Kupfer-Legierungen als Basiswerkstoffe

In der Steckverbinderindustrie bestehen nahezu alle Basiswerkstoffe aus Kupferlegierungen. Man kann einen Steckverbinderkontakt als ein leitfähiges Teil definieren, an dessen einem Ende der lösbare Kontaktpunkt und am anderen Ende eine feste Verbindung zu einem Stromkreis realisiert ist. Die feste nicht lösbare Verbindung wird im Falle von Drahtanschlüssen im Allgemeinen durch Crimp-, Schneid/Klemm- oder Einstich (Pircing) – oder Löt-Verbindungen hergestellt. Abbildung 3.1 zeigt von links nach rechts ein Schliffbild durch eine Crimp- Schneid/Klemm- und Durchdring- Verbin-dung. Während die Lötverbindung keine Anforderungen an die mechanische Stabilität des Grundma-terials stellt, müssen bei den anderen Verfahren mehrere Faktoren beachtet werden.

Beim Crimpen werden abisolierte Drähte, die sowohl Einzel- als auch Litzendrähte sein können, in ein Federgehäuse eingelegt, welches anschließend in einem Crimpwerkzeug verpresst wird. Bei den Crimpkontakten muss gewährleistet sein, dass eine gute Umformbarkeit des Crimpzylinders (Feder-gehäuse) gegeben ist. Weiterhin muss der verpresste Draht plastisch verformt werden und unter den einzelnen Litzen und dem Crimpzylinder eine gasdichte metallische Verbindung eingehen. Die erfor-derlichen Kräfte sind im Vergleich zur Kontaktnormalkraft um ein Vielfaches höher.

Bei den Schneid/Klemm-Verbindungen wird der entsprechende Draht (Einzel oder Litze) in einen Schneidspalt gedrückt. Hierbei wird die Isolation durchschnitten und die Seele des Leiters innerhalb des Schneidspaltes so eingepresst, dass wiederum eine gasdichte, metallische Verbindung entsteht.

Bei den Durchdring-Verbindungen muss das kontaktierende Element eine ausreichende Stabilität be-sitzen, um nicht nur die Isolation zu durchstoßen, sondern auch in die Kupferlitze einzudringen. Hier-bei müssen die einzelnen Litzen so verpresst werden, dass keine isolierenden Schichten zwischen den Einzelleitern verbleiben können.

Weitere permanente Verbindungen stellen so genannte Press-In-Verbindungen dar. Diese Technologie findet bei der Kontaktierung zu einer Leiterplatte Anwendung. In Abbildung 3.2 sind die Schliffbilder dreier bei Tyco Electronics gefertigter Press-In-Varianten zu sehen. Allen Varianten ist gemeinsam, dass der Übergang zwischen Kontaktstift und Durchkontaktierung der Leiterplatte über die gesamte Produktlebendsauer so stark verpresst ist, dass eine gasdichte Verbindung gewährleistet bleibt. Dies bedeutet, dass das gewählte Grundmaterial sowohl hinsichtlich Umformbarkeit als auch Federeigen-schaften und Relaxationsverhalten für den jeweiligen Anwendungsfall ausgewählt wird. Gerade

hin-3.1 Kupfer-Legierungen als Basiswerkstoffe 25 sichtlich des Relaxationsverhaltens bei erhöhten Umgebungstemperaturen zeigen sich große

Unter-schiede zwischen den einzelnen Kupferlegierungen (siehe Tabelle 3.1). Die früher wegen der guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften verwendeten Kupfer-Beryllium-Legierungen werden wegen der gesundheitlichen Risiken bei der Herstellung nur noch in Anwendungen mit hoher Umge-bungstemperatur (>150°C) verwendet.

Abbildung 3.1: Von links nach rechts: Durchschnitt durch eine Crimp-, Schneid/Klemm- und Durchdring-Verbindung

Abbildung 3.2: Schliff durch drei unterschiedliche Press-In-Verbindungen. Von oben nach unten Action Pin, Eye of the Needle, Multispring (Quelle Tyco Electronics); Leiterplattenbohrung (1 mm) nach dem Auspressen der Kontaktstifte.

Tabelle 3.1: Verbleibende mechanische Restspannung eines belasteten Biegebalkens in % nach 1000 h Tem-peraturlagerung. Anfangsspannung 500 MPa (Herstellerangaben).

Umgebungstemperatur / °C

Federspannung in %

Cu CuZn30 CuSn6 CuBeCo

100 50 75 90 95

150 15 40 80 92

250 10 10 20 90

26 3.1 Kupfer-Legierungen als Basiswerkstoffe Die bei den permanenten Verbindungen gemachten Aussagen lassen sich auch auf lösbare Kontakte übertragen. Abgesehen von den Löt- und Schweißverbindungen sind bei den oben angesprochenen permanenten Verbindungen die Flächenpressungen so hoch, dass es zu einer gasdichten intermetalli-schen Verbindung kommt, die während der Produkt-Lebensdauer keinerlei Relativbewegung mehr erfährt.

