Покрытия радиочастотных соединителей

Основные виды покрытий

В радиочастотных соединителях применяют небольшую номенклатуру металлических материалов. Корпуса коммерческих, а также немагнитных соединителей изготавливают из латуни, реже – из бронзы, а корпуса герметичных соединителей, в которых герметичность обеспечивает металлостеклянный спай, – из железо-никель-кобальтового сплава Kovar (в России – 29НК). Корпусы измерительных, метрологических и составных соединителей сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн выполняют из пассивированной нержавеющей стали. Внутренние цанговые проводники соединителей всех типов за рубежом и в нашей стране изготавливают из термически упрочнённой бериллиевой бронзы. Для изготовления центральных штыревых проводников применяют латунь или бериллиевую бронзу.

Параметры радиочастотных соединителей в значительной степени определяются составом и свойствами покрытий их наружных и внутренних проводников. Поэтому зарубежные компании постоянно ведут работы по созданию новых, более совершенных и экономичных покрытий. Покрытия, применяемые в настоящее время зарубежными компаниями – производителями соединителей и других электронных компонентов, приведены в таблице 1 [1–13, 17–33]. 

Требования, предъявляемые к покрытиям

К покрытиям радиочастотных соединителей предъявляют следующие требования:

Рассмотрим перечисленные характеристики подробнее. 

Контактное сопротивление

Соединение внутренних и наружных проводников вилки и розетки соединителя происходит в результате образования точечных контактов, так как даже тщательно обработанные поверхности обоих проводников имеют неровности: выступы и впадины (см. рис. 1) [1, 14].

Кроме того, на поверхности металлов адсорбируются молекулы газов окружающей среды, и образуются тончайшие непроводящие плёнки окислов, сульфидов и различных органических загрязнений. В результате совместного действия точечных контактов и непроводящих плёнок возникает контактное сопротивление, зависящее от многих факторов: удельного электрического сопротивления, твёрдости, пластичности и коррозионной стойкости покрытия, площади и шероховатости поверхности контакта, условий нанесения покрытия и т.д. [1, 2, 14]. В технических условиях на соединители разных типов приводят следующие нормы величины сопротивления: 1…3 мОм – для наружных и 3…5 мОм – для внутренних проводников [2].

Низкое контактное сопротивление обеспечивают покрытия с низким удельным электрическим сопротивлением, которое необходимо также для уменьшения прямых СВЧ-потерь в соединителе. Наименьшую величину удельного сопротивления имеют серебряное и золотое покрытия, наибольшую – химически осаждённый никель, содержащий до 13% фосфора. Для обеспечения низкого и стабильного во времени контактного сопротивления наиболее пригодны золотые покрытия, так как золото в большинстве сред не вступает в реакцию с химическими веществами и при достаточной толщине сохраняет свою проводимость в течение длительного времени. При этом гальваническое покрытие из чистого «мягкого» золота имеет в 3 раза более низкое контактное сопротивление, чем «твёрдое» золото с добавками кобальта или никеля [13]. 

Коррозионная стойкость

Требования к коррозионной стойкости радиочастотных соединителей постоянно повышаются. Для защиты от коррозии используют покрытия из благородных металлов: золота, серебра и палладия, а также из устойчивых к коррозии «пассивных» металлов: никеля, хрома. Коррозионная стойкость «пассивных» металлов обусловлена присутствием на их поверхности тонкой (толщиной несколько нанометров) плёнки окисла или нитрида, которая действует как защитный барьер между металлом и окружающей средой и препятствует более глубокой коррозии [24]. Наибольшую коррозионную стойкость имеют покрытия из золота и химического никеля [1, 4, 9–17].

Коррозионная стойкость любых покрытий зависит от их пористости. Поры открывают путь к основному материалу, создавая возможность его окисления и коррозии. Пористость является функцией большого числа переменных и во многом зависит от толщины и структуры покрытий, а также от составов электролитов и режимов осаждения. В работе [5] показано, что в золотом покрытии толщиной менее 0,25 мкм присутствуют тысячи микроскопических пор, хотя внешне оно выглядит непрерывным. В покрытиях золотом с добавкой 0,1% кобальта при пористости 2–100 пор/см² и диаметре поры 7,5 нм их объём составляет 0,5% [12].

