电接触与电接触材料(三)

三： 一是降低表面硬度以增加接触面积； 二是选用导 电性优于基体材质的涂层降低接触电阻；三是消除 原金属表面存在的绝缘氧化膜。同时导电涂层还起 着抗污染、 抗氧化、 抗腐蚀、 抗机械磨损等作用。 在铜基连接器表面镀金是提高电接触可靠性的 重要手段， 然而环境 （包括高湿度、 苛刻的污染环境、 户外环境等） 试验结果表明， 即使采用镀金涂层也不 能避免腐蚀，其原因在于镀金层含有气孔等缺陷。 因此， 镀金层必须要有足够的厚度， 无气孔， 才能使 连接器接触可靠。由于镀金成本太高，也曾试验用 其它材料替代， 但效果不够理想， 如镀钯层易晦暗并 形成金属有机化合物。钯 - 银、 锡 - 铅、 锡 - 镍、 钴 - 金等复合镀层则具有较好效果。在铝基连接器表 面镀锡 - 镍被认为是减缓表面腐蚀及氧化的较好工 艺。 有导电膜层时， 为了建立接触电阻数学模型， 需 要应用数值分析方法来获得接触电阻与镀层材料电 阻率、接触斑点尺寸与镀层厚度的比值等影响因素 之间的关系。图 l 是有镀层时的电流分布状况示意 图。假设镀层材料的电阻率大于基材，斑点半径接 近镀层厚度，电流从斑点扩散流向镀层基材 （图 基材中斑点的电压降与膜 / 基材界 la ） , 在此情形下， 面垂直方向的电压降相比可忽略不计， 所以镀层 / 金 属界面可以认为是一等位面， 镀层中电流密度均匀， 扩散电阻由下式给出 [l ]： ! S =! / 4 $ 式中 ,! 为基体材料的电阻率。 （ l）
-l
l/2
之间的关系判断有无污染
图"
不同尺寸金探针与新抛光铜间接触力与接触电阻关系
图 4 和图 5 都证实了金属与金属间接触面积仅 与接触面的塑性变形程度 （硬度） 有关。 # 金属间化合物膜层对接触电阻的影响 众所周知， 原子在两接触界面间的相互扩散将导 致金属间化合物的形成。在电接触状态下， 由于高温 环境或当足够大的电流通过接触面进而使 O 斑点温 度远高于环境温度时， 为金属间化合物的形成提供了 扩散条件。 近年来， 由于双金属连接方式 （如压接、 摩擦焊、 爆炸焊等）的广泛应用，人们越来越关注接触界面元 素的扩散现象。在相对较高温度下， 频繁出现的浪涌 电流和电气操作均可能产生热激活扩散， 从而为在电 接触界面形成金属间化合物提供了条件。 由于金属间 化合物的高阻特性及脆性， 通常情况下其存在是有害
作者简介： 堵永国 （ 1958 - ） ， 男， 教授， 主要研究方向为电工电子 材 料，获新型银基电接触材料授权中国发明专利 4 项，发表相关论文 20 余篇。电话： 0731 - 4574791 ， E-m aiI ： D udt dy g @ 126 . com 收稿日期： 2005 - 11 - 20
O。
40 !"! 污染膜对接触电阻的影响
电接触与电接触材料 （三）
电工材料 2005 N O . 4
图 5 是与图 4 完全相同的金探针与新抛光铜间 接触电阻测试结果。可以看出 A u-Cu 与 A u-A u 接触 电阻有明显不同。 曲线左半部分， 即载荷为 20g 前， 斜 率约为 - l， 接触电阻明显大于 A u-A u 接触状态。接 触电阻与力之间呈反比关系说明了此时的接触特性， 即 d co n t! 0，即存在电阻率较大的污染膜 ( 如氧化膜 等)。 研究发现， 当!co n t・ d co n t = 2 . 75 X l0 - l4 O・ m 2 时 与式 （6） 计算值吻合较好。 图 5 的曲线也表明 , 接触电 阻可按式 （6） 计算， 接触电阻与探针几何形状尺寸无 关。
图2
（ 2）
! ! /! > 1 时镀层因子与 ! / 2 " 之间关系曲线
图3
! ! /! < 1 时镀层因子与 ! / 2 " 之间关系曲线
从图中可以看出， 当 d / 2 a ! l 时， ! f 接近一极 限值， 此时， 镀层表面的发散电阻为 ! ef f / 4 a 。 如果两粗糙表面接触材料的电阻率（如镀层和 测试探针）分别为 ! 和 ! p ，而有镀层材料的等效电 阻为 !p
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中图分类号： T M 20
