麻力，王爽，李旭，侯小利

（中國電子技術(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，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，使其成為航空航天等軍事領(lǐng)域的關(guān)注對象。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傳輸功能的電連接器接觸件，安裝時依靠自身彈性固定，不需要進行釬焊固定，也無需氧化清洗，其安裝、調(diào)試、維護十分簡便，具有很高的實用價值及廣闊的應(yīng)用前景。目前，對該產(chǎn)品的認(rèn)識還很不足，產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的評價方法，均存在很多空白。

1 毛紐扣結(jié)構(gòu)特點

毛紐扣接觸件由極細的金屬絲隨機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），接觸件軸向可以實現(xiàn)15%～30%的彈性壓縮，結(jié)構(gòu)非常簡單且兼具信號傳輸與彈簧功能。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)同時實現(xiàn)了信號傳遞和減震的功能，而且沒有其他可能導(dǎo)致故障或者降低信號完整性的部件，可以提供非常低的信號失真水平。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)接點或用戶定制接點，具有體積小、信號完整性好的優(yōu)點，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 國外研究現(xiàn)狀

毛紐扣接觸件于1959年首次引入電子市場，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，使其成為航空航天等軍事領(lǐng)域的關(guān)注對象，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，很難查到國外毛紐扣的研究文獻，已有的研究也主要集中在傳導(dǎo)模型的建立、個別影響可靠性的要素驗證以及個別制作工藝對信號傳輸?shù)挠绊懛矫?，未查詢到有關(guān)毛紐扣鍍層質(zhì)量方面的公開報道。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(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、陜西華達、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)格還處于無序增長狀態(tài)。

按鈹青銅的電鍍時機不同，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，原絲直徑大多在0.02～0.05mm之間，對極細鈹青銅絲直接電鍍的工藝難度極大，先對鈹青銅絲電鍍再纏繞、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，成型后再對鈹青銅絲進行電鍍，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，國內(nèi)對毛紐扣接觸件的研究主要集中在從試驗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等方面缺少相關(guān)的國家及行業(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，對基底金屬材料有著很好的附著性，可保護基底材料不被腐蝕。當(dāng)鍍金層較薄時，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基底金屬，還會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散，當(dāng)金屬銅擴散到鍍金層表面后，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，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)確測量鍍層厚度，對于研究鍍層厚度對產(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 常用的鍍層厚度測量方法

目前檢測中常用的鍍層厚度測量方法有研磨制樣金相法、庫侖法及X射線熒光法。

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

庫侖法是一種破壞性測試方法，其在被測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，電解池電壓發(fā)生突變，以此作為測量終點。根據(jù)庫侖定律，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、密度以及陽極溶解的電流效率計算鍍層的局部厚度。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)而實現(xiàn)的測量方法，測量原理基于強烈且狹窄的微束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)的能量位置及其強度可以得到鍍層組成及厚度的信息。其測量準(zhǔn)確度強烈依賴于標(biāo)樣與待測試樣的相近程度，是目前鍍層厚度檢測中應(yīng)用最廣泛的方法。但該方法要求待測面積不能小于準(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試方法

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

6.1 測試樣品

測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)氧樹脂對樣品進行真空灌封，使用自動研磨機設(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，很多剖切點未能實現(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)重影響鍍層厚度測量精確度。另外，從圖5中發(fā)現(xiàn)有些剖切點存在鍍層嚴(yán)重不均勻的情況。為進一步核實情況，采用掃描電子顯微鏡對試樣做進一步檢查。

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，對這些信息收集、放大、再成像，以達到對物質(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到1nm，放大倍數(shù)可以達到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中隨機選取一塊區(qū)域放大進行檢查。

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，使得測量金層厚度時無法準(zhǔn)確獲取其真實值。

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中選擇一個形狀最接近圓形的截面進行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，在研磨制樣過程中鍍金層未發(fā)生明顯延展。為準(zhǔn)確測量鍍金層厚度，將放大倍數(shù)調(diào)整到10000倍，并分別選取最大最小兩個點測量鍍金層厚度。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，但均未達到表1中不小于1.27μm的規(guī)定。說明此方法可以相對準(zhǔn)確地測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

本測量方法有效規(guī)避了鍍金層延展導(dǎo)致測不準(zhǔn)的問題，為毛紐扣接觸件鍍金層厚度的測試和評價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。通過強電流離子束對表面原子進行剝離，以完成微、納米級表面形貌加工。通過FIB制樣可以不通過加鍍鎳層，直接對毛紐扣原絲進行離子束切割，并通過SEM放大檢查測量。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對金屬原絲整面切割制樣比較費時，且試驗成本高昂，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分別對大體量銑削制樣和小體量銑削制樣進行了鍍層厚度測試。

圖15 FIB 大體量銑削制樣效果

圖16 FIB 小體量銑削制樣效果

本測量方法是在未加鍍鎳層的前提下進行的制樣測試方法，雖然不會引發(fā)金鍍層的外擴延展，但費時費力且檢驗費用高昂，只適用于仲裁檢測及分析研究。

7 結(jié)語

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。