Titel

Lötfreie elektrische Verbindung Stand der Technik

Aus DE 10 2005 005 127 A1 ist ein elektrischer Kontakt und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Es wird ein elektrischer Kontakt für die Kaltkontak- tiertechnik beschrieben, umfassend ein metallisches Substrat, welches mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung ist aus einer Dispersion von Partikeln aus Kohlenstoff und/oder einem Polymer in einem Metall gebildet. Gemäß dieser Lösung ist der elektrische Kontakt vorzugsweise als Steckkontakt ausgeführt. Bei der Kaltkontaktiertechnik findet eine Verpressung der beiden Fügepartner statt, die auch die Form einer Schneidklemmverbindung annehmen kann oder durch Einpresstechnik gegeben ist. So wird zum Beispiel ein Pin in einer

Klemme bzw. eine Hülse eingeführt, die eine Beschichtung aufweist, bei der eine Spanbildung auftreten kann. Gemäß DE 10 2005 005 127 A1 kann sowohl ein Fügepartner als auch beide Fügepartner mit einer Beschichtung versehen werden.

DE 10 2005 062 601 A1 bezieht sich auf ein elektrisches Gerät mit einer geschmierten Fügestelle sowie ein Verfahren zur Schmierung einer solchen Fügestelle. Gemäß dieser Lösung ist ein elektrisches Gerät, insbesondere ein Steuergerät, an zumindest einer Fügestelle mit einem ersten Fügepartner, insbe- sondere einer Hülse versehen, der mit einem zweiten Fügepartner, insbesondere einem Stift, zusammenwirkt. Die Fügestelle umfasst zwischen den beiden zu fügenden Partnern eine Fuge, in der ein zumindest teilweise erstarrter Schmierstoff vorhanden ist. Bei dem Schmierstoff kann es sich um einen Mehrkomponentenstoff handeln, wobei der ausgehärtete Schmierstoff an einem vorzugsweise axia- len Ende der Fügestelle zumindest teilweise der Fügestelle nach außen abdichtet. Der erstarrte Schmierstoff bindet zumindest einen metallischen Span.

Von Glicoat SMD Organic Solderability Preservatives (OSP) (www.electrochemicals.com) ist eine Substanz„Glicoat SMD F2 (LX)" bekannt, die zur Beschichtung elektrischer Kontaktelemente und Leiterplatten eingesetzt wird, vgl. US 5,498,301 und US 5,560,785. Auch von anderen Herstellern wie z.B. Enthone sind entsprechende OSP-Beschichtungen z.B. auf Basis von Phe- nylimidazolen oder Benzimidazolen bekannt. Bei der Einpresstechnik wird eine lötfreie elektrische Verbindung zwischen dem

Anschlussstift einer Steckerleiste eines anderen Bauelements und einem metallisierten Leiterplattenloch (Hülse) hergestellt. Der Anschlussstift besitzt eine massive oder elastische Einpresszone, deren Geometrie im Allgemeinen herstellerspezifisch gestaltet ist. Diese Einpresszone verformt sich beim Einpressen in die Leiterplattenhülse plastisch und elastisch und passt sich an den Hülsendurchmesser an. Auf diese Weise wird der Stift direkt mit der Hülse kontaktiert.

Die Leiterplattenhülse besteht im Wesentlichen aus Kupfer, mit einer darüberlie- genden weiteren Beschichtung als Oberfläche zur Verhinderung von Kupferoxi- dation. Bei dieser weiteren Beschichtung kann es sich um eine Heißverzinnung oder um eine chemisch abgeschiedene Metallisierung zum Beispiel Nickel oder Gold oder Nickel/Gold oder Zinn oder Silber handeln. Des Weiteren kann die weitere Beschichtung eine organische Passivierungsschicht, ein so genanntes OSP (organic surface passivation)„Material" sein. Die Einpresszone des Anschluss- stiftes besteht üblicherweise aus einem Kupfer-Grundmaterial und ist üblicherweise galvanisch metallisiert. Ist diese galvanische Metallisierung aus Zinn gefertigt, besteht die Gefahr, dass sich so genannte Zinn-Whisker bilden können. Dabei handelt es sich um nadeiförmige Zinn-Einkristalle, von wenigen μιη Durchmesser und bis zu mehreren μιη Länge. Durch diese leitfähigen Whisker besteht zwischen eng beieinander liegenden offenen Kontakten auf der Leiterplatte oder zwischen den Anschlussstiften Kurzschlussgefahr. Ist diese galvanische Metallisierung der Anschlussstifte aus anderen so zum Beispiel härteren Oberflächen wie Nickel oder Gold oder Silber gefertigt, besteht die Gefahr, dass beim Einpressen der Anschlussstifte unzulässige Leiterplattenbeschädigungen entstehen. Bei der Schneidklemmtechnik, die alternativ zur Einpresstechnik angewendet wird, wird ebenfalls eine lötfreie elektrische Verbindung zwischen zum Beispiel dem Draht eines Bauelementes oder eines Stanzgitters und einer metallisierten Schneidklemme hergestellt. Die Schneidklemme besitzt eine massive oder elastische V-förmige Kerbe, deren Geometrie im Allgemeinen herstellerspezifisch gestaltet ist. Diese Schneidklemme und der Draht verformen sich beim Einpressen des Drahtes in die V-förmig konfigurierte Kerbe der Schneidklemme plastisch und elastisch und passen sich hinsichtlich ihrer Kontur aneinander an. Auf diese Weise kontaktiert der Draht direkt die Schneidklemme.

