книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

Рис. 1.1. Профиль поверхности металла.

Если поверхность металла подвергать механической или электролитической полировке, можно уменьшить средний размер неровностей до единиц микрон. Однако при механической полировке на обрабатываемой по­ верхности образуется тонкий слой с механическими и физическими свойствами, отличными от соответствующих свойств исходного материала. Этот слой, называемый слоем Бейлби, возникает в результате разрушения наи­ более крупных выступов и последующего впрессовыва­ ния их обломков во впадины микрорельефа. В процессе образования слоя Бейлби происходит не только дробле­ ние кристаллитов, но н окисление значительной их части. Поэтому слой Бейлби является почти аморфным и отли­ чается повышенной твердостью.

Пленки на поверхности металла. При соприкоснове­ нии металла с газами атмосферы на его поверхности очень быстро образуются различного рода пленки, играющие очень большую роль при создании и функцио­ нировании контактных соединений. Основой образования этих пленок являются процессы адсорбции, коррозии и адгезии. Согласно кинетической теории при воздействии атмосферы' на чистую металлическую поверхность поток молекул газа, ударяющихся об эту поверхность, в рав­ новесном состоянии определяется выражением

n = Nv/4,

где W — концентрация молекул газа; v — их средняя тепловая скорость. Предполагая коэффициент конденса­ ции равным единице и число мест, доступных для ад­

мальном же давлении поверхность покрывается моно­ молекулярным слоем за значительно более короткий промежуток времени.

Чистая металлическая поверхность обладает значи­ тельной избыточной свободной энергией и является весь­ ма активной. Поэтому молекулы различных газов, уда­ ряясь о поверхность, адсорбируются на ней, частично или

10

полностью заполняют свободные связи поверхностных н приповерхностных атомов, уменьшая при этом удельную свободную энергию поверхности. Эти газы могут всту­ пать в химические реакции с атомами металла с обра­

благородных, реагирует кислород. Рассмотрим подроб­ нее процесс взаимодействия кислорода с металлической поверхностью.

Механизм адсорбции кислорода. В процессе образо­ вания кислородных пленок на чистых металлических по­ верхностях можно выделить два основных этапа:

1. Физическая адсорбция. Ударяясь о чистую поверх­ ность металла, молекулы газа адсорбируются на ней. Из адсорбированных молекул образуется полимолекулярная пленка, адгезия которой к поверхности обусловливается силами Ван-дер-Ваальса.

2. Хемосорбция. Под каталитическим действием ме­ талла молекулы кислорода вскоре диссоциируют на от­

приповерхностного слоя, присоединяя их в решетку окис­ ла. Из этих двух процессов протекает тот, который тре­ бует меньшей затраты энергии.

Адгезионные газовые пленки. Процесс взаимодейст­ вия кислорода с поверхностями благородных металлов (Au, Pt и др.) ограничивается физической адсорбцией, т. е. образованием адгезионных пленок. Несмотря на то, что силы Ван-дер-Ваальса значительно слабее других молекулярных сил связи, образуемые ими адгезионные пленки оказываются способными выдержать большие нормальные статические нагрузки. Однако эти пленки весьма слабо сопротивляются касательным усилиям, т. е. трению, и разрушаются уже при небольших тангенци­ альных контактных усилиях.

Адгезионные газовые пленки обычно состоят из од­ ного или двух молекулярных слоев и по толщине не пре­ вышают (10...20) А.

11:

Окисные пленки. Чистые поверхности практически всех металлов, соприкасаясь с атмосферой, содержащей кислород, немедленно покрываются пленками своих окислов. За довольно короткий промежуток времени на металлической поверхности образуется начальный окис-

.ный слой толщиной в несколько атомных ячеек, который, в свою очередь, покрывается адсорбированной пленкой газа. Дальнейший рост окисного слоя определяется ско­ ростью диффузии в его решетку атомов металла и адсорбированного газа [8], температурой, давлением, при­ месями в окисляющей атмосфере и в металле и т. д. Металл обычно диффундирует в виде ионов, так как ра­ диус иона металла всегда меньше радиуса соответст­ вующего атома. Радиус же иона кислорода почти в два раза больше радиуса его атома, поэтому кислород обыч­ но диффундирует в форме атомов. Если скорость диффу­ зии металла превышает скорость диффузии кислорода, то зоной роста является внешняя поверхность окисной пленки. Если же скорость диффузии атомов кислорода выше чем металла, то зоной роста является поверхность раздела металл — окисел. В случае соизмеримых скоро­ стей диффузии зона роста находится внутри пленки на некоторой глубине, определяемой соотношением этих скоростей.

Законы роста окисных пленок для разных металлов различны. Так, если объем некоторого количества окисла AV 0 меньше объема того количества металла Л1/м из ко­ торого образовался окисел: (&V0!AVM) < 1, то образовав­ шиеся окисные пленки оказываются пористыми, рыхлы­ ми и обладают слабым защитным действием. Диффузия ионов и атомов металла и кислорода через такую плен­ ку протекает довольно легко, и закон роста окисла на поверхности представляет собой практически линейную зависимость от времени

критической начальной толщины h0, характерной для каждого металла. Подобная картина процесса окисления обнаруживается у щелочных и щелочно-земельных ме-

12

железо, медь), образуется соответственно более плотный слой окисла, диффузия ионов металла или атомов кис­

уменьшение скорости роста этих пленок с течением вре­ мени обусловлено их защитным действием. Такие плен­ ки называются пассивирующими.

