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可伐合金玻璃烧结电连接器电镀工艺改进

发布时间:2020-01-16 11:46人气:

  可伐合金玻璃封接电连接器或称玻璃烧结电连接器(简称玻封连接器)是各类特种连接器中较重要的一种,主要应用在航天、航空及海洋环境中一些较特殊的领域。由于该类产品需要在压力变化较大的环境中保持正常工作,所以这种电连接器的接触对(插针和插孔)和外壳均采用4J29膨胀合金(俗称可伐合金)作为基体材料来制作,以玻璃烧结来达到接触体与外壳的绝缘和封接,然后再进行金属镀覆。图1为可伐合金玻封连接器示意图。由于该种连接器外壳和接触体为一整体,有别于其它种类的电连接器,再加上受玻璃烧结质量的影响,通常电镀合格率都比较低[1]。其中比较常见的质量问题是镀后接触体尺寸超差、产品绝缘性能下降
可伐合金玻璃烧结电连接器电镀工艺改进
 
  1.玻璃封接体;2.接触体(可伐合金);3.外壳(可伐合金)
 
  1.glasssealingbody;2.connector(KOVARalloy);3.shell(KOVARalloy)
 
  图1可伐合金玻封连接器(TY150A-20)结构图
 
  Figure1Structureofelectricalconnectorafterglasssealing
 
  withKOVARalloyassubstrate(TY150A-20)
 
  以及抗蚀能力不合格等。针对以上问题对原工艺进行了改进,将外壳和接触体的电镀工序由原来同步进行改变为有选择的分步进行,最终解决了这些质量问题。
 
  2电镀质量问题原因分析
 
  2.1影响接触体尺寸超差的因素
 
  2.1.1镀前化学拋光出现过腐蚀现象
 
  原电镀工艺在镀前需要采用化学抛光的方法来除去外壳和接触体表面的氧化皮,同时提高基体的表面光洁度。由于该方法是采用浓酸在高温条件下进行,在操作时很容易引起部分接触体过腐蚀造成尺寸超下差故障发生。
 
  2.1.2电流密度差造成镀层厚度分布不均
 
  由于该种连接器的外壳和接触体为一整体结构,在电镀时由于外壳的屏蔽作用,接触体表面的电流密度分布极不均匀,影响了镀层在接触体表面的均匀度,导致出现同一只产品上个别接触体会因镀层厚度过厚尺寸超上差,而其它接触体尺寸虽未超差但锻层厚度又不够的现象。外壳直径越小,接触体密度越大,电镀的时间越长,这种现象越明显。
 
  2.2镀后产品绝缘性能下降的因素2.2.1玻坯质量差、孔隙率较髙
 
  当制作的玻坯质量较差或烧结的工艺条件控制不佳时,烧结后玻璃的孔隙率较高,电镀时由于各种溶液渗入玻璃孔隙导致产品镀后绝缘度低。
 
  2.2.2镀前玻璃表面未清洗干净
 
  可伐合金外壳和接触体在烧结工序时,为了避免玻璃在烧结炉中融化后接触体移位或封接后的接触体歪斜(插头和插座的针孔不能正常插接),外壳和接触体被放在专用的石墨模板上或石墨模盒中,所以烧结后的成品在玻璃封接体表面一般会残留一些石墨粉。若这些残留的石墨粉在镀前未被清除干净,随后在电镀时残留的石墨上因导电会沉积上镀层(靠近接触体的石墨通过与接触体接触导电而镀上镀层,化学镀镍时所有浸在镀液中的金属活性表面,如接触体、外壳、石墨等,都会镀上镀层),由于现在的玻封连接器越来越小,外壳和接触体之间(特别是接触体之间)间距越来越小,最后会造成接触体之间或接触体与外壳之间的镀层搭桥(因残留的石墨镀上镀层引起),最终造成产品绝缘度降低甚至线路短路。
 
  2.3镀后产品抗蚀性能差的因素2.3.1基体表面锈蚀
 
  由于可伐合金化学成分中以铁元素为主,若基体
 
  材料保管不当或存放过久,其基体表面就会产生锈蚀。在锈蚀的基体上镀覆出的镀层孔隙率较高,抗蚀能力低。
 
  表1接插件常用可伐合金的化学成分质量分数[2]
 
  Table1ChemicalcompositionandcontentofKOVAR
 
  alloyusedinconnector %
 
  名称牌f 考核元素 参考元素
 
  可伐4J29
 
  合金膨胀合金 CPSMn<0.03<0.02<0.02<0.4 SiNiCoFe<0.328.5~29.516.847.8余量
 
  2.3.2接触体电镀时焊线端绕线处镀层太薄
 
  在玻封连接器电铍时,为了使每一根接触体导电,通常采用细铜丝作为电镀电源导线绕在每一根插针或插孔的焊线端,在绕线部位由于受导线遮盖的影响,该处镀层太薄甚至无镀层。在作产品抗蚀能力检测时,接触体该部位较易出现腐蚀现象。
 