电接触与电接触材料 （三）
堵永国 , 张为军 , 鲍小恒
（国防科技大学 , 湖南长沙 410073）
摘要： 介绍了导电膜层 （如电镀层） 、 污染膜层等对接触电阻的影响以及镀层不同时接触电阻的计算公 式。从工程应用角度说明可以根据需要选用合理的镀层， 根据接触电阻测试结果可以判断有无污染物 的存在。 重点介绍了双金属连接界面处金属间化合物层的形成机理、 长大动力学， 指出高阻值金属间化 合物将明显提高接触电阻。 关键词： 接触电阻 ; 收缩电阻 ; 电镀层 文献标识码： C 文章编号： 1671 - 8887 ( 2005 ) 04 - 0038 - 07
污 污染物的电阻率 ! co n t 通常远大于基材金属， 染物对接触电阻的影响可用式（ 2）计算，其膜电阻 为 ! co n t・ d co n t /Ka 。式中， 接触面 d co n t 为污染膜厚， 2 积为 F / H ( 即 Ka = F / H ) ， 因此， 总接触电阻为：
2
R c = [ (!p +!P f ) / 2 ] (" KH / 4 F ) ( 6) +Pco n t d co n t H / F 式 （6）可广泛用于分析测试镀层界面接触电阻， 如在连接器表面电镀涂层时可以用此式进行设计计 算。 从式 （6） 可以看出， 研究接触电阻与载荷之间的 关系可以判断带涂层电接触表面有无污染物。 可用如 下试验方法研究带涂层接触电阻与载荷之间的关系 : 将一金属探针压于涂层表面，探针一般选用纯金制 作，探针端部为一半径为 l . 6m m 的光滑半球面，用 接触电阻与载荷倒数 F 膜存在。 图 4 [3 ] 为 5 种不同尺寸金探针与金靶之间接触 力与接触电阻之间关系曲线， 其中 4 种探针端部半球 面半径分别为 3 . 2、 第 5 个端部为 l . 6、 l . 2、 0 . 9m m ， 很尖的锥体， 锥角为 60 ， 直径为 3 . l8m m 。在无污染 膜时， 其接触电阻的测量值与式 （6） 的计算值非常吻 合 （ d co n t = 0） ， 唯一例外的是尖锥接触， 研究发现阻值 明显增大， 其原因可能是尖锥有更大的电阻值， 当从 接触电阻测试值中去除该部分阻值时， 用尖锥探针所 得电阻值结果与其他情形相似。
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电接触与电接触材料 （三）
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技术讲座Байду номын сангаас
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引言 固定电接触、分合电接触、滑动电接触等各类
电接触元件在生产、存放、服役过程中其表面的成 分、 组织结构、 性质各不相同， 且随时间的延长发生 变化，因此对接触电阻会产生重要影响。若电接触 元件表面镀覆与基体材料不同的导电金属，其接触 电 阻 的 变化与 镀层金属 的导电性 有 关。 另 一 方 面 ， 膜的成分及组织结构的变化还将引起表面硬度的 改变， 从式 ! c = {!"!" / 4 # } 可知 , 硬度对接 触电阻有重要影响。不同电接触材料配对时还可能
从A 1 / Cu 、 A 1 / 黄铜、 A 1 / 带镀层黄铜的连接中已发现 了微电子元件中两种金属电连接的可靠性与金属间 化合物存在密切联系。图 6 是 A 1 / 黄铜界面的扫描电 镜照片。 连接件分别在 250C 加热 7651 及 400C 加热 黄铜成分为 Cu70zn30。 从图中可明显看出均存在 61 ，
-4
( a ) 膜电阻率大于基体材料
当镀层材料的电阻率小于基体材料时，电流线 在镀层内比在基体内更发散 （图 lb ） 。 发散电阻随膜 厚增加而减小，当 O 斑点半径明显小于膜厚时 , 发 散电阻接近 ! f / a ， 当 ! f 比基体材料电阻大或小时， 镀层对接触电阻的影响常用下式表示：
! f ( d / a ,! f ,! ) = 式中， !f ( d / a
图!
