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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kontakteinheit und insbesondere
einen Lötstift,
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit bzw. eines
Lötstifts,
wobei der Körper
der Kontakteinheit mit einer Zinnschicht umgeben ist.
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Im
Stand der Technik sind unterschiedliche Kontakteinheiten und Lötstifte
bekannt geworden, mit denen eine Lötverbindung zu einem Leiter
oder einer Leiterplatte möglich
ist. Aus der
DE 198
02 580 A1 ist ein Lötstift
mit einem Körper
bekannt, wobei der Körper
einen metallischen Kern aus Kupfer und eine den metallischen Kern
umgebende Zinnschicht aufweist. Bei konventionellen Lötprozessen
mit bleihaltigen Loten können
solche Lötstifte
als lötbare
Steckerstifte verwendet werden.
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Die
Umstellung bleihaltiger Oberflächensysteme
in der Elektronik auf bleifreie Oberflächen führt aufgrund erhöhter Temperaturen
der Lötprozesse
zu einer steigenden thermischen Belastung der Oberflächen von
Kontaktstiften. Durch die deutliche Überschreitung des Schmelzpunktes
der favorisiert eingesetzten Glanzzinnoberflächen resultieren Blasenbildungen
an der Oberfläche
der Kontaktstifte, die durch die Ausgasung organischer Bestandteile
entstehen können.
Weiterhin ergeben sich oftmals Abschmelzungen der Zinnoberflächen, wodurch
die Kontaktstifte stellenweise gar nicht mehr mit einer Zinnschicht
versehen sind. Dadurch werden solche Kontaktstifte schlecht oder
gar nicht mehr lötbar,
beziehungsweise genügen
nicht mehr den mechanischen Anforderungen.
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Eine
gleiche Problematik ergibt sich, wenn die Kontaktstifte oder Lötstifte
in einem sogenannten thermischen Reißprozess hergestellt werden.
Durch die erhöhten
Temperaturen ergeben sich insbesondere an den Stiftspitzen Entnetzungen,
an denen lokal keine oder eine nur sehr dünne Zinnschicht mehr vorhanden
ist. Das führt
zu einer schlechten Lötbarkeit
der Kontaktstifte. Aus diesem Grund werden nach dem thermischen
Reißprozess
die Lötstifte
in einem nachgeschalteten Galvanisierungsbad vollflächig galvanisiert.
Das kann beispielsweise in einer Trommelgalvanisierung erfolgen,
bei der eine Vielzahl von Kontaktstiften in einer Trommel in ein
galvanisches Bad eingeführt
wird. Dort werden die Kontaktstifte galvanisch mit einer Zinnschicht
versehen. Durch die nachträglich
aufgebrachte Zinnschicht werden während des Reißprozesses
freigelegte Bereiche der Stifte für den nachfolgenden Lötprozess vorbereitet,
sodass im Kontaktierungsbereich ein gasdichter Kontakt gegenüber einem
Stecker sichergestellt werden kann. Dieser zusätzliche Prozessschritt führt zum
gewünschten
Ergebnis, stellt aber einen erheblichen Aufwand dar.
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Nachteilig
bei dem bekannten Verfahren ist der Herstellungsaufwand, der auch
die Stückkosten erhöht.
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Eine
mögliche
Lösung
wäre die
Herstellung der Kontaktstifte über
ein anderes Herstellungsverfahren, bei dem der Kontaktstift nicht
derart hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Da aber auch bei dem
Lötprozessen
zur kontaktsicheren Befestigung der Kontaktstifte auf beispielsweise
einer Leiterplatte bei modernen Lötprozessen wie beispielsweise
einem Reflow-Lötprozess
Temperaturen von bis zu etwa 265 Grad Celsius auftreten, werden
die Kontaktstifte auch bei einem anderen Herstellungsverfahren spätestens
bei der Bestückung
hohen Temperaturen ausgesetzt, sodass bei der Verlötung des Kontaktstiftes
mit einer Leiterplatte solch hohe Temperaturen auftreten können, dass
eine Entnetzung der Zinnschicht des Kontaktstiftes auftritt.
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Vor
dem Hintergrund des beschriebenen Standes der Technik ist es deshalb
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontakteinheit und
insbesondere einen Lötstift
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit zur Verfügung zu
stellen, wobei der Kontaktstift einfach herzustellen ist und den
bei modernen Lötprozessen
auftretenden Temperaturen stand hält.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine erfindungsgemäße Kontakteinheit
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist
Gegenstand des Anspruchs 10. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Vorteile und
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel.