  2.3.3常规电镀深镀能力无法满足产品要求
 
  近年来玻封连接器已逐渐向小型化发展,当外壳直径较小或接触体密度过大,采用一般的电镀方法电镀时,由于受到电镀工艺能力的限制,接触体的根部镀层厚度很难保证,其结果就会影响到接触体的整体抗蚀能力。
 
  3电镀工艺改进
 
  3.1接触体镀前烧结改进为镀后烧结
 
  镀前烧结是多年来在玻封连接器的生产制造过程中一直采用的工艺,其工艺流程为:
 
  接触体和外壳加工成形一玻璃烧结一化学抛光清除基体表面氧化皮一检查每只产品的气密性、绝缘度一接触体和外壳同时拴上电镀电源导线一接触体和外壳同时进行电镀(多层电镀)一产品检验。
 
  镀后烧结是通过多次试验总结后改进的工艺,其工艺流程为:
 
  接触体和外壳加工成形一将接触体进行滚光(采用离心滚光机进行光饰处理)一利用振动电镀设备将滚光后的接触体电镀镍一镀镍后接触体经尺寸检验分选后合格品进行玻璃烧结一检查烧结成品的气密性、绝缘度一拴电镀电源导线或安装专用挂、夹具一接触体和外壳分别进行电镀一检验。
 
  接触体镀前烧结和镀后烧结工艺对比见表2。
 
  从2003年1月份起,经过有计划地3次对比试验,镀后烧结的效果(接触体外观和盐雾试验结果)明显优于镀前烧结的效果。现笔者所在公司所有玻烧类产品均按新工艺流程进行。
 
  表2接触体镀前烧结和镀后烧结工艺对比
 
  Table2Comparisonbetweensinteringbeforeandafterplatingonconnector
 
  实验项1 工艺区别 工艺特点
 
  镀前烧结 外壳和接触体烧结后同时进行电镀 电镀工序较简单;
 
  ② 烧结前后会有部分接触体表面出现局部锈蚀;
 
  ③ 玻璃和接触体的针杆交界面有齿状痕迹,该部位易出现锈蚀;
 
  ④ 同一只产品上的接触体容易出现尺寸差异
 
  锻后烧结 接触体滚光后电镀薄镍层再与外壳烧结成型 提高了接触体的表面光洁度,因而减少了接触体镀层孔隙,增强了接触体镀后抗蚀性;
 
  ② 减少了烧结时玻璃顺接触体针杆爬坡的现象,避免和减少了玻璃和金属的界面腐蚀现象;
 
  ③ 接触体的尺寸在镀前就得到了严格控制
 
  3.2化学抛光改进为其它方法除氧化皮
 
  化学抛光主要是针对外壳和接触体的光洁度不高和烧结后氧化皮过厚进行的一种工艺手段。该方法是采用浓硝酸和浓醋酸在70°C以上高温进行。经过化学拋光后,金属表面的凸起部位被酸蚀除去,以此达到减少金属表面峰谷差异来实现提高光洁度的目的。
 
  可伐合金化学抛光工艺配方:
 
  醋酸 60%(体积分数)
 
  硝酸 40%(体积分数)
 
  0 70-100°C
 
  由于化学拋光易造成基体过腐蚀,因此采用了不同浓度的盐酸进行除氧化皮实验,以控制酸浓度和处理时间来掌握活化进度。2种工艺的对比结果见表3。
 
  表3外壳化学抛光和采用其它方法除氧化皮试验对比
 
  Table3Comparisonbetweenchemicalpolishingandothermethodstoremoveoxidescale
 
  实验项目 工艺区别 工艺特点
 
  化学拋光 采用浓硝酸和浓醋酸在70°C以上髙温进行 ①操作简单,省工省时(对比滚光工艺)除氧化皮迅速;
 
  ©插针的尺寸有明显影响(超下差)甚至出现针尖部位溶解过细现象;
 
  ③ 玻璃的表面有被酸腐蚀的现象;
 
  ④ 酸在高温状态下易于渗入玻璃孔隙,影响绝缘度;
 
  盐酸活化 采用不同浓度的盐酸进行除氧化皮 ①根据氧化皮厚薄程度调整盐酸浓度,成分简单,操作方便,避免了髙温操作;③对金属基体和玻璃表面腐蚀极小,不影响插针尺寸1
 
  ③无抛光作用,对基体的表面光洁度没有增强效果,氧化皮较厚时清除比较困难
 
  通过以上工艺特点对比可知,采用何种工艺除氧化皮还要取决于进行玻璃烧结的方法,既要看烧结后成品表面的氧化程度,又要看采用的回火工艺。对于真空回火的玻烧成品,由于氧化膜薄,可以采用盐酸常温除氧化皮工艺;而对于非真空回火,特别是在玻璃上印字后二次烧结的成品,因可伐合金基体表面氧化膜较厚,采用盐酸常温除氧化皮工艺目前效果还不太理想。3.3镀金阻挡层工艺改进
 