Коррозионная стойкость покрытий возрастает при увеличении их толщины. По мере увеличения толщины покрытия в нём уменьшаются количество и размеры пор (см. рис. 2 и табл. 2) [23, 25].

Золотое покрытие большой толщины (более 1,25 мкм) без пор обеспечивает исключительно высокую защиту от коррозии [25]. Наиболее эффективны золотые покрытия для соединителей, работающих при высоких температурах (более +125°C). В этом случае толщины покрытий золота и никеля должны быть увеличены [11]. 

Износостойкость

Важнейшими параметрами радиочастотных соединителей являются усилия соединения и рассоединения вилки и розетки и гарантированное количество таких соединений. При сочленении внутренних и наружных контактов вилки и розетки происходит износ покрытия их поверхностей. Степень износа в значительной степени зависит от твёрдости покрытия. Значения твёрдости по Виккерсу (HV, кг/мм²) некоторых покрытий и металлов приведены на рисунке 3 [8].

Твёрдость покрытий зависит от их состава, технологии получения и методики измерения. Поэтому для одного и того же вида покрытия величины твёрдости, приводимые разными компаниями, значительно отличаются. Прежде всего, это касается химического никеля, в котором содержание фосфора может составлять от 3–4 до 12–13%. Твёрдость химического никеля уменьшается при снижении в нём содержания фосфора. В результате термической обработки твёрдость резко возрастает до 1000 HV при всех содержаниях фосфора [16].

Поверхность покрытия из чистого «мягкого» золота из-за пониженной твёрдости более подвержена царапинам и различным дефектам. Максимальная твёрдость этого покрытия такая же, как у ногтя человека. Твёрдость золота удалось повысить в несколько раз благодаря введению в его состав небольшого количества кобальта или никеля, которые создают более тонкую кристаллическую структуру покрытия. Размер зерна «твёрдого» золота приблизительно в 60 раз меньше размера зерна покрытия из «мягкого» золота. В результате этого у «твёрдого» золота снизился коэффициент трения, и оно стало менее восприимчивым к износу при сочленении контактов [13].

Коэффициент трения также является важным параметром покрытия. Чем он меньше, тем меньше усилия и больше допустимое количество циклов соединения и рассоединения вилки и розетки, а также меньше момент вращения гайки резьбовых кабельных соединителей. Допустимое количество циклов соединения и рассоединения пропорционально толщине покрытия: чем толще покрытие, тем больше количество циклов. Наиболее распространённые толщины «твёрдых» золотых покрытий для соединителей с повышенной износостойкостью – 1..2 мкм [13].

Повышению износостойкости золотых покрытий значительно способствует подслой никеля, который выполняет ряд функций [4, 5, 8, 13, 16]:

Никель является барьером для твердотельной диффузии в золотое покрытие атомов меди и её легирующих металлов, таких как цинк в латунь. Никель имеет наименьший атомный радиус – 0,128 нм, поэтому более крупные атомы других металлов не могут проникать даже сквозь тонкое (толщиной 0,8…1,5 мкм) никелевое покрытие. Благодаря этому происходит защита целостности золотого покрытия, что особенно важно для длительных применений при повышенных температурах [9].

Никель способствует повышению коррозионной стойкости, особенно золотых покрытий малой толщины. Любые поры в золотом покрытии приведут к никелевому подслою, а не к основному металлу. Подслой никеля предотвращает рост плёнок оксида меди на поверхности золота.

Подслой никеля выравнивает и уменьшает шероховатость контактной поверхности, снижая коэффициент трения и, следовательно, уменьшая износ золотого покрытия.

Никелевый подслой снижает вероятность образования трещин в контактах, покрытых «твёрдым» золотом.

Подслой никеля с высоким содержанием фосфора обеспечивает высокую коррозионную стойкость, а подслой гальванического никеля высокой чистоты является лучшей основой для качественной пайки. Компания Advanced Plating Technologies рекомендует минимальную толщину никелевого подслоя 1,25 мкм [5].

Гальванический никель – магнитный материал, имеющий достаточно высокую химическую стойкость, пластичность и адгезию к покрываемому материалу. 

