毛紐扣接觸件鍍金層厚度測(cè)量方法研究

麻力，王爽，李旭，侯小利

（中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176）

0 引言

毛紐扣于20世紀(jì)出現(xiàn)在電子市場(chǎng)，目前開始受到軍事領(lǐng)域的關(guān)注，其微型化與高性能的特點(diǎn)，使其成為航空航天等軍事領(lǐng)域的關(guān)注對(duì)象。相較于傳統(tǒng)的接觸件，毛紐扣接觸件是一種具有非常理想的信號(hào)傳輸功能的電連接器接觸件，安裝時(shí)依靠自身彈性固定，不需要進(jìn)行釬焊固定，也無需氧化清洗，其安裝、調(diào)試、維護(hù)十分簡(jiǎn)便，具有很高的實(shí)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景。目前，對(duì)該產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)還很不足，產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的評(píng)價(jià)方法，均存在很多空白。

1 毛紐扣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

毛紐扣接觸件由極細(xì)的金屬絲隨機(jī)密繞成圓柱狀高彈性零件，金屬絲材料通常為鍍金鈹銅合金（Au/BeCu），接觸件軸向可以實(shí)現(xiàn)15%～30%的彈性壓縮，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單且兼具信號(hào)傳輸與彈簧功能。毛紐扣接觸件的樣貌詳見圖1。毛紐扣接觸件直接和接觸面配合，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳遞和減震的功能，而且沒有其他可能導(dǎo)致故障或者降低信號(hào)完整性的部件，可以提供非常低的信號(hào)失真水平。典型結(jié)構(gòu)見圖2。該結(jié)構(gòu)為毛紐扣+絕緣體的模式，適用于標(biāo)準(zhǔn)接點(diǎn)或用戶定制接點(diǎn)，具有體積小、信號(hào)完整性好的優(yōu)點(diǎn)，是毛紐扣產(chǎn)品最常用的模式。

圖1 毛紐扣接觸件樣貌圖

圖2 毛紐扣接觸件典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

毛紐扣接觸件于1959年首次引入電子市場(chǎng)，主要用于接地應(yīng)用[1]，由于其良好的特性，開始受到軍事領(lǐng)域的關(guān)注。其微型化與高性能的特點(diǎn)，使其成為航空航天等軍事領(lǐng)域的關(guān)注對(duì)象，常被應(yīng)用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星的抗震PCB連接器中。由于產(chǎn)品較新，且主要應(yīng)用涉及到軍事領(lǐng)域，很難查到國(guó)外毛紐扣的研究文獻(xiàn)，已有的研究也主要集中在傳導(dǎo)模型的建立、個(gè)別影響可靠性的要素驗(yàn)證以及個(gè)別制作工藝對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛矫妫床樵兊接嘘P(guān)毛紐扣鍍層質(zhì)量方面的公開報(bào)道。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開始毛紐扣產(chǎn)品的仿制工作，包括中航光電、貴航電器、西安富士達(dá)、陜西華達(dá)、深圳金信諾等軍工知名企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了多種規(guī)格的毛紐扣接觸件，如直徑為0.38mm、0.5mm、0.765mm、1.02mm、1.27mm等，產(chǎn)品規(guī)格還處于無序增長(zhǎng)狀態(tài)。

按鈹青銅的電鍍時(shí)機(jī)不同，分為成型前電鍍、成型后電鍍、成型前后均電鍍。由于構(gòu)成毛紐扣接觸件的鈹青銅絲直徑非常細(xì)，原絲直徑大多在0.02～0.05mm之間，對(duì)極細(xì)鈹青銅絲直接電鍍的工藝難度極大，先對(duì)鈹青銅絲電鍍?cè)倮p繞、成型，有利于保證毛紐扣接觸件內(nèi)部鈹青銅絲鍍層厚度和鍍層質(zhì)量的一致性，但是在擠壓成型過程中，毛紐扣接觸件的外表面鍍層易磨損，成型后再對(duì)鈹青銅絲進(jìn)行電鍍，能夠保證良好的外觀質(zhì)量，但是內(nèi)部的鈹青銅絲的鍍層厚度不易保證。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)毛紐扣接觸件的研究主要集中在從試驗(yàn)角度考慮毛紐扣接觸件的力學(xué)、電學(xué)特性，或者研究其在高頻高速下的應(yīng)用。對(duì)毛紐扣接觸件鍍層厚度如何規(guī)定以及鍍層厚度如何檢測(cè)等方面缺少相關(guān)的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2-6]。

