Titel

Einpresspin für eine elektrische Einpressverbindung zwischen einer elektronischen

Komponente und einer Substratplatte

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Einpresspin für eine elektrische Einpressverbindung zwischen einer elektronischen Komponente und einer Substratplatte mit elektrischem Kontaktloch.

Eine Einpresszone eines derartigen Einpresspins ist üblicherweise mit einer Zinnschicht bedeckt, die beim Einpressen in ein metallisiertes Kontaktloch der Substratplatte einen niederohmigen metallischen Kontakt bildet. Bleifreie Zinnlegierungen mit einem Zinnanteil von über 90 Gew.% neigen dazu mechanische Spannungen durch lonentransport unter Bildung von fadenförmigen einkristallinen Whiskern abzubauen. Damit ist die Gefahr verbunden, dass die fadenförmigen, mehrere Millimeter langen Whisker auf der

Substratplatte insbesondere zwischen benachbarten Kontaktbereichen elektronischer Komponenten Kurzschlüsse verursachen, die für Elektronikbauteile wie ABS- oder ESP- Schaltungen in Fahrzeugen nicht tolerierbar sind. Aus Recycling-Gründen und Gründen der Umweltbelastung sind jedoch auch die eine Whiskerbildung verhindernden

Bleizinnlegierungen in Zinnbeschichtungen eines Einpresspins, insbesondere bei

Fahrzeugkomponenten, die zunehmend recycelt werden sollen, nicht tolerabel.

Aus der Druckschrift DE 1 093 097 ist dazu ein Verfahren zum Schutz von Zinnschichten vor Whiskerbildung bekannt. Bei diesem Verfahren wird nach dem Abscheiden einer bleifreien Zinnschicht eine Edelmetallschicht, vorzugsweise aus Gold, auf der nahezu reinen

Zinnschicht abgeschieden. Das hat nicht nur den Nachteil eines zusätzlichen, aufwendigen und wegen des Edelmetalls auch teuren weiteren Abscheidungsschrittes sondern kann bei zu dicker Abscheidungsschicht auch zu Problemen der Lötfähigkeit der Zinnbeschichtung führen, zumal bei dem bekannten Verfahren nicht das Herstellen einer Einpresspinverbindung im Vordergrund steht, bei dem eine 50 Angström dicke Goldschicht abgetragen würde und wirkungslos wäre, sondern vielmehr eine lange Lagerfähigkeit von Komponenten mit zinnbeschichteten Kontaktpins erreicht werden soll, die bei einem spannungsfreien Einbringen auf Substratplatten spannungsfrei gelötet werden sollen. Mit einem Einpresspin soll jedoch gerade dieser Schritt eines Schmelzlötens auf einer

Substratplatte eingespart werden.

Aus der Druckschrift JP 2005 25 20 64 A ist darüber hinaus ein Verbindungsteil für flexible Leiterplatten oder flexible Flachleiter und Stecker bekannt, wobei für diese Verbindungsteile eine Whiskerbildung verhindert werden kann, indem zwischen der Kontaktfläche der Leiterplatte und dem flach aufgebrachten Flachleiteranschluss rund um eine

Reibschweißverbindung flüssiges Harz injiziert wird, das den flachen Verbindungsbereich zwischen Kupferanschluss des Substrats und Zinnschicht des aufgebrachten Flachleiters schützen soll. Bei diesem bekannten Verbindungsteil wird die Whiskerbildung von

Zinnschichten durch eine nachträgliche Harzbeschichtung der Kupfer-Zinn-Verbindung unterbunden, jedoch wird damit eine Whiskerbildung nach einem Einpressen von zinnbeschichteten Einpresspins einer elektronischen Komponente in ein Kontaktloch einer Substratplatte nicht verhindert. Offenbarung der Erfindung

Mit der Erfindung wird ein Einpresspin für eine elektrische Einpressverbindung zwischen einer elektronischen Komponente und einer Substratplatte mit elektrischem Kontaktloch geschaffen. Der Einpresspin weist einen Einpresspinkopf auf, der eine Einpresskopflänge aufweist, die mindestens einer Dicke der Substratplatte angepasst ist. Ein Einpresspinbein erstreckt sich zwischen der elektronischen Komponente und dem Einpresspinkopf. Ein Einpresspinkragen bildet einen Übergang zwischen Einpresspinbein und Einpresspinkopf und weist einen Arretierungsabsatz bzw. eine Einpresspinschulter auf. Der Einpresspinkopf ist mit einer bleifreien Zinnlegierung beschichtet. Mindestens der Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz weist eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.

