Mecanismo de degradação do conetor (II) - corrosão

A discussão dos mecanismos de degradação dos conectores continuará a ser investigada. Nesta publicação, vamos concentrar-nos no efeito da corrosão na resistência de contacto em sistemas de contacto de metais preciosos, especialmente em interfaces banhadas a ouro. É fundamental discutir a importância da camada de níquel por baixo do revestimento de ouro e os seus benefícios para melhorar o desempenho dos conectores banhados a ouro. No artigo 1, foi apresentado um modelo côncavo-convexo da interface de contacto. Para maior comodidade, reveja as Figuras 1 e 2 do Artigo 1. O ponto-chave do modelo côncavo é que os pontos de contacto são pequenos, com cerca de um mícron de diâmetro, e estão distribuídos na área de contacto da interface, bem como na área de contacto criada pela deformação durante a oclusão. A corrente através da interface de contacto tem de passar pelos pontos de contacto irregulares, resultando numa resistência conhecida como resistência à contração. A magnitude da resistência de retração depende do número, tamanho, distribuição, etc. dos contactos irregulares, uma vez que todos os contactos irregulares são eletricamente paralelos. Quando todas as interfaces de contacto irregulares são metal-metal, como ouro-ouro ou estanho-estanho, a resistência de retração existe mesmo em condições ideais. Se alguma das interfaces irregulares estiver coberta por uma camada de corrosão ou contaminantes, a resistência à contração aumenta. É por isso que a corrosão é uma causa tão importante da degradação dos conectores. A perda de superfícies de contacto com covinhas ou de contactos com covinhas devido à corrosão ou contaminação pode levar a um aumento da resistência da interface de contacto, o que é suficiente para causar a falha do conetor.

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Agora, vamos discutir a corrosão dos conectores banhados a ouro. Como todos sabemos, o ouro é um metal precioso, por outras palavras, é um metal não corrosivo; devido a esta propriedade, o ouro é amplamente utilizado em joalharia. Apesar desta propriedade, isso não significa que os conectores banhados a ouro não sejam susceptíveis à corrosão. Um conetor é um sistema eletromecânico em que o conetor proporciona um desempenho elétrico através de um sistema mecânico. Os dois sistemas separados do sistema mecânico requerem acoplamento e contacto, etc. Os conectores banhados a ouro consistem numa superfície banhada a ouro e num suporte de níquel (para otimizar a superfície de contacto) num material de liga de cobre. O material de liga de cobre proporciona a flexibilidade necessária para o acoplamento do conetor. A fonte de corrosão no sistema é o material de liga de cobre. O cobre reage quimicamente com o oxigénio, o enxofre e o cloro, que são fenómenos comuns nos ambientes de aplicação dos conectores. Portanto, no que diz respeito à sensibilidade à corrosão, o design do conetor deve abordar a forma de eliminar ou minimizar a corrosão do cobre e garantir que quaisquer substâncias formadoras de corrosão não possam ser colocadas na interface de contacto do conetor. Isto é fácil na teoria, mas um desafio na prática. Se um fabricante de conectores revestir o conetor inteiramente com 5 microns de ouro, então não haverá problemas de corrosão no conetor. No entanto, por razões de custo, a maior parte do revestimento está entre 0,25 e 0,75 mícrones e, normalmente, só é revestido na interface de contacto. Considerando o fator custo, é mais comum escolher o cobre como material do conetor. A galvanização selectiva, bem como outros processos de fabrico, podem resultar em cobre exposto ou cobre exposto nos bordos. Quando existem defeitos no revestimento, as camadas finas de revestimento podem levar a uma potencial exposição do cobre. Para além destas fontes de corrosão, é necessário ter em conta aspectos como o desgaste do revestimento de ouro durante o ciclo de vida ligado ao conetor ou a perturbação da interface de contacto durante a utilização. Todas estas questões são frequentemente ignoradas e os conectores dourados com revestimento de níquel precisam de ser corretamente avaliados.