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Die
erfindungsgemäße Kontakteinheit
ist insbesondere als Lötstift
ausgeführt
und umfasst einen Körper,
der einen metallischen Kern und eine den metallischen Kern umfassende
Zinnschicht aufweist. Dabei ist die Zinnschicht als Duplexschicht
ausgebildet und umfasst eine radial innere Schichtauflage aus Mattzinn
und eine radial äußere Schichtauflage aus
Glanzzinn.
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Die
erfindungsgemäße Kontakteinheit
hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kontakteinheit
ist der Einsatz der um den metallischen Kern herum vorgesehenen
Duplexschicht. Dadurch wird gewährleistet,
dass in der Tiefe der als Duplexschicht ausgeführten Zinnschicht das Mattzinn
für eine
gleichmäßige Benetzung
des Lötstiftes
bzw. der Kontakteinheit auch bei hohen Löttemperaturen sorgt, während die
die innere Schichtauflage aus Mattzinn umgebende radial äußere Schichtauflage
aus Glanzzinn zu einer glatten und einer mechanisch kompatiblen
Oberfläche
führt. Da
die äußere Oberfläche aus
Glanzzinn in der Regel der mechanischen Kontaktierung dient, hat
die erfindungsgemäße Kontakteinheit
einen erheblichen Vorteil, da eine gute mechanische Kompatibilität und eine
gute Kontaktierbarkeit gegeben ist.
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Die
innere Schichtauflage aus Mattzinn weist vorzugsweise wenig oder
gar keine organischen Komponenten auf, die bei der Verlötung der
Kontakteinheit zu einem Ausgasen und damit zu einem Blasenwurf an
dem Körper
der Kontakteinheit führen können. Die
radial äußere Schichtauflage
aus Glanzzinn weist hingegen regelmäßig nur eine solche Schichtdicke
auf, dass ein Blasenwurf beim Aufheizen der Kontakteinheit unterbleibt.
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Vorzugsweise
beträgt
die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn zwischen etwa 50 und 85
oder 90% der radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Besonders bevorzugt
liegt die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn bei etwa 2/3 der
radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Des Weiteren beträgt die Dicke
der Schichtauflage aus Glanzzinn vorzugsweise zwischen etwa 15 und
50% der radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Besonders bevorzugt beträgt die radiale
Schichtdicke der Schichtauflage aus Glanzzinn etwa 1/3 der radialen
Schichtdicke der Zinnschicht, sodass sich besonders bevorzugt ein Verhältnis der
Dicken der Schichtauflage aus Glanzzinn zu Mattzinn von etwa 1:2
ergibt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass eine Duplexschicht mit etwa 2/3-Schichtdicke
aus Mattzinn und etwa 1/3-Schichtdicke aus Glanzzinn die gewünschten
mechanischen und elektrischen Eigenschaften erfüllt. Bei einer solchen Ausgestaltung
wird die Duplexschicht weder beim thermischen Reißprozess zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Kontakteinheit
noch bei beispielsweise einem Reflow-Lötverfahren zerstört. Eine
solche erfindungsgemäße Kontakteinheit
genügt
auch hohen Ansprüchen.
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Vorzugsweise
liegt eine Schichtdicke der gesamten Duplexschicht zwischen etwa
2 und 10 Mikrometer.
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Vorzugsweise
beträgt
die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn etwa 2 bis 4 Mikrometer und
kann in besonderes bevorzugten Ausgestaltungen bei etwa 2,5 Mikrometer
liegen. Die radial äußere Schichtauflage
aus Glanzzinn hat vorzugsweise eine Schichtdicke von etwa 1 bis
2 Mikrometer und kann in besonders bevorzugten Ausgestaltungen bei
etwa 1,5 Mikrometern liegen, sodass sich eine radiale Schichtdicke
der Zinnschicht insgesamt von zwischen etwa 3 und 5 Mikrometern
ergibt.
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In
allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Kern von einer
Zwischenschicht umgeben ist, die Nickel enthält oder aus Nickel besteht.
Eine solche Zwischenschicht wird insbesondere direkt auf den Kern
aufgebracht, auf die dann wiederum die Duplexschicht aus Mattzinn
und Glanzzinn aufgetragen wird. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise
in galvanischen Prozessen nacheinander. Die Nickelschicht kann sehr
dünn sein.
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In
bevorzugten Weiterbildungen umfasst der Körper wenigstens eine Stiftspitze,
die insbesondere etwa konisch zulaufend ausgebildet ist und die
ebenfalls von der Duplexschicht umgeben ist. Insbesondere ist die
Stiftspitze wenigstens im Wesentlichen und insbesondere vollständig von
der Duplexschicht umgeben, um eine gute mechanische Kontaktierbarkeit
und eine gute Verlötbarkeit
des Kontaktstifts zu gewährleisten.