Свойства химического никеля

Химический никель представляет собой твёрдый раствор фосфора, содержание которого может быть в пределах 1–14% по массе, и никеля [16]. Основные свойства химического никеля приведены в таблице 3 (в таблице приведена твёрдость по Кноппу – HK₁₀₀, которая незначительно отличается от твёрдости по Виккерсу – HV) [15].

Покрытие химическим никелем имеет равномерную толщину, высокую коррозионную и химическую стойкости и стабильные электрические, тепловые и физические свойства. Плотность химического никеля обратно пропорциональна содержанию в нём фосфора. Она варьируется от 8,6…8,8 г/см³ (для никеля с очень низким содержанием фосфора) до 7,6…7,9 г/см³ (для никеля, содержащего более 10% фосфора) [15–17]. Коэффициент термического расширения химического никеля значительно меньше, чем у чистого никеля: чем больше содержание фосфора, тем меньше коэффициент термического расширения химического никеля.

Температура плавления чистого никеля равна +1455°C, но с увеличением содержания фосфора температура плавления снижается почти линейно до +880°C для сплава, содержащего 11% фосфора. Это самая низкая температура плавления (эвтектика) для системы никель/фосфор (фосфат никеля – Ni₃P) [15, 16].

Удельное электрическое сопротивление химического никеля с ростом содержания фосфора возрастает более чем на порядок, и покрытия никель-фосфор становятся всё менее проводящими [15, 16]. Это происходит из-за нарушения кристаллической решётки никеля при внедрении в неё атомов фосфора.

Термическая обработка снижает прочность и пластичность покрытия. Воздействие температуры выше +220°C на покрытия с низким содержанием фосфора может привести к снижению их прочности и пластичности. Пластичность покрытий с высоким содержанием фосфора практически не снижается при нагреве до температуры не выше +260°C.

Магнитные свойства никеля высокой чистоты резко снижаются с увеличением в нём содержания фосфора. Никель, содержащий фосфора более 10–11%, становится немагнитным [15, 16]. Чем меньше содержание фосфора в никеле, тем больше коэрцитивная сила – значение напряжённости магнитного поля, необходимое для полного размагничивания никеля. Химический никель остаётся немагнитным даже после термической обработки в течение короткого времени при температуре +260°C. Магнитные свойства никеля с 3% содержанием фосфора приближаются к магнитным свойствам чистого гальванического никеля, а при 11% содержании фосфора никель становится немагнитным. Покрытия после термообработки более магнитны, чем без неё [17]. 

Паяемость

Покрытие радиочастотных соединителей должно сочетать высокую коррозионную стойкость с хорошей паяемостью. Пайку соединителей с золотым покрытием в большинстве случаев производят с использованием припоев состава олово-свинец. Отличительной особенностью оловянно-свинцовых припоев является высокая скорость, с которой они растворяют золотые покрытия [18–24]. При температуре +200°C скорость растворения золота в эвтектическом припое олово-свинец (температура эвтектики +183°С) превышает 1 мкм/с. Растворение продолжается до тех пор, пока золото полностью не растворится, либо не сформируется равновесный состав [18]. По золотому покрытию хорошо растекаются все припои. Поэтому при пайке соединителей необходимо тщательно подбирать и строго соблюдать температурно-временно'й режим пайки, а также применять меры защиты от излишнего растекания припоя.

В начале 1960-х годов были опубликованы работы, которые констатировали снижение пластичности и переход от вязкого к хрупкому разрушению паяных соединений, если содержание золота в припое олово-свинец составляло 5–10%. Тогда же было рекомендовано ограничить толщину золотого покрытия величиной 1,25 мкм, чтобы избежать нежелательного охрупчивания паяного соединения [21]. Это объясняется тем, что растворимость золота в твёрдом припое очень мала – 0,3–0,5%. Если содержание золота в оловянно-свинцовых припоях превышает предел растворимости, образуются твёрдые и хрупкие интерметаллические соединения AuSn₄, AuSn₂ и AuSn, а также бинарный сплав со свинцом AuPb₂.

Снижение прочности происходит постепенно и обратно пропорционально содержанию золота. Для паяного соединения шириной 50 мкм толщина золотого покрытия должна быть менее 0,5 мкм [20]. В этой же работе рекомендовано ограничить толщину золотого покрытия величиной 0,75 мкм, чтобы содержание золота в припое не превысило 3%, и не образовались интерметаллические соединения золота с оловом.

