毛纽扣接触件镀金层厚度测量方法研究

2022-03-26麻力王爽李旭侯小利

电子元器件与信息技术 2022年1期

麻力，王爽，李旭，侯小利

（中国电子技术标准化研究院，北京 100176）

0 引言

毛纽扣于20世纪出现在电子市场，目前开始受到军事领域的关注，其微型化与高性能的特点，使其成为航空航天等军事领域的关注对象。相较于传统的接触件，毛纽扣接触件是一种具有非常理想的信号传输功能的电连接器接触件，安装时依靠自身弹性固定，不需要进行钎焊固定，也无需氧化清洗，其安装、调试、维护十分简便，具有很高的实用价值及广阔的应用前景。目前，对该产品的认识还很不足，产品质量与可靠性的评价方法，均存在很多空白。

1 毛纽扣结构特点

毛纽扣接触件由极细的金属丝随机密绕成圆柱状高弹性零件，金属丝材料通常为镀金铍铜合金（Au/BeCu），接触件轴向可以实现15%～30%的弹性压缩，结构非常简单且兼具信号传输与弹簧功能。毛纽扣接触件的样貌详见图1。毛纽扣接触件直接和接触面配合，这种结构同时实现了信号传递和减震的功能，而且没有其他可能导致故障或者降低信号完整性的部件，可以提供非常低的信号失真水平。典型结构见图2。该结构为毛纽扣+绝缘体的模式，适用于标准接点或用户定制接点，具有体积小、信号完整性好的优点，是毛纽扣产品最常用的模式。

图1 毛纽扣接触件样貌图

图2 毛纽扣接触件典型应用结构

2 国外研究现状

毛纽扣接触件于1959年首次引入电子市场，主要用于接地应用[1]，由于其良好的特性，开始受到军事领域的关注。其微型化与高性能的特点，使其成为航空航天等军事领域的关注对象，常被应用于导弹和卫星的抗震PCB连接器中。由于产品较新，且主要应用涉及到军事领域，很难查到国外毛纽扣的研究文献，已有的研究也主要集中在传导模型的建立、个别影响可靠性的要素验证以及个别制作工艺对信号传输的影响方面，未查询到有关毛纽扣镀层质量方面的公开报道。

3 国内研究现状

目前，国内相关企业已经开始毛纽扣产品的仿制工作，包括中航光电、贵航电器、西安富士达、陕西华达、深圳金信诺等军工知名企业已经开发了多种规格的毛纽扣接触件，如直径为0.38mm、0.5mm、0.765mm、1.02mm、1.27mm等，产品规格还处于无序增长状态。

按铍青铜的电镀时机不同，分为成型前电镀、成型后电镀、成型前后均电镀。由于构成毛纽扣接触件的铍青铜丝直径非常细，原丝直径大多在0.02～0.05mm之间，对极细铍青铜丝直接电镀的工艺难度极大，先对铍青铜丝电镀再缠绕、成型，有利于保证毛纽扣接触件内部铍青铜丝镀层厚度和镀层质量的一致性，但是在挤压成型过程中，毛纽扣接触件的外表面镀层易磨损，成型后再对铍青铜丝进行电镀，能够保证良好的外观质量，但是内部的铍青铜丝的镀层厚度不易保证。目前，国内对毛纽扣接触件的研究主要集中在从试验角度考虑毛纽扣接触件的力学、电学特性，或者研究其在高频高速下的应用。对毛纽扣接触件镀层厚度如何规定以及镀层厚度如何检测等方面缺少相关的国家及行业标准[2-6]。

4 毛纽扣接触件镀层质量问题及产生的原因

毛纽扣接触件所用丝材的基底材料为铍青铜，丝材表面镀金。金为惰性金属，其化学性能非常稳定。它不溶于普通的酸类，仅溶于王水，具有极高的耐腐蚀性。金的硬度较低，对基底金属材料有着很好的附着性，可保护基底材料不被腐蚀。当镀金层较薄时，一方面容易在镀金层出现大量微孔隙，使基底金属暴露在空气环境中，由于金与基底金属铜存在较大的电位差，镀金层非但无法保护基底金属，还会加速基底金属的电化学腐蚀。另一方面，容易导致基底金属铜向表面镀金层扩散，当金属铜扩散到镀金层表面后，被氧化生成氧化铜膜层从而发生电接触失效。图3是典型毛纽扣接触件由于镀层质量不过关导致底层金属铜腐蚀的失效案例。

图3 毛纽扣接触件镀层失效图片

通常情况下，镀金层越厚，微孔隙率越低，镀层质量越有保障。但对于毛纽扣接触件来讲，原丝镀层过厚容易影响接触件弹性。且在使用时，弹性变形也有可能导致镀层金属破裂，产生金屑，这些都将影响毛纽扣接触件的性能。所以，能否准确测量镀层厚度，对于研究镀层厚度对产品性能的影响以及提高产品镀层质量均有重要的意义。

5 常用的镀层厚度测量方法

目前检测中常用的镀层厚度测量方法有研磨制样金相法、库仑法及X射线荧光法。

金相法需要对待测试样进行制横断面样、研磨及抛光，使基底金属层及电镀金属层充分暴露。对待测区域进行局部放大1000倍以上，并用带有相同放大倍数标尺的显微镜对镀层厚度进行测量。为保证测量精度，金相法通常情况下适合检测不小于1μm的镀层厚度，厚度越大，误差越小。此方法通常用于对测量结果存在争议时使用的仲裁测量方法。

