DE10248803A1

DE10248803A1 - Elektrische Kontaktoberflächen

Info

Publication number: DE10248803A1
Application number: DE2002148803
Authority: DE
Inventors: Rolf Wittmann; Peter Rehbein; Andreas Simmel; Eckhardt Philipp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-19
Filing date: 2002-10-19
Publication date: 2004-04-29
Also published as: JP2004139990A; EP1411591A3; EP1411591A2; AU2003248321A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Oberflächen von elektrischen Kontaktelementen, die zu einer lösbaren elektrischen Verbindung zwischen einem Stecker und einem Gegenstecker dienen. Die Kontaktelemente sind dafür so auszubilden, dass sie eine gute leitende Verbindung bilden, deren Verschleiß durch Schüttel- oder Vibrationsbewegungen vermieden oder zumindest eingeschränkt wird und die bei der Herstellung einer Steckverbindung keine hohen Reibungskräfte erzeugen. Es werden Paare von Kontaktelementen eingesetzt, deren kupferhaltige Basislegierung auf dem einen Stück mit einer ölhaltigen Zinnschicht überzogen ist und auf dem anderen Stück eine Oberflächenschicht versehen ist, die aus Reinzinn oder Silber besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Oberflächen von elektrischen Kontaktelementen, die zur einer lösbaren elektrischen Verbindung zwischen einem Stecker und einem Gegenstecker dienen.

Elektrische Verbindungen sind dafür vorgesehen, um eine Verbindung zwischen einem Buchsenteil und einem Steckerteil herzustellen, wobei das Buchsenteil in der Regel Kontaktelemente aufweist, die von Pins, Messer oder dergleichen, die die in dem Gegenstecker angeordneten Kontaktelemente darstellen, aufgenommen werden und so eine elektrische Leitung zwischen dem Stecker und dem Gegenstecker herstellbar ist, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen Leitungen oder zwischen einer elektrischen Leitung und einem elektrischen Aggregat entsteht. Diese elektrische Steckverbindung ist wieder lösbar.

Zur Herstellung der Elektrischen Steckverbindung dringt das in dem Gegenstecker angeordnete Kontaktelement, zum Beispiel ein Messer, in eine in dem Stecker vorgesehene Öffnung ein und kontaktiert hier das steckerseitige Kontaktelement. Dieses ist klammerartig ausgebildet und kontaktiert das Messer zwischen den klammerartig ausgebildeten Kontaktteilen. Durch weiteres Hineinschieben des Messers in das steckerseitige Kontaktelement weiten sich die federartig gelagerten Kontaktteile auf und gleiten während des Einschiebevorgangs entlang der Oberfläche des Messers. In der Endstellung wird in der Regel das Messer des Gegensteckers von dem Kontaktelement des Steckers zu einem großen Teil umfasst, wobei die eigentliche Kontaktfläche zwischen den Kontaktteilen des Kontaktelements und des Messers besteht.

Die Kontaktelemente bestehen meist aus einer Legierung auf Kupferbasis, zum Beispiel CuSn4-Bronze oder CuNiSi, die im Kontaktbereich mit einer Zinnschicht überzogen sind. Dabei zeichnet sind das Zinn durch ein gute Leitfähigkeit aus. Im Grenzbereich zwischen der Zinnschicht und der Kupferverbindung bildet sich durch Diffusion eine Zwischenschicht, in der sich das Zinn mit dem Kupfer verbindet und die sich unter Temperatureinfluss vergrößern kann.

Das Zinn wird mittels Feuerverzinnung, d. h. in schmelzflüssiger Form, oder mittels eines galvanischen Prozesses als eine Schicht von wenigen um auf das Trägermaterial gebracht.

Des weiteren sind Beschichtungen auf Gold- oder Silberbasis bekannt.

Nachteile des Standes der Technik

Zinnlegierungen haben nur eine geringe Härte. Das führt zu einem schnellen Verschleiß bei häufigem Stecken oder unter dem Einfluss von motorbedingten Vibrationen oder Schüttelbewegungen, die im Kraftfahrzeugbereich üblich sind. Durch diese Einflüsse kommt es zu einem Durchrieb der Oberflächenschicht oder zur Reibkorrosion, welche die Oxidation des Materials begünstigt. Beides zerstört die Beschichtung zumindest partiell, was eine erhöhtes Ausfallrisiko der elektrischen Verbindung zur Folge hat.

Die geringe Härte der Zinnbeschichtung führt außerdem noch zu einer Adhäsionswirkung zwischen zwei benachbarten Flächen und zu einer leichten plastischen Verformbarkeit, was eine hohe Reibungskraft, speziell beim Einstecken einer Steckverbindung, und somit hohe Steckkräfte bewirkt. Es kann dabei sogar zu einer Kaltverschweißung kommen.

Bei galvanisch abgeschiedenen Reinzinn-Schichten besteht die Möglichkeit der Whiskerbildung. Dabei handelt es sich um nadelförmige Zinn-Einkristalle, die spontan wachsen können und im Extremfall bis zu mm-Größe wachsen können. Ihr Auftreten verändert die Oberfläche und kann zu unerwünschten elektrischen Kurzschlüssen führen. Durch mechanische Belastung erhöht sich die Tendenz zur Whiskerbildung.

Auch bei herkömmlichen Silber- oder Goldschichten kann es zu einem Schichtabrieb oder zum Abplatzen der Schicht kommen.