При содержании золота в припое более 3–5% происходит охрупчивание паяного соединения [9, 18, 20]. На рисунке 4 показан внешний вид паяного соединения центрального проводника соединителя, покрытого золотом по подслою химического никеля, с полоском печатной платы, также покрытым золотом. Пайку производили эвтектическим припоем Sn63Pb37 (олово 63%, свинец 37%) при температуре +210°С. После пайки в соединении видна трещина [23].

Золото легко растворяется также и в припоях на основе индия. При температуре +200°С скорость растворения золота составляет 2 мкм/c, а при температуре +250°С – 4 мкм/c. Индиевые припои можно использовать для пайки с компонентами, покрытыми золотом толщиной более 0,5 мкм. Однако соединения, выполненные индиевыми припоями, менее прочные, чем соединения оловянно-свинцовыми припоями.

После растворения золота в припое происходит взаимодействие обогащённого золотом припоя с подслоем никеля. Если никель не окислен, то он хорошо смачивается припоем и даёт прочное паяное соединение. Чтобы защитить никель от окисления, толщина золотого покрытия должна составлять не менее 0,25 мкм, так как при меньшей толщине покрытие пористое. Для обеспечения наиболее прочного паяного соединения рекомендуется использовать гальванический никель высокой чистоты. Для качественной пайки с подслоем химического никеля необходимо, чтобы содержание фосфора в нём составляло менее 8% [20].

Присутствие «неблагородных» элементов, таких как кобальт и никель, в золотых покрытиях может ухудшить качество пайки из-за возможности окисления этих элементов при температурах пайки. Кроме того, высокая степень чистоты золота необходима в тех случаях, когда происходит термодиффузия золота. Поэтому соединения термокомпрессионной, термозвуковой или ультразвуковой сваркой желательно выполнять по покрытиям из чистого золота [13].

В настоящее время в связи с директивой RoHS о запрете применения свинца применяют припои SAC (медь-олово-серебро). В этом случае увеличение толщины золотого покрытия также оказывает вредное влияние на прочность паяных соединений при циклическом воздействии температуры [21]. 

Покрытия, обеспечивающие низкий уровень интермодуляционных искажений

Развитие базовых станций мобильной связи, а также широкополосной связи нового поколения выдвинуло жёсткие требования к уровню интермодуляционных составляющих спектра сигнала (IMP) для всех применяемых компонентов, в том числе и радиочастотных соединителей. Одной из главных причин возникновения IMP в соединителях является наличие в них магнитных материалов и покрытий. Поэтому для изготовления соединителей применяют только немагнитные металлы: латунь, бериллиевую и фосфорную бронзы. Недопустимо также применение аустенитной нержавеющей стали, хотя она считается немагнитным металлом. Оказалось, что при деформации сталь приобретает слабые магнитные свойства в результате выделения магнитной a-фазы [2]. Применение магнитных материалов и покрытий также недопустимо в соединителях для магнитно-резонансной томографии [2].

Интермодуляционные искажения могут быть вызваны соединителями, изготовленными из немагнитных металлов, но покрытыми гальваническим магнитным никелем [29]. Вместо никелевых покрытий используют немагнитные серебряные покрытия. Серебро имеет самые высокие из всех металлов электропроводность и теплопроводность, низкое контактное сопротивление и хорошую паяемость. Однако серебро – дорогостоящий драгоценный металл, к тому же склонный тускнеть в результате взаимодействия с сероводородом, хлором, сернистыми и азотистыми соединениями из окружающей среды. Серебро взаимодействует с сероводородом даже при его концентрации в атмосфере менее 1´10^–5% с образованием плотных плёнок сульфидов. В нормальных условиях при температуре +26°С удельная электропроводность плёнки сульфида серебра составляет всего 0,1 См/м. Однако при температуре +175°С происходит скачкообразный рост электропроводности до 2130 См/м, а при пониженных температурах плёнки сульфида серебра становятся изолирующими [9].

