DE102009008118B4

DE102009008118B4 - Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte, sowie Einpressstift für das Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE102009008118B4
Application number: DE102009008118.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Guglhör
Original assignee: Ept Automotive & Co KG GmbH
Current assignee: Ept Automotive & Co KG GmbH
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: DE102009008118A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte, wobei der Kontakt mittels Herstellens einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen einem Einpressstift (6), der eine Einpresszone und einen Kontaktbereich aufweist, und einem metallisierten Leiterplattenloch (22) realisiert ist, wobei die Einpresszone die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leiterplattenloch (22) und Einpressstift (6) und der Kontaktbereich den elektrischen Kontakt bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresszone des Einpressstifts (6) eine Beschichtung aus Reinkupfer, mit einer zusätzlichen zinnfreien Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation, aufweist.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte mittels Einpresstechnik, sowie eine derart hergestellte Leiterplatte.
Beim Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte mittels Einpresstechnik, wird eine größtenteils kraftschlüssige Verbindung zwischen einem Einpressstift, der eine Einpresszone und einen Kontaktbereich aufweist, und einem durchmetallisierten Leiterplattenloch erzeugt, wobei die Einpresszone die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leiterplattenloch und Einpressstift und der Kontaktbereich den elektrischen Kontakt bereitstellt.
Üblicherweise weisen Einpressstift und metallisiertes Leiterplattenloch eine Beschichtung aus Blei oder Zinn auf, die eine gute Kaltverschweißung erzeugen, und im Fall von Zinn auch der Europäischen Richtlinie 2002/95/EG zum Verbot bestimmter Substanzen bei der Herstellung und Verarbeitung von elektrischen und elektronischen Geräten und Bauteilen, wie Blei, zu genügen. Dabei muss das verwendete Material eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Einpressstift und Leiterplatte erzeugen. Diese Anforderungen erfüllt Zinn ideal und ist zudem kostengünstig.
Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leiterplattenloch und Einpressstift wird durch die Anpresskräfte des Einpressstiftes an das Leiterplattenloch aufrechterhalten. Zur Erzeugung dieser Anpresskräfte sind aber Verspannungen in der Einpresszone nötig. Zudem wird auch die Leiterplatte unter Spannung gesetzt.
Problematisch an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass aufgrund dieser auftretenden Spannungen bei Zinn sogenannte Whisker entstehen können.
Whisker sind fadenförmige, leitende Kristalle, die mehrere mm lang werden können und so eine Kurzschlussgefahr für Signalstromkreise darstellen. Whisker entstehen aufgrund von Spannungen im Material, vor allem bei den Werkstoffen Reinzinn und Cadmium.
In der Druckschrift DE 103 49 584 A1 ist ein auf Kuperbasis hergestellter Einpressstift beschrieben, dessen Oberfläche mit einer Diffusionssperrschicht versehen ist, auf der eine äußere Schicht aus Silber, einer Silberlegierung, Gold, einer Goldlegierung, Zinn, oder einer Zinnlegierung aufgebracht ist. Die Verwendung von silber- und goldbasierenden Beschichtungen hat den Nachteil, dass diese zum einen relativ teuer sind und dass die Verfügbarkeit dieser Materialien begrenzt ist. Die weiterhin in der Druckschrift D1 vorgeschlagene Beschichtung mittels Zinn oder einer Zinnlegierung zeigt die gleichen Nachteile wie der eingangs beschriebene Stand der Technik.
Die Druckschrift US 2005/0090155 A1 offenbart einen Einpressstift, dessen Grundmaterial ebenfalls aus einer Kupferlegierung besteht. Ein Durchgangsloch einer Leiterplatte ist mit einem elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, Silber, Gold, Nickel einer Zinn-Bleilegierung oder einer Kombination dieser Materialien beschichtet. Der unbeschichtete Einpressstift hat den Nachteil, dass dessen Einpresszone beim Herstellen des Stiftes aufgrund der Umformung inhomogene, relativ harte Gefügestrukturen in den Randbereichen aufweisen, die eine Kontaktierung mittels Einpresstechnik erschweren.
In den Dokumenten US 6,361,823 B1 und DE 10 2005 055 742 A1 sind Beschichtungsverfahren für das Durchgangsloch einer Platine bzw. einen Einpressstift beschrieben, wobei diese Beschichtung jeweils zinnhaltig ausgeführt ist. Eine ähnliche Beschichtung wird in dem Dokument US 2005/0176267 A1 beschrieben. Demgemäß ist ein Einpressstift mit einer ein- oder mehrlagigen Beschichtung ausgeführt, wobei jeweils die äußere Schicht durch eine Zinnschicht gebildet ist. Unter dieser Zinnschicht kann je nach Ausführung eine Kupferschicht, eine Nickelschicht oder eine Mischschicht ausgebildet sein.
Derartige zinnhaltige Beschichtungen neigen - wie vorstehend ausgeführt - zu einer Whiskerbildung.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, einen elektrischen Kontakt auf einer Leiterplatte bereitzustellen, bei dem eine Whiskerbildung größtenteils vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Leiterplatte gemäß Patentanspruch 4, sowie einem Einpressstift gemäß Patentanspruch 7.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, durch den Einsatz von Reinkupfer und einer zusätzlichen zinnfreien Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation eine Whiskerbildung zu verhindern. Dabei ist eine Beschichtung des gesamten Einpressstiftes mit einem anderen Material nicht nötig, sondern vorteilhafterweise kann lediglich die Einpresszone, also der Bereich des Einpressstiftes, der das metallisierte Leiterplattenloch kontaktiert, mit Reinkupfer beschichtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn nicht nur die Einpresszone, sondern auch das metallisierte Leiterloch eine solche zinnfreie Beschichtung aus Gold, einer Goldlegierung, Silber, einer Silberlegierung, Aluminium oder Kupfer aufweist. Dadurch können auch Whisker, die aufgrund von Spannungen an der Leiterplattenzinnbeschichtung entstehen, vermieden werden.
Durch die Änderung der Beschichtung wird eine whiskerfreie Einpresstechnik erreicht, da das zwar bleifreie Reinzinn komplett aus der Einpressverbindung verschwindet. Gleichzeitig ist für eine gute Kaltverschweißung zwischen Einpresszone und Leiterplatte gesorgt, da die Einpresszone zinnfrei beschichtet wird, um Whiskerbildung auszuschließen, wobei Reinkupfer mit einer Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation gewählt wird, dessen mechanische Eigenschaften ähnlich denen von Zinn sind, um eine gute Kaltverschweißung zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist es, eine solche Einpresszone in Verbindung mit einer zinnfreien Leiterplatte einzusetzen, um Whiskerfreiheit zu erreichen.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a - 1c: Whiskerbildung bei der Einpressverbindung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäß beschichteten Einpresszone eines Einpressstiftes mit darunterliegender Leiterplatte;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß beschichteten Einpressstiftes;
4 eine perspektivische Darstellung des Einpressstifts und der Leiterplatte im nicht montierten Zustand;
5 eine perspektivische Darstellung des Einpressstifts und der Leiterplatte im montierten Zustand und
6 eine Draufsicht auf den Einpressstift und der Leiterplatte.