Üblicherweise besteht der Draht aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen oder Stahl, mit einer darüberliegenden weiteren Beschichtung als Oberfläche zur Verhinderung von Oxidation. Bei dieser weiteren Beschichtung zur Verhinderung von Oxi- dation kann es sich zum Beispiel um eine galvanisch abgeschiedene Metallisierung, zum Beispiel Kupfer und Zinn oder Kupfer/Nickel und Zinn handeln. Die Schneidklemme im Rahmen der Schneidklemmtechnik besteht üblicherweise aus einem Kupfer-Grundmaterial und kann gegebenenfalls galvanisch metallisiert sein.

Ist eine der beiden Oberflächen aus Zinn gefertigt, besteht die Gefahr, dass sich so genannte Zinn-Whisker bilden können. Dabei handelt es sich um nadeiförmig ausgebildete Zinn-Einkristalle von wenigen μιη Durchmesser bis zu mehreren mm Länge. Durch diese leitfähigen Whisker besteht zwischen eng beieinander liegenden offenen Kontakten Kurzschlussgefahr. Ist die galvanische Metallisierung aus einem anderen so zum Beispiel härteren Material wie zum Beispiel Nickel, Gold oder Silber gefertigt, besteht die Gefahr, dass beim Anwenden der Schneidklemmtechnik keine gasdichten Verbindungen entstehen. Ist die Oberfläche der Schneidklemme aus blankem Kupfer oder einer seiner Legierungen gefertigt, besteht die Gefahr des„Fressens" d.h. der Draht vereinigt sich bereits viel zu früh mit der Schneidklemme und erreicht nicht die Sollposition, wodurch die Verbindung erheblich beeinträchtigt ist.

Darstellung der Erfindung Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird bei Einsatz der Einpresstechnik durch Aufbringung einer OSP-Schicht auf einen größeren Bereich des Anschlussstiftes das Risiko des Auftretens von Zinn-Whiskern minimiert und bei einer OSP-beschichteten Leiterplatte gänzlich vermieden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung führt zur Vermeidung einer Zinnspanbildung und erste Versuche zeigen eine konstant verlaufende Einpresskraft bei geringeren Einpresskräften als bei verzinnten oder vernickelten Anschlussstiften. Dadurch wird die Schädigung der Metallisierung der Leiterplattenlöcher minimiert.

Wird zur Herstellung einer der lötfreien elektrischen Verbindung hingegen die Schneidklemmtechnik eingesetzt, so kann durch Aufbringen einer OSP-Schicht auf einen der Fügepartner, so zum Beispiel entweder auf die Schneidklemme oder auf den Draht oder auch auf beide Fügepartnern, das Risiko des Auftretens von Zinn-Whiskern und Spänen minimiert bzw. bei beidseitig OSP-beschichteten Oberflächen komplett vermieden werden. Außerdem kann ein schonenderes Schneidklemmen ohne unzulässige Schädigungen erreicht werden.

Bei manchen Applikationen sind die Anschlussstifte nur galvanisch mit Nickel beschichtet. Um damit noch ausreichend niedrige Einpresskräfte und eine die Hülsen schonende Einpressverbindung zu erreichen, wird in vielen Fällen unmittelbar vor dem Einpressen ein Gleitmittel aufgegeben. Auch bei manch anderen Applikationen wird bei Verwendung der Einpresstechnik bzw. der Schneidklemmtechnik zur Herstellung einer lötfreien elektrischen Verbindung vor dem Schneidklemmen bzw. vor dem Einpressen ein Gleitmittel eingesetzt. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann dieser Prozessschritt vollständig entfallen. Stattdessen wird im Fall der Einpresstechnik der Anschlussstift bereits beim Hersteller mit der OSP-Beschichtung beschichtet und diese Beschichtung als Gleitmittel für den Einpressprozess verwendet, dies gilt auch bei Einsatz der Schneidklemmtechnik.