Поиски альтернативных решений привели к созданию покрытия «белая бронза» – немагнитного, коррозионностойкого и износостойкого сплава 50–55% меди, 30–35% олова и 15–17% цинка. Его применение в радиочастотных соединителях для замены никелевых покрытий стало популярным в начале 1990-х годов. Покрытия типа «белая бронза» с незначительно отличающимися составами были разработаны многими компаниями, которые присваивали им свои фирменные названия (см. табл. 1).

BBR – покрытие состоит из 55% меди, 30% олова и 15% цинка, которое выглядит как ярко-белое серебро. Оно было разработано компанией Radiall для замены никеля и серебра. Это покрытие немагнитно, имеет высокую электропроводность и, в отличие от никеля, не вызывает аллергию. Интермодуляционные искажения, обусловленные BBR, такие же низкие, как и у серебряного покрытия. Устойчивость к коррозии и потускнению является одним из наиболее важных экологических характеристик этого покрытия наряду с высокой износостойкостью. Пайку соединителей с покрытием BBR рекомендуется проводить с использованием слегка активированного флюса [28].

Покрытие Miralloy 2844 – сплав 51% меди, 33% олова и 17% цинка. Miralloy – товарный знак компании Umicore. Покрытие Miralloy также является альтернативой гальваническим покрытиям из никеля и серебра для применения в радиочастотных соединителях в системах сотовой и мобильной связи. Оно немагнитно, имеет высокую твёрдость, износостойкость и коррозионную стойкость в серосодержащей атмосфере [2].

Покрытие Sucoplate – «белая бронза» компании Huber+Suhner [27]. Покрытие имеет высокие электропроводность и коррозионную стойкость, твёрдость 600–700 HV, низкий коэффициент трения, хорошие износостойкость и пластичность, что позволяет значительно снизить возможность его повреждения при трении и изгибе. Немагнитность покрытия обеспечивает низкие потери соединителей на высоких частотах.

Secoplate – равномерное и беспористое коррозионно-стойкое покрытие толщиной 2…3 мкм, разработанное компанией SEC Plating Pty Ltd [6]. Коэффициенты линейного расширения этого покрытия и латуни близки, поэтому быстрое изменение температуры от –50 до +200°С не вызывает растрескивания и отслаивания покрытия. Твёрдость Secoplate в 2 раза, а износостойкость более чем в 10 раз больше, чем у серебряного покрытия.

Tri-M3 (Tri-Alloy, Tri-Metal) – покрытие компании Electro-Spec, Inc. [11], содержащее 55% меди, 30% олова и 15% цинка. Твёрдость Tri-M3 составляет около 600 HV, коэффициент трения на 70% меньше, чем у серебра. Коррозионная стойкость этого покрытия и никеля практически одинаковы.

В покрытиях Sucoplate 30 компании Huber+Suhner и Optargen (Rosenberger, Telegа..rtner) слой серебра толщиной 2 мкм покрыт «белой бронзой» толщиной 0,5 мкм для предотвращения образования сульфида серебра. Покрытие имеет твёрдость 600–700 HV и сочетает полезные свойства серебра и «белой бронзы». Компания Huber+Suhner не рекомендует покрытие Sucoplate 30 для пайки.

Недостатком покрытия «белая бронза» считается плохая паяемость при использовании неактивированных флюсов. Поэтому для улучшения паяемости некоторые компании покрывают «белую бронзу» очень тонким слоем «твёрдого» золота. Компания Radiall применяет покрытие GBR (Gold Bronze Radiall), состоящее из слоёв BBR толщиной 1,8 мкм и золота толщиной 0,1…0,2 мкм. Покрытие GBR внешне выглядит, как золотое покрытие, обеспечивает достаточно высокую прочность паяных соединений и низкое контактное сопротивление [30]. 

Золотые покрытия малой толщины

Золотые покрытия малой толщины, имеющие оптимальное сочетание цена/качество, применяют европейские компании, выпускающие радиочастотные соединители: Rosenberger [26], Huber+Suhner [27], Radiall [28], Harting [1], Telegа..rtner [3] и др. Во всех этих покрытиях в качестве подслоя применён химический никель. Очень тонкий слой «твёрдого» золота защищает химический никель от окисления и обеспечивает низкое контактное сопротивление и хорошую паяемость. К тому же, в отличие от никелевых покрытий, эти покрытия не являются аллергенными и соответствуют требованиям директивы RoHS.

