CN105048246A - 用于生产防止锡晶须形成的电触头元件的方法及触头元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造电触头元件的方法，通过该方法能够防止锡晶须的产生，特别是在压入连接件中。本发明还进一步涉及一种相应的触头元件。该用于制造电触头元件的方法包括如下步骤：提供基材；在该基材上施加至少一个导电接触层；其中该接触层具有外表面，该外表面通过粗糙度形成隆起并且适于接收润滑剂。

Description

用于生产防止锡晶须形成的电触头元件的方法及触头元件

技术领域

本发明涉及一种用于制造电触头元件的方法，通过该方法能够防止锡晶须的形成，特别是在压入连接件中。本发明还进一步涉及一种相应的触头元件。

背景技术

在电子电路中使用锡作为导电材料通常会引起正如能被充分了解到的所谓的锡晶须的产生，也就是说，主要形成在带有无铅锡涂层表面上的锡的针状形成。那些晶须可以具有达到1mm的长度，并且，在极端的情况下，长度可以达到2mm。它们是导电的，并且因此能够导致短路，例如，在组装的印刷电路板上。在这种情况下，10-50mA的电流可以流过晶须，直到晶须在最大容许电流密度下虽不熔化但是断裂为止。作为不断增加的小型化的结果，部件连接部之间的空间已经下降到几百微米，而这一距离是锡晶须很容易跨越的距离。作为不断增加的电子电路的小电流消耗的结果，由于锡晶须一般不再被短路情况中流过的电流破坏，所以也不存在自清洁效应。

锡晶须的发生尤其通过机械应力的动作、通过锡层中或连接部中(其接着传递至锡层)的内部机械应力、通过高温和高的空气湿度而促进生成。

因此，如果将安装状态中的锡涂层暴露于持久的机械压力加载下，由于锡晶须导致的部件失效特别经常地发生。这种情况通常发生在，例如，在压入接触部、薄膜导体接触部以及注塑成型的锡表面的情况下。

一种已知的减少锡晶须形成的方法，涉及向锡金属涂层中添加铅。然而，由于ROHS指南的介绍(欧洲议会和委员会的2011年6月8日提出的关于在电气和电子装置中限制使用特种危险物质的指南2011/65/EU，公报EU(2011)第L174号，第88-110页)，这种低晶须锡/铅合金现在仅在例外的情况中被允许，并且在中期被完全禁止应用在插头连接器领域。虽然，其它的锡合金，比如，例如银/锡，及各种回火步骤的使用已经抑制了晶须的生长，但是，它们不能完全防止晶须的产生从而经常会存在短路形成的残留风险。

然而，特别在汽车领域中，关于晶须形成的安全必须遵守高要求。

因此，如果在相对于配合触头的直接接触区域内锡的存在被完全消除，并且进一步，例如，将具有有机表面保护(OSP)或涂覆银的表面的印刷电路板孔选择为配合触头，那么晶须的形成就能够完全防止。

在这种情况下，可以考虑，比如，接触层包含镍。然而，已经发现，当将压入触头被压入时，传统的镍涂层需要过高的插入力，使得压入触头本身之后可能发生变形或使所述印刷电路板孔变得过度损伤。

因此，需要一种用于制造电触头元件的方法以及电触头元件，其一方面能够大大减少锡晶须的形成，而另一方面，在压入式触头的产生期间，允许足够大的保持力以及同时允许低的压入力。

发明内容

这一目的通过本专利独立权利要求的主题来实现。本方面的从属权利要求涉及本发明的优化发展。

本发明基于在电触头元件的接触区域中完全去除锡并且替代地使用不趋向于形成晶须的另一种金属的观念。这种金属涂层通常比锡的延展性小的缺点将被克服，因为该接触层具有通过粗糙度形成隆起(elevatedbyroughness)的外表面，该外表面适于以永久的方式接收润滑剂。作为这种存储润滑剂的结果，在实际电接触期间，能够实现压入力的大幅减小。凹槽防止润滑剂挥发或缓慢流失，在凹槽中润滑剂被引入，其中例如，在导引进配合触头中期间，润滑剂能够展现其效果。

