聞春國(guó) 譯

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

1 引言

EIA、IEC和ASTM等標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)建立了許多與連接器接觸件相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，人們已經(jīng)制定出有關(guān)熱老化、溫度/濕度循環(huán)、熱沖擊、振動(dòng)和腐蝕等應(yīng)力試驗(yàn)的技術(shù)文件。不過(guò)，這些標(biāo)準(zhǔn)中大多數(shù)很少提供或沒(méi)有提供什么時(shí)候或?yàn)槭裁床捎眠@些方法，也沒(méi)有提供為各種應(yīng)用場(chǎng)合提供什么樣的加速因素。這樣一來(lái)，人們難以解釋在一個(gè)特定試驗(yàn)中所得出的結(jié)果。換句話說(shuō)，人們一般還并不知道與預(yù)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)老化相比的試驗(yàn)條件下究竟發(fā)生了什么程度的老化。用戶可以對(duì)預(yù)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)老化做出解釋，然而，大多數(shù)用戶卻很少能為其試驗(yàn)規(guī)范要求提供合理的原理闡述。在某些情況下，他們的確不知道，因?yàn)樗麄冎皇遣捎脛e人過(guò)去已經(jīng)采用的試驗(yàn)。在許多情況下，人們采用超出實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)。這對(duì)供應(yīng)商和用戶來(lái)說(shuō)都涉及到一個(gè)成本問(wèn)題。在現(xiàn)今的全球連接器市場(chǎng)上，根據(jù)預(yù)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件和某一給定應(yīng)用場(chǎng)合下的應(yīng)用情況來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品就具有一定的優(yōu)勢(shì)條件。

本文將討論有關(guān)銅合金鍍錫或鍍錫/鉛連接器接觸件的一些重要問(wèn)題。通過(guò)一些已知的接觸件失效機(jī)理，采用一種分析方法來(lái)分析這些材料在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件下的老化過(guò)程。這涉及到如何理解老化過(guò)程中時(shí)間與材料特性的相關(guān)關(guān)系。在下列章節(jié)中所提供的分析主要是采用相關(guān)的材料數(shù)據(jù)和產(chǎn)品試驗(yàn)并通過(guò)已知的失效機(jī)理的加速模型來(lái)完成的。采用這一方法可以評(píng)估發(fā)生在某一特定應(yīng)用場(chǎng)合下可能發(fā)生的老化問(wèn)題，這樣就可以通過(guò)評(píng)估試驗(yàn)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)各種鍍錫銅合金接觸件的加速試驗(yàn)。

2 接觸件的失效機(jī)理

本研究報(bào)告所涉及的失效機(jī)理為連接器接觸材料的長(zhǎng)期老化過(guò)程。雖然在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也可能存在其它失效機(jī)理，但本文并不包括由不當(dāng)使用或偶爾發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)的特殊條件下所導(dǎo)致的特殊失效模式。

眾所周知，良好的電接觸取決于幾個(gè)因素。在采用鍍錫接觸件的情況下，需要有足夠的壓力和摩擦來(lái)破壞接觸表面始終存在的一層較薄的氧化膜。在這種情況下，相對(duì)于較軟的賤金屬來(lái)說(shuō)，氧化物由于具有其固有的脆硬性而容易發(fā)生位移。一般來(lái)講，透過(guò)表面所形成的一層薄薄的氧化層而隨后發(fā)生的氧化過(guò)程就顯得相當(dāng)緩慢，而且在正常工作條件下通常不會(huì)成為一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題。不過(guò)，正如Ant1er等人所指出的那樣，在高溫以及相對(duì)濕度增大并存在腐蝕物(如氯化物和氮氧化合物)的情況下，氧化物的生長(zhǎng)速度明顯加快。因此，如果接觸件初始?jí)毫μ突蛘叩陀谧畹陀行е担敲?，在這些條件下氧化物的生長(zhǎng)就可能成為一個(gè)問(wèn)題。在任何情況下，如果在使用過(guò)程中，接觸件界面由于隨機(jī)干擾而偶爾發(fā)生位移的話，那么只要保持足夠的接觸件壓力，而且能夠保持錫固有的機(jī)械特性，接觸件仍會(huì)保持穩(wěn)定。如果在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，這些特性其中任何一個(gè)或兩個(gè)同時(shí)發(fā)生較大的變化，那么，接觸件性能就會(huì)變得不穩(wěn)定，連接系統(tǒng)的性能就會(huì)出現(xiàn)劣化。

