Beschichtungsmaterialien

28 3.2 Beschichtungsmaterialien

3.2 Beschichtungsmaterialien 29 schlägt. Die Anzahl an Poren hängt sehr stark von der Rauheit des Grundmaterials, dem

Galvanikprozess und der Schichtdicke ab.

Gold als Edelmetall reagiert nicht mit der Atmosphäre in Form von Oxidschichten oder Farbänderun-gen. Kein anderes Kontaktmaterial zeigt eine reinere Oberfläche. Gerade bei Dry Circuits (max. 20 mV 100 mA) stellen metallische Oxidschichten eine hochohmige Schicht dar, die mechanisch durch eine Reibbewegung bzw. die Kontaktnormalkraft zerstört werden muss. Auf Grund der praktisch nicht vorhandenen Oxidschicht benötigen goldbeschichtete Kontakte die geringsten Normalkräfte. Je nach Kontaktgeometrie genügen bereits zwischen 0,3 N und 0,5 N, um einen akzeptablen elektrischen Kontakt zu erzeugen [144]. In der Praxis werden jedoch Doppelkontaktvarianten mit einer Kontakt-normalkraft von 1 N eingesetzt. Der hohe Goldpreis zwingt die Steckverbinderhersteller zu besonde-ren Anstbesonde-rengungen, den Goldverbrauch zu minimiebesonde-ren. Hierzu gehört zum einen eine selektive Be-schichtung nur in der Kontaktzone und zum anderen eine Optimierung der Schichtdicke. Je nach An-forderungen an die Porenfreiheit und Steckhäufigkeit werden Schichtdicken typischerweise zwischen 0,2 µm und 1 µm verwendet. Bezüglich Steckhäufigkeit kann folgende Regel angewendet werden.

1. Für 200 und mehr Steckzyklen bei Input/Output-Steckverbindern werden Schichtdicken > 1 µm benötigt.

2. Für geforderte Steckzyklen zwischen 20 und 200 reichen 0,8 µm aus.

Eine Hauchgold Beschichtung mit ~0,2 µm wird bei Palladium oder Palladium/Nickel-Kontakten verwendet. Hier spielt die Porosität der dünnen Goldschicht eine geringe Rolle. Gold hat hier die Funktion, eine fremdschichtfreie Oberfläche zur Verfügung zu stellen und die tribologischen Eigen-schaften zu verbessern.

Platin hat ebenfalls eine exzellente Korrosionsbeständigkeit. Seine Beständigkeit gegenüber Material-abrieb macht Platinkontakte im Anwendungsbereich niedriger Spannungen und Ströme zur guten Wahl. Die niedrige Leitfähigkeit macht Platinkontakte ungeeignet für Hochstromanwendungen. Auch der zurzeit doppelt so hohe Preis gegenüber Gold führt dazu, dass Platin ein wenig beachtetes Kon-taktmaterial ist. Bei Vorhandensein organischer Dämpfe kann Platin eine katalytische Reaktion her-vorrufen. Die so gebildeten Deckschichten können, falls keine Reibbewegung oder keine ausreichend hohen Normalkräfte vorhanden sind, zu einem Ausfall des Kontaktes führen.

Palladium zeigt ausgenommen bei hohen Temperaturen ebenfalls keine Oxidation. Auf Grund des hohen Schmelzpunktes zeigt Palladium eine erhöhte Resistenz gegenüber Lichtbogenerosion. Um spannungsfreie galvanische Schichten zu erzeugen, wird Nickel oder Silber als Zulegierung verwen-det. Neben elektrochemischer Abscheidung eignen sich Palladium und Silber-Palladium auch zur Walzplattierung. Ähnlich wie Platin zeigt Palladium im Vorhandensein organischer Dämpfe, die z.B.

aus dem umgebenden Kunststoffgehäuse stammen können, katalytische Reaktionen. Eine Zulegierung von Silber verringert die Reaktionsfreudigkeit. Silber-Palladium mit Hauchgold verbessert die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche.

Silber hat den geringsten spezifischen Widerstand aller hier aufgeführten Kontaktoberflächen und wird bei Anwendungen mit mittleren oder hohen Strombelastungen eingesetzt (<1A/12V). Da Silber zur Bildung einer Sulfidschicht neigt, eignen sich solche Kontakte weniger in Anwendungen mit nied-rigen Spannungen bzw. Strömen. Des Weiteren neigt Silber zur Elektromigration. Silber hat einen relativen geringen Schmelzpunkte von 961°C. Durch die Neigung zum Kaltverschweißen sind die

30 3.2 Beschichtungsmaterialien erzielbaren Steckzyklen mit Silberkontakten auf < 50 (Mehrfachkontaktierung mit minimierten Kon-taktnormalkräften) begrenzt.

3.2.2 Unedle Kontaktwerkstoffe

Zu den unedlen Kontaktwerkstoffen zählen Zinn, Zinn-Blei und Nickel. Im Gegensatz zu den edlen Kontaktwerkstoffen besteht hier nicht die Gefahr einer Porenkorrosion. Unedle Kontaktmaterialien besitzen immer eine oxidierte Oberfläche, die höhere Kontaktnormalkräfte erfordert, um die nicht leitende Oxidschicht zu durchdringen. Die verwendeten Zinnschichtdicken sind mit 2 µm – 5 µm deutlich dicker als die der edlen Kontaktmaterialien (0,2 µm – 2 µm).

