Διεργασίες επιμετάλλωσης επίχρυσου και αργύρου για ηλεκτρονικές συνδέσεις: Χαρακτηριστικά, εφαρμογές και Οδηγός επιλογής

Η ηλεκτρολυτική επίστρωση, ως μία από τις βασικές διαδικασίες στη σύγχρονη κατασκευή, γίνεται ολοένα και πιο σημαντική για την αξιοπιστία των συνδέσεων ηλεκτρονικών συσκευών στο πλαίσιο της ταχείας ανάπτυξης του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT). Η ποιότητα επιμετάλλωσης των συνδέσμων και των επαφών καθορίζει άμεσα τη σταθερότητα απόδοσης, τη διάρκεια ζωής και τα ισχύοντα σενάρια των ηλεκτρονικών συσκευών. Η επιμετάλλωση με χρυσό και ασήμι, ως δύο κύριες διαδικασίες ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης πολύτιμων μετάλλων, έχουν γίνει βασικές επιλογές στον τομέα της ηλεκτρονικής διασύνδεσης λόγω της εξαιρετικής αγωγιμότητας και αντοχής στη διάβρωση. Αν και μοιράζονται πολλά κοινά, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στα χαρακτηριστικά του υλικού, στα σενάρια εφαρμογής και στην επιλογή της διαδικασίας. Τα παρακάτω θα παρέχουν μια λεπτομερή ανάλυση από την προοπτική των χαρακτηριστικών, των εφαρμογών, των βασικών υλικών, των συγκρίσεων και των βασικών σημείων επιλογής.

Οι επιχρυσωμένες-επαφές ευνοούνται ιδιαίτερα στον τομέα των ηλεκτρονικών ακριβείας λόγω των μοναδικών φυσικοχημικών ιδιοτήτων του χρυσού. Ως αδρανές μέταλλο, ο χρυσός έχει εξαιρετική αντοχή στην οξείδωση και τη διάβρωση. Ακόμη και σε περιβάλλον με υψηλή υγρασία, συχνό θερμικό κύκλωμα ή διαβρωτικό ψεκασμό αλατιού, όξινα και αλκαλικά περιβάλλοντα, μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά την οξείδωση του υποστρώματος. Για τέτοια σκληρά σενάρια, η κατάλληλη αύξηση του πάχους της επιμετάλλωσης ή η χρήση μιας διαδικασίας επιχρυσώσεως διπλής-επικάλυψης μπορεί να εξαλείψει περαιτέρω το πορώδες της επιμετάλλωσης και να ενισχύσει το προστατευτικό αποτέλεσμα. Η υψηλή του αγωγιμότητα είναι δεύτερη μετά τον χαλκό και τον άργυρο και δεν σχηματίζει οξείδια ή άλλες ενώσεις που επηρεάζουν την αγωγιμότητα. Ακόμη και σε σενάρια μετάδοσης ρεύματος εξαιρετικά χαμηλής τάσης και μιλιαμπέρ-, διατηρεί σταθερή αγωγιμότητα, καθιστώντας το ιδανική επιλογή για μετάδοση σήματος χαμηλής-τάσης.

Η επίστρωση χρυσού μπορεί να γίνει κράμα με νικέλιο και κοβάλτιο για να σχηματιστεί σκληρός χρυσός (με σκληρότητα έως και 200 ​​Knoop), σε συνδυασμό με ένα στρώμα επιμετάλλωσης{1} με βάση το νικέλιο (πάχος > 50 μικρόμετρα), το οποίο μπορεί να αντέξει την επαναλαμβανόμενη τριβή εισαγωγής και αφαίρεσης. Σε συνδυασμό με τη φυσική λιπαντικότητα του χρυσού, αυτό βελτιώνει σημαντικά την ανθεκτικότητα του συνδετήρα. Εν τω μεταξύ, η εξαιρετική ολκιμότητα του καθαρού χρυσού (μαλακός χρυσός, σκληρότητα < 90 Knoop) το καθιστά κατάλληλο για εύκαμπτους συνδέσμους και ελατήρια. Σε συνδυασμό με την επιμετάλλωση βάσης νικελίου μηχανικής όπως το σουλφαμικό νικέλιο, μπορεί να αντέξει καλύτερα πολλούς κύκλους επαφής.

