印制插頭連接件耐用性能研究

劉磊，杜軍，林樂(lè)紅，刁敬偉

東莞康源電子有限公司，廣東 東莞，523932

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，電子元器件的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，對(duì)器件的要求也不斷提高，光模塊類產(chǎn)品對(duì)耐腐蝕、耐插拔的相應(yīng)要求也越發(fā)嚴(yán)格，大量光模塊廠商都明確要求印制插頭具有良好的耐腐蝕、耐插拔性能。

在通常環(huán)境下的大氣中有會(huì)一些工業(yè)廢氣，在一定的溫濕度條件下，其對(duì)電子產(chǎn)品的元器件，特別是接觸件及連接器部分，如印制插頭部位，會(huì)產(chǎn)生明顯的腐蝕作用，產(chǎn)生的腐蝕物會(huì)導(dǎo)致電子器件的電阻增大，影響電子產(chǎn)品的電性能與可靠性。

印制插頭的耐插拔是光模塊產(chǎn)品的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)，QSFP等類型的高頻光模塊已對(duì)插拔能力有相應(yīng)的規(guī)定要求，常規(guī)情況下要求印制插頭在與連接器插拔50次后，表面接觸電阻增加≤10mΩ，同時(shí)印制插頭沒(méi)有底部鍍層（銅層、鎳層）露出?，F(xiàn)在部分客戶要求沉鎳鈀金鍍層的印制插頭耐插拔次數(shù)需滿足插拔500次后表面接觸電阻增加≤10mΩ，無(wú)底部鍍層（銅層、鎳層）露出，且要求鍍層厚度滿足IPC標(biāo)準(zhǔn)（鈀厚：0.05～0.3μm，金厚：0.03μm）。下文將對(duì)此進(jìn)行相關(guān)的研究[1]。

1 印制插頭鍍層耐腐蝕分析

1.1 鍍層耐腐蝕機(jī)理

印制插頭的表面鍍層都是在銅層上進(jìn)行加工，由于銅表面的保護(hù)鍍層有可能有針孔產(chǎn)生（圖1），因此在環(huán)境中的一些氣體，如NO2、SO2等經(jīng)由針孔穿入底材而與鎳、銅金屬產(chǎn)生腐蝕變化，而這些腐蝕產(chǎn)物會(huì)擠出在鍍層表面，形成腐蝕物。針孔數(shù)量多少稱為孔隙率，一般而言，鍍層厚度越厚，孔隙率越?。环粗?，孔隙率越大。故欲得到良好的耐蝕性鍍層，鍍層需越厚越好[2]。

圖1 針孔形成腐蝕原理簡(jiǎn)析圖

1.2 氣體腐蝕測(cè)試方法

針對(duì)印制插頭的氣體腐蝕，目前主要有硝酸蒸汽試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、工業(yè)腐蝕氣體測(cè)試法等測(cè)試方法。

（1）硝酸蒸汽實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件及流程：取500mL硝酸（濃度69±2%、20℃下相對(duì)密度1.39～1.42g/cm3）小心地倒入干燥皿的底部，蓋好干燥皿。靜置30分鐘，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將干燥皿存放在溫度在20～22℃的水浴槽、抽風(fēng)櫥中。將試樣用聚四氟乙烯繩子綁好掛在玻璃棒上，再將玻璃棒卡在干燥皿中，保證試樣垂直且距離HNO3液面至少75mm，距離干燥皿壁至少25mm，試樣之間不要接觸，干燥皿蓋密實(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間為60分鐘。試驗(yàn)時(shí)間到時(shí)，小心將玻璃棒取出，確保不要接觸試樣的測(cè)試區(qū)域，放到顯微鏡下觀察，統(tǒng)計(jì)腐蝕點(diǎn)的數(shù)量[3]。

當(dāng)在2500μm×1750μm的面積內(nèi)有超過(guò)30個(gè)腐蝕點(diǎn)或超過(guò)5%的面積被腐蝕點(diǎn)覆蓋或者任何一個(gè)腐蝕點(diǎn)超過(guò)200μm，視為實(shí)驗(yàn)失效。