Das am meisten verwendete und kostengünstigste unedle Kontaktmaterial ist Zinn. Zinn ist sehr gut lötbar, tendiert aber bei hohen Kontaktkräften zum Kaltverschweißen. Das relativ weiche Zinn ist zudem nicht sehr abriebfest. Die früher am häufigsten verwendeten Zinn/Blei-Legierungen (SnPb) finden, wie bereits gesagt, wegen der RoHS-Reglementierung immer weniger Beachtung. Neben der niedrigen Steckzyklenzahl kommt es bei Zinn-Oberflächen zur so genannten Reibkorrosion. Reibkor-rosion tritt auf, wenn es während der Anwendung zu wiederholter kleiner Relativbewegung zwischen den Kontaktpartnern kommt. Hierdurch wird ständig metallisches Zinn mit der Atmosphäre in Kon-takt gebracht. Blankes Zinn bildet jedoch sofort eine nicht leitende Oxidschicht, die beim erneuten mechanischen Kontakt wieder durchdrungen und beiseite geschoben werden muss. Der ständige neue Nachschub an Zinnoxid führt jedoch mit der Zeit zu einer Anhäufung der Oxide im Kontaktbereich.

Diese Anhäufung kann von den Kontaktkräften nicht mehr durchdrungen werden, was letztendlich zu einem Ausfall des Kontaktes führt. Die Relativbewegungen können durch Vibrationen oder thermi-sche Einflüsse hervorgerufen werden. Zinnkontakte sollten deshalb so konstruiert sein, dass die Kon-taktkörper so gelagert sind, dass es zu keiner Kraftübertragung durch äußere Komponenten wie Kabel oder Gehäuse kommt. Zinnoberflächen tendieren bei Vorhandensein von inneren oder äußeren me-chanischen Spannung zu Wiskerbildung. Zinn-Whisker sind monokristalline, mikroskopisch dünne, haarartige Strukturen, die mehrere Millimeter Länge erreichen und Kurzschlüsse erzeugen können.

Zwischenbeschichtungen werden in erster Linie verwendet, um die Diffusion des Grundmaterials in die Funktionsschicht zu unterbinden. Gold darf nicht direkt auf Messing oder Zink enthaltende Mate-rialien aufgebracht werden. In die Goldschicht eindiffundiertes Zink führt zu einer Oxidation und zu einer Verschlechterung des Kontaktverhaltens. Kupfer oder Nickel als Zwischenbeschichtung dienen hier als Diffusionssperre. Unter hoher Temperatur besteht jedoch weiterhin die Gefahr einer Zinkdif-fusion.

Nickel wird häufig eingesetzt, um neben der diffusionshemmenden Wirkung die Effekte auf Grund von Porenbildung der edlen Deckschicht zu reduzieren. Wegen seiner Härte fungiert Nickel als span-nungsabbauende Schicht und erhöht die Beständigkeit der Deckschicht.

3.2 Beschichtungsmaterialien 31 3.2.3 Paarungsmöglichkeit unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe

Im Allgemeinen sollten unterschiedliche Kontaktbeschichtungen nicht miteinander gekreuzt werden.

Ausnahmen bilden die Kombination silberbeschichteter Kontakte mit verzinnten Kontakten. Tabelle 3.4 zeigt die Kreuzbarkeit herkömmlicher Kontaktoberflächen.

Tabelle 3.4: Kreuzbarkeit von Kontaktoberflächen (Quelle Tyco Electronics) Au/Ni

/Basis

Au/PdNi/Ni/

Basis

Au/NiP/N i/Basis

Ag/Ni/

Basis

Ag/

Basis

Gal_Sn/

Ni/Basis

Feuer-Sn/Basis

Ni/

Basis Au/Ni/

Basis

++ + 0 (2) (2) Ausfall Ausfall -

Au/PdNi/Ni /Basis

++ 0 (2) (2) Ausfall Ausfall -

Au/NiP/Ni/

Basis

++ (2) (2) Ausfall Ausfall -

Ag/Ni/

Basis

++ ++ + + -

Ag/

Basis

++ 0 0 -

Gal_Sn/

Ni/Basis

++ + -

Feuer-Sn/

Basis

++ -

Ni/ Basis (1)

(1) Nur für höhere Spannungen und Schirmbleche;

(2) Korrosionsgefahr mit Ag-Ausblühungen

4 Herstellungsprozesse von Steckverbinderkontakten

Die Oberflächenrauheit hat einen Einfluss auf das Steck- und Ziehverhalten, den Kontakt-Übergangswiderstand sowie auf die Neigung der Oberfläche zur Porosität nach dem Galvanikprozess.

Die Rauheit entsteht durch sich addierende Einflüsse aus dem gesamten Herstellungsprozess, ange-fangen vom Walzen der Kupferrohbänder, den Stanz- und Biegeoperationen, bis hin zur Dicke und Art der unterschiedlichen Veredelungsschichten. Die Rauheit erhöht sich im allg. während des Stanz-biegeprozesses. Chemische Vorbehandlungen des Bandmaterials vor dem Beschichtungsprozess sol-len deshalb eine möglichst glatte und saubere Oberfläche sicherstelsol-len. Das Aufbringen von eineb-nenden Zwischenschichten ist weniger effektiv, da diese Schichten eine Stärke von mehreren µm be-sitzen müssten. Weiterhin wären hierdurch schwer vorhersehbare Effekte hinsichtlich Widerstand und Biegbarkeit zu erwarten.