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Os problemas dentro do conetor vêm em primeiro lugar e principalmente da espessura do revestimento. A Figura 2 mostra brevemente a mudança na condição da superfície revestida com e sem uma camada de níquel. Qualquer defeito no processo de revestimento resultará na exposição do material da liga de cobre. Os defeitos de revestimento incluem porosidade, riscos e contaminação antes do revestimento, resultando num revestimento incompleto, entre outros. O potencial para todos estes defeitos aumenta à medida que a espessura do revestimento diminui. Dada a presença destes defeitos de revestimento, qualquer liga de cobre exposta reagirá com o ambiente de aplicação para formar produtos de corrosão que podem entrar na superfície revestida. Como exemplo simples, os produtos de corrosão do cobre-enxofre migram, ou arrastam-se, através da superfície metálica, como se mostra nas Figuras 2 e 3. A figura 2 mostra a migração dos produtos de corrosão ao longo das paredes dos poros em direção à superfície. A figura 3 é uma micrografia de um anel de migração de corrosão na superfície de uma liga de cobre banhada a ouro. Se a interface de contacto contiver algum dos anéis de produtos de corrosão apresentados na figura 3, é provável que a resistência interfacial se altere em certa medida. No entanto, a utilização de uma subcamada de níquel inibe a corrosão e reduz a fluência da corrosão. O níquel forma um óxido inerte e passivado muito fino e não migratório. De facto, o níquel passiva o substrato no local do defeito, pelo que a corrosão não migra para a superfície.

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A espessura associada do revestimento de níquel tem a vantagem adicional de atuar como uma barreira anti-difusão. O cobre difunde-se rapidamente através do ouro e, se o cobre difundido atingir a superfície banhada a ouro, formará uma película corrosiva na superfície, que pode impedir o contacto com a superfície metálica banhada a ouro. O cobre que contém um suporte de níquel difunde-se muito mais lentamente e o suporte de níquel é normalmente mais espesso do que o revestimento de ouro, pelo que a taxa de difusão do cobre para a superfície de ouro é significativamente reduzida. Uma vez que a taxa de difusão aumenta com a temperatura, os benefícios do níquel são ainda mais pronunciados se o conetor se destina a aplicações a temperaturas mais elevadas. As propriedades de passivação e inibição da migração do níquel também são benéficas para o revestimento seletivo. A corrosão da superfície e dos bordos (e a corrosão por fluência associada na interface de contacto) será minimizada se o material de liga de cobre for revestido com níquel na sua totalidade antes do revestimento seletivo da interface de contacto. Para além destas questões, os potenciais efeitos corrosivos do desgaste no revestimento são afectados pelas propriedades do revestimento de níquel. Como já foi mencionado, a interface de contacto é danificada devido ao micromovimento da interface de contacto durante a vida útil do conetor devido a forças mecânicas ou de expansão térmica, por exemplo. E há duas vantagens no níquel como fator de redução do desgaste. A primeira vantagem é a passivação e as propriedades de inibição da migração do níquel que discutimos anteriormente. O desgaste do ouro e a exposição do substrato de níquel não resultarão numa diminuição da corrosão em questão; o níquel exposto pode resultar num aumento da resistência de contacto, mas a magnitude deste aumento será muito menor do que a que ocorreria devido a efeitos corrosivos. Um segundo benefício é a melhoria da resistência ao desgaste do revestimento de contacto. Os efeitos do desgaste serão discutidos em mais pormenor num artigo posterior. É suficiente compreender aqui que o revestimento de níquel irá aumentar a dureza efectiva do revestimento de contacto. O revestimento utilizado nos conectores é normalmente referido como ouro duro e tem uma dureza de cerca de 200 Nups. Os sub-revestimentos de níquel têm normalmente uma dureza de 400 Nups ou mais. Assim, à medida que a dureza da superfície aumenta, a dureza efectiva do revestimento aumenta e a taxa de desgaste tende a diminuir. Considerando a importância do revestimento de níquel para o desempenho do conetor, qual é a espessura de níquel necessária? As espessuras típicas de níquel em conectores banhados a ouro variam de 1,25 a 4,0 microns. O limite inferior é para assegurar uma espessura suficiente para cumprir os requisitos, enquanto o limite superior tem em conta o custo e factores mecânicos, entre outros. A questão do custo deve-se ao facto de mais níquel significar mais tempo de revestimento e custos de material. As considerações mecânicas são mais complexas. À medida que a espessura do revestimento de níquel aumenta, a ductilidade do níquel tende a diminuir e a rugosidade do revestimento tende a aumentar. A diminuição da ductilidade pode levar à fissuração da camada niquelada e ao aumento da rugosidade, à redução da porosidade, às propriedades de desgaste, etc. Em conclusão, nunca é demais sublinhar a importância da camada de níquel nos sistemas de conectores banhados a ouro. As propriedades de passivação do níquel são importantes para retardar a formação e a migração de produtos de corrosão na superfície de cobre do material de contacto. Além disso, o níquel proporciona uma barreira anti-difusão que impede a migração do metal subjacente na interface de contacto. A dureza do níquel é muito importante para melhorar a resistência ao desgaste dos sistemas de contacto revestidos a ouro, aumentando a vida útil e a resistência ao desgaste por micromovimento. Tendo em conta estas vantagens, qualquer conetor banhado a ouro deve ser especificado com um suporte niquelado.

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