厚度應超過兩個趨膚深度以上，但不宜過厚，過厚鍍層易起皮剝落。一般用途的射頻連接器，為增加其抗腐蝕能力可以采用鍍鎳。銀的抗蝕能力優(yōu)于銅，但長期置于自然環(huán)境會產生氧化和硫化。此外，射頻連接器不能與低頻連接器鍍銀一樣，采用常規(guī)電源氰化鍍銀，這樣鍍層結晶粗大疏松，使導電表面粗糙度增加，而影響導電率。所以，要嚴格控制電鍍工藝，最理想的是采用脈沖電鍍鍍銀，使鍍銀層更光滑致密，提高導電能力。

采用不同的鍍銀工藝得到的鍍層電阻率變化情況不同。導體鍍銀后再機械拋光得到的電阻率大約與黃銅相仿，未機械拋光的鍍銀層反而具有低得多的電阻率，這是由于機械拋光雖然增加了光澤，但是破壞了表面的晶格結構，且易使拋光劑殘留于晶格縫隙中;采用脈沖電鍍鍍銀工藝技術，尤其是電鍍射頻連接器導體表面，能有效地降低鍍層電阻率，原因是射頻連接器是用導體的鍍層表面導電。

1 鍍金射頻連接器表面腐蝕試驗

1.1 實驗樣品

本實驗采用SMA射頻連接器，H62銅合金基體鍍鎳2μm，鍍金0.5μm。

1.2 實驗方法

1)中性鹽霧試驗。實驗在FQY010型中性鹽霧箱中進行，標準采用GB2423-81《電子電工產品環(huán)境試驗方法》，θ為(40±2)℃，噴淋5%氯化鈉溶液。

在腐蝕性環(huán)境中實驗樣品被腐蝕程度分為五個等級:a.無任何腐蝕;b.輕微不明顯腐蝕;c.明顯腐蝕;d.嚴重腐蝕;e.完全腐蝕。

2)浸漬濃硝酸試驗。用61%濃硝酸為腐蝕液，θ為(25±3)℃，浸漬1～180min。

3)SO2氣氛下腐蝕試驗。在ρ(SO2)為10mg/m3氣氛下腐蝕試驗，θ為(40±2)℃。在玻璃干燥器中加入Na2SO3、K2HPO4和KH2PO4混合溶液使其發(fā)生化學反應產生SO2。

1.3 實驗結果及分析

實驗樣品處理方法為，鍍金后不作任何保護工藝處理;鍍金后用電接觸潤滑保護劑SP-58G作保護工藝處理;鍍金后用電接觸潤滑保護劑P-20G作保護工藝處理。

1)中性鹽霧試驗結果列于如表2。

表2 中性鹽霧試驗結果

2)浸漬濃硝酸試驗結果列于表3。

表3 浸漬濃硝酸試驗結果

3)SO2氣氛下腐蝕試驗結果列于表4。

表4 SO2氣氛下腐蝕試驗結果

金鍍層用鎳做底層能隔開銅及其合金在鍍層表面遷移，射頻連接器導體表面鍍金極大地提高了導體金屬表面的抗腐蝕能力，但是金價格昂貴，考慮到成本的因素，一般情況下鍍金 δ為0.10～1.27μm，顯然鍍層厚度較薄，這樣孔隙率必然很高，在產品壽命期限內不可能完全消除環(huán)境中的有害介質對鍍金層表面的腐蝕，試驗結果同樣得到在腐蝕性介質中鍍金層有孔隙存在被腐蝕的驗證。值得一提的是，在一定濕度的自然環(huán)境下，從鍍金表面上的微孔滲入SO2和H2S氣氛與基體銅生成物是CuSO4和CuS，由于空氣中的H2S氣氛約為百萬分之幾，而SO2氣氛約為十萬分之幾至百萬分之幾(主要是工業(yè)化污染程度不同，所以產生地域性差別很大)［3］。從鍍金表面上的微孔腐蝕和腐蝕物分析測定后，認為主要是受SO2氣氛影響。所以射頻連接器導體鍍金層表面應該使用能保證電氣性能不降低的保護材料對微孔加以堵塞或封閉。

2 鍍銀射頻連接器表面腐蝕試驗

銀鍍層對大氣氣氛中的微量有害介質H2S極其敏感而發(fā)生腐蝕變色，生成物為β-Ag2S呈暗黑色，不導電且蔓延很快;銀鍍層也與大氣氣氛中所存在其它有害氣體作用，與SO2生成白色Ag2SO4也不導電，溫度和濕度增加，反應加快，使腐蝕膜層加厚;銀鍍層還具有很高的化學活潑性，尤其是光照情況下，更易與外界腐蝕性介質反應產生變色，光是一種加速源，它能促進金屬銀離子化，從而加速腐蝕介質與銀反應產生變色。