Sind die zu verbindenden Kontaktelemente mit dem gleichen Material beschichtet, so liegen insbesondere bei Zinn und Silber sehr hohe Reibwerte vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktelemente so auszubilden, dass sie eine gute leitende Verbindung bilden, deren Verschleiß durch Schüttel- oder Vibrationsbewegungen vermieden oder zumindest eingeschränkt wird und die bei der Herstellung einer Steckverbindung keine hohen Reibungskräfte erzeugen.

Lösung der Aufgabe

Der Kerngedanke der Aufgabenlösung besteht darin, dass Paare von Kontaktelementen eingesetzt werden, deren kupferhaltige Basislegierung auf der einen Seite (Körper 1, z.B. Pin oder Kontakt) mit einer ölhaltigen Zinnschicht überzogen ist und auf der anderen Seite (Körper 2, z. B. Pin oder Kontakt) eine Oberflächenschicht versehen ist, die aus Reinzinn oder Silber besteht.

Dazu werden Vorrichtungen zum Herbeiführen einer wiederlösbaren elektrischen Verbindung vorgeschlagen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 4, sowie Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Herbeiführung einer wiederlösbaren elektrischen Verbindung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 12.

Vorteile der Erfindung

In tribologischen Systemen kommt es auf die Paarung von Oberflächen an. Die erfindungsgemäß eingesetzten Materialien zur Beschichtung von Kontaktelemente eigen sich besonders zur Herstellung eines leitendenden Kontakts zwischen den Kontaktelementen und zwischen der Schicht und dem beschichteten Basismaterial, das in der Regel aus einer Kupferlegierung besteht. Gleichzeitig sind die vorgestellten Materialien hart genug, dass ein schneller Verschleiß durch Abrieb ausgeschlossen ist.

Die ölhaltige Zinnschicht legt sich besonders gut an das Trägermaterial an, unabhängig davon, um welche Kupferlegierung es sich handelt. Möglich sind alle üblichen Kupferlegierungen, wie CuSn4, CuSn6, CuNiSi, CuFe u.a..

Im Gegensatz zu einer herkömmlich feuerverzinnten Reinzinnoberfläche weist der Schichtaufbau einer Oberfläche, die mit einer Öldispersion hergestellt ist, einen vernachlässigbar dünnen und sehr homogenen intermetallischen Phasensaum auf. Mikrokavitäten im Grenzflächenbereich sind bei dieser Art der Oberflächenbeschichtung mit Öl oder Ölreaktionsprodukten gefüllt und führen deshalb kaum zu Spannungen, die bei Belastung ein Abplatzen der Oberflächenschicht verursachen können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ansprüchen hervor.

In einem Ausführungsbeispiel wird ein Kontaktelement aus einer Kupferlegierung, in diesem Fall ein Material mit dem bei Wieland geführten Handelsnamen K55, in einem speziellen galvanischen Verfahren mit einer ölhaltigen Zinnschicht überzogen. Die Schicht hat eine Dicke von 1 bis 10μm, vorzugsweise 1 bis 4μm. Das andere Kontaktelement aus demselben Trägermaterial wird Reinzinn "galvanisch reflow" beschichtet, das in einer Schichtdicke von 2–10μm, bevorzugt 5–8μm vorliegt.
Die Paarung dieser beiden Materialien hat den zusätzlichen Vorteil, dass es keine Neigung zur Whiskerbildung gibt.
Der intermetallische Phasensaum zischen der ölhaltigen Zinnschicht und dem Trägermaterial ist deshalb so homogen, weil die Mikrokavitäten mit Öl gefüllt sind. Wird das beschichtete Kontaktelement noch wärmebehandelt, so können die Kapseln auch mit einem Öl-Reaktionsprodukt gefüllt sein.

Claims

Vorrichtung zur Herbeiführung einer wieder lösbaren elektrischen Verbindung bestehend aus mindestens einem in einem Stekker angeordnetem Kontaktelement und mindestens einem in einem Gegenstecker angeordnetem Kontaktelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktelement mit einer ölhaltigen Zinnschicht überzogen ist und das andere Kontaktelement mit einer Reinzinnschicht überzogen ist.
Vorrichtung zur Herbeiführung einer wieder lösbaren elektrischen Verbindung bestehend aus mindestens einem in einem Stekker angeordnetem Kontaktelement und mindestens einem in einem Gegenstecker angeordnetem Kontaktelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktelement mit einer ölhaltigen Zinnschicht überzogen ist und das andere Kontaktelement mit einer Silberschicht überzogen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ölhaltige Zinnschicht eine Dicke von 1–10μm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinzinnschicht eine Dicke von 1–10 μm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Herbeiführung einer wieder lösbaren elektrischen Verbindung bestehend aus mindestens einem in einem Stecker angeordnetem Kontaktelement und mindestens einem in einem Gegenstecker angeordnetem Kontaktelement, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einlagerung von Schmierstoff ein durch Feuerverzinnung vorbehandeltes Kontaktelement in einem Ölbad nachbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement Reinzinn feuerverzinnt wird
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement Reinzinn mattgalvanisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement Reinzinn glänzend galvanisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement Reinzinn reflow galvanisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement matt versilbert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Kontaktelement glänzend versilbert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des anderen Kontaktelements passiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl ein Kontaktschmierstoff mit und ohne Additivierung ist, der bis mind. 130°C für Sn-Paarungen und bis mind. 150°C für Paarungen mit Ag lebensdauerstabil ist.