觸點制造過程表面膜電阻對接觸電阻的影響

2014-07-06 03:24:52蔡旭龍王建宏

機電元件 2014年2期

張強，蔡旭龍，王建宏

(1．寧波漢博貴金屬合金有限公司浙江寧波315221;2．溫州利爾德繼電器有限公司浙江溫州325604)

1 引言

一對觸點相接觸通過一定的電流時，其接觸界面及其附近必然會出現(xiàn)電壓下降，這時的電阻叫接觸電阻。大量實驗和研究證明，接觸元件在接觸過程中產(chǎn)生的接觸電阻由收縮電阻和膜電阻二部分組成。一對閉合觸點沒有接觸電阻是不現(xiàn)實的，但如何使觸點的接觸電阻控制在可接收的范圍，并長時間保持穩(wěn)定的低電阻，是衡量觸點性能的一個基本而重要的指標，它將直接影響電器元件的電性能和接觸可靠性。

2 觸點材料和接觸電阻

觸點材料本身的特性參數(shù)對接觸電阻的影響，主要與材質(zhì)、成分、硬度有關(guān)，如不同材質(zhì)的電阻率大小，銀成分的含量比例及材料的化學(xué)穩(wěn)定性，直接影響接觸電阻的大小和穩(wěn)定性。其次接觸電阻與硬度成正比，同一類材質(zhì)觸點硬度高的觸點比硬度低的觸點接觸電阻高。材料本身的特性可通過新材料的研發(fā)，如在銀基材料中加入某些微量元素，提高電觸點材料自身的抗腐蝕能力等途徑來解決，在此不作詳細闡述。

3 觸點制作過程表面膜電阻

表面膜電阻是觸點表面因外來物污染和化學(xué)腐蝕等原因，而形成的一層導(dǎo)電性很差的物質(zhì)，根據(jù)其形成的原因或化學(xué)成分，觸點制造過程表面膜大致可分為三種:即有機污染膜、無機污染膜和微粒污染膜。本文將重點闡述觸點表面膜層電阻對接觸電阻的影響。

4 有機污染膜

有機成分的表面膜通常是吸收周圍氣氛中的有機蒸汽而形成的，是一種物理吸附。這種薄膜和金屬表面的結(jié)合力較弱，任何金屬的表面暴露在大氣中，在很短的時間內(nèi)就能產(chǎn)生這種氣體分子的吸附層，厚度一般有幾埃到幾十埃，由于具有物理結(jié)合特征，所以只能承受很小的壓力，在高接觸壓力下，吸附膜就會破裂。因此，有機吸附膜對接觸電阻影響較小。

5 無機污染膜

無機污染膜是一種氣體原子和金屬原子的化學(xué)結(jié)合物，如各種氧化物、硫化物、氯化物等就是這種無機膜。由于無機膜的電阻率高而且與金屬原子的結(jié)合力大，在高接觸負載下也可以保持不破裂。因此，無機膜產(chǎn)生的電阻比收縮電阻要大很多倍。也就是說，電觸點材料因化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的無機膜是影響接觸電阻的主要原因之一。

大量實驗證明，觸點無機膜的形成和增長速度與環(huán)境濕度、溫度及時間有密切關(guān)系。如以應(yīng)用最廣泛的純銀或銀基材料觸點材料為例，銀雖然在常溫中不易被氧化，但銀在貴金屬中最易被硫化，與氣體介質(zhì)中的H2S、SO2反應(yīng)，生成Ag2S薄膜，將會引起接觸電阻紊亂性增大。圖1為在常溫20小時條件下，濕度對硫化銀薄膜形成的影響。結(jié)果顯示，腐蝕程度與濕度成正比，但在低濕環(huán)境下增長速度緩慢，當相對濕度大于60%RH以上時，腐蝕量開始急劇增加。圖2為在207℃空氣中氧化銅和硫化銀薄膜的長大與時間的關(guān)系。結(jié)果顯示，氧化銅和硫化銀薄膜的長大均與時間成正比。硫化銀薄膜的厚度不一樣，顏色也不一樣，硫化銀薄膜的厚度和顏色如表1所示。

圖1 常溫下濕度對銀薄膜形成的影響

圖2 高溫下薄膜的長大與時間的關(guān)系

觸點在加工過程中無機污染膜的產(chǎn)生，主要來源于后處理工序、觸點分選工序和觸點的儲存環(huán)境。如后處理有酸洗工序，酸洗后的觸點殘留液未清洗干凈，或酸洗后觸點未及時干燥并流轉(zhuǎn)，均會受到酸性氣氛的腐蝕，而在外觀分選工序，潔凈的觸點有可能長時間暴露在空氣中，就必然會受到氣氛和灰塵的污染，特別是不良的儲存環(huán)境對膜電阻的形成影響也很大，往往潔凈的觸點放在空氣中或在庫房中儲存一段時間后，再檢查就發(fā)現(xiàn)接觸電阻不合格，這就是因為金屬與空氣中的氧、硫化氫進行化學(xué)反應(yīng)，形成了金屬化合物薄膜，即金屬被腐蝕。