在加速試驗(yàn)中，我們將分析三個(gè)老化過(guò)程:錫氧化物生長(zhǎng)、應(yīng)力松弛以及錫和賤金屬之間形成金屬間互化物。而金屬間互化物的形成可能會(huì)成為改變錫鍍層機(jī)械特性的一個(gè)重要因素。這可能影響到接觸件簧片有效清除氧化物并保持金屬間接觸的能力。此外，微振腐蝕也是最重要的失效模式之一。眾所周知，接觸界面處的微循環(huán)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致氧化物積聚。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可能發(fā)生的熱循環(huán)或機(jī)械振動(dòng)都可能會(huì)導(dǎo)致這種情況的發(fā)生。顯然，在設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)時(shí)必須考慮到這兩種因素。

在振動(dòng)方面，我們應(yīng)該考慮兩個(gè)因素。首先，接觸件除了微振腐蝕外，還可能發(fā)生機(jī)械疲勞，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的失效現(xiàn)象。其次，在許多應(yīng)用中，人們對(duì)振動(dòng)應(yīng)力的高低并不十分清楚，因?yàn)閼?yīng)力的大小取決于振源和元件的安裝。因此，大多數(shù)振動(dòng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)并不是用來(lái)模擬加速現(xiàn)場(chǎng)條件的，而是形成一種被認(rèn)為是應(yīng)用條件下可能發(fā)生的最惡劣的應(yīng)力條件。在許多情況下，標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，這樣就使元件產(chǎn)生了過(guò)大的應(yīng)力。雖然振動(dòng)和沖擊可能是重要的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力，但在本文中我們并不探究這一問(wèn)題，因?yàn)檫@要花費(fèi)很大精力去為這類試驗(yàn)建立相關(guān)的加速參數(shù)。

值得注意的是，作為最后一個(gè)需要考慮的參數(shù)，薄薄的錫氧化層相對(duì)來(lái)說(shuō)是較為穩(wěn)定的，而且在許多應(yīng)用中可以抑制其周圍的環(huán)境腐蝕。有關(guān)腐蝕問(wèn)題，人們已經(jīng)爭(zhēng)論了好幾年，在 ASTM和Bellcore標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)為我們提供了各種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法。這種名為"混合流動(dòng)氣體試驗(yàn)"的試驗(yàn)方法是根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)暴露和環(huán)境分類來(lái)進(jìn)行的。因此，某一特定類別試驗(yàn)的加速因素可能與預(yù)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕密切相關(guān)。雖然腐蝕問(wèn)題不為人們重視，但決不應(yīng)該被人們忘記。在某些情況下，當(dāng)采用一層薄薄的鍍錫層時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)賤金屬暴露或出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在這種情況下，腐蝕問(wèn)題可能就會(huì)成為影響性能的因素之一。不過(guò)，人們普遍認(rèn)為良好的錫鍍層不可能會(huì)發(fā)生明顯暴露出賤金屬的腐蝕現(xiàn)象，所以腐蝕試驗(yàn)不再列入本文的分析對(duì)象。

此外，本文還將討論鍍錫銅合金接觸件在氧化、金屬間互化物形成和應(yīng)力松弛以及微振腐蝕方面的加速老化過(guò)程。相信，這些劣化機(jī)理對(duì)接觸件電性能具有巨大的影響作用?？梢岳貌牧系南嚓P(guān)數(shù)據(jù)為每種影響因素建立一個(gè)相關(guān)模型。這些模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)某一特定應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的劣化情況，并提供相應(yīng)的加速試驗(yàn)參數(shù)。