Επιπλέον, η επίστρωση χρυσού προσφέρει εξαιρετική ικανότητα συγκόλλησης. ένας αξιόπιστος σύνδεσμος συγκόλλησης μπορεί να διαμορφωθεί μόνο με ένα στρώμα μαλακού χρυσού πάχους 0,25-μικρών-, που τον καθιστά συμβατό με διάφορα υποστρώματα όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας. Κατά τη συγκόλληση, ο χρυσός απορροφάται στην ένωση συγκόλλησης μέσω διάχυσης στερεάς κατάστασης. Ωστόσο, το πάχος της επιμετάλλωσης πρέπει να ελέγχεται (<1.27 microns on each side) to prevent the gold content in the solder joint from exceeding 3% (by weight), which could lead to embrittlement. Notably, gold's non-magnetic properties make it a preferred choice for medical devices susceptible to electromagnetic interference, such as magnetic resonance imaging (MRI) scanners, as well as for high-speed connectors. Au-plated contacts and gold-plated electrical contacts are therefore widely used in high-precision equipment.

Οι επίχρυσες-επαφές ρελέ και οι ηλεκτρικές επαφές βρίσκονται ευρέως σε διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές, με τις βασικές εφαρμογές τους να επικεντρώνονται σε πεδία που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία σύνδεσης και σταθερότητα σήματος. Στον τομέα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, η επίστρωση χρυσού χρησιμοποιείται συνήθως για επαφές και τερματικά σε συσκευές όπως smartphone, επιτραπέζιους υπολογιστές και φορητούς υπολογιστές. Περίπου 311 γραμμάρια χρυσού περιέχονται σε κάθε 10.000 smartphone, που χρησιμοποιούνται κυρίως για τα μαξιλάρια πλακέτας κυκλωμάτων, τις περιοχές συγκόλλησης καλωδίων και τις εξωτερικές υποδοχές. 99.9% ο καθαρός μαλακός χρυσός χρησιμοποιείται συνήθως για τα μαξιλάρια και τη συγκόλληση καλωδίων.

Στον βιομηχανικό και ιατρικό τομέα, οι επίχρυσες διμεταλλικές επαφές και οι διμεταλλικές επαφές με επιμεταλλωμένη πέτρα είναι κατάλληλες για συνδέσμους ακριβείας σε ιατρικές συσκευές, όπως σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας. Οι μη{1}}μαγνητικές και ανθεκτικές στη διάβρωση-ιδιότητές τους διασφαλίζουν ακριβή μετάδοση σήματος. Για υποδοχές υψηλής-ταχύτητας, που είναι βασικά στοιχεία με απαιτήσεις υψηλών ρυθμών μετάδοσης δεδομένων, η επίστρωση χρυσού μειώνει αποτελεσματικά την απώλεια σήματος, καθιστώντας την την προτιμώμενη επιλογή για εφαρμογές υψηλής-συχνότητας και υψηλής-ταχύτητας. Επιπλέον, για πλακέτες ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που απαιτούν μακροχρόνια σταθερή λειτουργία, η επιχρυσωμένη επιμετάλλωση ενισχύει την αγωγιμότητα και την αντίσταση στη διάβρωση, διασφαλίζοντας τη μακροπρόθεσμη-ακεραιότητα των συνδέσεων κυκλώματος. Επομένως, οι ηλεκτρικές επαφές{11}}με επίστρωση χρυσού είναι απαραίτητες σε ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ποιότητας, όπως ο βιομηχανικός έλεγχος και η αεροδιαστημική.