Das elektrische Kontaktloch kann dazu mit einer Metalllegierung beschichtet sein und die Zinnlegierung des Einpresspinkopfes kann beim Einpressen eine stoffschlüssige

Reibschlussfügung mit der Metalllegierung des Kontaktlochs ausbilden. Dabei entsteht ein intensiver stoffschlüssiger Kontakt der Metallisierung des Kontaktlochs aus üblicherweise einer Kupferlegierung, die in diesem Bereich mit einem Edelmetall beschichtet sein kann, mit der bleifreien Zinnlegierung, die einen Anteil von über 90 Gew.% Zinn aufweist, ohne dass die Gefahr einer langzeitigen Whiskerbildung auftreten kann, zumal der erfindungsgemäß vorgesehene Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist, so dass nach dem Einpressen des mit einer Zinnschicht versehenen Einpresspinkopfes das gesamte Kontaktloch auf der Oberseite der Substratplatte durch den nach außen elektrisch isolierten Einpresspinkragen vor einer Whiskerbildung geschützt ist.

Weiterhin ist es vorgesehen, nicht nur den Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz mit einer isolierenden Beschichtung zu versehen, sondern noch zusätzlich mindestens einen unteren Teil des Einpresspinbeins von dem Einpresspinkragen elektrisch isolierend zu beschichten.

Eine derartige elektrisch isolierende Beschichtung kann ein Polymer aus der Gruppe der Duroplaste aufweisen, die bei einer entsprechenden Aushärtetemperatur eine Vernetzung von Polymer-Molekülketten aufweisen und somit einen langlebigen Schutz des Einpresspins vor Whiskerbildungen sichern können. Die oberhalb einer Einpresszone vorzusehende Beschichtung kann eine nichtleitende Passivierung umfassen. Die Beschichtung kann z.B. eine organische Passivierung umfassen (OSP, "Organic Surface Protection").

Die elektrisch isolierende Beschichtung kann selektiv aufgesprüht, tauchbeschichtet oder auflackiert sein, wobei mindestens der Arretierungsabsatz und der Einpresspinkopfkragen selektiv mit der elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen sind, jedoch auch über diese Bereiche hinaus reichende Beschichtungen, die evtl. auch Teile des Einpresskopfes bedecken, sind für den eigentlichen Einpressvorgang unschädlich, da die Scherkräfte beim Einpressen des Einpresspins in das metallisierte Kontaktloch überschüssige Anteile der elektrisch isolierenden Beschichtung abscheren und die Zinnlotschicht des

Einpresspinkopfes für eine stoffschlüssige Reibschlussfügung zwischen der

Zinnbeschichtung und der Metallisierung des Kontaktlochs freilegen.

Der Zinnanteil [Sn] der bleifreien Zinnlegierungsbeschichtung liegt zwischen 90 Gew.% < [Sn] < 100 Gew.%. Dabei weist die bleifreie Zinnlegierung eine Dicke d _Sn zwischen 5 μηη < d _Sn ^ 50 μηη auf und kann galvanisch abgeschieden, tauchbeschichtet oder physikalisch aufgebracht sein. Demgegenüber kann die elektrisch isolierende Beschichtung deutlich dünner ausgeführt werden und eine minimale Beschichtungsdicke d _iso von 0,5 μηη aufweisen. Nach oben ist zwar keine Grenze gesetzt, jedoch empfiehlt es sich, dass die Dicke der isolierenden Beschichtung d _iso zwischen 0,5 μηη < d _iso ^ 50 μηη liegt, um einen ausreichenden Freiraum zwischen mehreren Einpresspins einer Komponente sicherzustellen.