3 老化模型——金屬間互化物的形成與應(yīng)力松弛

在前面所討論的四種老化機(jī)理中，氧化、金屬間互化物形成和應(yīng)力松弛屬于熱活化過(guò)程。在這些情況下，可以用溫度－時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)確定冪定律的時(shí)間從變量，也可以采用Arrthenius分析來(lái)確定作為溫度函數(shù)的速度常量。這一模型可以用下列公式表示。

式中，D表示熱活化特性參數(shù)如氧化物的厚度、金屬間互化物形成和應(yīng)力松弛。t為時(shí)間，k、A和B取自材料數(shù)據(jù)。K為絕對(duì)溫度，應(yīng)力松弛的時(shí)間t單位為小時(shí)，而金屬間互化物形成的時(shí)間t單位則為天數(shù)。我們知道，B與其相應(yīng)過(guò)程的活化能密切相關(guān)。

采用這一模型往往會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，即老化機(jī)理可能會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)闇囟忍岣邥?huì)加快這一過(guò)程。因此，必須注意檢查活化能在溫度提高后是否保持不變。公式(1)用來(lái)為某一特定的過(guò)程收集溫度－時(shí)間數(shù)據(jù)以繪制某一固定時(shí)間的ln(D)－1/T變化曲線。該曲線的斜率應(yīng)該保持不變。如果確實(shí)如此，那么，斜率值為B。這樣，采用上述確定的B值繪制出ln(D)－ln(t)曲線即可得出A和k值。這樣就可以產(chǎn)生一條直線，而斜線和切線分別提供k和A。如果后一條曲線的斜率不是常數(shù)，那么就必須更改(1)所表示的數(shù)學(xué)模型。人們發(fā)現(xiàn)，在氧化生長(zhǎng)過(guò)程中的確出現(xiàn)了這一情況，這我們將在下一節(jié)進(jìn)一步闡述。人們采用一些研究機(jī)構(gòu)所得出的數(shù)據(jù)并根據(jù)公式(1)來(lái)確定銅/錫金屬間互化物的形成以及磷青銅和黃銅應(yīng)力松弛速度常量，其結(jié)果參見(jiàn)表1。

表1 Arrthenius冪定律常數(shù)

值得注意的是，這些數(shù)據(jù)適用于各種鍍層和賤金屬。在每種情況下，必須確定B和A。影響金屬間互化物常數(shù)的因素主要有鍍層合金、工藝添加劑、顯微結(jié)構(gòu)和賤金屬。在出現(xiàn)應(yīng)力松弛的情況下，合金類型、回火、冷軋加工參數(shù)和初始應(yīng)力大小等因素非常重要。

采取為這一模型確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可以建立一個(gè)數(shù)學(xué)公式，以計(jì)算接觸件的現(xiàn)場(chǎng)老化情況。因?yàn)闇囟让刻於疾煌?，需要考慮到隨著時(shí)間和溫度所發(fā)生的周期性非線性變化。從圖1可以看出兩種溫度的典型老化曲線。在該實(shí)例中，當(dāng)溫度在T1時(shí)老化開(kāi)始，持續(xù)時(shí)間為t1。結(jié)果，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t2之后，其溫度變化到T2。因此，溫度T2暴露變化到溫度T1暴露之后，D初始值便變化為最終值D1。因?yàn)槔匣^(guò)程并不會(huì)呈現(xiàn)出一種線性變化趨勢(shì)，每一種溫度變化和時(shí)間間隔的變化情況必須在這個(gè)計(jì)算公式中加以考慮。時(shí)間間隔的變化采用數(shù)學(xué)歸納法來(lái)完成。這一過(guò)程包括計(jì)算D1在T2條件下發(fā)生老化所需要的時(shí)間，并把這一值添加到間隔時(shí)間t2中以計(jì)算出新的D2值。

