커넥터 성능 저하 메커니즘(II) - 부식

커넥터 성능 저하 메커니즘에 대한 논의는 계속 이어질 것입니다. 이 글에서는 귀금속 접점 시스템, 특히 금도금 인터페이스에서 부식이 접점 저항에 미치는 영향에 초점을 맞출 것입니다. 금도금 아래의 니켈 언더레이의 중요성과 금도금 커넥터의 성능을 개선하는 데 있어 니켈 언더레이의 이점에 대해 논의하는 것이 중요합니다. 1편에서는 접점 인터페이스의 오목 볼록 모델을 제시했습니다. 편의를 위해 1편의 그림 1과 2를 검토해 보세요. 범프 모델의 핵심은 접촉점이 직경이 약 미크론으로 작고 인터페이스의 접촉 영역과 폐색 중 변형에 의해 생성되는 접촉 영역에 분포되어 있다는 점입니다. 접촉 인터페이스를 통과하는 전류는 울퉁불퉁한 접촉점을 통과해야 하므로 수축 저항으로 알려진 저항이 발생합니다. 수축 저항의 크기는 모든 범피 접점이 전기적으로 평행하기 때문에 범피 접점의 수, 크기, 분포 등에 따라 달라집니다. 모든 울퉁불퉁한 접점 인터페이스가 금 대 금 또는 주석 대 주석과 같이 금속 대 금속인 경우, 이상적인 조건에서도 수축 저항이 존재합니다. 울퉁불퉁한 인터페이스가 부식층이나 오염 물질로 덮여 있으면 수축 저항이 증가합니다. 이것이 바로 부식이 커넥터 성능 저하의 중요한 원인인 이유입니다. 부식이나 오염으로 인해 딤플 접점 표면이나 딤플 접점이 손실되면 접점 인터페이스 저항이 증가하여 커넥터 고장을 일으키기에 충분할 수 있습니다.

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이제 금도금 커넥터의 부식에 대해 알아보겠습니다. 우리 모두 알다시피 금은 귀금속, 즉 비부식성 금속이며, 이러한 특성으로 인해 금은 보석류에 널리 사용됩니다. 이러한 특성에도 불구하고 금도금 커넥터가 부식에 취약하지 않다는 의미는 아닙니다. 커넥터는 커넥터가 기계 시스템을 통해 전기적 성능을 제공하는 전자 기계 시스템입니다. 기계 시스템의 두 개별 시스템에는 결합 및 접촉 등이 필요합니다. 금도금 커넥터는 구리 합금 소재에 금도금 표면과 니켈 백킹(접촉면 최적화를 위한)으로 구성됩니다. 구리 합금 소재는 커넥터 결합에 필요한 유연성을 제공합니다. 시스템에서 부식의 원인은 구리 합금 소재입니다. 구리는 산소, 황, 염소와 화학적으로 반응하는데, 이는 커넥터 적용 환경에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다. 따라서 부식 민감도와 관련하여 커넥터 설계 시 구리 부식을 제거하거나 최소화하고 커넥터 접점 인터페이스에 부식 형성 물질을 배치할 수 없도록 하는 방법을 고려해야 합니다. 이는 이론적으로는 쉽지만 실제로는 어려운 문제입니다. 커넥터 제조업체가 커넥터 전체를 5마이크론의 금으로 도금한다면 커넥터에 부식 문제가 발생하지 않을 것입니다. 그러나 비용상의 이유로 대부분의 도금은 0.25~0.75미크론이며 일반적으로 접점 인터페이스에만 도금을 합니다. 비용 요소를 고려할 때 커넥터 재질로 구리를 선택하는 것이 더 일반적입니다. 선택적 도금 및 기타 제조 공정으로 인해 구리가 노출되거나 가장자리에 구리가 노출될 수 있습니다. 도금에 결함이 있는 경우 얇은 도금층으로 인해 구리가 노출될 가능성이 있습니다. 이러한 부식 원인 외에도 커넥터의 연결 수명 주기 동안 금도금이 마모되거나 사용 중 접점 인터페이스가 손상되는 등의 문제를 고려해야 합니다. 이러한 모든 문제를 간과하는 경우가 많으며, 니켈 언더레이가 있는 금도금 커넥터는 적절하게 평가해야 합니다.