在插入操作期间，润滑剂被移位，使得它不会在实际电接触期间构成障碍。在触头元件的存储期间，所存储的润滑剂还提供了防止污染和腐蚀的优点。

特别地，接触层表面可以施加油，其中油的运动学粘度值在1.5mm²/s到680mm²/s之间。

可以被认为用来制造该电触头元件的基材包括，例如，铜、锡青铜、黄铜、高强度黄铜以及各种铜合金，例如CuNi、CuMn、CuNiSi或CuAl合金。此外，也可使用弱合金铜合金，例如，CuFe2P。根据本发明的无锡接触层金属涂层可以优选由镍制造，但也可以由，例如，铁、钴、铑、铱、钯、银或包含这些元素的合金制造。

为了产生能够存储润滑剂的所期望的裂隙面，该接触层可以具有金字塔形、锥形、球形和/或块形的隆起(elevation)。

为了产生这些隆起，有多种可能方法。首先，接触层可以已经被建立为使得接触层具有相应的隆起，在这些隆起之间能够存储润滑剂。如果该接触层，例如，通过金属涂层而产生，那么该金属涂层的参数，比如，例如，酸度或不同的结晶核及催化剂的存在的程度，可以以建立相应结构的方式进行选择。然而，可替换地，相应的粗糙度也能够通过不同的物理或化学材料移除方法而形成。例如，合适的蚀刻步骤可以导致相应的表面结构。

接触层中相应的隆起具有在0.4μm到10μm之间的典型高度。能够示出，对于0.8μm到5μm之间的值可以实现最佳效果。

根据本发明的有利发展，至少一个中间层能够应用在基材与接触层之间。带有这种中间层，能够改进接触层到基材的粘附。例如，在镍接触层的情况下，中间层可以由表面粗糙度比接触层小的镍层形成。在其它接触层金属涂层的情况下，中间层可以包括相同材料或不同的材料。

如果电触头元件是压入触头元件、插头型触头元件、注塑成型触头元件、焊接连接件或薄膜导体触头元件，那么根据本发明的触头元件的优良性能能够被特别有效地利用。在所有的这些应用中，晶须形成是失效的特别有问题的原因。特别在与触头弹簧进行组合的情况下，当在该配合触头的侧面上使用银或金层时可以实现完全避免晶须，或者是在该配合触头侧上有锡层的情况下，如果该配合触头侧处于较低机械应力下，由于晶须形成导致的失效风险仍然能够大幅降低。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参考下面的附图说明的实施例来更加详细地进行解释。相同部件用相同的附图标记表示，并且使用相同的部件名称。此外，来自所示出和描述的实施例中的单个特征或特征的结合还可以是创造性的方案或其本身独立的根据本发明的方案。

在附图中：

图1是在基材上的接触层的截面示意图；

图2是在基材上的接触层和中间层的截面示意图；

图3是接触层表面在涂覆润滑剂之前的电子扫描显微镜图像；

图4是压入触头在压入到印刷电路板之前的示意图；

图5是压入触头在完全地组装状态下的示意图。

具体实施方式

下面首先意于参考图1来更加详细地解释本发明。

根据本发明所述方法的起始点是基材100。基材100可以是条形导体或者可以是插销等，并且包括，例如，铜或铜合金，例如，锡青铜、黄铜、高强度黄铜或CuNi、CuMn、CuNiSi、CuAl合金。

当前的图1和图2仅仅显示了对于电接触重要的区域，即，例如，与触头孔接触的压入式插销的区域。根据本发明，形成接触层102的无锡金属涂层在该区域中被施加到基材100。

