DE102013109400A1

DE102013109400A1 - Kontaktelement mit Goldbeschichtung

Info

Publication number: DE102013109400A1
Application number: DE102013109400.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Meyerovich; Frank Brode
Original assignee: Harting AG and Co KG
Current assignee: Harting Stiftung and Co KG
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-05
Also published as: EP3039173A1; WO2015027982A1; CN105518186A; US20160168741A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements, wobei die Basis des Kontaktelements von einem metallischen Substrat gebildet wird, dass folgende Verfahrensschritte in der aufgelisteten Reihenfolge durchläuft: e. eine Kalt- und/oder Heiß- und/oder elektrolytische Entfettung des Substrates, f. eine Aktivierung der Oberfläche des Substrates i. in einem Nickel-Strike-Bad oder ii. in einer fluoridhaltigen Aktivierungslösung oder iii. in einer fluoridfreien Aktivierungslösung g. eine galvanische Abscheidung einer Zwischenschicht i. wobei als Zwischenschicht eine galvanisch abgeschiedene Nickelschicht oder ii. eine Nickellegierungsschicht oder iii. eine Kupferlegierungsschicht aufgetragen wird h. eine elektrolytische Abscheidung einer Goldlegierungsschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach Anspruch 1 und ein Kontaktelement welches nach diesem Verfahren hergestellt ist nach Anspruch 8.
Derartige Kontaktelemente werden häufig in Isolierkörpern von Steckverbindern eingesetzt. An das Kontaktelement wird ein elektrischer Leiter elektrisch angeschlossen, beispielsweise durch die so genannte Crimptechnik. Kontaktelemente können als Stift- oder Buchsenkontakte ausgeführt sein. Die mit derartigen Kontaktelementen bestückten Steckverbinder werden häufig in der Automobilindustrie eingesetzt und stehen somit unter besonderem Kostendruck.
Stand der Technik
Da cadmiumhaltige Salze und Lösungen als gesundheitsschädlich und umweltgefährlich und zum Teil auch als giftig eingestuft sind, werden diese Beschichtungen seit Jahren als nicht RoHS-konform eingestuft.
Wenn die Goldlegierungsbäder, die bei Beschichtungsverfahren verwendet werden, cadmiumfrei sind, sind die Härte und die Abriebfestigkeit der erzeugten Deckschicht in der Regel geringer.
Das Grundmaterial eines Kontaktelements besteht häufig aus Buntmetalllegierungen. Bei Buntmetalllegierungen handelt es sich beispielsweise um Kupfer oder einer Kupferlegierung oder um Stahl.
Bei galvanischen Beschichtungsverfahren wird das Grundmaterial auch als Substrat bezeichnet. Das Substrat wird häufig durch galvanische Schichten mit Gold, Silber und Legierungen, wie beispielsweise Gold-Kobalt oder Gold-Nickel mit weniger als 1,0%, üblicherweise weniger als 0,5% der Legierungselemente, überzogen. Diese im Stand der Technik eingesetzten Schichten weisen zwar die geforderte elektrische Leitfähigkeit auf, haben aber den Nachteil, dass sie recht weich sind und schnell abgerieben werden.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements vorzuschlagen, welches umweltfreundlich ist und dennoch ein Kontaktelement bereitstellt, welches mechanisch und thermisch stabil ist und außerdem gute Abriebfestigkeit bei hohen Steckzyklen aufweist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Basis oder auch das Grundmaterial des erfindungsgemäßen Kontaktelementes wird von einem metallischen Substrat gebildet.
Beim metallischen Substrat handelt es sich vorteilhafterweise um Kupfer oder um eine Kupferlegierung oder um Stahl. Diese Materialien haben sich für das folgende Verfahren als besonders geeignet erwiesen.
Das Substrat wird zunächst entfettet. Die Entfettung kann Kalt- und/oder Heiß- und/oder elektrolytisch erfolgen (Verfahrensschritt a).