（2）鹽霧實(shí)驗(yàn)。主要模擬Cl離子與金屬材料的電化學(xué)腐蝕。包括中性鹽霧實(shí)驗(yàn)、醋酸鹽霧試驗(yàn)、交變鹽霧實(shí)驗(yàn)和銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(yàn)。鹽溶液成分：5±1%的NaCl溶液；測(cè)試溫度：（35±2）℃；pH值：中性鹽霧實(shí)驗(yàn)和交變鹽霧實(shí)驗(yàn)6.5～7.2（25℃）, 銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(yàn)和醋酸鹽霧試驗(yàn)3.1～3.3（25℃）；放置角度：試樣與垂直方向呈15度角；鹽霧沉降率：1.0～2.0mL/80（cm2·h），實(shí)驗(yàn)時(shí)間通常為24h[4]。

當(dāng)完成實(shí)驗(yàn)后，表面鍍層無(wú)腐蝕現(xiàn)象視為合格。

（3）工業(yè)腐蝕氣體測(cè)試法（MFG）。使用氣體種類為二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、二氧化氮（NO2）與氯（Cl2）。依據(jù)實(shí)際需求，用各種不同的氣體進(jìn)行測(cè)試，模擬仿真產(chǎn)品在使用及儲(chǔ)存過(guò)程中可能遇到的不同環(huán)境狀態(tài)，控制氣體含量及流速[（0.5±0.1）m/s]MFG室必須控制環(huán)境溫度在（30±1）℃范圍內(nèi)，濕度在（70%±2%）Rh范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)以5天為一周期進(jìn)行。過(guò)程需使用測(cè)試銅片來(lái)監(jiān)測(cè)氣體濃度，以銅片的增重作為測(cè)試符合性的參考值。

2 印制插頭鍍層耐插拔分析

2.1 鍍層耐插拔機(jī)理

研究印制插頭鍍層耐插拔的性能實(shí)際就是研究印制插頭鍍層的磨損（耐磨性）。磨損是在摩擦作用下物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸分離出磨屑，使表面材料逐漸流失、造成表面損傷的現(xiàn)象。其與摩擦的材料特性、表面形貌、加載方式與大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)性（方式和速度）和工作溫度等相關(guān)。一般情況下材料的硬度越高磨損量越小，工作溫度越高磨損量越大，表面粗糙度越大磨損量越大，總運(yùn)動(dòng)距離與磨損量成正比。印制插頭鍍層摩擦的工作環(huán)境、加載方式與大小、總運(yùn)動(dòng)距離都是一定的，故要滿足插拔后不露底層鍍層需要從鍍層硬度、印制插頭表面粗糙度和耐磨鍍層總體積三個(gè)方向著手，即增強(qiáng)鍍層硬度、降低印制插頭表面粗糙度、增加鈀層和金層厚度。

2.2 耐插拔測(cè)試

印制插頭耐插拔測(cè)試要求完全模擬光模塊印制插頭在實(shí)際使用過(guò)程中插拔的情況。插拔測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程需要將測(cè)試的印制電路板組裝成模塊并與對(duì)應(yīng)的測(cè)試夾具配合使用。

表1 插拔測(cè)試項(xiàng)目介紹

測(cè)試夾具經(jīng)過(guò)檢測(cè)滿足測(cè)試要求后，開(kāi)始對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參考MSA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，與初始值相比，插拔后電阻阻值變化不超過(guò)10mΩ為通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，一般測(cè)試只要求插拔50次循環(huán)，部分樣品有更高的測(cè)試要求，目前最高有要求500次插拔。為了使每個(gè)插入運(yùn)動(dòng)在同一軌道上，并且為了防止上下顛倒插入，印制線路板樣品應(yīng)該在插入之前組裝在模塊殼中，并且最好在測(cè)試板上有一個(gè)模塊保持架。完成插拔后，通過(guò)放大鏡與接觸電阻測(cè)試的方法對(duì)插拔后印制插頭表面鍍層進(jìn)行相關(guān)測(cè)試評(píng)價(jià)。也可將氣體腐蝕與耐插拔實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 印制插頭表面鍍層制作方式

目前印制插頭鍍金的表面處理工藝有化學(xué)鍍鎳浸金、電水金、電硬金和沉鎳鈀金可供選擇，但因?yàn)橛≈撇孱^表面鍍層有耐腐蝕和耐插拔要求，故一般印制插頭表面鍍層選取電硬金和沉鎳鈀金。

（1）電硬金。電鍍硬金常使用氰化亞金鉀及亞硫酸金兩種金鹽提供金離子的來(lái)源。流程如下：除油→水洗→微蝕→水洗→磺酸洗→鍍鎳→水洗→活化→水洗→鍍金→水洗→烘干。