  原多层镍电镀工艺是经化学抛光后在外壳及接触体表面电镀铜再镀镍最后镀金,由于常规电镀工艺的局限性,其接触体的镀层质量达不到要求。于是尝试在外壳除氧化皮工序后不用在接触体逐一拴上电镀电源导线,先直接在化学镀镍设备上镀化学镍20左右,然后再在接触体上分别拴上导线进行镀金(可以不镀外壳)。经产品例行实验检测,采用化学镀镍代替原多层镍电镀,其效果明显改善。结果比较
 
  见表4。
 
  新化学镀镍工艺对玻璃烧结的质量有明显要求。因为化学镀镍是在88°C溶液中镀2h以上,玻璃的孔隙率大小对外壳的绝缘度有明显影响。2003年笔者曾采用化学镍工艺镀3批TY150A-20产品,如图2所示。前两次镀插头和插座各20套全部合格,第3次
 
  图2TY150AJ0产品示意图
 
  Figure2SketchmapofTY150A-20 
 
  再镀同样产品40套,镀后检查产品绝缘度,其中插头仅12只合格,插座39只合格。其原因是:该产品插头是采用玻璃饼坯烧结,由于该批产品烧结质量差,玻璃体内气泡和孔隙较多,镀后玻璃体内有溶液渗入,甚至个别零件的玻璃表面因为粗糙局部有镀层沉积,所以导致外壳和接触体之间绝缘度降低;而该产品插座由于米用空心玻璃珠烧结,气密性很好,同时玻璃表面的光洁度也很高,因此没有出现类似现象。
 
  3.4外壳和接触体选择性电镀
 
  为了提高该类产品的抗蚀性能和节约贵金属的消耗,同时使产品适应更多的使用环境,将原外壳和接触体同步镀金工艺改进为外壳和接触体选择性电镀工艺,减少外壳镀金这一工序,按照国家军用标准要求对外壳分别进行电镀镉或电镀锡。选择性电镀有先镀外壳再镀接触体和先镀接触体再镀外壳2种方法,2种方法的工艺特点比较见表5。
 
  表5外壳和接触体工艺试验对比
 
  Table5Comparisonofprocesstestsoncrustandconnector
 
  实验项目 工艺方法
 
  先镀外壳再镀接外壳和接触体同步化学镀镍后,在外壳表面电镀镉钝化触体 或电镀锡钝化,然后用专用夹具固定外壳,最后用局部镀
 
  金的方法将接触体的接触端镀金,焊线端镀锡先镀接触体再镀将镀件按同步电镀工艺电镀完毕后,将镀好金的接触体外壳 外露的焊线端部分套上热缩塑料管,并同时在外壳口部
 
  塞上橡皮塞将接触体插结端屏蔽,再将外壳镀镉或镀锡
 
  4结论
 
  (1)将玻封连接器的接触体和外壳由同步电镀工艺改进为有选择的分步电镀工艺后,其镀层质量可得到明显改善。特别是采用镀后烧结工艺的接触体的质量问题明显减少。但是,在进行接触体的滚光和电镀镍工序时要特别注意:①离心滚光使用的球型或圆柱型磨削介质其直径不能和接触体的孔径形成配合尺寸,以免造成堵塞现象;②电镀镍层的厚度不能太厚,一般控制在1〜2否则在玻璃烧结后会出现夹层镍或影响接触体和玻璃的封接效果。
 
  (2)烧结时玻坯的质量(采用干法制坯工艺要优于湿法制坯工艺)和是否采用真空回火工艺将对电镀工艺的选择起决定性作用。同时玻璃烧结的质量又直接影响到产品的电镀合格率。
 
  (3)采用化学镀镍作中间阻挡层的工艺,其镀层致密度和耐蚀性明显强于电镀镍。但是,若玻璃烧结的质量还达不到要求时,采用化学镀镍要影响镀后产
 
  品的绝缘性能。
 
  (4)屏蔽材料的选择和夹具的设计是决定外壳选择性电镀成功与否的必备条件。采用的方法不正确,电镀的生产效率就会太低,一定要在找到最佳的方法后再投入批量生产。
 
  (5)可伐合金外壳若镀上金后不能直接电镀镉,必须在金层与镉层之间镀一层镍或镀一层铜。同样,通过镀后浸金属防护剂可以明显提高产品耐盐雾性能。
 
  

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