Eine leistungsfähige elektrische Einpressverbindung kann dadurch hergestellt werden, dass der Einpresspinkopf des Einpresspins in das Kontaktloch der Substratplatte beispielsweise in Form einer gedruckten Leiterplatte gepresst und dabei eine gasdichte, elektrische

Verbindung erzeugt wird, die bei entsprechender Auslegung der Presspassung zwischen Einpresspinkopf des Einpresspins und Kontaktloch zu der oben erwähnten stoffschlüssigen metallischen Reibschlussfügung führen kann. Dazu ist es möglich, flexible Einpresszonen an einem Einpresspinkopf vorzusehen, die gezielt elastische Eigenschaften aufweisen, so dass die mechanischen Kräfte während des Einpressens hauptsächlich durch den

Einpresspinkopf selbst aufgenommen werden.

Andererseits ist es auch möglich, an dem Einpresspinkopf massive Einpresszonen vorzusehen, so dass sich der Einpresspinkopf elastisch nicht verformt, jedoch die

Zinnlegierungsbeschichtung plastisch verformt wird, und die Kraft während des Einpressens hauptsächlich von dem Kontaktloch der Substratplatte aufgenommen wird.

Dazu ist der Querschnitt eines Einpresspinkopfes mit massiven Einpresszonen quadratisch oder polygonal ausgebildet, so dass ein Einpressen durch die massiven Kanten dieses Querschnitts beispielsweise in einem runden metallischen Kontaktloch eine

Kaltreibschweißung verursachen kann.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung bietet als lötfreie Verbindungstechnik in vielen Anwendungsfällen eine vorteilhafte Alternative zur reinen thermischen Löttechnik. Diese Vorteile beschränken sich nicht nur darauf, dass ein Erwärmungsschritt wie ein Lötprozess vermieden werden kann, sondern aufgrund der Formgebung oder Elastizität des Einpresspinkopfes im

Zusammenwirken mit der bleifreien Zinnbeschichtung kann eine kontaktwiderstandfreie, elektrische Verbindung zwischen der Zinnbeschichtung des Einpresspinkopfes und dem Kontaktmaterial des Kontaktlochs der Substratplatte geschaffen werden. Außerdem können mit einem einzigen Einpressschritt eine Mehrzahl von Einpresspinköpfen von Einpresspins einer Komponente entsprechend in vorbereitete Kontaktlöcher der Substratplatte ohne Nachbehandlung und ohne erhöhte Verarbeitungstemperatur eingebracht werden. Durch die bereits auf dem Einpresspinkragen mit dem Arretierungsabsatz aufgebrachte, elektrisch isolierende Beschichtung ist praktisch die Langzeitstabilität für derartige

Einpresspinverbindungen sichergestellt, da die fadenförmige Whiskerbildung unterbunden wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einpresspins liegt darin, dass nun auch für sicherheitskritische Anwendungen der Elektronik, beispielsweise bei ABS- oder ESP- Systemen in Kraftfahrzeugen, eine ausreichende Langzeitstabilität gewährleistet ist, so dass auf die bisher unverzichtbaren bleihaltigen Lote verzichtet werden kann.

Außerdem kann auf den großen Aufwand, der mit dem Einbringen und Aufbringen von Zwischenschichten zur Unterdrückung des Whiskerwachstums wie beispielsweise Nickel-, Silber- oder Gold-Beschichtungen verbunden ist, verzichtet werden. Die ursächlich für die Whiskerbildung mechanischen Spannungen, die auch bei Klemm- und