主要的電化學(xué)還原為：Au++e→Au, E=1.7V及Au3++3e→Au，E=1.5V

電硬金工藝通過(guò)在電鍍金中摻雜其他的金屬（通常為金鎳或金鈷合金）來(lái)提高硬度及耐磨性，電硬金可將莫氏硬度提升至3.0。但摻雜其他金屬過(guò)多，會(huì)降低金純度，從而降低鍍層的傳導(dǎo)性，一般電硬金需保證金純度在99.7%以上。電硬金的加工方式，是通過(guò)電鍍?cè)黾咏鸷?、降低鍍層孔隙率?lái)增加抗腐蝕性和耐磨性，目前的手指焊盤(pán)金厚規(guī)格有0.38μm、1.27μm、1.8μm等，可根據(jù)使用的環(huán)境與條件進(jìn)行調(diào)整。

在實(shí)際的加工過(guò)程中，電硬金除了直接電鍍還可以與電水金、沉鎳金和沉鎳鈀金搭配，通過(guò)先電水金、沉鎳金或沉鎳鈀金后再進(jìn)行電硬金增厚金層，這樣也可得到可靠的耐腐蝕和耐插拔鍍層。

（2）沉鎳鈀金。沉鎳鈀金的基本加工流程如下：除油→微蝕→酸洗→預(yù)浸→活化→后浸→化學(xué)鎳（還原）→化學(xué)鈀（還原）→化學(xué)金（置換）?；瘜W(xué)沉鎳鈀金為軟金，純度可達(dá)99.9%，可焊性與綁定良好。過(guò)程反應(yīng)方程式如下。

電硬金無(wú)法實(shí)現(xiàn)分段手指焊盤(pán)的印制插頭焊盤(pán)四壁包金制作，需要更換一種表面處理工藝。采用有一定厚度鈀層的沉鎳鈀金作為表面處理來(lái)代替電硬金，可同樣實(shí)現(xiàn)耐腐蝕、耐插拔要求[5-6]，并滿足實(shí)現(xiàn)分段手指焊盤(pán)的印制插頭焊盤(pán)四壁包金制作。

在腐蝕氣體環(huán)境中沉鎳鈀金發(fā)生腐蝕時(shí)，主要腐蝕對(duì)象是鎳層和銅層，通過(guò)金與鈀的孔隙，大氣中的酸性蒸汽對(duì)鎳層經(jīng)過(guò)酸化并吸附水來(lái)形成酸性腐蝕物；對(duì)銅的腐蝕過(guò)程則為先形成氧化物，在此基礎(chǔ)上通過(guò)酸化使氧化物分解并在腐蝕物中吸附水形成酸性腐蝕物。

電硬金通過(guò)加厚金層減少孔隙率來(lái)提高抗氧化性和耐腐蝕性。而沉鎳鈀金中的鈀層是無(wú)定形的結(jié)構(gòu)，它可以作為一個(gè)良好的擴(kuò)散阻擋層。無(wú)定形鈀的無(wú)晶界可阻止鎳原子的快速擴(kuò)散，這種非晶的鈀層使沉鎳鈀金表面具有更好的抗氧化性能[7]。同時(shí)鈀是惰性金屬，外層軌道上電子較穩(wěn)定，不容易失電子被氧化腐蝕,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸、耐氧化的特性，這使沉鎳鈀金具有良好的抗腐蝕和抗氧化性。鈀的莫氏硬度為4.75，為金（莫氏硬度為2.5）的1.9倍，因此沉鎳鈀金具有良好的耐插拔性能。

印制插頭的沉鎳鈀金的鍍層質(zhì)量是由化學(xué)反應(yīng)結(jié)晶過(guò)程決定的，化學(xué)結(jié)晶的過(guò)程會(huì)伴隨著孔隙的形成，當(dāng)鈀層較薄時(shí)，金液會(huì)透過(guò)鈀層晶格間隙與鎳層相接觸，金會(huì)同時(shí)與鈀、鎳發(fā)生置換反應(yīng)，而金與鎳發(fā)生置換會(huì)導(dǎo)致鈀層底部懸空，與鎳層間產(chǎn)生縫隙，出現(xiàn)鈀層與鎳層剝離的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)鈀層較厚時(shí)，鈀層晶格排列致密，金難以透過(guò)鈀層與鎳層接觸，金與鎳之間不發(fā)生置換反應(yīng)。具有合適厚度鈀層的印制線路板印制插頭，金層平整，厚度均勻，晶胞排列致密，具有良好的晶格結(jié)構(gòu)，鈀層晶格結(jié)構(gòu)良好，晶胞結(jié)構(gòu)密，無(wú)細(xì)微裂縫，耐插拔性好[8]。