Покрытие AuroDur, состоящее из тонкого слоя «твёрдого» золота (всего 0,15 мкм) с подслоем немагнитного химически осаждённого никеля толщиной 2…3 мкм, компания Rosenberger уже много лет применяет в радиочастотных соединителях. По данным компании, это равномерное покрытие обеспечивает превосходные характеристики коррозионной стойкости, износостойкости, передачи сигналов и паяемости с высокой прочностью при минимальной стоимости. Например, применение покрытия AuroDur в соединителях типа SMP позволило обеспечить 1000 циклов соединений вилки и розетки вместо требуемых по техническим условиям 500 циклов.

Компания Huber+Suhner заменила в выпускаемых соединителях стандартное золотое покрытие толщиной 0,8 мкм с подслоем гальванического никеля толщиной 1…2 мкм на покрытие Sucopro: 0,1…0,2 мкм «твёрдого» золота чистотой 99,7% с подслоем химически осаждённого никеля (содержание фосфора 10,5%) толщиной 2 мкм. Покрытие Sucopro оказалось более износостойким, а его смачиваемость припоями была лучше, чем у стандартного покрытия [27].

Золотое покрытие корпусов соединителей из латуни компаний Telega..rtner и Harting – NiP-Au состоит из трёх слоёв: меди толщиной 1 мкм, химического никеля с фосфором толщиной 4 мкм и «твёрдого» золота толщиной всего 0,1 мкм [1, 3]. Химический никель создаёт твёрдое, износостойкое и устойчивое к коррозии покрытие. «Твёрдое» золото, прочно связанное с подслоем химического никеля, обеспечивает небольшой коэффициент трения и большую износостойкость, чем стандартные золотые покрытия. В то время как стандартные золотые покрытия наносят гальваническими методами, в производстве сплавов NiP-Au компания Telegа..rtner применяет химические процессы при температуре +85°С. Химические процессы дороже гальванических, но это полностью компенсируется использованием меньшего количества золота [3].

Покрытие компании Radiall – NPGR, состоящее из тонкого слоя «твёрдого» золота поверх слоя химического никеля (содержание фосфора более 10%), было разработано в качестве альтернативы более дорогостоящему стандартному золотому покрытию. Это немагнитное покрытие обеспечивает низкий уровень интермодуляционных составляющих, защиту от коррозии и низкий коэффициент трения, позволяющий выполнять до 10 000 соединений и рассоединений вилки и розетки. Однако покрытие NPGR не рекомендуется применять, если паяные соединения должны работать в жёстких условиях при высоких температурах [28].

Основное применение покрытий с золотом малой толщины – соединители и другие компоненты для поверхностного монтажа, однако в последнее время их всё шире применяют и для соединителей многих других типов. 

Оптимальная толщина золотого покрытия

Определение оптимальной толщины золотого покрытия радиочастотных соединителей является непростой задачей, особенно для соединителей, надёжно работающих в жёстких условиях. Золото – дорогостоящий материал, а это значит, что золотое покрытие должно быть ровно настолько толстым, насколько это необходимо, иначе это потерянные деньги. Электронная промышленность ежегодно потребляет более 320 т золота, и значительная часть этого золота используется в качестве электролита для гальванического покрытия соединителей и других электронных компонентов [11]. За рубежом разработаны технические спецификации MIL-DTL-45204D и ASTMB488, распределяющие толщину золота по классам от 00 до 6. Класс 00 – для минимальной толщины золота – 0,5 мкм, класс 0 – 0,75 мкм, класс 1 – 1,25 мкм и т.д. [19].

Попытки сократить потребление золота путём уменьшения толщины покрытия, применения селективного золочения и замены золотого покрытия покрытиями иного состава предпринимаются постоянно. Однако комбинация таких свойств золота, как исключительно высокая коррозионная стойкость, высокая электропроводность, немагнитность и пластичность, настолько неповторима, что замена золота может привести лишь к потерям или чрезмерно большим затратам. Поэтому большое количество работ было направлено лишь на уменьшение толщины золотых покрытий. Решение об уменьшении толщины золотого покрытия является компромиссным. В таблице 4 приведены аргументы «за» и «против» уменьшения толщины золотого покрытия радиочастотных соединителей.