根据本发明，接触层102的表面通过限定的凹槽104和隆起106构成。该裂隙表面允许将润滑剂(在附图中未示出)保留在接触层102的表面上以便能够长时间的存储。隆起106可以根据它们是如何产生的而具有极其不同的形状。它们可以被构造成，例如，金字塔形、锥形、球形或块形或柱形。凹槽104与隆起106之间的高度差一般在0.4μm到10μm之间。在最佳情况下，这种粗糙度可以在0.8μm到5μm之间。如果具有1.5mm²/s到680mm²/s之间粘度的润滑剂与以这种方式构造的接触层102的表面结合使用，施加的油能够长时间存储并且不会负面地影响随后的压入操作。润滑剂可以包括，例如，高粘性油。应用中，润滑剂与高流动性的溶剂进行混合，该溶剂用作载体物质且在应用之后至少部分地挥发。

用于防止锡晶须重要的方面是在于，在实际的接触区域中(在图1和2中示出)，在直接表面上没有锡涂层。为此，接触层102由，例如，铁、钴、镍、铑、铱、钯、银或包含这些元素的合金形成。

根据本发明的有利实施例，无锡接触层102通过电镀技术沉积。电镀沉积的参数，即，浴液的组成、催化剂或酸的添加及电流强度和电压值，可以被调整以产生所期望的表面粗糙度。

然而，对于本领域技术人员来说，不言而喻的是，对于根据本发明的该无锡接触层102的形成，也可以采用允许足够的表面粗糙度并同时具有好的粘附性的其它沉积技术。

此外，在第二处理步骤中，例如蚀刻步骤，也可将光滑建立的金属涂覆层相应地粗糙化。这种情形下的重要方面在于，在该接触表面上不存在锡并且粗糙度足够高以便以耐久的方式在其中粘合住润滑剂。

图2是图1的布置改进的示意图。根据该实施例，无锡接触层102没有直接施加到基材100，而是替代地设置有中间层108。该中间层特别有助于接触层102的沉积，并且改善了与基材100的粘附。例如，光滑的中间镍层108可用于镍接触层102。然而，自然地，其它金属及其合金也可用作中间层108。

应该注意，图2的厚度关系并不旨在解释为以任何方式的真实比例。因此，已经示出了，施加厚度在1-2μm的镍中间层到基材层100并随后从厚度为0.5μm的镍建立根据本发明的结构化接触层102是特别有利的。

图3是具有相应隆起和凹槽106、104的镍接触层102的电子扫描显微镜图像。

参见图4和5，将意于更加详细地解释根据本发明的接触层结构的有利应用实施例。

图4示出在插入到印刷电路板114的触头孔之前的压入式触头销110。特别地，印刷电路板114具有连续开口116，在该开口中安装有导电插座112。图4还示出了压入式销110，该销具有表面部分118，该表面部分在压入方向上，即箭头P的方向上，以凸起的方式在预定的纵向部分L上弯曲。该部分形成在相对的接触构件118A、118B上，其中接触构件118A、118B在纵向部分L的区域中形成在压入式销110上、从压入式销的柱形纵向部分向外弯曲且封闭中空空间。

在所示出的实施例中，插座112由纯铜构成。压入式销110的基材也由铜构成，并且，在任何情况下，该基材在弯曲表面118的区域中具有根据本发明的接触层102，其就在两个接触部分组装之前的所示工艺情形中施加油。

为了产生该压入连接，借由所述插座112在箭头P的方向上定向之后，压入式销110相对于印刷电路板114移动。在该情况下，压入式销110以及其前纵向部分首先被定心到插座中，其中该前纵向部分的外径小于插座的内径。随着在压入方向上连续的运动，弯曲的纵向部分118最终被引入到插座112中。在该情况下，首先压入式销110的外周面与插座112的内周面之间的空间减小，直到两个表面移动至彼此接触。随着在压入方向上的连续运动，接触构件118A、118B首先在径向向内的方向上弹性变形，并且最终，随着进一步的连续运动，外层材料最终塑性变形。

在这种状态下，在接触层102的表面上残留的施加的油作为润滑剂变得有效，这样使得在箭头P方向上进一步运动期间所必须的力保持足够小。随着持续的压入运动，材料被从压入式销110的外周面剪切掉，并且突起122形成在压入方向上弯曲部118的后侧翼(rearflank)与插座112的内周面120之间。以这种方式产生的压力型连接，一方面由径向向内预拉紧的接触构件118A、118B的弹性恢复力保持，另一方面由在压入式销110的表面材料与插座112之间可能的冷焊来保持。润滑剂在该操作中也被向外移位，从而确保可靠的电接触。

