Современная электроника №3/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2020 циент трения, позволяющий выполнять до 10 000 соединений и рассоедине- ний вилки и розетки. Однако покры- тие NPGR не рекомендуется применять, если паяные соединения должны рабо- тать в жёстких условиях при высоких температурах [28]. Основное применение покрытий с золотом малой толщины – соединители и другие компоненты для поверхност- ного монтажа, однако в последнее вре- мя их всё шире применяют и для соеди- нителей многих других типов. Оптимальная толщина золотого покрытия Определение оптимальной толщи- ны золотого покрытия радиочастот- ных соединителей является непростой задачей, особенно для соединителей, надёжно работающих в жёстких усло- виях. Золото – дорогостоящий мате- риал, а это значит, что золотое покры- тие должно быть ровно настолько толстым, насколько это необходимо, иначе это потерянные деньги. Элек- тронная промышленность ежегодно потребляет более 320 т золота, и зна- чительная часть этого золота исполь- зуется в качестве электролита для галь- ванического покрытия соединителей и других электронных компонентов [11]. За рубежом разработаны техниче- ские 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 покры- тия покрытиями иного состава пред- принимаются постоянно. Однако ком- бинация таких свойств золота, как исключительно высокая коррозион- ная стойкость, высокая электропро- водность, немагнитность и пластич- ность, настолько неповторима, что замена золота может привести лишь к потерям или чрезмерно большим затратам. Поэтому большое количе- ство работ было направлено лишь на уменьшение толщины золотых покры- тий. Решение об уменьшении толщи- ны золотого покрытия является ком- промиссным. В таблице 4 приведены аргументы «за» и «против» уменьшения толщины золотого покрытия радиоча- стотных соединителей. При большой толщине золотого покрытия возрастает вероятность охруп- чивания соединений, спаянных оловян- но-свинцовыми припоями, вследствие образования интерметаллидов. Опти- мальная 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 коррозион- ной стойкости толщина золотого покры- тия должна быть не менее 1,25 мкм. По мере увеличения толщины золота увели- чивается не только коррозионная стой- кость, но и износостойкость покрытия. Для повышения износостойкости тол- щина покрытия «твёрдым» золотом должна быть не менее 1…2 мкм. Толщина золотого покрытия должна быть такой, чтобы покрыть все неров- ности металлических поверхностей и быть больше толщины скин-слоя. При постоянном токе плотность покры- тия одинакова по всему поперечно- му сечению проводника. На высоких частотах плотность тока в значительной центральной части сечения проводни- ка практически равна нулю, ток прохо- дит только в поверхностном слое – скин- слое. Глубина скин-слоя темменьше, чем выше частота, больше магнитная прони- цаемость и проводимость металла. Среднеарифметическое отклоне- ние профиля поверхности для разных классов чистоты обработки и глубина скин-слоя золота, гальванического (Ni) и химического (NiP) никеля в зависимо- стиот частотыпредставленыв таблице 5. Данные таблицы5 показывают, что тол- щина золотого покрытия определяется величинойшероховатостиповерхностей коаксиальной линии соединителя, так как она всегда больше глубиныскин-слоя. Для применения золотого покрытия тол- щинойменее 1 мкмнеобходимо, чтобы поверхности коаксиальной линии соеди- нителя былиобработаныне хуже, чемпо 8–9-му классу чистоты. При этом надо учитывать, что подслойникеля несколько выравнивает неровности поверхности. Для повышения износостойкости приходится увеличивать толщину золотого покрытия и применять под- слой 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 соеди- нителей. Покрытия толщиной от 0,03 до 0,1 мкм из «твёрдого» или «мягкого» золота поверх никелевого подслоя сле- дует использовать только в тех случаях, когда риск истирания минимален [25]. Толщина золотого покрытия для сое- динителей, 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 контро- лируемой среде, с минимальными тре- бованиями к износостойкости доста- точна толщина золотого покрытия 0,1…0,5 мкм. Тонкий слой золота в этом случае обеспечивает низкое контактное сопротивление и достаточно хорошую паяемость. Таблица 4. Аргументы «за» и «против» уменьшения толщины золотого покрытия соединителей «За» уменьшение толщины «Против» уменьшения толщины 1. Необходимость экономии дорогостоящего драгоценного металла 1. Необходимость обеспечения высокой коррозионной стойкости соединителей 2. Возможность повышения надёжности паяных соединений 2. Необходимость обеспечения повышенной износостойкости соединителей 3. Повышенная чистота поверхности при современной технологии изготовления соединителей 3. Повышение сложности и стоимости механической обработки поверхности соединителей очень высокой чистоты 4. Уменьшение толщины «скин-слоя» при увеличении рабочей частоты соединителей Таблица 5. Среднеарифметическое отклонение профиля поверхности и глубина скин-слоя золота, никеля гальванического и химического Класс чистоты Среднеарифметическое отклонение профиля, мкм Частота, ГГц Глубина скин-слоя, мкм Золото Ni NiP 5,0 1 2,38 0,167 4,09 2,5 10 0,75 0,054 1,32 1,25 18 0,56 0,040 1,02 0,63 40 0,38 0,027 0,68 0,32 65 0,30 0,021 0,51