Bei den lösbaren Kontaktpunkten ist ebenfalls eine gasdichte intermetallische Verbindung erforder-lich. Das heißt, es muss zu einer plastischen Deformation der Berührungspunkte kommen. Weiterhin sind jedoch beim Steck-Ziehvorgang die erforderlichen Kräfte in einem akzeptablen Bereich zu hal-ten. Zum einen dürfen die Steck- und Ziehkräfte bei hochpoligen Steckverbindern nicht zur Zerstö-rung der Kontaktgehäuse führen, zum anderen darf der abrasive Verschleiß bei der Relativbewegung der Kontaktpartner nicht zu einem Durchrieb der Kontaktschicht führen. Weiterhin ist zu beachten, dass bei der ständig fortschreitenden Miniaturisierung der Steckverbinder immer weniger Bauraum zur Verfügung steht. Teilweise werden Kontaktfedern aus 0.2 mm dicken Rohbändern gefertigt. Diese Bänder müssen neben einem hohen E-Modul eine hohe Zugfestigkeit bei guter elektrischer Leitfähig-keit besitzen. Die nachfolgende Formel beschreibt die AbhängigLeitfähig-keit der Federkraft (und somit Kon-taktnormalkraft) von E-Modul, Federdicke d, Federlänge l und Federauslenkung z.

d z l z E

Const z

F_Feder 3 ₃

)

(      (3.1)

Abbildung 3.3 a. und b. zeigt die Kraft-Weg-Kennlinie zweier unterschiedlicher Kontaktfedern.

Abbildung 3.3: Arbeitspunkte einer Kontaktfeder. a.: Kontaktfeder mit hoher Zugfestigkeit; b.: Mit schlecht dimensioniertem Arbeitspunkt bzw. geringer Zugfestigkeit (Quelle Tyco Electronics).

Beide Kontaktfedern erzeugen bei gleicher Auslenkung die gleiche Rückstellkraft von ~3.5 N. Wäh-rend in Beispiel a. der Arbeitspunkt bei etwa 60% der maximalen Federspannung liegt, ist der im Bei-spiel b. gezeigte Arbeitspunkt bereits nahe der maximalen Zugspannung. In diesem Fall ist mit einer starken Relaxation der Federkraft zu rechnen. Betrachtet man die in Tabelle 3.2 aufgeführten Legie-rungen, so wird deutlich, dass mit steigender Festigkeit des Materials es zu einem Anstieg des spezifi-schen Widerstandes kommt.

Messinglegierungen entstehen durch die Zulegierung von Zink zum Kupfer. Messinglegierungen ha-ben eine gute Leitfähigkeit und eine höhere Festigkeit als Kupfer. Die Zugfestigkeit ist im Vergleich

3.1 Kupfer-Legierungen als Basiswerkstoffe 27 zu anderen Kupferlegierungen jedoch noch gering. Auch zeigen diese Legierungen eine höhere

Ten-denz zur Relaxation. Messinglegierungen werden deshalb bei Anwendungen eingesetzt, die keine hohen Ansprüche an die Federeigenschaften stellen und keine erhöhten Temperaturen erwarten lassen.

Gängige Bronzelegierungen sind Legierungen aus Kupfer und 4% – 8% Zinn. Alle Legierungen die-ser Familie enthalten etwa 0,16% Phosphor als Beimengungen. Phosphor dient als Deoxidationsmittel in der Schmelze. Bronzelegierungen haben zwar einen höheren spezifischen Widerstand als Messing-legierungen, zeigen jedoch eine deutlich höhere Zugfestigkeit und besseres Relaxationsverhalten.

Phosphorlegierungen können durch Kaltumformprozesse (Kaltwalzen) gehärtet werden. Bei sämtli-chen Biegeprozessen muss daher darauf geachtet werden, ob Biegungen parallel oder senkrecht zur Walzrichtung durchgeführt werden. Biegungen senkrecht zur Walzrichtung können mit engeren Bie-geradien ausgeführt werden als Biegungen parallel zur Walzrichtung.

Die silberfarbenen Kupfer-Nickel-Legierungen besitzen moderate Zugfestigkeiten und besitzen ein höheres E-Modul als die bisher besprochenen Legierungen. Kupfer-Nickel-Legierungen sind gut löt-, form- und bearbeitbar.

Tabelle 3.2: Materialparameter einiger gängiger Kupferlegierungen Legierung Spez. Widerstand

/ Ώmm²m^-1

Wärmeleitfähigkeit / Wm^-1K^-1

E-Modul / GPa

Zugsfestigkeit / MPa

Cu 0,0172 390 118 250

Bronzelegierungen (Phosphor-Bronze)

CuSn4 0,098 100 120 570

CuSn5 0,118 96 120 550

CuSn6 0,1228 75 118 560

CuSn8 0,1618 67 115 630

Messinglegierungen

CuZn0,5 0,0225 350 127 280

CuZn5 0,0312 243 127 300

CuZn10 0,0418 184 124 300

CuZn15 0,0593 159 122 350

Kupfer-Nickel-Legierungen

CuNi12Sn24 0,356 45 125 550

CuNi18Zn27 0,356 32 135 650

CuNi18Zn20 0,5933 33 135 580

Niedrig legiertes Kupfer

CuNiSi 0,029 260 135 400

CuFe2P 0,029 280 123 400

Niedrig legiertes Kupfer zeigt den niedrigsten spezifischen Widerstand und besitzt eine mit Messing vergleichbare Zugfestigkeit. Diese Legierungen sind daher zur Herstellung von Kontaktfedern mit geringen geforderten Normalkräften geeignet.

Kupfer-Beryllium-Legierungen besitzen die besten Federeigenschaften bei gleichzeitig geringstem spezifischen Widerstand. Das Einatmen von Kupfer-Beryllium-Staub birgt jedoch große gesundheitli-che Risiken. Da während der Verarbeitung in den Stanz-Biegwerkzeugen staubförmiges Material ent-stehen kann, werden diese Legierungen nur noch eingesetzt, wenn keine Ersatzmaterialien zur Verfü-gung stehen (z.B. direkte Kontaktierung von Heizwendeln).

28 3.2 Beschichtungsmaterialien