4 毛紐扣接觸件鍍層質(zhì)量問題及產(chǎn)生的原因

毛紐扣接觸件所用絲材的基底材料為鈹青銅，絲材表面鍍金。金為惰性金屬，其化學(xué)性能非常穩(wěn)定。它不溶于普通的酸類，僅溶于王水，具有極高的耐腐蝕性。金的硬度較低，對(duì)基底金屬材料有著很好的附著性，可保護(hù)基底材料不被腐蝕。當(dāng)鍍金層較薄時(shí)，一方面容易在鍍金層出現(xiàn)大量微孔隙，使基底金屬暴露在空氣環(huán)境中，由于金與基底金屬銅存在較大的電位差，鍍金層非但無法保護(hù)基底金屬，還會(huì)加速基底金屬的電化學(xué)腐蝕。另一方面，容易導(dǎo)致基底金屬銅向表面鍍金層擴(kuò)散，當(dāng)金屬銅擴(kuò)散到鍍金層表面后，被氧化生成氧化銅膜層從而發(fā)生電接觸失效。圖3是典型毛紐扣接觸件由于鍍層質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致底層金屬銅腐蝕的失效案例。

圖3 毛紐扣接觸件鍍層失效圖片

通常情況下，鍍金層越厚，微孔隙率越低，鍍層質(zhì)量越有保障。但對(duì)于毛紐扣接觸件來講，原絲鍍層過厚容易影響接觸件彈性。且在使用時(shí)，彈性變形也有可能導(dǎo)致鍍層金屬破裂，產(chǎn)生金屑，這些都將影響毛紐扣接觸件的性能。所以，能否準(zhǔn)確測(cè)量鍍層厚度，對(duì)于研究鍍層厚度對(duì)產(chǎn)品性能的影響以及提高產(chǎn)品鍍層質(zhì)量均有重要的意義。

5 常用的鍍層厚度測(cè)量方法

目前檢測(cè)中常用的鍍層厚度測(cè)量方法有研磨制樣金相法、庫(kù)侖法及X射線熒光法。

金相法需要對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行制橫斷面樣、研磨及拋光，使基底金屬層及電鍍金屬層充分暴露。對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行局部放大1000倍以上，并用帶有相同放大倍數(shù)標(biāo)尺的顯微鏡對(duì)鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量。為保證測(cè)量精度，金相法通常情況下適合檢測(cè)不小于1μm的鍍層厚度，厚度越大，誤差越小。此方法通常用于對(duì)測(cè)量結(jié)果存在爭(zhēng)議時(shí)使用的仲裁測(cè)量方法。

庫(kù)侖法是一種破壞性測(cè)試方法，其在被測(cè)鍍層表面的已知面積上，以恒定電流密度在相應(yīng)試液中將鍍件作為陽(yáng)極來溶解鍍層。當(dāng)鍍層金屬溶解完畢，裸露出基體或中間鍍層時(shí)，電解池電壓發(fā)生突變，以此作為測(cè)量終點(diǎn)。根據(jù)庫(kù)侖定律，以溶解鍍層金屬消耗的電量、溶解鍍層面積、鍍層金屬的電化當(dāng)量、密度以及陽(yáng)極溶解的電流效率計(jì)算鍍層的局部厚度。該方法只適用于平面的鍍層厚度，且樣品需要確定的測(cè)量平面面積，通常不小于4mm2。

X射線熒光法是一種基于微束X熒光分析技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法，測(cè)量原理基于強(qiáng)烈且狹窄的微束X射線與基體金屬和覆蓋層金屬的相互作用，產(chǎn)生X射線熒光，根據(jù)熒光譜線出現(xiàn)的能量位置及其強(qiáng)度可以得到鍍層組成及厚度的信息。其測(cè)量準(zhǔn)確度強(qiáng)烈依賴于標(biāo)樣與待測(cè)試樣的相近程度，是目前鍍層厚度檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的方法。但該方法要求待測(cè)面積不能小于準(zhǔn)直器光斑的面積，光斑面積通常不小于0.05mm×0.25mm。

6 毛紐扣接觸件鍍金層厚度測(cè)試方法

綜合上述三種常用的鍍層厚度測(cè)試方法，對(duì)絲徑大多在0.02～0.05mm之間的毛紐扣接觸件來說，除金相法外，其余兩種對(duì)測(cè)量面積有最低要求的方法均不適用。為了驗(yàn)證金相法對(duì)毛紐扣接觸件的適用性，我們選取了典型產(chǎn)品，進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

6.1 測(cè)試樣品

測(cè)試樣品選取了常用典型規(guī)格的毛紐扣接觸件，接觸件主要指標(biāo)如表1所示。

表1 典型規(guī)格的毛紐扣接觸件主要參數(shù)指標(biāo)

6.2 剖面研磨制樣后鏡檢

采用環(huán)氧樹脂對(duì)樣品進(jìn)行真空灌封，使用自動(dòng)研磨機(jī)設(shè)置壓力7N，轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)/min，使用2000#及4000#砂紙沿接觸件縱軸向?qū)悠愤M(jìn)行剖切研磨制樣。研磨制樣后的形貌見圖4、圖5、圖6。