Bei beiden Techniken, so bei der Einpresstechnik als auch bei der Schneidklemmtechnik, lässt sich eine Kostenersparnis durch eine preisgünstigere stromlose Oberflächenbeschichtung anstelle einer oder mehrerer galvanischer Be- schichtungen und durch Entfall des Prozessschrittes des zusätzlichen Aufbringens eines Gleitmittels erreichen. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Einpresstechnik, bei der ein Anschlussstift, der eine Einpresszone mit OSP-Beschichtung umfasst, in Einpressrichtung in eine metallisierte Öffnung einer Leiterplatte eingepresst wird und

Figur 2 die Darstellung des Prinzips der Schneidklemmverbindung, bei der zumindest ein Fügepartner mit einer OSP-Beschichtung versehen ist.

Ausführungsvarianten

Unter dem Ausdruck OSP-Beschichtung wird nachfolgend eine organische Pas- sivierungsschicht (organic solderability preservative ) verstanden, wie sie üblicherweise in der Leiterplattentechnik eingesetzt wird. Bei der OSP-Beschichtung handelt es sich insbesondere um eine selektiv wirkende Cu- Koordinationsverbindung wie zum Beispiel Phenylimidazol, Benzimidazol, Ami- nothiole, Acetate, Polyalkohole oder Diketone sowie weitere Stoffe, um Beispiele zu nennen.

Der Darstellung gemäß Figur 1 ist in schematischer Weise das Prinzip der Einpresstechnik zur Herstellung einer lötfreien elektrischen Verbindung 42 zu entnehmen.

Wie Figur 1 zeigt wird ein Anschlussstift 10 in Einpressrichtung 22 in ein Leiterplattenloch 24 einer Leiterplatte 26 eingepresst. Aus der Darstellung gemäß Figur 1 ergibt sich, dass sich oberhalb der Spitze des Anschlussstiftes 10 eine Einpresszone 14 erstreckt. Im Bereich der Einpresszone 14 kann auch eine Öffnung vorgesehen sein, so dass der Anschlussstift 10 innerhalb der Einpresszone 14 durch zwei parallel sich zueinander erstreckende Stege gebildet wird. Der Anschlussstift 10 ist innerhalb eines Beschichtungsbereiches 20 mit einer OSP- Schichtung 56 versehen. Der Beschichtungsbereich 20 erstreckt sich im Wesent- liehen beginnend oberhalb der Einpresszone 14 bis zur Spitze des Anschlussstiftes 10.

Eine lötfreie elektrische Verbindung 42 wird durch Einpressen des Anschlussstif- tes 10 in die Leiterplatte 26 dargestellt. Die Leiterplatte 26 weist eine Anzahl von

Leiterplattenöffnungen 24 auf, die mit einer Kupfermetallisierung 32 und mit einer darüber liegenden Beschichtung 34 versehen sind. Die Beschichtung 34 dient als Oxidationsschutz für die darunterliegende Kupfermetallisierung 32 und wirkt im Einpressprozess je nach Materialwahl mehr oder weniger schmierend. Mögliche Beschichtungen 34 sind z.B. eine Heißverzinnung oder eine chemisch abgeschiedene Metallisierung wie z.B. Nickel und Gold oder Zinn oder Silber sowie eine organische Passivierungsschicht (OSP).

Die Einpresszone 14 des Anschlussstiftes 10 besteht üblicherweise aus einem Kupfer-Grundmaterial und ist galvanisch metallisiert. Im Wege einer galvanischen Metallisierung wird die Einpresszone 14 in der Regel mit einer Zinnmetali- sierung versehen. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbringen der OSP-Schicht 56 anstatt der oben genannten Metallisierung auf den Anschlussstift 10, insbesondere zumindest entlang der Einpresszone 14, wird das Risiko des Auftretens von Zinn-Whiskern minimiert bzw. bei bereits mit einer OSP-

