Materiali per i rivestimenti superficiali

Come già riportato nella sezione precedente, i metalli usati comunemente per la produzione di terminali ossidano facilmente. Lo strato di ossido forma un film superficiale che aumenta i valori della resistenza di contatto, peggiorando le prestazioni e aumentando la temperatura operativa. Quindi sull'area di contatto dei terminali diventa d'obbligo depositare un materiale che consenta di ottimizzare le proprietà fisiche dell'interfaccia (resistenza elettrica, resistenza all'usura) e si ponga come prima linea difensiva verso fenomeni chimici degradanti e verso l'ambiente.

La selezione del rivestimento appropriato per una data applicazione dipende dai requisiti meccanici, elettrici e ambientali.

Requisiti meccanici:

• durabilità degli accoppiamenti: il numero di cicli di accoppiamento che possono essere sopportati senza degradazione del rivestimento. La durabilità dell'accoppiamento dipende dalla durezza del sistema di rivestimento, dalla forza di contatto normale e dalla geometria di contatto;

• forza di accoppiamento : forza richiesta per accoppiare connettori. Dipende dalla forza normale di contatto, dal coefficiente di frizione del materiale di rivestimento, dalla geometria di contatto e dal numero di contatti nel connettore.

Requisiti elettrici:

• bassa e stabile resistenza di contatto. La resistenza di contatto dipende dalla formazione di film superficiali o dalla loro capacità di rottura.

Requisiti ambientali:

• temperatura, umidità e specie corrosive determinano il tipo e la struttura dei film che si formeranno sull'interfaccia di contatto.

Ci sono due meccanismi di interazione tra superfici che garantiscono l’accoppiamento meccanico ed elettrico il rivestimento duro ed il rivestimento duttile.

Il rivestimento duro consiste semplicemente nell'accoppiare due materiali che hanno determinate caratteristiche di durezza affinché non si abbia elevata compenetrazione quando sono soggetti alla forza normale di contatto e quindi ad instaurare inevitabili fenomeni di usura e abrasione. Nello stesso tempo non devono permettere la formazione di film superficiali. Questo meccanismo richiede l'uso però di metalli nobili e preziosi come l'oro duro e il palladio. L'applicazione di questi materiali aumenta di molto il costo commerciale dei connettori elettrici, quindi è opportuno limitarne l'uso.

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Poiché i terminali hanno generalmente una connessione permanente, che non richiede resistenza ad usura, allora per diminuire i costi si crea un accoppiamento che utilizza un altro tipo di meccanismo. Questo meccanismo è dato da un materiale che deve essere più economico ma che inevitabilmente è meno resistente alla formazione di film superficiali. I film superficiali che si formano, ossidi in particolar modo, sono materiali fragili e hanno sempre un'elevata durezza e grande resistenza elettrica. Il problema che si presenta è quindi quello di creare, attraverso il film superficiale, dei varchi che consentano il passaggio della corrente elettrica.

L'applicazione di un rivestimento duttile permette all'ossido formatosi di fratturarsi sottoposto alla forza normale di contatto e quindi di far passare la corrente elettrica. Risulta chiaro che l'ossidazione dei varchi creati è evitata dall'intimo contatto tra le superfici, quindi se i due elementi si sconnettessero avremmo una pronta riossidazione, oltre che elevata usura e abrasione, e quindi una bassa possibilità di riutilizzo. Per questo genere di rivestimenti si utilizzano stagno e leghe stagno-piombo. Tuttavia in seguito alla formulazione di norme internazionali che limitano la presenza del piombo nei terminali e in qualsiasi parte di un dispositivo, l'utilizzo di leghe stagno-piombo è stato quasi completamente abbandonato. Ne consegue da quanto detto che i rivestimenti principalmente sono realizzati con metalli preziosi sulla superficie di accoppiamento/disaccoppiamento, mentre sulla parte dei collegamenti fissi i rivestimenti vengono realizzati con stagno e leghe di stagno.

In Figura 2.17 e Figura 2.18 sono riportate rispettivamente due illustrazioni di rivestimento duro e di rivestimento duttile:

Figura 2.17 – Rivestimento superficiale duro.

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Di seguito saranno riportati i più conosciuti materiali di rivestimento superficiale nell’ambito delle connessioni elettriche.

Oro duro: L'oro è un metallo nobile che ha una elevata resistenza all’ossidazione e all’attacco di solfati. Nel suo stato puro ha un basso punto di fusione ed è suscettibile all'usura (in particolar modo adesiva) e all’erosione.

La durezza può essere aumentata per alligazione con rame, argento, palladio, platino, cobalto e/o nickel. Il legante conferisce ai rivestimenti, oltre alla durezza, proprietà di scorrimento molto buone e resistenza di contatto estremamente bassa. L’uso di queste leghe rimane comunque limitato a casi in cui la corrente sia bassa, a causa del basso punto di fusione, in ogni caso garantiscono un’alta affidabilità. Gli spessori normalmente utilizzati sono compresi tra 0,1 µm e 0,8 µm. Spessori maggiori permettono più cicli di inserzione/disinserzione e quindi una vita più lunga. L'oro, dopo il platino, è il metallo più caro e quindi il costo effettivo del connettore salirà in proporzione allo spessore della pellicola di rivestimento.