圖1 D熱加速生長(zhǎng)實(shí)例

我們首先對(duì)幾種連續(xù)發(fā)生的情況進(jìn)行計(jì)算，然后歸納出數(shù)學(xué)公式，其結(jié)果如下:

式中，Kn+1=e(A－B/Tn+1)。公式(2)用于疊代過(guò)程，即采用前面的計(jì)算結(jié)果作為下一次時(shí)間間隔的輸入值來(lái)進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。這一間隔可以定義為一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)所預(yù)期發(fā)生的溫度分布圖。在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，該溫度分布圖只是用溫度步幅近似得出。例如，當(dāng)設(shè)備開(kāi)動(dòng)之后，其環(huán)境溫度可能會(huì)從室內(nèi)溫度升高到工作溫度的上限。因此，測(cè)試元件每24小時(shí)可能會(huì)有8小時(shí)處于55℃之下，或每24小時(shí)有16小時(shí)處于23℃之下。公式(2)可以用來(lái)運(yùn)算作為系統(tǒng)有效壽命的年數(shù)的這一分布情況。用這種方法可以計(jì)算出某一特定劣化過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)老化情況。在本文的分析中，可以采用這一步驟來(lái)解釋金屬間互化物的形成和應(yīng)力松弛。值得注意的是，這一步驟并不能說(shuō)明相關(guān)的溫度轉(zhuǎn)換。這里，假定溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間與保持時(shí)間相比很小。不過(guò)，如果將溫度轉(zhuǎn)換區(qū)劃分成一定數(shù)量的較小的時(shí)間間隔時(shí)，就可能會(huì)包括轉(zhuǎn)換時(shí)間。

4 老化模型——氧化

我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生氧化的情況下，氧化物的生長(zhǎng)要好于Gabe等人發(fā)現(xiàn)的一個(gè)數(shù)學(xué)模型所表示的那樣。他們所提供的數(shù)據(jù)用來(lái)建立下列對(duì)數(shù)關(guān)系式:

式中，d為氧化物厚度(埃)，t為時(shí)間(小時(shí))，而a、c和b取決于溫度大小。

式中，T為給定的K氏溫度。需要注意的是，公式(3)－(6)是采用圖3所給數(shù)據(jù)建立的。這一模型在高溫條件下與這些數(shù)據(jù)非常吻合(在100℃及100℃以上時(shí)，誤差小于5%)。而后者從一系列高溫試驗(yàn)中提供氧化物的生長(zhǎng)情況。人們認(rèn)為，這一試驗(yàn)條件可以代表干燥條件。不過(guò)，筆者認(rèn)為在相對(duì)濕度為80%的空氣中，其生長(zhǎng)速度比干燥空氣中的生長(zhǎng)速度高出50%左右。有關(guān)相對(duì)濕度的加速作用，其他研究人員也曾經(jīng)得出類似的看法。在任何情況下，相對(duì)濕度都可能成為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)影響因素。在評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)劣化和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)時(shí)，我們應(yīng)該考慮到這一因素。

在發(fā)生氧化的情況下，采用類似的步驟(2)為氧化過(guò)程建立下列計(jì)算公式:

式中，hn+l=bn+1e(dn/an+1)，正如上面所看到的那樣，這是一個(gè)疊代算式，它要求輸入最后的間隔時(shí)間以計(jì)算隨后需要的時(shí)間。計(jì)算公式(7)可以計(jì)算出氧化過(guò)程中的累積老化時(shí)間，其用法與(2)相同。

5 老化模型——微振腐蝕

熱循環(huán)或振動(dòng)可能會(huì)對(duì)微振腐蝕起到活化作用。在本文的分析中，我們用熱循環(huán)作為微振運(yùn)動(dòng)的主要誘因，因?yàn)槿藗兒茏匀坏卣J(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)的工作條件下熱循環(huán)現(xiàn)象一般都有可能發(fā)生。人們認(rèn)為，熱循環(huán)的溫度變化是影響劣化速度的一個(gè)重要因素。R.D.Malucci在《微振參數(shù)對(duì)接觸件劣化的影響》一文中提出的模型基于模擬的微振數(shù)據(jù)和實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果。采用兩個(gè)具有不同溫度變化且類型明顯不同的熱循環(huán)試驗(yàn)來(lái)確定下列模型的參數(shù)。