Beschichtung 34 versehenen Leiterplatte 26 gänzlich vermieden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene OSP-Beschichtung 56 innerhalb der Einpresszone 14 wird besonders vorteilhaft eine Zinnspanbildung vermieden. Die OSP- Beschichtung 56 im Bereich der Einpresszone 14 entlang des Beschichtungsbe- reiches 20 dient einerseits als Schutz gegen auftretende Oxidation und zum Anderen als ein Gleitmittel mit ähnlichen Eigenschaften wie einer Verzinnung. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann das Aufbringen eines Gleitmittels vor dem Einpressen eines Anschlussstiftes entfallen. Stattdessen kann die Einpresszone 14 bereits beim Hersteller mit der OSP-Beschichtung 56 versehen werden. Insbesondere bei Applikationen, bei denen der Anschlussstift

10 mit einer galvanisch abgeschiedenen Nickelbeschichtung versehen ist, bietet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung an. Um bei einer galvanisch abgeschiedenen Nickelbeschichtung auf einem Anschlussstift 10 noch ausreichend niedrige Einpresskräfte sowie eine die Leiterplatte 26 schonende Ein- pressverbindung zu erhalten, wird in etlichen Fällen unmittelbar vor dem Einpressen noch ein Gleitmittel, zum Beispiel Silikongel, aufgebracht. Bei Applikati- on der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, d.h. dem Aufbringen einer OSP-Beschichtung 56 zumindest in der Einpresszone 14 des Anschlussstiftes 10 kann dieser Prozessschritt bei Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung entfallen. Vor Aufbringen der OSP-Beschichtung 56 zumindest in der Einpresszone 14, die innerhalb des Beschichtungsbereiches 20 liegt, kann innerhalb dieses Bereiches, d.h. zumindest entlang der Einpresszone 14, bevorzugt besonders entlang des Beschichtungsbereiches 20 am Anschlussstift 10 galvanisch Cu aufgebracht werden, um auf der Oberfläche des Anschlussstiftes 10 ausschließlich Cu als Andockstelle für die OSP-Beschichtung 56 anzubieten.

Die chemische Zusammensetzung und die Dicke der OSP-Beschichtung innerhalb des Beschichtungsbereiches 20 des Anschlussstiftes 10 können mittels FIB- Schnitt (Focused Ion Beam), UV-Spektrophotometrie oder optischem Reflekti- onsverfahren (OSPrey) bestimmt werden.

In einer weiteren zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gedankens wird die lötfreie elektrische Verbindung als Schneidklemmverbindung ausgestaltet, vergleiche Figur 2.

In der Ausführungsvariante gemäß Figur 2 sind verschiedene Stadien des Herstellens einer lötfreien elektrischen Verbindung 42 dargestellt. Die lötfreie elektrische Verbindung 42 wird dadurch hergestellt, dass ein Draht 44 zum Anschluss eines elektrischen Gerätes oder eines Stanzgitters mit einer metallisierten oder nicht-metallisierten Schneidklemme 46 verbunden wird.

Bei dem ersten Fügepartner, der lötfrei elektrisch verbunden wird, handelt es sich um eine Schneidklemme 46, die metallisiert oder auch ohne Metallisierung ausgeführt sein kann. Die Schneidklemme 46 umfasst einen elastischen Bereich, der in der Darstellung gemäß Figur 2 als in V-Form ausgebildete Kerbe 48 ausgebildet ist. Die Tiefe der Kerbe 48 im Material der Schneidklemme 46 bedingt die Elastizität des Materials bzw. die zur Herstellung der lötfreien elektrischen Verbindung 42 aufzubringenden Montagekräfte.

In einer ersten Ausführungsvariante der Schneidklemmverbindung gemäß Figur 2 können die Kontaktierungsoberflächen der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 in der metallisierten oder nicht-metallisierten Schneidklemme 46 mit der OSP- Beschichtung 56 versehen sein.

Der Draht 44 als zweiter Fügepartner wird aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder auch aus Stahl hergestellt und umfasst eine Oxidationsverhinderungs- schicht 50. In einer alternativen Ausführungsvariante der Schneidklemmverbindung gemäß Figur 2 kann auch die Mantelfläche des Drahtes 44 mit einer OSP- Beschichtung 56 versehen sein. Schließlich besteht des Weiteren die Möglichkeit, sowohl die Mantelfläche des

Drahtes 44, dessen Grundmaterial Kupfer, eine Kupferlegierung oder Stahl sein kann, als auch die Kontaktierungsoberflächen der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 mit der OSP-Beschichtung 56 zu versehen. Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, besteht die Möglichkeit, die Kontaktierungsflächen zur Kontaktierung des ersten Fügepartners, d.h. der metallisiert oder nicht- metallisiert ausgebildeten Schneidklemme 46, in zweitem Fügepartner, d.h. des Drahtes 44, lediglich im Bereich der Kontaktierungsoberflächen galvanisch zu verkupfern. Diese galvanisch hergestellte Unterkupferung dient als Andockstelle für die OSP-Beschichtung 56.