如果在表面部分118与插座112之间的电接触区域中无锡，该区域通过压力动作机械加载，即印刷电路板也不包含任何锡，那么锡晶须的出现能够完全地防止。如果印刷电路板包含锡，通过使用带有新涂层的触头，晶须的生长大幅地防止。

然而，根据本发明的接触层102也可以有利地与大量的其它电连接一起使用。例如，插头型微连接器的触头弹簧可以提供有根据本发明的涂层。此外，根据本发明的接触层也适用于注塑成型的触头元件、焊接连接件或薄膜导体触头中。

因此，由于接触区域完全省略锡，可以提供没有任何晶须生长的技术。因此，也可防止晶须的剪切，如可能在相邻的导电结构之间桥接。

附图标记列表

附图标记	描述
		100	基材
102	无锡接触层
		104	凹槽
106	隆起
		108	中间层
110	压入式销
		112	插座
114	印刷电路板
		116	开口
118	表面部分
		118A、118B	接触构件
120	插座的内周面
		122	突起

Claims (21)

1.一种用于制造电触头元件的方法，包括如下步骤：

提供基材；

施加至少一个导电接触层至所述基材，

其中所述接触层具有外表面，所述外表面通过粗糙度形成隆起并且该外表面适于接收润滑剂。

2.如权利要求1所述的方法，还包括用润滑剂涂覆所述接触层表面的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其中该接触层表面施加有油，该油的运动学粘度值在1.5mm²/s到680mm²/s之间。

4.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述基材由铜、锡青铜、黄铜、高强度黄铜、CuNi、CuMn、CuNiSi或CuAl合金或弱合金铜合金制造。

5.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述接触层由无锡金属涂层形成。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述无锡金属涂层包括铁、钴、镍、铑、铱、钯、银或包括前述元素的合金。

7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述接触层具有金字塔形、锥形、球形和/或块形隆起。

8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述接触层通过电镀来制造，所述电镀的参数选择为产生所述粗糙度。

9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述接触层的隆起的高度在0.4μm到10μm之间，优选地，在0.8μm到5μm之间。

10.如前述任一项权利要求所述的方法，其中至少一个中间层应用在所述基材与所述接触层之间。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述中间层由表面粗糙度比所述接触层更小的镍层形成。

12.一种电触头元件，具有：

导电基材；以及

涂层，形成在所述导电基材的至少一部分上，其中所述涂层具有形成在所述基材上的接触层，其中，所述接触层具有外表面，该外表面通过粗糙度形成隆起并且适于接收润滑剂。

13.如权利要求12所述的电触头元件，还包括油的施加，该油的运动学粘度值在1.5mm²/s到680mm²/s之间。

14.如权利要求12或13所述的电触头元件，其形成为压入式触头元件、插头型触头元件、注塑成型触头元件、焊接连接件或薄膜导体接触件。

15.如权利要求12到14任一项所述的电触头元件，其中所述基材由铜、锡青铜、黄铜、高强度黄铜、CuNi、CuMn、CuNiSi或CuAl合金或弱合金铜合金制造。

16.如权利要求12-15任一项所述的电触头元件，其中所述接触层由无锡金属涂层形成。

17.如权利要求16所述的电触头元件，其中所述无锡金属涂层包括铁、钴、镍、铑、铱、钯、银或包括前述元素的合金。

18.如权利要求12-17任一项所述的电触头元件，其中所述接触层具有金字塔形、锥形、球形和/或块形隆起。

19.如权利要求12-18任一项所述的电触头元件，其中所述接触层的隆起的高度在0.4μm到10μm之间，优选地，在0.8μm到5μm之间。

20.如权利要求12-19任一项所述的电触头元件，其中至少一个中间层应用在所述基材与所述接触层之间。

21.如权利要求20所述的电触头元件，其中所述中间层由表面粗糙度比接触层更小的镍层形成。