相比電硬金工藝，厚鈀的沉鎳鈀金可以使金層厚度明顯減少，且滿足耐插拔、耐腐蝕的要求，其不受印制插頭自身手指焊盤(pán)的設(shè)計(jì)影響，能更廣地應(yīng)用于SFP、QSFP、QSFP-DD等各種光模塊中。

圖2 非分段手指焊盤(pán)設(shè)計(jì)

圖3 分段手指焊盤(pán)設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)與結(jié)果

電硬金和沉鎳鈀金工藝皆可用于印制插頭的鍍層制作，本次將采用硝酸蒸汽實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證兩種工藝在不同表面處理和不同鍍層厚度下的耐腐蝕性，采用500次插拔驗(yàn)證沉鎳鈀金工藝不同鍍層厚度的耐插拔性與電硬金工藝的耐插拔性。

（1）不同表面處理與鍍層厚度下硝酸氣體的腐蝕情況。本次使用硝酸氣體腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬氣體腐蝕測(cè)試。在使用20X放大鏡觀察測(cè)試樣品表面外觀有無(wú)刮花、凹坑等異常情況后，取不同厚度的電硬金產(chǎn)品、沉鎳鈀金產(chǎn)品，按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行處理，在硝酸氣體腐蝕實(shí)驗(yàn)1h后，按照在2500μm×1750μm的面積內(nèi)未觀察到超過(guò)30個(gè)腐蝕點(diǎn)（＞35μm）、任何一個(gè)腐蝕點(diǎn)超過(guò)200μm及有超過(guò)焊盤(pán)5%的面積被腐蝕點(diǎn)覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同樣品硝酸氣體腐蝕后圖

對(duì)樣品在硝酸氣體腐蝕后的表現(xiàn)如表3所示，電硬金金厚在1.0μm以上可滿足耐腐蝕要求；沉鎳鈀金在鈀厚0.20μm以上，金厚0.10μm以上可以通過(guò)硝酸蒸汽腐蝕測(cè)試。

（2）不同厚度對(duì)沉鎳鈀金和電硬金鍍層進(jìn)行插拔耐磨實(shí)驗(yàn)。此次對(duì)印制插頭進(jìn)行耐插拔測(cè)試，采用泰克生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)模塊插座制作測(cè)試夾具進(jìn)行插拔測(cè)試，在插拔50次、100次、150次、200次、300次、400次、500次后分別進(jìn)行表面接觸電阻測(cè)試，以阻值增長(zhǎng)≤10mΩ為判定標(biāo)準(zhǔn)。此次耐插拔試驗(yàn)的鍍層設(shè)定厚度如表3所示。

表3 鍍層試驗(yàn)設(shè)置厚度

插拔50次、100次、150次、200次、300次、400次、500次后表面接觸電阻阻值變化結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同樣品插拔阻值變化圖

從測(cè)試表面的接觸電阻阻值變化觀察，樣品1插拔超過(guò)200次后阻值變化急劇增大，300次后有阻值增加超過(guò)10mΩ的情況；樣品2在400次和500次也有較為顯著的阻值增長(zhǎng)；樣品3與樣品4在500次時(shí)阻值增長(zhǎng)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。插拔完成后使用顯微鏡觀察表面外觀。

表4 不同樣品插拔后表面顯微鏡圖形

用放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)樣品1插拔后磨痕處白中有灰，有輕微漏鎳現(xiàn)象，樣品2和樣品3插拔后磨痕處皆為黃白色，樣品4插拔后磨痕處為金黃色。

綜合阻值增長(zhǎng)和插拔后外觀的觀察現(xiàn)象，要滿足產(chǎn)品500次以上的耐插拔測(cè)試，沉鎳鈀金的鈀厚建議選擇0.20μm以上，金厚建議選擇0.10μm以上。

5 結(jié)語(yǔ)

電硬金當(dāng)金厚在1.0μm以上可滿足硝酸蒸汽耐腐蝕要求，可以滿足耐插拔500次需求；沉鎳鈀金的鈀厚在0.20μm以上，金厚在0.10μm以上可同時(shí)滿足耐腐蝕要求和耐插拔500次需求，且插拔后阻值增長(zhǎng)穩(wěn)定。綜上所述，電硬金與沉鎳鈀金的耐插拔性能相近，而沉鎳鈀金在外觀上較為良好。