表1 硫化銀薄膜的厚度和顏色

鈍化膜的影響:鈍化處理是后處理工序最后一道工藝步驟，也是關(guān)鍵的一步。其目的是在觸點表面形成一層極薄的具有導(dǎo)電性能的防護膜，厚度一般在幾十埃左右，鈍化膜實際上是一種無機金屬膜，可有效隔絕或延緩觸點材料在空氣中的腐蝕，對穩(wěn)定接觸電阻有明顯作用，但必須認識到鈍化膜并不能減少接觸電阻。相反，由于其電阻率高于銀的電阻率好幾倍，反而會增加接觸電阻。因此，無論是何種鈍化工藝，都必須嚴格控制觸點在鈍化液中浸泡的時間，避免形成過厚的鈍化膜。

6 微粒污染膜

微粒污染膜是由各種外來吸附、沉淀或鑲嵌在觸點表面上的異物形成的。微粒污染物幾乎來源于觸點制造的全過程，如冷鐓工序吸附或鑲嵌在觸點表面的銅屑、油污，熱處理工序后沉積或擴散在觸點表面的碳化物，后處理球磨工序中吸附、沉淀或鑲嵌在觸點表面上的磨料粉粒、銅屑，以及在分選、搬運、放置、存儲過程時落在觸點表面的灰塵等外來污染物。微粒污染物形成的膜電阻是影響接觸電阻的主要因素之一，其污染程度與后處理工藝和環(huán)境等密切相關(guān)。

6．1 熱處理前的預(yù)處理影響

熱處理是觸點冷鐓后必不可少的一道工序，目的是為改善觸點結(jié)合強度和調(diào)整硬度，而熱處理前保證觸點表面的潔凈非常關(guān)鍵，這是因為在觸點鐓制后，觸點表面常常吸附有大量雜質(zhì)，如油污、銅屑、灰塵等，這些雜質(zhì)在熱處理前只是以物理吸附的狀態(tài)浮著在觸點表面，用一般的金屬清洗劑即可去除，但如果不預(yù)先進行清洗或清洗不徹底而直接熱處理，這些雜質(zhì)在觸點表面的存在狀態(tài)將發(fā)生變化，如油脂燃燒形成碳顆粒，銅屑或塵土中離子會向觸點材料基體擴散，一旦發(fā)生這些變化，后道工序去除這些附在觸點表面的雜質(zhì)的難度會大大增加，甚至球磨拋光也難以去除干凈。

6．2 球磨拋光工序的影響

球磨拋光工藝一般分粗拋和精拋，目的是為了去除觸點周邊毛刺，消除觸點表面上的微觀凸峰，最終得到微觀平整的高亮光潔的接觸面。觸點球磨拋光時需加入某種固體磨料，如氧化鋁、氧化鎂、氧化硅等研磨顆粒，依靠觸點與磨料之間的相對磨擦來改善觸點表面狀況。但由于在拋光過程中必然會產(chǎn)生大量的磨料粉粒和銅屑粉粒，這些極細的粉粒雜質(zhì)，極易吸附、沉淀在觸點表面上，其殘留量與觸點表面粗糙度和磨料種類有關(guān)，將嚴重影響接觸電阻。如圖3 SEM電鏡掃描顯示，成品觸點表面存在有多種元素的異物雜質(zhì)，檢測結(jié)果表明這些異物為磨料粉粒和灰塵。圖4 SEM圖片為磨料粉粒污染物。特別是當觸點表面粗糙時，殘留在微觀縫隙中的粉粒雜質(zhì)，在后道精拋和酸洗工序都不易去除。圖5為粗糙的觸點表面上銅粉殘留物。