2.1 實驗樣品

本實驗采用N型射頻連接器，H62銅合金基體鍍銀層δ為10μm。

2.2 實驗方法

1)K2S溶液中浸漬試驗。試驗溶液為50 g/L K2S，θ為25～30℃。

2)H2S氣氛中暴露試驗。在ρ(H2S)為3mg/m3氣氛下腐蝕試驗，θ為(40±2)℃。在玻璃干燥器中加入Na2S·9H2O和KH2PO4混合溶液，使其發(fā)生化學反應產生H2S。

2.3 實驗結果分析

實驗樣品處理方法為，鍍銀后不作任何保護工藝處理;鍍銀后用電接觸潤滑保護劑SP-90S作保護工藝處理;鍍銀后用電接觸潤滑保護劑SP-25S作保護工藝處理。

1)K2S溶液中浸漬試驗結果列于表5。

表5 K2S溶液中浸漬試驗結果

2)H2S氣氛中暴露試驗結果列于表6。

表6 H2S氣氛中暴露試驗結果

銀鍍層與環(huán)境中的微量S2-反應首先生成針尖狀Ag2S黑點，黑點蔓延速度甚快，35、100和170h蔓延距離分別為 0.85、1.5 和 1.8mm，隨著不斷蔓延擴散便會產生大面積黑色腐蝕物。試驗結果也同樣證明，未后處理的銀鍍層在含有大量S2-的K2S溶液中10s內和在H2S氣氛中1h內幾乎全部變黑;在惡劣環(huán)境氣氛或日光和紫外線照射下，由于不僅受微量腐蝕性介質 H2S、SO2，還受 NO2、CO2、O2氧化腐蝕性介質等影響，隨著日光照時間的增長，鍍銀層顏色由銀白→微黃或黃棕色→淡黃藍或深藍加棕黑色→灰黑或黑色，可見這類變色不僅僅象含S2-的腐蝕介質溶液和H2S氣氛中只變黑色還有彩色，所有變色都破壞了銀鍍層導電性和裝飾性。波長愈短的紫外線促使腐蝕變色愈嚴重［4］。可見，由于氧化劑、腐蝕性介質和大氣環(huán)境中有害的H2S、SO2等腐蝕性氣氛以及紫外線和環(huán)境氣候變化存在，銀鍍層工件存放或周轉應該用黑色塑料袋或顏色很深重的包裝紙包裝。

3 鍍鎳射頻連接器表面腐蝕試驗

3.1 實驗樣品

本實驗采用BNC型射頻連接器，H62銅合金基體鍍鎳層δ為10μm。

3.2 實驗方法

1)中性鹽霧試驗方法和條件同鍍金層腐蝕試驗。

2)孔隙率試驗。采用SJ1208-77《金屬鍍層孔隙率的檢驗方法》中貼濾紙法，該方法是用10g/L鐵氰化鉀，20g/L氯化鈉配制成檢測腐蝕液，濾紙貼在鍍層上10min，然后根據濾紙上色斑點數(shù)確定其孔隙率。

在貼濾紙法試驗中，實驗樣品在每平方厘米內被腐蝕情況分成五個等級:a.無任何紅褐色斑點;b.輕微1～2個紅褐色斑點;c.明顯3～5個紅褐色斑點;d.很多紅褐色斑點;e.完全無法統(tǒng)計紅褐色斑點。

3.3 實驗結果分析

實驗樣品處理方法為，鍍鎳后不作任何保護工藝處理;鍍鎳后用電接觸潤滑保護劑SP-82N作保護工藝處理;鍍鎳后用電接觸潤滑保護劑LP-80N作保護工藝處理。

1)中性鹽霧試驗結果列于表7。

表7 中性鹽霧試驗結果

2)孔隙率試驗結果列于表8。

表8 孔隙率試驗結果

中性鹽霧試驗結果表明，鍍鎳層產生不連續(xù)斑點狀腐蝕與貼濾紙腐蝕試驗法大致相同，可見必須使鍍層無孔隙，才能保護基底金屬不發(fā)生微孔銹蝕即銹點或銹斑。

為了消除鍍層孔隙，提高鍍鎳層耐腐蝕性，除控制工藝參數(shù)外，以往多采用多層電鍍法和對于不允許多層電鍍的產品只能增加鍍鎳層的厚度來相對提高其耐腐蝕性。鍍鎳層只有無孔隙時，其保護性才可靠。若要單層鍍鎳層無孔隙就必須提高鎳層厚度，增加鍍層厚度必須考慮基體金屬種類，表面粗糙度和電鍍工藝等。實際上單純提高鍍鎳層厚度，也難完全消除微孔，因為微孔產生還受其它諸多環(huán)境條件影響。實踐表明，完全消除鍍鎳表面微孔很困難，只有浸漬電接觸潤滑保護劑來封閉堵塞微孔隙，才能真正提高鍍鎳層耐腐蝕性。電接觸潤滑保護劑由于含有誘電材料，對于有電氣功能性要求的各種鍍層表面不僅不破壞其固有的電氣性能，而且能夠長期穩(wěn)定提高某些電氣性能［5］。