При большой толщине золотого покрытия возрастает вероятность охрупчивания соединений, спаянных оловянно-свинцовыми припоями, вследствие образования интерметаллидов. Оптимальная толщина золотого покрытия, по разным данным, должна быть менее 0,5 мкм, но, во всяком случае, менее 1,25 мкм. Однако чем тоньше золотое покрытие, тем больше оно содержит пор и тем ниже его коррозионная стойкость. Для обеспечения высокой коррозионной стойкости толщина золотого покрытия должна быть не менее 1,25 мкм. По мере увеличения толщины золота увеличивается не только коррозионная стойкость, но и износостойкость покрытия. Для повышения износостойкости толщина покрытия «твёрдым» золотом должна быть не менее 1…2 мкм.

Толщина золотого покрытия должна быть такой, чтобы покрыть все неровности металлических поверхностей и быть больше толщины скин-слоя. При постоянном токе плотность покрытия одинакова по всему поперечному сечению проводника. На высоких частотах плотность тока в значительной центральной части сечения проводника практически равна нулю, ток проходит только в поверхностном слое – скин-слое. Глубина скин-слоя тем меньше, чем выше частота, больше магнитная проницаемость и проводимость металла.

Среднеарифметическое отклонение профиля поверхности для разных классов чистоты обработки и глубина скин-слоя золота, гальванического (Ni) и химического (NiP) никеля в зависимости от частоты представлены в таблице 5. Данные таблицы 5 показывают, что толщина золотого покрытия определяется величиной шероховатости поверхностей коаксиальной линии соединителя, так как она всегда больше глубины скин-слоя. Для применения золотого покрытия толщиной менее 1 мкм необходимо, чтобы поверхности коаксиальной линии соединителя были обработаны не хуже, чем по 8–9-му классу чистоты. При этом надо учитывать, что подслой никеля несколько выравнивает неровности поверхности.

Для повышения износостойкости приходится увеличивать толщину золотого покрытия и применять подслой твёрдого химического никеля. По данным компании Tyco, покрытие из «твёрдого» золота толщиной 0,8 мкм с подслоем никеля толщиной не менее 1,3 мкм обеспечивает износостойкость, достаточную для большинства соединителей. Покрытия толщиной от 0,03 до 0,1 мкм из «твёрдого» или «мягкого» золота поверх никелевого подслоя следует использовать только в тех случаях, когда риск истирания минимален [25].

Толщина золотого покрытия для соединителей, работающих в умеренных условиях окружающей среды, может быть выбрана в пределах 0,75…1,25 мкм. Такая толщина золота обеспечивает улучшенную коррозионную стойкость и износостойкость по сравнению с более тонким золотым покрытием. Для соединителей, применяемых в контролируемой среде, с минимальными требованиями к износостойкости достаточна толщина золотого покрытия 0,1…0,5 мкм. Тонкий слой золота в этом случае обеспечивает низкое контактное сопротивление и достаточно хорошую паяемость.

Покрытия палладий-никель с тонким слоем золота

В поисках альтернативы золоту в покрытиях радиочастотных соединителей было обращено внимание на палладий. Палладиевое покрытие имеет достаточно хорошие контактные свойства, высокую твёрдость – 200–300 HV, которая намного выше твёрдости чистого золотого покрытия. Износостойкость палладиевых покрытий в 20 раз выше износостойкости серебряных покрытий. Обычно применяют покрытие без пор толщиной 2…5 мкм. Однако палладиевое покрытие имеет склонность к растрескиванию и высокую каталитическую активность, способствующую образованию на его поверхности изоляционных плёнок в результате полимеризации паров органических веществ, содержащихся в окружающей среде [7].

В начале 1980-х годов многие компании рассматривали перспективы замены покрытия из «твёрдого» золота, цены на которое неудержимо росли, покрытием более низкой стоимости, но имеющим при этом основные характеристики золотого покрытия. Их усилия завершились разработкой палладий-никелевого (PdNi) гальванического покрытия с подслоем никеля. Покрытие PdNi состоит из 70–80% палладия и 20–30% никеля и является твёрдым раствором палладия и никеля. Плотность покрытия составляет от 10 до 11,5 г/cм³. Для сравнения плотность гальванического золота – 17…19,3 г/cм³. Покрытие PdNi менее склонно к растрескиванию, имеет пониженную пористость и лучшую паяемость по сравнению с чистым палладием [31–34].