圖4 立體顯微鏡下放大50 倍放大效果

圖5 金相顯微鏡下放大500 倍效果

圖6 金相顯微鏡下放大1000 倍效果

從上圖中可以看出，由于毛紐扣接觸件是由極細(xì)鍍金銅絲無序纏繞而成，在研磨制樣后可以看到，金屬絲斷面形狀各異，很多剖切點(diǎn)未能實(shí)現(xiàn)沿縱軸剖切研磨的目標(biāo)。金相顯微鏡高倍放大后的效果并不理想，光高倍學(xué)鏡頭帶來的淺景深效果以及鏡頭自身光學(xué)性能的限制，使鍍層邊界不能清晰呈現(xiàn)，嚴(yán)重影響鍍層厚度測(cè)量精確度。另外，從圖5中發(fā)現(xiàn)有些剖切點(diǎn)存在鍍層嚴(yán)重不均勻的情況。為進(jìn)一步核實(shí)情況，采用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣做進(jìn)一步檢查。

6.3 剖面研磨制樣后掃描電子顯微鏡（SEM）檢查

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的、很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質(zhì)間的相互作用，來激發(fā)各種物理信息，對(duì)這些信息收集、放大、再成像，以達(dá)到對(duì)物質(zhì)微觀形貌表征的目的。新式的掃描電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到1nm，放大倍數(shù)可以達(dá)到30萬倍及以上，連續(xù)可調(diào)；并且景深大，視野大，成像立體效果好。

使用掃描電子顯微鏡(SEM) 檢查后的效果見圖7，從圖7中隨機(jī)選取一塊區(qū)域放大進(jìn)行檢查。

圖7 放大25 倍效果

從圖8可以看見，鍍金鈹青銅絲的鍍層輪廓清晰并且層次分明。但由于鍍金層較薄且金的硬度偏軟，在研磨過程中金鍍層沿研磨方向出現(xiàn)很大程度的延展，同一界面處的鍍層厚度偏差較大，使得測(cè)量金層厚度時(shí)無法準(zhǔn)確獲取其真實(shí)值。

圖8 放大1400 倍效果

為遏制研磨過程中金鍍層的延展，可以在金鍍層外再加鍍一層硬金屬鎳，起到阻遏金層延展的目的。加鍍鎳的毛紐扣接觸件同未加鍍鎳樣品使用同樣的灌封、研磨、制樣方法及步驟，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)放大檢查。從圖9中選擇一個(gè)形狀最接近圓形的截面進(jìn)行2000倍放大，檢查鍍金層是否在研磨中發(fā)生延展。從圖10中可以看出由于受到加鍍鎳層的保護(hù)，在研磨制樣過程中鍍金層未發(fā)生明顯延展。為準(zhǔn)確測(cè)量鍍金層厚度，將放大倍數(shù)調(diào)整到10000倍，并分別選取最大最小兩個(gè)點(diǎn)測(cè)量鍍金層厚度。從圖11及圖12中可以看到鍍金層厚度分別為1.220μm和0.940μm。鍍層厚度一致性較好，但均未達(dá)到表1中不小于1.27μm的規(guī)定。說明此方法可以相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)量出毛紐扣接觸件的鍍金層厚度。

圖9 放大100 倍效果

圖10 放大2000 倍效果

圖11 放大10000 倍效果

圖12 放大10000 倍效果

本測(cè)量方法有效規(guī)避了鍍金層延展導(dǎo)致測(cè)不準(zhǔn)的問題，為毛紐扣接觸件鍍金層厚度的測(cè)試和評(píng)價(jià)提供了新的思路與方案。

6.4 聚焦離子束（FIB）制樣后掃描電子顯微鏡（SEM）檢查

聚焦離子束（FIB)是將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過離子槍加速，聚焦后作用于樣品表面。通過強(qiáng)電流離子束對(duì)表面原子進(jìn)行剝離，以完成微、納米級(jí)表面形貌加工。通過FIB制樣可以不通過加鍍鎳層，直接對(duì)毛紐扣原絲進(jìn)行離子束切割，并通過SEM放大檢查測(cè)量。圖13是毛紐扣接觸件經(jīng)FIB制樣后掃描電子顯微鏡（SEM）放大250倍檢查的效果。鑒于FIB對(duì)金屬原絲整面切割制樣比較費(fèi)時(shí)，且試驗(yàn)成本高昂，在原絲的另一部位采用小體量銑削的方式“挖”一個(gè)斷口，用以檢查局部鍍金層質(zhì)量及厚度。圖14展示了大體量銑削制樣和小體量銑削制樣的效果。

圖13 FIB 制樣后放大250 倍效果

圖14 FIB 制樣后放大2000 倍效果

圖15和圖16分別對(duì)大體量銑削制樣和小體量銑削制樣進(jìn)行了鍍層厚度測(cè)試。

圖15 FIB 大體量銑削制樣效果

圖16 FIB 小體量銑削制樣效果

本測(cè)量方法是在未加鍍鎳層的前提下進(jìn)行的制樣測(cè)試方法，雖然不會(huì)引發(fā)金鍍層的外擴(kuò)延展，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且檢驗(yàn)費(fèi)用高昂，只適用于仲裁檢測(cè)及分析研究。

7 結(jié)語(yǔ)

毛紐扣接觸件鍍層厚度是影響鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，而鍍層質(zhì)量問題是決定毛紐扣接觸件性能及接觸可靠性的關(guān)鍵問題之一。希望通過本研究，可以為全面提高毛紐扣接觸性能，以及毛紐扣接觸件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。