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In
allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Körper in
einem thermischen Reißprozess gefertigt
wird, wobei sich wenigstens an einem Ende insbesondere eine spitz
zulaufende Stiftspitze ergibt.
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Die
Fertigung der Kontakteinheit mittels eines thermischen Reißprozesses
ist sehr vorteilhaft, da der thermische Reißprozess einfach durchführbar, schnell
und unkompliziert ist. Durch die Erfindung wird gewährleistet,
dass trotz der auftretenden Temperaturen die Duplexschicht auch
auf der Stiftspitze erhalten bleibt, sodass eine separate Nachbeschichtung
der äußeren Oberfläche des
durch einen thermischen Reißprozess
erhaltenen Körpers
nicht nötig ist.
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In
allen Ausgestaltungen ist es möglich
und bevorzugt, dass der Kern in einem Querschnitt mehreckig, abgerundet
oder rund ausgeführt
ist. Insbesondere besteht der Körper
aus einem galvanisch mit der Duplexschicht portionierten Stück eines Drahthalbzeugs,
welches in definierte Längen
unterteilt wird.
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In
allen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung kann die
Schichtauflage aus Glanzzinn organische Zusätze zur Glättungen der Oberfläche ausweisen.
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Die
Glanzzinnschicht hat vorzugsweise eine typische Korngröße von etwa
0,5 bis 1,0 Mikrometer, während
das eingesetzte Mattzinn eine Korngröße von typischerweise etwa
3,0 Mikrometer aufweisen kann. Schon von daher ergibt sich eine
deutlich unterschiedliche Glattheit einer reinen Mattzinnoberfläche und
einer Glanzzinnoberfläche.
Hier wird durch die äußere Glanzzinnoberfläche die
gewünschte
mechanische Eigenschaft des Lötstifts
bzw. der Kontakteinheit erzielt, während für die Lötbarkeit die Schicht aus Mattzinn
sorgt.
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Ein
Blasenwerfen beim Reflow-Lötprozess wird
vermieden, sodass durch die glatte Oberfläche der äußeren Zinnschicht gute mechanischen
Eigenschaften erzielt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
dient zur Herstellung einer Kontakteinheit und insbesondere zur
Herstellung eines Lötstifts
und wird unter Verwendung eines Drahthalbzeugs durchgeführt, welches zunächst mit
einer radial inneren Schichtauflage aus Mattzinn und einer sich
daran anschließenden
radial äußeren Schichtauflage
aus Glanzzinn versehen wird. Vor der Aufbringung der Schichtauflage
aus Mattzinn kann noch eine Zwischenschicht aus beispielsweise Nickel
aufgebracht werden. In einem anschließenden thermischen Reißprozess
wird ein portioniertes Stück
des mit der Duplexschicht versehenen Drahthalbzeugs abgetrennt,
um einen Lötstift
zu bilden, dessen Körper
von der Duplexschicht umgeben ist.
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Auch
das erfindungsgemäße Verfahren
hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil ist, dass die Herstellung
vereinfacht wird und ein nachträgliches
galvanisches Beschichten der äußeren Oberfläche des Lötstiftes
unterbleiben kann, da die aufgetragenen Duplexschicht auch bei den üblichen
Temperaturen eines Reflow-Lötprozesses
auf der gesamten oder doch nahezu der gesamten Oberfläche des
Körpers vorhanden
bleibt, wodurch gute mechanische und elektrische Eigenschaften erzielt
werden.
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In
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Dicke
der Schichtauflage aus Mattzinn und die Dicke der Schichtauflage
aus Glanzzinn derart aufeinander abgestimmt, dass auch die Stiftspitze
nach dem thermischen Reißprozess
im Wesentlichen von der Duplexschicht umgeben ist. Dadurch wird
bewirkt, dass ein schädliches
Blasenwerften unterbleibt.
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Zur
Herstellung der Kontakteinheiten bzw. Lötstifte wird ein Drahthalbzeug
eingesetzt und davon wird ein portioniertes Stück Draht abgetrennt, indem
der Draht an der vorgesehenen Stelle mittels Klemmbacken festgehalten
wird und der Draht an der Klemmstelle insbesondere mittels eines
in den Klemmbacken strominduziert integrierten Heizelementes aufgeheizt
wird, worauf hin durch Aufbringung von Zug ein definierter Körper abgetrennt
wird.
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Insbesondere
wird der Draht durch einen elektrischen Stromimpuls aufgeheizt und
aufgeweicht. Es hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass bei dem nachfolgenden Reißvorgang die Duplexschicht
vollständig
oder doch nahezu vollständig
erhalten bleibt.