Schraubverbindungspins bei Baugruppen auftreten können und besonders extrem bei Einpresspins vorhanden sind, können weiterhin beibehalten werden, da der Elektronen- und lonentransport, der für die Whiskerbildung neben den mechanischen Spannungen zusätzlich erforderlich ist, durch die isolierende Beschichtung unterbunden wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes eines Einpresspins gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes eines Einpresspins gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ein Paar der Einpresspins gemäß Figur 2 mit einer Anschlussposition einer

elektronischen Komponente; Fig. 4 eine Mehrzahl der Einpresspins gemäß Figur 2 mit mehreren Anschlusspositionen für Anschlüsse an eine elektronische Komponente.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes 6 eines Einpresspins 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Einpresspinkopf 6 weist eine Länge l _K auf, die der Dicke einer in Figur 4 gezeigten Substratplatte angepasst ist. In dieser ersten Ausführungsform der Figur 1 weist die Spitze 25 des Einpresspins 6 eine im Längsschnitt ovale Form auf, die in ihrem Querschnitt einer Presspassung zu einem in Figur 4 gezeigten metallisierten Kontaktloch der Substratplatte angepasst ist. Die ovale Spitze geht dann in eine Form mit polygonalem Querschnitt über. Eine massive Einpresszone 21 erstreckt sich nahezu über die gesamte Länge l _K des Einpresspinkopfes 6 und ist mit einer Schicht 20 aus einer Zinnlegierung 15 bedeckt, die eine Dicke d _Sn zwischen 5 μηη < d _Sn ^ 50 μηη und einen Anteil an Zinn [Sn] zwischen 90 Gew.% < [Sn] < 100 Gew.% aufweist.

An den Einpresspinkopf 6 schließt sich ein Einpresspinkragen 13 an, der über einen

Arretierungsabsatz bzw. eine Einpresspinschulter 14 in ein Einpresspinbein 7 übergeht. Dabei kann das Einpresspinbein 7 beliebige Querschnitte aufweisen. Entscheidend ist, dass mithilfe des Arretierungsabsatzes 14 das Kontaktloch in der Substratplatte vollständig überdeckt wird, so dass beim Einpressen des Einpresspins 1 in das Kontaktloch der Einpresspin 1 auf der Oberseite der Substratplatte arretiert wird. Um ein Ausblühen von fadenförmigen Whiskern aus der unter Spannung eingepressten Zinnlegierung 15 zu vermeiden, sind mindestens der Einpresspinkragen 13 und der Arretierungsabsatz 14 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 16 aus einem Duroplast in einer Dicke d _iso zwischen 0,5 μηη < d _iso ^ 50 μηη beschichtet.

Weiterhin ist ein zinnfreier Bereich 26 auf einem Einpresspin-Schaft 27 des

Einpresspinkopfes 6 am Übergang zu dem Einpresspinkragen 13 vorgesehen, um eine Raumreserve für abgeschertes Zinnvolumen zur Verfügung zu stellen, ohne dass dieses Zinnvolumen aus dem Kontaktloch herausgequetscht wird. Damit wird gleichzeitig sichergestellt, dass der Einpresspinkragen mit seinem Absatz 14 und der isolierenden Beschichtung 16 einen dauerhaften und langzeitigen Schutz vor einer Whiskerbildung darstellt beziehungsweise ein Ausblühen von Zinnwhiskern aus dem Kontaktloch verhindert wird. Während in Figur 1 ein Einpresspinkopf 6 mit massiver Einpresszone 21 im Bereich mit polygonalem Querschnitt gezeigt wird, der mit seinen massiven polygonalen Kanten eine reibschlüssige metallische Verbindung mit der Metallisierung eines Kontaktlochs ausbilden kann, wird in Figur 2 eine schematische Ansicht eines Einpresspinkopfes 6 eines

Einpresspins 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten in dem der

Einpresspinkopf 6 flexible Einpresszonen 19 aufweist, so dass die Einpresskraft von dem Einpresskopf 6 und damit von dem Einpresspin 2 selbst aufgenommen wird und eine Deformation des Kontaktloches und damit der Substratplatte vermieden wird. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden in Figur 2 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.