Palladio Nickel (80Pd, 20Ni): All'inizio degli anni '80, il palladio è stato utilizzato per la prima volta come materiale alternativo per il costo più basso rispetto all'oro duro. L'impiego di palladio non consente di eliminare completamente l'oro. Per contrastare la tendenza alla formazione di film superficiali, prevenire la formazioni di ossidi e mantenere i valori della resistenza di contatto costanti nel tempo per lunghi periodi è sempre necessario applicare uno strato esterno di oro duro, con spessore inferiore a 0,2 µm (flash di oro). Le proprietà catalitiche di tutti i metalli del gruppo del palladio costituiscono un'ulteriore ragione per l'applicazione di questo strato finale di oro duro. Il problema, a questo proposito, consiste nel fenomeno della cosiddetta polvere marrone: una polimerizzazione catalitica dei vapori organici (per esempio plastificanti) che si liberano dai materiali plastici anche senza aumenti di temperatura. Il film non conduttivo che si forma in queste condizioni potrebbe compromettere il funzionamento di connettori a bassa tensione. In aggiunta all'ulteriore risparmio che consentono, le leghe palladio-nickel (generalmente 80Pd, 20Ni) offrono anche alcuni vantaggi tecnologici rispetto al palladio puro:

• minore sensibilità ai cianuri e all'inquinamento da metalli;

• duttilità più elevata;

• migliore resistenza ad abrasione;

• forze di inserzione più basse;

• durezza maggiore;

• minore tendenza a catalizzare la formazione di polimeri e verso fenomeni di corrosione e polimerizzazione da attrito;

• minor assorbimento di idrogeno e quindi tensioni o sforzi interni più bassi e depositi esenti da frattura.

L'esperienza ormai consolidata da molti anni con i rivestimenti di PdNi20, ma anche i risultati di studi recenti, confermano che i rivestimenti con questa lega costituiscono una reale alternativa all'oro duro. La combinazione di uno strato di PdNi20 con un flash di oro duro consente eccellenti proprietà di resistenza ad abrasione. Il confronto con il rivestimento di solo oro duro evidenzia un risparmio potenziale del 30% circa per la combinazione palladio-nickel più flash di oro, anche con prezzi identici per oro e palladio.

Stagno e leghe stagno piombo: Lo stagno e le leghe stagno-piombo sono usati come coadiuvanti di saldatura e come protezione contro l'ossidazione del substrato. Quest'ultima parte merita una

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spiegazione più approfondita, infatti lo stagno non è un metallo nobile quindi anch'esso si ossida e come dimostra il diagramma di Ellingham (Figura 2.16) ha pure un ossido più stabile di quello del rame. Quindi la protezione del rame è dovuta sia ad un fattore fisico, stagno ricopre rame, sia ad un fattore chimico, ossido di stagno più stabile di quello del rame. Ma di fatto, che gli ossidi siano di stagno o di rame, si viene comunque ad avere uno strato non conduttivo tra le interfacce. Quello che fa la differenza è che il sottostrato di stagno è più duttile del substrato di lega di rame e quindi può avvenire quel meccanismo di frattura del film ossido che abbiamo accennato precedentemente. Ci sono vari modi per deporre lo stagno sul metallo base e il tipo di processo influenza caratteristiche come spessore, porosità, rugosità e dimensioni della grana. Queste differenze giocano ruoli significativi nella prestazione e nell’affidabilità dei contatti. Lo stagno e le sue leghe sono materiali molto duttili quindi non adatti ad applicazioni con molti cicli di inserzione/disinserzione, invece sono veramente eccellenti nei collegamenti che prevedono processi di saldatura. Tra i materiali per rivestimenti dei terminali sono i meno costosi. Da diversi anni si sono moltiplicati gli sforzi per bandire tutti gli usi tecnici del piombo, che è un metallo pesante ad alta tossicità. L'importanza del piombo nello stagno , oltre che abbassare i costi e aumentare la duttilità, è la capacità di impedire la formazione di whiskers; questi whiskers sono dei cristalli metallici filiformi di dimensioni microscopiche caratterizzati da un'elevatissima resistenza che crescono come protuberanze sulle superfici e peggiorando la reale estensione della superficie di contatto tra connettori. Altro problema che interessa i rivestimenti in stagno o leghe di stagno è la corrosione per sfregamento (fretting), già trattata nella sezione precedente.

Altri materiali: L’argento non è un materiale di contatto adatto per connettori a bassa sollecitazione. Benché questo metallo abbia le migliori proprietà di conducibilità elettrica e termica e sia il metallo prezioso a più basso prezzo, i limiti al suo impiego come superficie di contatto sono molto evidenti e gravi, a causa della sua forte tendenza a formare film di solfuro (Ag2S) quando è esposto in atmosfere contenenti zolfo e anche per la sua scarsa resistenza ad usura abrasiva. Tuttavia, rivestimenti di argento sono stati impiegati con successo per decenni per contatti che operano con forze di inserzione più elevate. Anche il platino e il rodio non sono adatti per connettori ad inserzione a bassa sollecitazione. I rivestimenti elettrodeposti di platino e rodio, per la loro alta durezza, hanno buone proprietà di scivolamento, questi rivestimenti tuttavia hanno tensioni o sforzi interni molto elevati e tendono quindi a microfessurarsi. Inoltre, non possono essere piegati senza che si abbia frattura. Infine i rivestimenti dei metalli del gruppo del platino, come quelli di palladio, catalizzano la polimerizzazione di vapori organici.