Anschließend erfolgt eine Aktivierung der entfetteten Oberfläche des Substrates (Verfahrensschritt b). Die Aktivierung kann wahlweise in einem Nickel-Strike-Bad, in einer fluoridhaltigen Aktivierungslösung oder in einer fluoridfreien Aktivierungslösung erfolgen (Verfahrensschritte bi, bii, biii).
Im folgenden Arbeitsschritt wird auf die aktivierte Oberfläche eine Zwischenschicht galvanisch abgeschieden (Verfahrensschritt c). Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine Nickelschicht, eine Nickellegierungsschicht oder eine Kupferlegierungsschicht (Verfahrensschritte ci, cii, ciii).
Auf die Zwischenschicht kann anschließend eine Goldlegierungsschicht elektrolytisch abgeschieden werden (Verfahrensschritt d).
Der Hauptvorteil des Verfahrens liegt darin, dass die erfindungsgemäße Hartgoldlegierung sehr hart, temperaturstabil und adhäsionshemmend ist. Sie zeigt außerdem ein sehr gutes Verschleißverhalten, also geringe Abriebwerte, und gleichzeitig ein günstiges Reibverhalten, also niedrige Reibwerte, was zu geringen Steckkräften führt.
Die Beschichtungseigenschaften von Kontaktelementen, wie beispielsweise die Abriebfestigkeit (Lebensdauer-Beanspruchung) wurden durch so genannten Steckzyklen-Test mit den Durchgangswiderstandmessungen nach den Normen DIN-EN-60512-9-3 und DIN-EN-60603-2 bewertet.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die erfindungsmäßige Beschichtung die Anforderungen zur elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kontaktelemente nicht nur erfüllt, sondern die Lebensdauer der Kontakte im Vergleich zu vergleichbaren marktüblichen Kontaktelemente, aufgrund erhöhter Abriebfestigkeit, verlängert wird.
Im Vergleich zu niedriglegierten Gold-Kobalt- oder Gold-Nickel-Beschichtungen, weisen die erfindungsmäßen Beschichtungen eine höhere Härte auf. Die Härte liegt zwischen 250 bis 450 HV, vorzugsweise jedoch zwischen 300 bis 400 HV auf. Mit HV wird ein Härtewert nach der bekannten Härteprüfung nach Vickers angegeben.
Die hier vorgeschlagene Beschichtung lässt sich vorzugsweise durch eine galvanische Abscheidung und insbesondere mittels eines Gleichstrom- oder Pulsstrom-Verfahrens leicht und kostengünstig abscheiden. Eine Stromdichte zwischen 0,3 und 0,6 A/dm² hat sich hier als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Goldlegierungsschicht wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 55 und 80°C (Grad Celsius), besonders bevorzugt jedoch zwischen 60° und 75°C, aus einem Elektrolyt abgeschieden. Dabei beträgt die Abscheidegeschwindigkeit zwischen 0,2 bis 0,6 μm (Mikrometer) pro Minute, vorzugsweise jedoch zwischen 0,3 bis 0,4 μm pro Minute.
Vorteilhafterweise wird die elektrolytische Abscheidung der Goldlegierungsschicht (Verfahrensschritt d) in einem wässrigen Goldbad mit der Zusammensetzung 4–6 g/L (Gramm pro Liter) Gold, 50–60 g/L Kupfer, 0,5–1,0 g/L Indium, 22–30 g/L Kaliumcyanid bei pH-Wert 9,5–11 durchgeführt.
Sehr guter Verschleiß und Abriebfestigkeiten ergeben sich, wenn die Schichtdicke zwischen 0,05 μm bis 3 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 μm bis 1,0 μm, liegt.
Vorzugsweise ist das Substrat nur partiell mit einer Goldlegierung beschichtet. Eine partielle Beschichtung kann einfach durch das oben beschriebene Beschichtungsverfahren realisiert werden. Dadurch wird Material eingespart. Eine partielle Beschichtung wird in der Regel so realisiert, dass zumindest die Oberflächenbereiche, die die so genannte Kontaktfläche bilden, beschichtet sind.