式中，我們假定取決于溫度變化ΔT的接觸電阻變化平均值ΔR增大到p次方。而且，對(duì)微振循環(huán)次數(shù)C的依存關(guān)系呈現(xiàn)出拋物線函數(shù)關(guān)系(即式中m=2)。雖然這些數(shù)據(jù)并不是很充分，但是假定m=2，k＇為常數(shù)時(shí)，其結(jié)果顯示 p 次方約為 2.28。這一結(jié)果可以謹(jǐn)慎地作為代表兩種情況的數(shù)據(jù)組。

圖2 鍍錫銅合金接觸件在實(shí)驗(yàn)室條件下的微振試驗(yàn)

建議至少采用3組數(shù)據(jù)來(lái)建立幕定律。所以，在圖2中，我們也提供了一些額外數(shù)據(jù)。該圖顯示4組數(shù)據(jù)。其中，兩組來(lái)自《微振參數(shù)對(duì)接觸件劣化的影響》中磷青銅接觸件的測(cè)試結(jié)果，另外兩組則來(lái)自黃銅接觸件的獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果。所有這些接觸件均采用相同的簧片設(shè)計(jì)。試驗(yàn)步驟為:改變溫度(見(jiàn)表2)，每隔一定時(shí)間檢測(cè)其接觸電阻。其中，3個(gè)試驗(yàn)為熱沖擊試驗(yàn)，而第三個(gè)為溫度/濕度循環(huán)暴露試驗(yàn)。其接觸電阻是在干電路條件下測(cè)試的。計(jì)算接觸電阻平均變化的樣品數(shù)至少為30個(gè)接觸件(表2中的前兩組試驗(yàn))。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室微振試驗(yàn)條件

表3 各種試驗(yàn)條件下的相對(duì)氧化速度

圖3 鍍錫銅合金接觸件在實(shí)驗(yàn)室條件下的微振數(shù)據(jù)，曲線代表模型預(yù)測(cè)值

從表2可以看出，前兩種情況來(lái)自Malucci的《微振參數(shù)對(duì)接觸件劣化的影響》，然后再設(shè)計(jì)出后兩種情況，以探討高濕和較高上限溫度對(duì)接觸材料所產(chǎn)生的影響。從圖2所示的曲線可以看出，濕潤(rùn)環(huán)境和較高的上限溫度起著加速腐蝕的作用，這可以看作是加速氧化物生長(zhǎng)和可能發(fā)生的應(yīng)力松弛的結(jié)果。這些因素?zé)o法通過(guò)有限的數(shù)據(jù)組來(lái)加以解釋。因此，在下列分析中，我們對(duì)公式(8)中所代表的模型作了相應(yīng)的改動(dòng)。

根據(jù)(12)中所給定的w，前面所述的其它所有因素K和 s從數(shù)據(jù)組中得出，如 s=0.246，K=1.36×10－8(這就給出 ΔR，單位為 mΩ)。應(yīng)該注意的是，K與特定產(chǎn)品直接相關(guān)，用來(lái)確定接觸件在某一特定試驗(yàn)條件下的性能特性。另一方面，公式(14)中的其它參數(shù)與材料或試驗(yàn)環(huán)境的一般特性有關(guān)。每個(gè)因素有了該值就可以根據(jù)結(jié)果繪制出實(shí)驗(yàn)室條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，見(jiàn)圖3。此外，我們還收集了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)組，以便于進(jìn)行相關(guān)的對(duì)比分析。這些數(shù)據(jù)與圖2中的對(duì)數(shù)函數(shù)曲線所表示的數(shù)據(jù)相同。