Die OSP-Beschichtung 56 dient einerseits als Schutz gegen Oxidation, andererseits als Gleitmittel, welches ähnliche Eigenschaften wie eine Verzinnung der Kontaktierungsoberflächen an der Innerseite der in V-Form ausgebildeten Kerbe

48 in der Schneidklemme 46 aufweist. Damit entfällt das Vorsehen des Aufbringens eines Gleitmittels zur Herstellung der Schneidklemmverbindung mithin ein ganzer Prozessschritt. Figur 2 zeigt des Weiteren, vergleiche mittlere Darstellung, wie der im Wesentlichen in vertikaler Richtung in Einpressrichtung 22 in die in V-Form ausgebildete Kerbe 48 eingeführte Draht 44 eine Aufweitung 58 der metallisiert oder nicht- metallisiert ausgeführten Schneidklemme 46 in horizontale Richtung bewirkt. Aufgrund des Vorhandenseins der Kerbe in V-Form 48 wohnt dem oberen Be- reich der metallisiert oder nicht-metallisiert ausgeführten Schneidklemme 46 eine entsprechende Elastizität inne, sodass die Kräfte, die auf die lötfreie elektrische Verbindung 42 wirken, insbesondere die Kräfte, mit denen der Draht 44 in der Schneidklemme 46 fixiert wird, ein definiertes Maß nicht überschreiten. Aufgrund des Umstandes, dass die Kontaktierungsoberflächen der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 mit der OSP-Beschichtung 56 versehen sind, die hier als Gleit- schicht wirkt, wird erreicht, dass ein „Fressen" des Drahtes 44 bei erst unvollständigem Eingeführtsein in die V-Form ausgebildete Kerbe 48 vermieden wird. Es wird insbesondere vermieden, dass sich der Draht 44 vor Erreichen seiner Endposition bereits zu früh mit dem Material der Kontaktierungsoberflächen vereinigt, so dass seine Sollposition, d.h. den Grund der Kerbe 48 in V-Form, die in der Schneidklemme 46 ausgebildet ist, gar nicht erreicht.

Durch die in Zusammenhang mit Figur 2 dargestellte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass - wie im rechten Bild gemäß Figur 2 erkennbar, der Draht 44 in Einführrichtung 22 gesehen, seine Sollposition am Grunde der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 auch zuverlässig erreicht. Die

Schneidklemme 46 kann - alternativ zu einer separaten Unterkupferung der Kontaktierungsoberflächen - im Bereich der Kerbe 48 in V-Form aus einem Grundmaterial 52, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt sein. Mithin kann im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 eine Oxidationsverhinde- rungsschicht 50 in Gestalt einer OSP-Beschichtung 56 sowohl auf der Mantelfläche des Anschlussdrahtes 44 aufgebracht werden, als auch auf den Kontaktierungsoberflächen der Kerbe 48 in V-Form. Die OSP-Beschichtung 56 dient hier außerdem als Gleitmittel zur Herabsetzung der Montagekraft und zur Sicherstel- lung des Verhinderns eines vorzeitigen„Fressens" beim Fügen des ersten Fügepartners, d.h. der metallisiert oder nicht-metallisiert ausgeführten Schneidklemme 46 mit dem zweiten Fügepartner, hier dem Anschlussdraht 44.

Die Ausführungsvariante gemäß Figur 2 ermöglicht ein materialschonendes Her- stellen im Wege des Schneidklemmens ohne unzulässige Schädigungen des ersten Fügepartners bzw. des zweiten Fügepartners bzw. von deren Metallisierungen auch ohne den Einsatz von Zn. Damit wird auch das Risiko einer Zinn- Whiskerbildung vermieden. Auch bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorher auf den

Kontaktierungsoberflächen galvanisch Kupfer abgeschieden werden oder aufge- bracht werden, um ausschließlich Kupfer als Andockstelle für die OSP- Beschichtung 56 bereit zu stellen.

Die chemische Zusammensetzung und die Dicke der OSP-Beschichtung 56 kön- nen mittels Fl B-Schnitt (Focused Ion Beam), UV-Spektrophotometrie oder optischem Ref lektionsverfahren (OSPrey) bestimmt werden. Insbesondere werden selektiv wirkende Cu-Koordinationsverbindungen eingesetzt, so zum Beispiel Phenylimidazol, Benzimidazol, Aminothiole, Acetate, Polyalkohole oder Diketone sowie weitere Stoffe.