Wpływ grubości powłoki na żywotność-posrebrzanych styków

Styki platerowane Ag odgrywają kluczową rolę w transmisji sygnału i energii w urządzeniach elektronicznych. W praktycznych zastosowaniach posrebrzane styki elektryczne często podlegają zużyciu frettingowemu, co może skutkować zwiększoną rezystancją styku, a nawet awarią. Srebro (Ag) jest idealnym materiałem do powłok powierzchniowych styków elektrycznych ze względu na doskonałą przewodność elektryczną i cieplną, a także odporność na korozję. Jednakże wpływ grubości powłoki Ag na trwałość styków elektrycznych pozostaje słabo scharakteryzowanym problemem. W artykule zbadano eksperymentalnie trwałość elektryczną powłok Ag o różnej grubości w warunkach zużycia frettingowego.

2.1 Przygotowanie próbki
Próbkami eksperymentalnymi były krzyżowe-cylindryczne styki elektryczne wykonane ze srebra, wykonane ze stopu brązu CuSn4 (zawierającego 4% cyny). Na powierzchnię podłoża nałożono galwanicznie warstwę niklu (Ni) o grubości 2 μm jako barierę dyfuzyjną, a następnie nałożono cztery różne grubości czystego Ag: 1,3 μm, 2 μm, 4 μm i 5 μm.

2.2 Warunki eksperymentalne
Temperatura: 23 stopnie
Wilgotność względna: 10%
Częstotliwość: 30 Hz
Normalna siła: 3 N

2.3 Metoda testowa
Badania przeprowadzono za pomocą testera zużycia frettingowego. Żywotność styków pokrytych srebrem określono poprzez monitorowanie zmian rezystancji styków. Uszkodzenie styku stwierdzono, gdy rezystancja styku przekroczyła 10-krotność rezystancji początkowej.

3.1 Wpływ grubości poszycia na trwałość elektryczną
Wyniki eksperymentów pokazują, że grubość warstwy srebrzenia znacząco wpływa na żywotność styków bimetalicznych:
Pokrycie 1,3 μm: Trwałość elektryczna była najkrótsza i wynosiła około 5 × 10⁴ cykli frettingowych;
Powłoka o grubości 2 μm: Trwałość elektryczna wynosiła około 1 × 10⁵ cykli frettingowych;
Powłoka 4 μm: Trwałość elektryczna wynosiła około 2 × 10⁵ cykli frettingowych;
Pokrycie 5 μm: Trwałość elektryczna była najdłuższa i przekraczała 3 × 10⁵ cykli frettingowych.

3.2 Analiza mechanizmów zużycia powłok
Obserwacje skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) wykazały, że głównymi objawami zużycia frettingowego powłoki srebra są:
Wady zużycia: na powierzchni powłoki pojawiają się ślady zużycia, a warstwa srebra stopniowo się rozrzedza, aż do odsłonięcia warstwy niklu.
Niedotlenienie: na warstwie srebra tworzy się warstwa tlenku, zwiększająca rezystancję styku.
Wraz ze wzrostem grubości powłoki wydłuża się czas wystąpienia uszkodzeń związanych ze zużyciem i zmniejsza się wpływ uszkodzeń spowodowanych utlenianiem, poprawiając w ten sposób trwałość elektryczną.

3.3 Model zależności między trwałością elektryczną a grubością powłoki
Na podstawie danych eksperymentalnych ustalono model zależności pomiędzy trwałością elektryczną (N) a grubością powłoki srebra (t):
N=k⋅tⁿ

gdzie k jest stałą materiałową, a n jest współczynnikiem wykładniczym. Wyniki dopasowania pokazują, że n≈1,5, co wskazuje, że trwałość elektryczna rośnie nieliniowo wraz z grubością powłoki.

Grubość warstwy srebrzenia znacząco wpływa na żywotnośćPosrebrzane styki elektryczne; im grubsza warstwa srebrzenia, tym dłuższa żywotność.

Ustalono ilościowy model zależności pomiędzy grubością poszycia a żywotnością elektryczną, stanowiący podstawę do projektowania styków elektrycznych.
W zastosowaniach praktycznych zaleca się wybranie odpowiedniej grubości posrebrzania w oparciu o wymagania dotyczące niezawodności, aby zrównoważyć koszty i wydajność.