库仑法是一种破坏性测试方法，其在被测镀层表面的已知面积上，以恒定电流密度在相应试液中将镀件作为阳极来溶解镀层。当镀层金属溶解完毕，裸露出基体或中间镀层时，电解池电压发生突变，以此作为测量终点。根据库仑定律，以溶解镀层金属消耗的电量、溶解镀层面积、镀层金属的电化当量、密度以及阳极溶解的电流效率计算镀层的局部厚度。该方法只适用于平面的镀层厚度，且样品需要确定的测量平面面积，通常不小于4mm2。

X射线荧光法是一种基于微束X荧光分析技术而实现的测量方法，测量原理基于强烈且狭窄的微束X射线与基体金属和覆盖层金属的相互作用，产生X射线荧光，根据荧光谱线出现的能量位置及其强度可以得到镀层组成及厚度的信息。其测量准确度强烈依赖于标样与待测试样的相近程度，是目前镀层厚度检测中应用最广泛的方法。但该方法要求待测面积不能小于准直器光斑的面积，光斑面积通常不小于0.05mm×0.25mm。

6 毛纽扣接触件镀金层厚度测试方法

综合上述三种常用的镀层厚度测试方法，对丝径大多在0.02～0.05mm之间的毛纽扣接触件来说，除金相法外，其余两种对测量面积有最低要求的方法均不适用。为了验证金相法对毛纽扣接触件的适用性，我们选取了典型产品，进行了测试验证。

6.1 测试样品

测试样品选取了常用典型规格的毛纽扣接触件，接触件主要指标如表1所示。

表1 典型规格的毛纽扣接触件主要参数指标

6.2 剖面研磨制样后镜检

采用环氧树脂对样品进行真空灌封，使用自动研磨机设置压力7N，转速150转/min，使用2000#及4000#砂纸沿接触件纵轴向对样品进行剖切研磨制样。研磨制样后的形貌见图4、图5、图6。

图4 立体显微镜下放大50 倍放大效果

图5 金相显微镜下放大500 倍效果

图6 金相显微镜下放大1000 倍效果

从上图中可以看出，由于毛纽扣接触件是由极细镀金铜丝无序缠绕而成，在研磨制样后可以看到，金属丝断面形状各异，很多剖切点未能实现沿纵轴剖切研磨的目标。金相显微镜高倍放大后的效果并不理想，光高倍学镜头带来的浅景深效果以及镜头自身光学性能的限制，使镀层边界不能清晰呈现，严重影响镀层厚度测量精确度。另外，从图5中发现有些剖切点存在镀层严重不均匀的情况。为进一步核实情况，采用扫描电子显微镜对试样做进一步检查。

6.3 剖面研磨制样后扫描电子显微镜（SEM）检查

扫描电子显微镜(SEM)是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的、很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大、再成像，以达到对物质微观形貌表征的目的。新式的扫描电子显微镜的分辨率可以达到1nm，放大倍数可以达到30万倍及以上，连续可调；并且景深大，视野大，成像立体效果好。

使用扫描电子显微镜(SEM) 检查后的效果见图7，从图7中随机选取一块区域放大进行检查。

图7 放大25 倍效果

从图8可以看见，镀金铍青铜丝的镀层轮廓清晰并且层次分明。但由于镀金层较薄且金的硬度偏软，在研磨过程中金镀层沿研磨方向出现很大程度的延展，同一界面处的镀层厚度偏差较大，使得测量金层厚度时无法准确获取其真实值。

图8 放大1400 倍效果

为遏制研磨过程中金镀层的延展，可以在金镀层外再加镀一层硬金属镍，起到阻遏金层延展的目的。加镀镍的毛纽扣接触件同未加镀镍样品使用同样的灌封、研磨、制样方法及步骤，并通过扫描电子显微镜(SEM)放大检查。从图9中选择一个形状最接近圆形的截面进行2000倍放大，检查镀金层是否在研磨中发生延展。从图10中可以看出由于受到加镀镍层的保护，在研磨制样过程中镀金层未发生明显延展。为准确测量镀金层厚度，将放大倍数调整到10000倍，并分别选取最大最小两个点测量镀金层厚度。从图11及图12中可以看到镀金层厚度分别为1.220μm和0.940μm。镀层厚度一致性较好，但均未达到表1中不小于1.27μm的规定。说明此方法可以相对准确地测量出毛纽扣接触件的镀金层厚度。

图9 放大100 倍效果

图10 放大2000 倍效果

图11 放大10000 倍效果

图12 放大10000 倍效果

本测量方法有效规避了镀金层延展导致测不准的问题，为毛纽扣接触件镀金层厚度的测试和评价提供了新的思路与方案。

6.4 聚焦离子束（FIB）制样后扫描电子显微镜（SEM）检查

聚焦离子束（FIB)是将离子源产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后作用于样品表面。通过强电流离子束对表面原子进行剥离，以完成微、纳米级表面形貌加工。通过FIB制样可以不通过加镀镍层，直接对毛纽扣原丝进行离子束切割，并通过SEM放大检查测量。图13是毛纽扣接触件经FIB制样后扫描电子显微镜（SEM）放大250倍检查的效果。鉴于FIB对金属原丝整面切割制样比较费时，且试验成本高昂，在原丝的另一部位采用小体量铣削的方式“挖”一个断口，用以检查局部镀金层质量及厚度。图14展示了大体量铣削制样和小体量铣削制样的效果。