可以看出，這一模型與熱循環(huán)數(shù)據(jù)非常吻合，50℃ －80℃試驗(yàn)組除外。人們普遍認(rèn)為，50℃ －80℃試驗(yàn)出現(xiàn)偏差主要是因?yàn)楦邷丨h(huán)境對(duì)氧化的加速影響的結(jié)果。值得注意的是，公式(14)所代表的模型包括了諸如溫度變化范圍、氧化速度、保持時(shí)間和應(yīng)力松弛等因素。這一方法比早期方法要精確得多，而且可以為這類試驗(yàn)提供一個(gè)更為可靠的計(jì)算加速因素的方法。因此，采用公式(14)中的n、p、m和s來(lái)提供試驗(yàn)之間的相對(duì)加速度。將兩個(gè)給定試驗(yàn)建立相應(yīng)的ΔR公式，計(jì)算出微振循環(huán)的相對(duì)次數(shù)即可完成。其結(jié)果如下:

從公式(15)可知，參數(shù)K已經(jīng)被消去。這就減少了某一特定設(shè)計(jì)的特征曲線，使得(15)更適合于進(jìn)行一般分析。

表4 預(yù)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)老化與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

需要注意的是，這一模型是采用基本相同的連接器設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果而建立的。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括成型接觸件簧片冠簧和方形插針之間的單接點(diǎn)。這些接觸件由銅和賤金屬合金(黃銅或磷青銅)制成，其表面鍍有3～5μm的錫或錫鉛。

6 劣化分析

公式(14)和(15)可以用來(lái)分析不同試驗(yàn)方法的有效性。例如，人們一開(kāi)始是從熟悉的辦公環(huán)境(即晝夜溫度變化范圍一般在23℃ ～55℃之間)條件下的應(yīng)用情況來(lái)進(jìn)行分析的。因此，在白天8小時(shí)應(yīng)用過(guò)程中，其溫度在55℃左右，而下班期間其溫度一般穩(wěn)定在23℃左右。為了便于分析，我們可以忽略濕度因素對(duì)接觸件所產(chǎn)生的影響。在這一應(yīng)用中，極限溫度存在32℃的溫差，而且r值需要以辦公室環(huán)境作為參考值。在每一種情況下，采用新的相對(duì)r和溫度差，應(yīng)用公式(15)可以確定相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)工作10年的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)表4。其中，第一行表示每種賤金屬10年(即3560天(次))現(xiàn)場(chǎng)暴露情況。借助于公式(15)所得出的循環(huán)次數(shù)，我們可以用公式(2)和(3)所表示的式子來(lái)計(jì)算出每個(gè)試驗(yàn)的劣化程度，即金屬間互化物形成的量、應(yīng)力松弛以及氧化物的量。圖4～圖6為我們提供了由于暴露而產(chǎn)生的氧化物、形成金屬間互化物和應(yīng)力松弛的程度大小。為了進(jìn)行比較，表4提供了從圖中得出的每個(gè)試驗(yàn)的量化數(shù)據(jù)，以計(jì)算相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用10年所需要進(jìn)行的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。

在表4中，Ox是氧化物生長(zhǎng)(單位為埃)，1M為金屬間互化物的生長(zhǎng)(單位為微米)，而SR則表示應(yīng)力松弛情況(單位為%)。我們可以設(shè)想，在理想狀態(tài)下接觸件的現(xiàn)場(chǎng)劣化情況類似于這些老化過(guò)程。從表4中可以看出，沒(méi)有一個(gè)試驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)所看到的那么多的金屬間互化物(表4中的23℃ ～55℃試驗(yàn)欄)。另外，在氧化和應(yīng)力松弛方面，25℃ ～70℃試驗(yàn)欄則顯示并不怎么適宜，而70℃/150℃試驗(yàn)欄則顯示其劣化現(xiàn)象太嚴(yán)重。這就要求把其它兩組試驗(yàn)(即 －40/105℃和50℃ ～80℃試驗(yàn))作為候選對(duì)象。所不同的是，這些試驗(yàn)可以產(chǎn)生比現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件下少得多的金屬間互化物。而且，50℃ ～80℃試驗(yàn)組顯示它與400次循環(huán)處的模型明顯不同，參見(jiàn)圖3。可以認(rèn)為，這是由于高濕度的加速作用所產(chǎn)生的結(jié)果。