Для дальнейшего улучшения качества покрытия палладий-никель поверх его нанесли слой золота толщиной менее 0,25 мкм [32–34]. Трёхслойное покрытие никель-палладий-золото (NiPdAu) было разработано в 1980-х годах. Ключевым свойством этого покрытия является улучшенная паяемость бессвинцовыми и содержащими свинец припоями. Проведённые компанией DuPont испытания показали, что это покрытие более твёрдое, стойкое к коррозии и долговечное, чем золотое покрытие [31].

Квалификационные испытания, выполненные основными поставщиками соединителей, показали, что покрытие PdNi с тонким золотым слоем имеет более низкую стоимость и является надёжной альтернативой 0,75-микронному золотому покрытию [31]. Покрытие PdNi с тонким слоем золота в течение последних 30 лет стало предпочтительным для компаний FCI, Molex и TE Electronics, выпускающих радиочастотные соединители в больших объёмах, прежде всего – соединители для работы в полевых условиях. Компания Molex сообщила, что модульные гнёзда, покрытые PdNi с тонким слоем золота, выдерживают 2500 циклов соединений, тогда как такие же гнёзда с золотым покрытием – только 750 циклов [34]. 

Новые покрытия

Зарубежные компании постоянно совершенствуют покрытия радиочастотных соединителей. Например, японской компанией Uyemura и немецкой Umicore представлен состав нового более экономичного покрытия (см. рис. 5) [8]. Толщину золота удалось уменьшить в 10 раз, покрытие палладий-никель заменить химическим никелем и в 1,5 раза уменьшить толщину гальванического никелевого покрытия. Это позволило существенно снизить долю драгоценных металлов – золота и палладия.

По-видимому, в данной области может найти применение нанокристаллический никель, покрытый тонким слоем золота. Это покрытие было изобретено в Массачусетском технологическом институте (США). Контакты с таким покрытием прошли тестирование на воздействие окружающей среды [34].

Шведская компания Impact Coatings AB заявила о создании покрытия Silver MaxPhase™, заменяющего золотое покрытие в соединителях для мобильных телефонов [35]. Шведское покрытие коррозионностойкое, износостойкое, а технология его получения осаждением из паровой фазы (PVD) [7] экологически чистая. Покрытие имеет твёрдость 300 HV, низкий коэффициент трения, достаточно низкое контактное сопротивление и обеспечивает надёжные соединения пайкой и сваркой. 

Пассивация нержавеющей стали

Рассмотрение финишных покрытий было бы неполным, если хотя бы вкратце не упомянуть пассивацию поверхности корпусов из нержавеющей стали большой группы соединителей: измерительных, метрологических и составных сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн [2]. При механической обработке корпусов на поверхность этих соединителей переносится свободное железо из применяемых инструментов. Свободное железо легко окисляется, снижая коррозионную стойкость соединителей. Поэтому после механической обработки корпусов выполняют операцию пассивации. Пассивация – это химическая обработка с использованием специальной кислотной композиции, которая удаляет свободное железо и другие загрязнения с поверхности нержавеющей стали [36]. При этом одновременно на поверхности образуется пассивный слой оксида хрома/никеля, который действует как барьер для дальнейшей коррозии. После пассивации нержавеющая стать становятся ещё более устойчивой к коррозии.

Заключение

Рассмотренные в данной статье покрытия применимы не только для радиочастотных соединителей, но и для других электронных компонентов, прежде всего для поверхностного монтажа. Покрытиям радиочастотных соединителей и других электронных компонентов посвящено огромное количество работ. В данной статье рассмотрена лишь небольшая часть из них.

Основное направление развития покрытий радиочастотных соединителей зарубежного производства – экономия драгоценных металлов. Для этого разработаны золотые и палладий-никелевые покрытия очень малой толщины с подслоем химического никеля. Второе направление – создание новых альтернативных покрытий – также имеет определённые перспективы. Однако в большинстве случаев требуется нанесение тонкого слоя золота поверх нового покрытия.

 

Автор благодарит Прокимова А. А. за предоставленный материал и Лихачеву И. Е. – за полезные замечания. 

Литература