不同尺寸金探针与金靶之间接触力 与接触电阻之间关系
的。如研究表明
， A 1 / Cu 连接件金属间化合物的厚 度超过 2H m 时将明显降低其结合强度。故应特别重 视微电子技术中金属间化合物的形成及其危害。 人们
[4 ]
需要注意的是， 图 4 曲线表明接触电阻大小基本 与探针半球面半径大小无关， 而只与所施加力的大小 有关， 这与用式 （6） 计算当 d co n t = 0 时的结果相同。因 此可以得出结论， 金属 - 金属间的接触面积与探针几 何尺寸无关， 而只与硬度有关。
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厚度为 d 、 电阻率 由于电流也流过面积为 !a 2、 为 ! f 的镀层膜， 附加膜电阻约为 ! f d / Ka 2 , 经一级 近似处理且认为膜足够薄时， 总电阻为 : R t = R s +! f d /Ka 2 推导得 : R t = (! / 4 a ) { l + ( 4 /K) (! f /! ) ( d / a ) } （ 3） 当 O 斑点半径与镀层厚度比值不大时，发散电 阻随镀层厚度增大呈线性增大，若镀层足够厚，发 式 （ 3） 表明， 散电阻则明显偏离上式， 而接近! f / 4 a ， 当 (! f /! ) ( d / a ) 远大于 l 时， 收缩电阻由膜电阻的 阻值控制。
2 -l /2
出现元素通过接触面相互扩散形成金属间化合物 界面层，由于金属间化合物导电性差，导致接触电 阻增大。若表面膜为绝缘体或不良导体，此时欲实 现良好电接触则只有施加足够大的机械力破坏膜 层， 形成金属 - 金属连接。 本节重点讨论导电膜层 （如电镀层） 、 电阻膜层 （如 污染表面膜） 及金 属间化合物 等 对 收缩 电 阻 及 接触电阻的影响。 ! !"# 导电涂层与薄污染膜层对接触电阻的影响 导电涂层的影响 为降低接触电阻，工业上常采用在基材表面镀 覆导电性更佳的涂层的方法。导电涂层的作用有
(! ef f / 4 a ) / (! / 4 a ) =! ef f /!（ 4） ,! f ,! ) 称为镀层因子， ! ef f 是有镀
层基体的等效电阻。当 d = 0 时， ! ef f =!。 图 2 和图 3 分别为典型情形下， 当 ! f /! < l 和 镀层因子与 d / 2 a 之间关系曲线 [2 ]。 ! f /! > l 时，
又是载荷 F 的函数。 实际上当表面粗糙且某接触面 为导电镀层时，界面接触电阻随载荷增加而降低的 关系并非呈 F l / 2 关系。 下面举例讨论式 （ 5） 的工程应用。 假设室温下一 金探针以 0 . lkg 的载荷与镀锡层为 l0H m 厚的铜电 2 极接触。金的硬度为 30kg / m m ，远大于锡的硬度 ， 故式（ 5）中硬度值 H 取 4 ， 按式 F = （ 4kg / m m 2） 金属与金属接触面积为 F / H ， 即 0.l /4 A c H 计算， l/2 推导出平均接触半径为 （0 . 025 /K ） = 0 . 025m m 2， = 0 . 089m m ，镀层厚度与平均接触斑点直径的比值为 从图 2 中查出镀层因子 P f 为 2 。 l0 / l78 = 0 . 06 ， A u 的 电 阻 率 ! p = 2 . 3H O・ cm ， Cu 的 电 阻 率 ・ ， 其接触电阻为： R t = [ ( 2 . 3 > l0 - 5 P= l . 75H O cm + l . 75 > l0 - 5 > 2） / 2 ] [K4 / ( 4 > 0 . l ) ] l / 2 = l . 63 > l0
2 -l /2 ， 式 R c = (!" 变为下式： KH / 4 F ) ) ] ( [ ( R t = ! p +!P f / 2 "KH / 4 F ) l / 2（ 5） 式中， H 为配对接触偶中更软金属的硬度值。 f
由于界面上 O 斑点尺寸受 F 的 影 响 ， 因 此 P f
图1 有镀层时电流分布状况示意图 ( b ) 膜电阻率小于基体材料