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커넥터 내부의 문제는 무엇보다도 도금의 두께에서 비롯됩니다. 그림 2는 니켈 언더레이가 있는 경우와 없는 경우 도금 표면의 상태 변화를 간략하게 보여줍니다. 도금 공정에서 결함이 발생하면 구리 합금 소재가 노출됩니다. 도금 결함에는 도금 전의 다공성, 스크래치, 불완전한 도금으로 인한 오염 등이 포함됩니다. 이러한 모든 결함의 가능성은 도금의 두께가 감소함에 따라 증가합니다. 이러한 도금 결함이 존재할 경우 노출된 구리 합금은 적용 환경과 반응하여 도금 표면에 부식 생성물을 형성할 수 있습니다. 간단한 예로, 그림 2와 3에 표시된 것처럼 구리-황 부식 생성물은 금속 표면을 가로질러 이동하거나 크리프합니다. 그림 2는 기공 부위의 벽을 따라 부식 생성물이 표면으로 이동하는 모습을 보여줍니다. 그림 3은 금도금 구리 합금 표면의 부식 이동 링을 촬영한 현미경 사진입니다. 접촉 인터페이스에 그림 3에 표시된 부식 생성물 링이 포함되어 있는 경우 계면 저항이 어느 정도 변화할 수 있습니다. 그러나 니켈 언더레이어를 사용하면 부식을 억제하고 부식 크리프를 줄일 수 있습니다. 니켈은 매우 얇은 비이동성 불활성 및 부동태 산화물을 형성합니다. 사실상 니켈은 결함 부위에서 기판을 부동태화하므로 부식이 표면으로 이동하지 않습니다.

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니켈 언더레이의 두께는 확산 방지 장벽 역할을 하는 추가적인 이점이 있습니다. 구리는 금을 통해 쉽게 확산되며, 확산된 구리가 금도금 표면에 도달하면 표면에 부식성 필름을 형성하여 금도금 금속 표면과의 접촉을 방지할 수 있습니다. 니켈 백킹이 포함된 구리는 확산 속도가 훨씬 느리고 니켈 백킹은 일반적으로 금도금보다 두껍기 때문에 금 표면으로의 구리 확산 속도가 현저히 감소합니다. 확산 속도는 온도에 따라 증가하기 때문에 고온 애플리케이션을 위한 커넥터의 경우 니켈의 이점이 더욱 두드러집니다. 니켈의 부동태화 및 이동 억제 특성은 선택적 도금에도 유리합니다. 접촉 인터페이스의 선택적 도금 전에 구리 합금 소재 전체를 니켈로 코팅하면 표면 및 가장자리 부식(및 접촉 인터페이스의 관련 부식 크리프)을 최소화할 수 있습니다. 이러한 문제 외에도 마모가 도금에 미치는 잠재적인 부식 영향은 니켈 언더레이의 특성에 의해 영향을 받습니다. 앞서 언급했듯이, 예를 들어 기계적 또는 열팽창 구동력으로 인해 커넥터의 결합 수명 동안 접촉 인터페이스의 미세한 움직임으로 인해 접촉 인터페이스가 손상됩니다. 마모 감소 요인으로서 니켈에는 두 가지 이점이 있습니다. 첫 번째 이점은 앞서 설명한 니켈의 패시베이션 및 마이그레이션 억제 특성입니다. 금의 마모와 니켈 기판의 노출은 해당 부식의 감소를 초래하지 않으며, 노출된 니켈은 접촉 저항을 증가시킬 수 있지만 이 증가의 크기는 부식 효과로 인해 발생하는 것보다 훨씬 적습니다. 두 번째 이점은 접촉 도금의 내마모성이 향상된다는 점입니다. 마모의 영향은 이후 글에서 더 자세히 설명하겠습니다. 여기서는 니켈 언더레이가 접촉 도금의 유효 경도를 증가시킨다는 것만 이해하면 충분합니다. 커넥터에 사용되는 도금은 일반적으로 하드 골드라고 하며 경도는 약 200Nups입니다. 니켈 언더코트는 일반적으로 400Nups 이상의 경도를 갖습니다. 따라서 표면 경도가 증가함에 따라 도금의 유효 경도가 증가하고 마모율이 감소하는 경향이 있습니다. 커넥터 성능에 대한 니켈 언더레이의 중요성을 고려할 때, 어떤 니켈 두께가 필요하나요? 금도금 커넥터의 일반적인 니켈 두께는 1.25~4.0미크론입니다. 하한은 요구 사항을 충족하기에 충분한 두께를 보장하기 위한 것이며, 상한은 비용과 기계적 요인 등을 고려한 것입니다. 비용 문제는 니켈이 많을수록 도금 시간과 재료 비용이 더 많이 들기 때문입니다. 기계적 고려 사항은 더 복잡합니다. 니켈 도금의 두께가 증가함에 따라 니켈의 연성은 감소하는 경향이 있고 도금의 거칠기는 증가하는 경향이 있습니다. 연성이 감소하면 도금층에 균열이 생기고 거칠기 증가, 다공성 감소, 마모 특성 등이 발생할 수 있습니다. 결론적으로, 금도금 커넥터 시스템에서 니켈 언더레이의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 니켈의 부동태화 특성은 접촉 재료의 구리 표면에서 부식 생성물의 형성 및 이동 속도를 늦추는 데 중요합니다. 또한 니켈은 접촉 인터페이스에서 기본 금속의 이동을 방지하는 확산 방지 장벽을 제공합니다. 니켈의 경도는 금도금 접점 시스템의 내마모성을 개선하고 서비스 수명을 늘리며 미세 운동 마모에 대한 저항성을 높이는 데 매우 중요합니다. 이러한 장점을 고려할 때 모든 금도금 커넥터는 니켈 도금 백킹으로 지정해야 합니다.

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