Wie bereits oben geschildert können elektrische Kontaktelemente, wie beispielsweise Kontaktstifte oder Kontaktfedern, in der Elektroindustrie durch die erfindungsgemäßen Hartgoldbeschichtungen effektiv vor Abrieb oder Verschleiß geschützt werden. Die Quantifizierung der Beschichtungsunterschiede kann durch die Steckzyklen erfolgen. So können Funktionsstörungen beim Testen von elektronischen Bauteilen vermieden werden. Durch die Wahl einer Hartgoldbeschichtung kann dabei weiterhin ein guter elektrischer Kontakt sichergestellt werden.
Durch den Goldanteil in der Deckschicht des Kontaktelements lässt sich die elektrische Leitfähigkeit einstellen. Die Leitfähigkeit der Beschichtung kann auf den jeweiligen Einsatz hin optimiert werden. Ein besonders breites Anwendungsfeld ist gegeben, wenn der Goldgehalt vorzugsweise zwischen 50% und 98%, besonders bevorzugt jedoch zwischen 65% und 80%, liegt.
Ein derartiges Kontaktelement hat einen Durchgangswiderstand zwischen 0,6 und 0,75 mΩ (Milliohm).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-EN-60512-9-3 [0017]
DIN-EN-60603-2 [0017]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements, wobei die Basis des Kontaktelements von einem metallischen Substrat gebildet wird, dass folgende Verfahrensschritte in der aufgelisteten Reihenfolge durchläuft: a. eine Kalt- und/oder Heiß- und/oder elektrolytische Entfettung des Substrates, b. eine Aktivierung der Oberfläche des Substrates i. in einem Nickel-Strike-Bad oder ii. in einer fluoridhaltigen Aktivierungslösung oder iii. in einer fluoridfreien Aktivierungslösung c. eine galvanische Abscheidung einer Zwischenschicht i. wobei als Zwischenschicht eine galvanisch abgeschiedene Nickelschicht oder ii. eine Nickellegierungsschicht oder iii. eine Kupferlegierungsschicht aufgetragen wird d. eine elektrolytische Abscheidung einer Goldlegierungsschicht.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Goldlegierungsschicht durch ein Gleich- und/oder Pulsstromverfahren abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch kennzeichnet, dass die Stromdichte des Gleich- und/oder Pulsstromverfahren zwischen 0,3 und 0,6 A/dm² liegt.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Goldlegierungsschicht in der Anwesenheit eines Elektrolyts durchgeführt wird, welches außer Gold noch mindestens eine weitere Komponente wie Kupfer und/oder Nickel und/oder Kobalt und/oder Silber und/oder Platin und/oder Palladium und/oder Indium, und/oder Rhodium, und/oder Iridium, und/oder Ruthenium, und/oder Bor, und/oder Kohlenstoff, und/oder Silizium und/oder Phosphor und/oder Arsen und/oder Eisen und/oder Zink enthält.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente Gold und Kupfer mindestens einen 90% Anteil an der Goldlegierungsschicht haben.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Hartgoldlegierung 50 bis 98 Gew.-% Gold, 0,5 bis 40 Gew.-% Kupfer, 0 bis 20% weitere Legierungsbestandteile aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelements nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Abscheidung einer Goldlegierungsschicht (Verfahrensschritt d) in einem wässrigen Goldbad mit der Zusammensetzung 4–6 g/L Gold, 50–60 g/L Kupfer, 0,5–1,0 g/L Indium, 22–30 g/L Kaliumcyanid bei pH-Wert 9,5–11 durchgeführt wird.
Elektrisches Kontaktelement welches nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt ist.
Elektrisches Kontaktelement nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als Kupfer oder eher Kupferlegierung oder aus Stahl besteht.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen 8 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Goldlegierungsschicht zwischen 0,05 μm und 3 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 μm und 1,0 μm, liegt.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Goldlegierungsschicht eine Härte zwischen 250 bis 450 HV, vorzugsweise von 300 bis 400 HV, besitzt.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat lediglich Partiell mit einer Goldlegierungsschicht versehen ist.
Elektrisches Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen 8 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgangswiderstand des Kontaktelements zwischen 0,6 und 0,75 mΩ liegt.