圖4 各種實(shí)驗(yàn)室條件(非微振腐蝕)下的氧化物的生長(zhǎng)情況，模擬的現(xiàn)場(chǎng)條件為23/55℃溫度變化

在該模型中，沒(méi)有考慮這一點(diǎn)，因此可以看出最能模擬四種劣化機(jī)理中的三種機(jī)理(即微振腐蝕、氧化和應(yīng)力松弛)的是－40/105℃組試驗(yàn)。不過(guò)，如果錫鍍層的初始厚度足夠大的話(這樣就有充足的自由錫留在表面)，所形成的金屬間互化物就不會(huì)影響接觸件的現(xiàn)場(chǎng)電接觸性能，因此可以將－40/105℃試驗(yàn)視為這一應(yīng)用條件下鍍錫接觸件的一種行之有效的測(cè)試。值得注意的是，表4中的數(shù)據(jù)代表現(xiàn)場(chǎng)10年的使用壽命。假如將它改為5年的話，則每個(gè)試驗(yàn)所需的次數(shù)可以減半進(jìn)行，其劣化程度將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖5 各種實(shí)驗(yàn)室條件下的金屬互化物(IM)的生長(zhǎng)情況，模擬的現(xiàn)場(chǎng)條件為23/55℃溫度變化

圖6 (a)各種實(shí)驗(yàn)室條件下的“黃銅接觸件”的應(yīng)力松弛，現(xiàn)場(chǎng)暴露的溫度為23/55℃;(b)各種實(shí)驗(yàn)室條件下的“磷青銅接觸件”的應(yīng)力松弛，現(xiàn)場(chǎng)暴露的溫度為23/55℃

7 討論

從這一分析可以明顯看出，每個(gè)老化過(guò)程速度各不相同。這就很難設(shè)計(jì)出單一的試驗(yàn)來(lái)說(shuō)明所有的劣化機(jī)理。正如上例所述，一般需要人們進(jìn)行綜合考慮。不過(guò)，為了做出折衷選擇，需要采用上述模型進(jìn)行分析。圖3表示各種試驗(yàn)條件下接觸電阻的平均變化值與微振次數(shù)的關(guān)系曲線，圖中所給的曲線分別代表本文所建立的模型。可以看出，這些試驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)與模型非常吻合，只是70℃～l5O℃這組試驗(yàn)在微振400次以后出現(xiàn)了例外?？梢哉J(rèn)為，與這一試驗(yàn)相關(guān)的高濕條件是導(dǎo)致氧化速度加快的主要原因。不過(guò)，我們還沒(méi)有足夠的證據(jù)來(lái)確定在這一模型中濕度因素究竟占了多大成分。另一方面，只要理解到現(xiàn)場(chǎng)的氧化速度，并像公式(9)中的r一樣將它作為一個(gè)相對(duì)因素考慮進(jìn)去，那么，它就可能不再是一個(gè)嚴(yán)重的制約因素。應(yīng)該提出的是，相對(duì)氧化速度是根據(jù)錫的數(shù)據(jù)得出的，而每種環(huán)境條件下測(cè)試的產(chǎn)品具有組合鍍層結(jié)構(gòu)如從純錫到共晶錫鉛合金。而錫鉛合金估計(jì)不會(huì)嚴(yán)重影響分析結(jié)果，因?yàn)殄a和共晶錫鉛合金之間的相對(duì)氧化速度相差20%左右，而且產(chǎn)品數(shù)據(jù)一般包括了這些鍍層的相互插合(即錫插孔對(duì)錫/鉛合金端子)。因此，因這一近似計(jì)算而產(chǎn)生的誤差估計(jì)約為最大值的10%。至于70℃ ～150℃組試驗(yàn)，即使是溫度變化幅度較小，劣化速度的增大也被認(rèn)為是由應(yīng)力松弛和氧化速度增大導(dǎo)致的。表4顯示這一試驗(yàn)組比其它試驗(yàn)組產(chǎn)生了更大的應(yīng)力松弛。由此可見(jiàn)，壓力下降以及氧化速度上升對(duì)微振劣化速度產(chǎn)生了重大的影響。這一結(jié)論也得到了一些相關(guān)試驗(yàn)的支持。研究發(fā)現(xiàn)，具有較低壓力的接觸件在微振條件下劣化速度更快。在最后一項(xiàng)分析中，這些結(jié)果顯示歸納的與現(xiàn)場(chǎng)劣化具有相同水平的應(yīng)力松弛和氧化非常重要。因此，一種有效的試驗(yàn)方法必須能夠產(chǎn)生與現(xiàn)場(chǎng)劣化同等的應(yīng)力松弛和氧化水平。