In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kontaktes mit einer erfindungsgemäß zinnfrei beschichteten Einpresszone 3 eines Einpressstiftes mit darunterliegender Leiterplatte 4 gezeigt.
3 zeigt eine Einzeldarstellung des in 2 dargestellten zinnfrei beschichteten Einpressstifts mit seinem Kontaktbereich 5.
In der 4 sind in einer perspektivischen Ansicht ein Einpressstift 6 und eine Leiterplatte 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Einpressstift 6 hat einen aus zwei Schenkeln 10, 12 gebildeten Einpresskontakt 14. Die Schenkel 10, 12 kragen von einem Endbereich eines einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweisenden Stiftkörpers 16 im Wesentlichen entlang einer Stiftlängsachse bogenförmig aus und bilden einen gemeinsamen Stiftkopf 18 aus, der einen pyramidenstumpfförmigen Endabschnitt 20 zum leichten Einführen in ein Leiterplattenloch 22 der Leiterplatte 8 hat. Die Schenkel 10, 12 weisen in der 4 jeweils etwa drei Bereiche auf. Ein erster Kontaktbereich 24 erstreckt sich von dem Stiftkörper 16 weg, ein zweiter Kontaktbereich 26 verläuft im Wesentlichen parallel zur Stiftlängsachse und ein dritter Kontaktbereich 28 erstreckt sich schräg in Richtung der Stiftlängsachse derart, dass die Schenkel 10, 12 dann im Stiftkopf 18 zusammentreffen.
In dem Leiterplattenloch 22 der Leiterplatte 8 ist ein etwa hohlzylindrischer Kontaktmantel 30 angeordnet, der zumindest abschnittsweise im Bereich des Kontakts mit dem Einpressstift 6 im montierten Zustand eine zinnfreie Beschichtung auf seiner Innenmantelfläche 32 aufweist. Der Kontaktmantel 30 hat an seinen Enden ringförmige Kragen 34, 36, mit denen dieser in seiner Axialrichtung auf der Leiterplatte 8 gehaltert ist.
5 offenbart den Einpressstift 6 und die Leiterplatte 8 aus 4 in einem montierten Zustand. Der Einspressstift 6 liegt hierbei flächig mit einer Außenfläche 38 (siehe 4) der mittleren Kontaktbereiche 26 der Schenkel 10, 12 an der Innenmantelfläche 32 des Kontaktmantels 30 an. Durch die flächige Anlage wird die eingangs erläuterte Whiskerbildung vermieden. Die Außenfläche 38 des Einpressstifts 6 und/oder die Innenmantelfläche 32 werden bei der Herstellung derart ausgeformt, dass keine die flächige Anlage behindernde Grate oder Erhöhungen ausgebildet sind.
Die 6 zeigt den Einpressstift 6 und die Leiterplatte 8 aus der 5 in einer Draufsicht, wobei die flächige Anlage der Innenmantelfläche 32 des Kontaktmantels 30 und der Außenflächen 38 der Schenkel 10, 12 ersichtlich ist.
Offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte, wobei der Kontakt mittels Herstellens einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen einem Einpressstift, der eine Einpresszone und einen Kontaktbereich aufweist, und einem metallisierten Leiterplattenloch, wobei die Einpresszone die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leiterplattenloch und Einpressstift und der Kontaktbereich den elektrischen Kontakt bereitstellt, wobei die Einpresszone des Einpressstifts eine Beschichtung aus Reinkupfer mit einer zusätzlichen zinnfreien Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation aufweist, sowie eine derartige ausgebildete Leiterplatte und ein derart beschichteter Einpressstift.
Bezugszeichenliste