Οι επάργυροι-επίχρυσοι σύνδεσμοι, με το υψηλό κόστος-αποτελεσματικότητάς τους και τις εξαιρετικές φυσικές τους ιδιότητες, καταλαμβάνουν σημαντική θέση σε εφαρμογές μέσης- και υψηλής-τάσης, υψηλής-ρεύματος. Η αγωγιμότητα και η θερμική αγωγιμότητα του αργύρου είναι απαράμιλλη μεταξύ των πολύτιμων μετάλλων και το κόστος του είναι μόνο το ένα τοις εκατό του χρυσού. Αυτό καθιστά δυνατή την επίτευξη παχιάς επιμετάλλωσης σε μεγάλους αγωγούς όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο, επιτυγχάνοντας χαμηλή αντίσταση επαφής και σταθερή αγωγιμότητα χωρίς υψηλό κόστος, καθιστώντας το ιδιαίτερα κατάλληλο για σενάρια υψηλής-μετάδοσης ισχύος. Η ανώτερη θερμική του αγωγιμότητα βοηθά τις συνδέσεις υψηλής ισχύος-να ρυθμίζουν φυσικά τα hotspot, αποτρέποντας την οξείδωση του υποστρώματος και διασφαλίζοντας περαιτέρω τη σταθερότητα της μετάδοσης.

Ως πολύτιμο μέταλλο, το ασήμι έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση. Συνήθως επιστρώνεται σε επιμεταλλωμένα ή ηλεκτρονικά επινικελωμένα υποστρώματα-, που ξεπερνούν εύκολα τα 25,4 μικρόμετρα σε πάχος, σχηματίζοντας ένα σχεδόν-ελεύθερο{4} πόρο προστατευτικό φράγμα που εμποδίζει αποτελεσματικά το σχηματισμό οξειδίων ή ενώσεων σε υποστρώματα χαλκού και αλουμινίου, αποφεύγοντας την αύξηση της αντίστασης στο χρόνο. Επιπλέον, η φυσική λιπαντικότητα του ασημιού το καθιστά εξαιρετικά καλά σε περιβάλλοντα ακραίων θερμοκρασιών. Ακόμη και σε σενάρια υψηλής θερμοκρασίας που υπερβαίνουν τους 688 βαθμούς (1250 βαθμοί F), μπορεί να αποτρέψει τη σύλληψη κινούμενων μερών ή εξαρτημάτων με σπείρωμα σε εξοπλισμό όπως κινητήρες στροβίλου και στροβιλοσυμπιεστές. Είναι κατάλληλο για εφαρμογές που είναι επιρρεπείς σε προβλήματα, όπως σπειρώματα υψηλής θερμοκρασίας, συρόμενες επαφές και διακόπτες υψηλής-τάσης. Όταν συνδυάζεται με ένα λιπαντικό υπόστρωμα όπως η ηλεκτρολυτική επινικελίωση, η αντοχή στη φθορά και το αποτέλεσμα λίπανσής του μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω.

Λόγω των πλεονεκτημάτων κόστους και των χαρακτηριστικών απόδοσης, οι επάργυροι-επιμεταλλωμένοι σύνδεσμοι χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες, όπως η μετάδοση ισχύος, η αυτοκινητοβιομηχανία, τα ηλεκτρονικά και τα μηχανήματα. Στον τομέα της μεταφοράς και διανομής ισχύος, τα βασικά εξαρτήματα όπως ζυγοί, ρελέ, εναλλάκτες ρεύματος, στοιχεία ασφαλειών, ακροδέκτες και διακόπτες αποσύνδεσης χρησιμοποιούν συνήθως επάργυρη επένδυση για να εξασφαλίσουν την ασφάλεια μετάδοσης ισχύος μέσω της υψηλής αγωγιμότητας και της αντίστασης στη διάβρωση. Στους τομείς των ηλεκτρικών οχημάτων και της αποθήκευσης ενέργειας, οι σταθερές και κινητές υποδοχές, οι μετατροπείς ισχύος, οι ακίδες και οι υποδοχές σύνδεσης φόρτισης και τα μαξιλαράκια συγκόλλησης με υπερήχους βασίζονται σε επάργυρο για μετάδοση υψηλής-ρεύματος. Επί του παρόντος, το ποσοστό διείσδυσης των ηλεκτρικών οχημάτων είναι περίπου 40%, προβλέπεται ότι θα φτάσει το 60% έως το 2030. Σε συνδυασμό με την εκρηκτική ανάπτυξη της βιομηχανίας αποθήκευσης ενέργειας, η ζήτηση για επάργυρους συνδετήρες ρεύματος-επιμεταλλωμένους υψηλής-θα συνεχίσει να αυξάνεται εκθετικά.

Στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών, η επάργυρη των ακροδεκτών, των υποδοχών και των συνδετήρων τροφοδοσίας εξισορροπεί την αγωγιμότητα και το κόστος. Στον μηχανικό τομέα, οι ροδέλες ώθησης, τα ρουλεμάν υψηλής{1} θερμοκρασίας και τα στερεωτικά-ανθεκτικά στη διάβρωση χρησιμοποιούν τη λίπανση σε υψηλές-θερμοκρασίες και την αντίσταση στη διάβρωση του ασημιού για να προσαρμοστούν σε δύσκολες συνθήκες λειτουργίας. Σε σύγκριση με άλλες επιμεταλλώσεις πολύτιμων μετάλλων, η επάργυρη προσφέρει υψηλότερη αναλογία απόδοσης-κόστους, καλύπτοντας ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών και γίνεται η προτιμώμενη λύση για συνθήκες μέσης- και υψηλής{{7}τάσης, υψηλής-μετάδοσης ρεύματος και υψηλής{{9} θερμοκρασίας.

Στις διεργασίες επιμετάλλωσης χρυσού και αργύρου, η επιλογή του υλικού βάσης είναι ζωτικής σημασίας για την πρόσφυση, την αγωγιμότητα, την αντοχή στη διάβρωση και την ανθεκτικότητα του στρώματος επιμετάλλωσης. Οι βασικές του λειτουργίες είναι να σφραγίζει το υπόστρωμα, να αποτρέπει τη διάχυση στοιχείων και να παρέχει δομική υποστήριξη. Ο χαλκός, ως υλικό βάσης που χρησιμοποιείται συνήθως, διαθέτει εξαιρετική αγωγιμότητα, θερμική αγωγιμότητα και ολκιμότητα, που μπορεί να βελτιώσει την πρόσφυση της επιμετάλλωσης και την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος-, να μειώσει τα σημεία σύνδεσης και είναι κατάλληλος για συνδέσμους ελατηρίου ή πτύχωσης. Η σύνθεση κυανιούχου μπορεί επίσης να βοηθήσει στον καθαρισμό του υποστρώματος κατά την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση.

Το ηλεκτρολυτικό νικέλιο είναι μια ιδανική επιλογή υλικού βάσης για υποστρώματα χαλκού ή κράματος χαλκού. Μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά τη διάχυση στοιχείων όπως ο χαλκός και ο ψευδάργυρος από το υπόστρωμα στο στρώμα πολύτιμου μετάλλου, αποφεύγοντας το σχηματισμό ευτηκτικής στρώσης που επηρεάζει την πρόσφυση και την αγωγιμότητα. Παρέχει επίσης μια στιβαρή δομική βάση, βελτιώνοντας την αντοχή στη φθορά και την αντίσταση στη διάβρωση της επένδυσης. Το ηλεκτρολυτικό νικέλιο, όπως το σουλφαμικό νικέλιο, έχει επίσης καλή ολκιμότητα, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές επαφής ελατηρίου. Το υψηλό σημείο τήξεώς του (πάνω από 1000 μοίρες ) το καθιστά επίσης κατάλληλο για περιβάλλοντα υψηλής{{5} θερμοκρασίας. Η ηλεκτρολυτική επινικελίωση έχει παρόμοιες λειτουργίες με την ηλεκτρολυτική επινικελίωση, αλλά με υψηλότερη ομοιομορφία επίστρωσης. Η παχιά επιμετάλλωση είναι δυνατή χωρίς να επηρεάζονται οι ανοχές διαστάσεων μερών. Η επιμετάλλωση χωρίς ηλεκτρονίκελ με υψηλή{9}}φωσφόρο, ως μη{10}}μαγνητικό υλικό, είναι κατάλληλο για συγκεκριμένες εφαρμογές, αλλά το χαμηλό σημείο τήξεως (περίπου 800 μοίρες ) και η κακή ολκιμότητα το καθιστούν ακατάλληλο για εφαρμογές σε εξαιρετικά υψηλή Οι επίχρυσες επιστρώσεις-χάλκινου και νικελίου χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό μεεπίχρυσος-επιχρυσωμένος χαλκόςή επινικελίωση για να διασφαλιστεί η σταθερότητα της επίστρωσης.