圖3 電鏡成分檢測:觸點表面異物含有 O，Si，Mg，Al，K，F(xiàn)e，Ti元素成分

圖4 觸點SEM圖片

圖5 粗糙的觸點表面上銅粉殘留物

圖6 SEM圖片:觸點表面塵土污染物

6．3 生產(chǎn)環(huán)境中灰塵的影響

空氣中灰塵含有硅、鋁、鎂、鐵、鈉、鉀、鈣等成分，這些聚集在觸點表面的塵土形成的微粒污染膜，導(dǎo)致觸點有效接觸面積減小，接觸電阻增大?；覊m的污染在后處理清洗工序相對容易去除，關(guān)鍵是后處理以后防止灰塵的再污染不容忽視，特別要注意后處理完工的成品觸點要及時流轉(zhuǎn)，觸點分選工序、存儲過程中，要盡量避免觸點長時間暴露在空氣中。生產(chǎn)過程中，觸點極易受到灰塵的污染，用掃描電鏡和x射線能譜儀檢測，失效產(chǎn)品的觸點表面幾乎都有被塵土污染，如圖6 SEM圖片為觸點表面塵土污染物。

6．4 微粒污染物的局部原電池現(xiàn)象

聚集在觸點表面的銅屑、磨料及灰塵粉粒污染物，存在很大的質(zhì)量隱患，當在一定的高濕環(huán)境條件下，這些微粒的某些成分會熔于水，在接觸表面形成電解液，與基底金屬發(fā)生反應(yīng)，即造成局部原電池現(xiàn)象，形成電化學(xué)腐蝕。腐蝕主要發(fā)生在兩種不同金屬相互接觸的邊線附近。如鑲嵌在觸點表面的銅屑微粒，在高濕環(huán)境下，銅屑極易形成電解質(zhì)溶液，較活潑的銅電子將向銀方向移動，即發(fā)生局部原電池現(xiàn)象，隨著時間的增長，銀觸點的腐蝕加劇，嚴重時將產(chǎn)生銅綠，使觸點接觸電阻明顯增加和不穩(wěn)定。

7 穩(wěn)定接觸電阻的預(yù)防對策

由以上分析可知，影響接觸電阻的因素諸多，因此解決接觸電阻問題是個相當復(fù)雜的系統(tǒng)工程。但最主要是如何避免和減少生產(chǎn)過程中微粒污染膜和無機污染膜的產(chǎn)生。從觸點生產(chǎn)工藝和環(huán)境控制方面考慮，可采取的預(yù)防對策很多，在此不一一列舉，僅舉以下幾點為例:

7．1 可在冷鐓機設(shè)備上安裝吹氣裝置，避免粘附在模具內(nèi)的銅屑等異物鑲嵌在觸點上。

7．2 在熱處理工序前增加顯微鏡外觀觀察檢測點，可及時準確的判定預(yù)處理后觸點表面異物情況，確保熱處理后的觸點表面清潔無異物。

7．3 選擇正確的后處理球磨拋光磨料，如選用KC－1切削研磨材料，該磨料為氧化鐵粉磨料，具有硬度高、切削力強，不含Si、Mg、Al成分等特點，球磨時磨料一次性定量使用，球磨拋光后觸點表面平整光滑，明顯優(yōu)于常規(guī)磨料。目前許多廠家從降低生產(chǎn)成本角度考慮，仍使用傳統(tǒng)的石英砂、剛玉類光飾磨料，則必須注意對磨料進行清洗和控制使用次數(shù)。

7．4 實現(xiàn)后處理清洗自動化，淘汰落后的手工操作方式，是生產(chǎn)工藝技術(shù)的一大進步。如在后處理粗拋后選用自動清洗設(shè)備清洗，可做到酸洗、清洗、鈍化、干燥等工藝參數(shù)的量化及封閉式操作，生產(chǎn)現(xiàn)場無酸性氣氛，清洗質(zhì)量的一致性、鈍化膜厚度可有效控制。最大程度的減少了人為因素造成的清洗質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象。

7．5 調(diào)整分選工序流程是十分有效的工藝措施之一，即將原來最后一道分選工序，調(diào)整到在后處理精拋工序之前進行，這樣即可以去除分選工序產(chǎn)生的各種觸點污染，同時又確保后處理結(jié)束后可立即進行真空包裝，大大縮短了成品觸點在空氣中的暴露時間，減少觸點被環(huán)境污染的機會。

7．6 建立干凈整潔的生產(chǎn)現(xiàn)場和干燥、通風、防塵的庫房存儲環(huán)境，是必不可少的基礎(chǔ)工作。對存儲環(huán)境重點是關(guān)注環(huán)境濕度的控制，由于材料在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時都有一個臨界濕度，高于這個臨界濕度時腐蝕速度會急劇加快，尤其在南方的梅雨季節(jié)，環(huán)境相對濕度往往高達80%以上，金屬被化學(xué)腐蝕的風險概率非常大。因此要求庫房濕度必須控制在臨界濕度以下，即存儲環(huán)境的相對濕度至少保持在60%以下。

下圖7、圖8、圖9、圖10為整潔的生產(chǎn)現(xiàn)場。