1: Whisker
2: metallisiertes Leiterplattenloch
3: Einpresszone beschichtet
4: Leiterplatte
5: Kontaktbereich des Einpressstiftes
6: Einpressstift
8: Leiterplatte
10: Schenkel
12: Schenkel
14: Einpresskontakt
16: Stiftkörper
18: Stiftkopf
20: Endabschnitt
22: Leiterplattenloch
24: Kontaktbereich
26: Kontaktbereich
28: Kontaktbereich
30: Kontaktmantel
32: Innenmantelfläche
34: Kragen
36: Kragen
38: Außenfläche

Claims

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte, wobei der Kontakt mittels Herstellens einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen einem Einpressstift (6), der eine Einpresszone und einen Kontaktbereich aufweist, und einem metallisierten Leiterplattenloch (22) realisiert ist, wobei die Einpresszone die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leiterplattenloch (22) und Einpressstift (6) und der Kontaktbereich den elektrischen Kontakt bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresszone des Einpressstifts (6) eine Beschichtung aus Reinkupfer, mit einer zusätzlichen zinnfreien Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das metallisierte Leiterplattenloch (22) eine Beschichtung aus Gold oder einer Goldlegierung, Silber oder einer Silberlegierung, Aluminium oder Kupfer vorzugsweise mit einer zusätzlichen Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im montierten Zustand des Einpressstifts auf der Leiterplatte (4) dieser mit seiner Außenfläche (38) etwa flächig an einer Innenumfangswandung (32) des Leiterplattenlochs (22) anliegt.
Leiterplatte mit einem Einpressstift, wobei ein elektrischer Kontakt mittels Herstellens einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Einpressstift (6), der eine Einpresszone und einen Kontaktbereich aufweist, und einem metallisierten Leiterplattenloch (22) ausgebildet ist, wobei die Einpresszone die kraftschlüssige Verbindung zwischen Leiterplattenloch (22) und Einpressstift (6) und der Kontaktbereich den elektrischen Kontakt bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresszone des Einpressstifts (6) eine Beschichtung aus Reinkupfer, mit einer zusätzlichen zinnfreien Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation, aufweist.
Leiterplatte nach Anspruch 4, wobei das metallisierte Leiterplattenloch (22) eine Beschichtung aus Gold oder einer Goldlegierung, Silber oder einer Silberlegierung, Aluminium oder Kupfer, mit einer zusätzlichen Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation aufweist.
Leiterplatte nach Anspruch 4 oder 5, wobei im Leiterplattenloch (22) zumindest der Anlagebereich des Einspressstifts (6) im Wesentlichen frei von Graten ist.
Einpressstift für das Herstellen eines elektrischen Kontakts auf einer Leiterplatte (4) mit einer Einpresszone und einem Kontaktbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Einpresszone des Einpressstifts (6) eine Beschichtung aus Reinkupfer, mit einer zusätzlichen zinnfreien Beschichtung zur Vermeidung von Oxidation, aufweist.
Einpressstift nach Anspruch 7, wobei die Außenfläche (38) des Einpressstifts (6) im Wesentlichen frei von Graten ist.