4 浸漬電接觸潤滑保護劑后電氣試驗

對射頻連接器進行電壓駐波比測定、插入損耗測定、接觸電阻測定、抗電強度(耐壓)測定和泄露信號測定。測試結果表明，使用上述電接觸潤滑保護劑，能夠滿足射頻連接器的電氣要求。

5 結論

銅及其合金導體表面鍍覆的目的是為了增加抗蝕和導電能力，為此鍍金 δ為0.10～1.27μm，這樣鍍金層必然較薄，微孔隙就產生的很多，即使鍍層δ為5μm，也不能消除微孔隙，由此還降低了鍍層抗磨損能力;還有為增加其抗腐蝕能力的鍍鎳層，由于鍍鎳本身無法消除微孔隙的存在，所以必然增加了腐蝕幾率降低了鍍層導電表面抗蝕能力，從而使得其表面導電能力下降。上述腐蝕性試驗也充分證明微孔隙存在的危害性和對微孔隙封塞封閉保護從而提高抗腐蝕能力的必要性。

此外，鍍銀的抗蝕能力優(yōu)于鍍銅層，若采用脈沖電鍍鍍銀，則使鍍銀層更光滑致密，極大地提高導電和抗腐蝕變色能力，但長期置于自然環(huán)境只要有銀存在產生氧化和硫化腐蝕變色就無法避免，腐蝕變色必然使導電表面的固有電氣性能遭到破壞，采用防腐蝕變色工藝是必不可少的。

電連接器尤其是射頻連接器更是需要加強表面導電能力，原因是連接器是用鍍層表面導電。由于電氣性能要求較高，因此保護材料必須具備不影響接觸電阻和高頻特性等特點?？梢娫谶x擇保護劑時，必須選擇能使金屬材料表面產生導電隧道的極性材料。這種材料由于具有電隧道效應，當金屬表面形成抗蝕性保護膜時，電流依然可以在其表面自由通過，所以并不影響金屬鍍層的電性能，甚至在某種程度上還能提高電參數(shù)指標，如使接觸電阻減小、插入損耗降低等。通過對幾種鍍層電接觸潤滑保護劑抗腐蝕能力和電氣性能尤其是高頻特性測試，這幾種電接觸潤滑保護劑都具有良好的防護及電接觸性能，此外其獨特的潤滑性可以減少射頻連接器鍍層磨損從而保持電接觸表面的電氣性能。

［1］鄭兆翁.同軸式TEM模通用無源器件［M］.北京:人民郵電出版社，1993:358.

［2］Ganston M A R.Microwave Transmission-Line Impedance Data［M］.NewYork:Van Nostrand Reinhold，1972:57.

［3］趙曉利.金鍍層表面腐蝕機理及抗腐蝕保護［J］.電子工藝技術，2005，26(6):362.

［4］張寶根;文小和.銀鍍層抗腐蝕變色的測定方法［J］.高壓電器，2004，40(60):427.

［5］張寶根.正確地選擇電接觸材料［J］.機電元件，1992，12(4):6-12.

The Comparision of Corrosion Resisting Property of Conductor Surface of RF Connector

JING Xing-bin1，LIU Jin-yi1，ZHANG Bao-gen2
(1.Xi＇an Qing-hua Company，North Special Energy Group Co.Ltd.，Xi＇an 710025，China;2.Xi＇an Zhong-da Science and Technology Co.Ltd.，Xi＇an 710048，China)

Conductor surface of Radio frequency connector namely electroplated coating surface would impact electrical performance of the radio frequency connector，any oxidation，corrosion，vulcanization and blackspot on the surface would destroy inherent electrical performance of the connector.In addition to design factors，the coating surface should keep clean and no corrosion in order to get the optimum electrical performance，but it＇s hard to do in natural environment，therefor，an additional anti-corrosion protection to the coating should be necessary.In this paper，experiments of lubricating protective agent dipping were carried out，the improving effects to the barrier property and electrical performance were also discussed.

RF connector;coating surface;conductor;electric property;corrosion;lubricating protective agent

TQ153.13;TG178

A

1001-3849(2012)03-0018-05

2011-05-04

2011-08-29