Bezeichnend in Figur 2 ist außerdem, dass die strichpunktierte Linie, welche den flexiblen Einpresszonenbereich bei der zweiten Ausführungsform des Einpresspins 2 kennzeichnet, eng an der flexiblen Kontur des Einpresspinkopfes 6 anliegt. Darüber hinaus ist in dem Bereich des Einpresspin-Schaftes 27 des Einpresspinkopfes 6 ein deutlich größerer Reserveraum zum Ansammeln von abgescherter Zinnlegierung 15 an dem Übergang von dem Einpresspinkopf 6 auf den Einpresspinkragen 13 vorgesehen. Ein weiterer Unterschied dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Querschnitt dieses Einpresspinkopfes nahezu rund ist und sich flexibel beim Einpressen in ein Kontaktloch an den Durchmesser des Kontaktlochs anpasst, wie es die nachfolgende Figur 4 zeigt.

Figur 3 zeigt ein einzelnes Paar der Einpresspins 2 gemäß Figur 2 mit einer

Anschlussposition 22 einer elektronischen Komponente 3. Dabei kann das Paar der Einpresspins 2 über ein Verbindungsloch 28 in der Anschlussposition 22 an der

elektronischen Komponente 3 fixiert werden. Von der Position der elektronischen

Komponente 3 mit der Anschlussposition 22 führen zwei Einpresspinbeine 7 und 8 zu den jeweiligen Einpresspinkragen 13, die mit den Arretierungsansätzen 14 ein Eindringen der Einpresspinbeine 7 und 8 in die Kontaktlöcher der Substratplatte verhindern. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung 16, die einerseits den Einpresspinkragen 13 mit Arretierungsansatz 14 bedeckt und in dieser Ausführungsform zusätzlich einen Teil 18 der Einpresspinbeine 7 und 8 elektrisch isoliert, kann eine Whiskerbildung unterbunden werden. Figur 4 zeigt eine Mehrzahl der Einpresspins 2 gemäß Figur 2 mit mehreren Anschlusspositionen 22, 23 und 24 für Anschlüsse an eine elektronische Komponente 3, die hier mit doppelt punktierter Strichlinie markiert ist. Die Substratplatte 4 weist metallisierte Kontaktlöcher 5 auf, die eine Metalllegierung 17 auf ihren Innenwänden aufweisen. Dazu ist die Länge l _K der Elinpresspinköpfe 6 an die Dicke d der Substratplatte 4 angepasst. Die Substratplatte 4 selbst ist aus einem isolierenden Leiterplattenwerkstoff und weist auf ihrer Ober- oder Unterseite Leiterbahnen aus einer Kupferlegierung auf, um die elektronische Komponente 3 mit anderen Komponenten über Einpresspinbeine 7 bis 12 zu verbinden. Aufgrund des hohen Strombedarfs der elektronischen Komponente 3 sind hier die

Einpresspinbeine 7 und 8, 9 und 10, sowie 1 1 und 12 paarweise für die Anschlussposition 22, 23 bzw. 24 vorgesehen. Außerdem ist nicht nur der Einpresspinkragen 13 mit dem Arretierungsabsatz 14 mit einer isolierenden Beschichtung 16 versehen, sondern auch ein Teil 18 der Einpresspinbeine 7 bis 12 im Anschluss an die Einpresspinkragen 13. Außerdem wird mit dieser Figur 4 deutlich, dass eine erhebliche Raumreserve 29 im Bereich des Einpresspin-Schaftes 27 vorgehalten wird, die ein durch Scherkräfte abgeschertes Zinn- Volumen beim Einpressen des Einpresszinnkopfes 6 aufnehmen kann, ohne dass dieses Zinn-Volumen in Richtung auf eine Oberseite 30 aus dem Kontaktloch 5 herausgequetscht oder herausgepresst wird. Wie oben bereits erwähnt, sind die Einpressköpfe 6 dieser zweiten Ausführungsform der Einpresspins 2 so gestaltet, dass sie beim Einpressen in ein Kontaktloch 5 elastisch und flexibel nachgeben. Somit werden die Einpresskräfte von den Einpressköpfen 6 direkt übernommen und deformieren nicht die Substratplatte 4 beziehungsweise das Kontaktloch 5 der Substratplatte 4.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.