8 結(jié)束語(yǔ)

建立相關(guān)的計(jì)算公式可以模擬一定試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)條件下的各種老化機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn)，將氧化速度、應(yīng)力松弛和溫度變化綜合到一個(gè)模型中即可建立微振腐蝕模型，然后再比較微振模型預(yù)測(cè)值、老化模擬和產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果，可以揭示作為影響劣化速度重要因素的溫度和應(yīng)力松弛。其結(jié)果說(shuō)明，這種方法可以用來(lái)分析確定其在檢測(cè)產(chǎn)品在特定現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件下的有效性。而且，人們相 信這里所提供的微振模型具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，可以?yīng)用于設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)，以檢驗(yàn)鍍錫銅賤金屬合金接觸件的有關(guān)性能。這主要是基于一種考慮，即微振劣化可能是由于現(xiàn)場(chǎng)熱循環(huán)產(chǎn)生的差動(dòng)熱膨脹導(dǎo)致的。文中分析顯示，作為一個(gè)重要因素的應(yīng)力松弛還需附加一些數(shù)據(jù)和相關(guān)分析，以便為微振腐蝕建立一個(gè)函數(shù)關(guān)系。此外，雖然濕度在現(xiàn)場(chǎng)暴露顯得非常重要，但人們還不清楚在加速試驗(yàn)中它是否是一個(gè)必要的因素。為此，還需要對(duì)一些情況作進(jìn)一步的研究以明確回答這一問(wèn)題。真正需要確定的是在高溫潮濕條件下氧化膜的性質(zhì)是否會(huì)發(fā)生變化。人們已經(jīng)研究過(guò)發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)以及高溫潮濕條件下氧化膜的類型。研究顯示，在兩種情況下，一開(kāi)始形成SnO和SnO2的雙重生成物，而SnO2積聚在外層。隨著膜層的逐漸老化，SnO轉(zhuǎn)化成SnO2。這一現(xiàn)象與時(shí)間密切相關(guān)，它可以有效地加速微振劣化，所以可以支持應(yīng)用干燥高溫測(cè)試。最后，應(yīng)該提出的是，這種試驗(yàn)方法代表應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)自然存在的一種應(yīng)力。這種方法并不影響采用其它重要的機(jī)理測(cè)試，如振動(dòng)和機(jī)械沖擊試驗(yàn)。不過(guò)，正如本文所討論的那樣，應(yīng)該將溫度循環(huán)看作是檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件下鍍錫接觸件最重要的規(guī)范要求。

［1］ J.H.Lau，"Thermal stress analysis of SMT PQFP package and interconnections，"ASME J.Electron.Package，vol.111，pp.2 －8，Mar.

［2］ W.Bolton，Engineering Materials Handbook.Boca Raton，F(xiàn)L:CRC，1989.