說說BMS裡連接器的電鍍與微動腐蝕

2020-12-18 新能源BMS

近來連續寫了四篇關於高壓方面的總結,想來大家都有些內容疲倦,所以就插入一些別的內容,其實我查標準查的也有點暈。

之前寫過一篇關於連接器選型需求的,這次就再深入一些,集中一點,聊聊連接器的電鍍與微動腐蝕。

連接器大家都接觸過,BMS單板上的連接器基本類似下圖這種(圖片來源於JST官網)。

按照實際的安裝方式,又可以分為以下幾種類型(圖片來源於住友官網)。

這些連接器可以分為線端和板端兩個部分(也叫公端和母端),其中板端連接器內部集成金屬PIN針;線端連接器需要外部插入金屬接線端子後,再與板端連接器對插,實現電氣連接;實際的接觸點就是PIN針與金屬接線端子相接觸(圖片來源於網絡,圖中實際為線對線的接線端子,只是用做示意);PIN針的另外一頭用於與PCB的固定。

PIN針或金屬接線端子,其本體材料一般為銅合金,例如銅鋅合金:導電性好,延展性佳,可塑性高;其他還有磷青銅、鐵、不鏽鋼等。本體材料的選取主要考慮彈性、導電性、耐疲勞性、抗腐蝕性等等因素。

電鍍:

實際上,一種金屬往往不能滿足連接器的所有機械性能、電性能要求,所以在端子的本體上會再進行電鍍上另外一層金屬薄膜。

電鍍是利用電解原理在金屬表面附著上其他金屬材料薄層的過程,可以防止氧化、提高耐磨性、導電性、抗腐蝕、可焊性等作用。

連接器端子、插針常用的金屬鍍層分為貴金屬鍍層和非貴金屬鍍層。

貴金屬鍍層例如金、鈀,它們在空氣中不容易被氧化;非貴金屬鍍層例如錫、銀、鎳等,它們在空氣中容易被氧化。

下圖為表面鍍金的端子示意圖(來源於https://zhuanlan.zhihu.com/p/30266978):端子除了本體銅合金外,上面又鍍了鎳,而鎳上又鍍了金;實際上,鎳通常作為貴金屬電鍍的打底材料,由於鎳具有很好的化學穩定性,為貴金屬鍍層下面提供了一層堅硬的支撐層,並保護端子基材與貴金屬層的遷移等。

鍍金是非常理想的設計方案,但由於成本問題,BMS上面連接器很少選用,而用的更多的是鍍錫的連接器(如下圖),它們外觀呈銀白色,可焊性和導電性好、成本低而被廣泛使用。

微動腐蝕:

微動腐蝕是鍍錫連接器的一種很典型的失效模式,前面提到過,錫在空氣中很容易被氧化,而且氧化層還不導電,然而卻不影響正常使用,好神奇。

這是因為氧化層很脆,很容易被破壞;當線端連接器插入板端時,由於端子間的摩擦力,很容易把接觸面上的氧化層破壞掉,漏出了錫層,進而可以正常導電。

然而,不幸的是,當完成互插後,由于振動或溫度導致的熱脹冷縮,端子的接觸面會發生微動的位移,錫接觸到了空氣,造成了接觸點的錫二次氧化,而這個氧化層是不容易被破壞掉的,這就會造成接觸面阻抗變大,造成連接不良,這個就叫做微動腐蝕;下面的動圖是其詳細的形成過程(來源於https://www.te.com.cn/chn-zh/videos/industrial/the-micro-match-contact-system.html)。

總結:

這回是第一次認真了解並總結連接器的工藝知識,感覺寫的很粗淺,一些拿不準的地方還是沒敢提(例如鍍錫的連接器是否需要鎳打底),希望我自己繼續保持努力;最近要忙著調試單板,我會儘量保證更新的質量與穩定;以上所有,僅供參考。

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