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Blasen
und Entnetzungen der Oberflächen werden
regelmäßig zuverlässig vermieden,
sodass homogene und reproduzierbare Bedingungen an der Stiftspitze
und der sonstigen Oberfläche
des Kontaktstifts vorliegen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
dem Ausführungsbeispiel,
welches im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert wird.
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In
den Figuren zeigen:
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1 eine
schematische geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Lötstifts;
und
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2 die
Stiftspitze des Lötstifts
nach 1 in einer vergrößerten Darstellung.
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In
den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße und als
Lötstift 2 ausgeführte elektrische Kontakteinheit 1 schematisch
dargestellt.
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Der
in 1 abgebildete Lötstift 2 weist einen
Körper 3 auf,
der einen metallischen Kern 4 umfasst. Der metallische
Kern 4 kann beispielsweise als Draht ausgeführt sein
und einen runden, drei- oder mehreckigen Querschnitt aufweisen.
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Das
Drahthalbzeug 14 ist mit einer Zinnschicht 5 galvanisch
beschichtet worden. Dabei ist die Zinnschicht 5 als Duplexschicht 6 ausgeführt, die eine
radial innere Schichtauflage 7 und radial äußere Schichtauflage 8 umfasst.
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Die
radial innere Schichtauflage 7 ist eine Mattzinnschicht,
die eine größere Oberflächenrauigkeit
aufweist als die radial äußere Schichtauflage 8, die
aus einer Glanzzinnschicht besteht. Die Glanzzinnschicht 8 weist
aufgrund der erheblich geringeren Oberflächenrauigkeit gute mechanische
und elektrische Eigenschaften auf.
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Die
Beschichtung des metallischen Kerns 4 kann in einem Durchlaufverfahren
erfolgen, bei dem die gesamte Länge
einer Drahtrolle direkt mit der Duplexschicht 6 versehen
wird. Nach der Beschichtung wird das mit der Zinnschicht 5 versehene
Drahthalbzeug 14 insbesondere wieder aufgewickelt und kann so
platzsparend gelagert werden.
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Zur
Herstellung der einzelnen Lötstifte 2 wird der
Körper 3 gezielt
eingeklemmt und an der späteren
Stiftspitze 13 wird der Kern 4 und es werden die Schichtauflagen 7 und 8,
thermisch insbesondere durch einen Stromimpuls derart erhitzt, dass
bei Aufbringung von Zug der Kern 4 an der Stiftspitze 13 durchtrennt
wird, wodurch ein definierter Körper 3 entsteht.
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In 2 ist
die Stiftspitze 13 vergrößert dargestellt. Deutlich
erkennbar ist, dass die Schichtdicke 9 der radial inneren
Schichtauflage 7 deutlich größer als die Schichtdicke 11 der
radial äußeren Schichtauflage 8 ist,
wobei das Verhältnis
der Schichtauflage 8 zu der Dicke der Schichtauflage 7 hier
im Ausführungsbeispiel
etwa 1:2 beträgt.
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Direkt
auf dem Kern 4 kann eine dünne Zwischenschicht 12 vorgesehen
sein, die beispielsweise aus Nickel bestehen kann und die als Grundlage
für die
Duplexschicht 6 dient.
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Wie
insbesondere der vergrößerten Darstellung
nach 2 entnommen werden kann, liegt bis zur Stiftsspitze 13 die
Duplexschicht 6 auf der Oberfläche 15 des Körpers 3 vollständig vor,
sodass gute Lötbedingungen
und mechanische Eigenschaften des Lötstifts 2 gewährleistet
werden können.
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Durch
die Erfindung wird ein einfaches Herstellverfahren zur Verfügung gestellt,
mit dem Lötstifte 2 produziert
werden können,
die gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen und mit
denen eine zuverlässige
Verlötung
möglich
ist. Dabei werden gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren zusätzlich erforderliche
galvanische Beschichtungsschritte eingespart, sodass mit der vorliegenden
Erfindung kostengünstig
und effizient Kontakteinheiten bzw. Lötstifte hergestellt werden
können.
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- 1
- Kontakteinheit
- 2
- Lötstift
- 3
- Körper
- 4
- Kern
- 5
- Zinnschicht
- 6
- Duplexschicht
- 7
- Schichtauflage
- 8
- Schichtauflage
- 9
- Dicke
- 10
- Schichtdicke
- 11
- Dicke
- 12
- Zwischenschicht
- 13
- Stiftspitze
- 14
- Drahthalbzeug
- 15
- Oberfläche
- 16
- Portioniertes
Stück