Процесс окисления весьма чувствителен к побочным, слабо контролируемым факторам. Например, присутст-

13

вне ничтожных следов серы или влаги в окислительной атмосфере или примесей в металле может принципиаль­ но изменить характер роста окисла. Поэтому имеющие­ ся в литературе данные о толщине начальной пленки 1г0, времени ее образования т0 , толщине и времени образо­ вания пассивирующей -пленки /гш тп , а также о законе роста окисного слоя характеризуются значительным раз­ бросом.

В табл. 1.1 приведены эти данные для некоторых ме­ таллов из работ [1, 8—10].

Т а б л и ц а 1.1

Некоторые данные процесса окисления металлов

При прочих равных условиях скорость роста окисла на поверхности металла существенно зависит от давле­ ния воздуха или кислорода. Так, для некоторых метал­ лов [9] параболическая константа роста прямо пропор­ циональна логарифму давления окислительной атмосфе-

14

за такой же промежуток времени.

Структура начального окисного слоя, как правило, воспроизводит структуру нижележащей поверхности, ли­ бо является аморфной [1]. По мере роста пленки, окисел кристаллизуется в собственную решетку, что сопровож­ дается образованием трещин. Для дальнейшего сущест­ венно отметить, что рост окисла на поверхности поли­ кристалла протекает неравномерно, так как энергия активации реакции, зависящая от удельной свободной энергии поверхности, оказывается разной на различных гранях кристаллитов, а у границ кристаллитов, скопле­ ний дислокаций и других дефектов — значительно мень­ ше, чем на неискаженных плоскостях. Кроме того, диф­ фузия атомов металла и кислорода по межзеренным границам протекает значительно легче, чем в совершен­ ную кристаллическую грань. В связи с этим толщина окисла в областях границ зерен обычно в несколько раз больше его толщины на верхних гранях зерен (межкристаллитная коррозия).

Сульфидные пленки потускнения. Сероводородные за­ грязнения почти всегда содержатся в некотором количе­ стве в атмосфере больших городов. Их концентрация особенно высока в районах нефтеперерабатывающих за­ водов, вискозных фабрик и т. п.

Некоторые металлы, нашедшие в конструкциях элек­ трических контактов широкое применение в силу своих хороших электрических и механических свойств (напри­ мер, Ag, Си), реагируя с сероводородными загрязнения­ ми, образуют поверхностные сульфидные пленки (Ag^S, CuS, Cu^S). Сульфидизация не может протекать под действием сухого сероводорода. Ей способствует присут­ ствие паров воды или SOg. Слой сульфида не является защитным и скорость его роста тем больше, чем выше концентрация серы в окружающей среде и чем выше температура.

Сульфидные пленки образуются не только на кон­ тактных элементах, изготовленных из неблагородных металлов. Частичное сульфидное потускнение наблю­ дается и тогда, когда поверхности проводников покрыты защитным слоем золота. Ввиду широкого применения таких покрытий, особенно в контактах, предназначенных

15

Потускнение позолоченных поверхностей. Для улучше­ ния надежности работы контактов на контактные эле­ менты часто осаждают слой золота, обладающий от­ личными антикоррозионными, механическими и электри­ ческими свойствами (см. § 2.6). Обычно покрытие золотом не является идеально сплошным и характери­ зуется наличием сквозных пор, причем пористость слоя является функцией шероховатости базового металла [11]. Характер этой зависимости при различных толщинах по­ крытия представлен на рис. 1.4.

Проникая через поры слоя золота, сероводородные загрязнения реагируют с базовым металлом, создавая соответствующий сульфид. Часто сульфид базового ме­ талла (например, серебра, меди) обладает способностью выползать из пор и распространяться в виде тонкой

санные в работе [11], показали, что дальность / распро­

лов. На рис. 1.5 приведены эти зависимости для контакт­ ных элементов из серебра и бронзы.

Другим механизмом образования на поверхности зо­ лотых покрытий сульфидных пленок может быть диффу-

16

Т а б л и ц а 1.2

Отношение твердости окисла к твердости соответствующего металла

исходного металла не приводит к их растрескиванию. Адгезионные же газовые пленки при пластической или упругой деформации микрорельефа ввиду своей гибко­ сти остаются сплошными. Однако, если приложенная к таким пленкам нагрузка имеет касательную состав­ ляющую к поверхности, они сравнительно легко разру-

Рис. 1.6. Растрескивание окнсной пленки при пластической деформации выступов.

шаются, а водяные тонкие пленки разрываются при при­ ложении незначительного механического усилия.

Таким образом, эффективным средством разрушения поверхностных пленок в процессе контактирования является притирание контактных поверхностей, которое обеспечивается конструкцией контактного соединения. Очевидно, что эффективность притирания повышается с увеличением в допустимых пределах шероховатости и твердости контактных поверхностей. В некоторых слу­ чаях в контактные элементы вводят более твердые кри-

18