DE2351780C2 - Elektrischer Verbinder - Google Patents

Description

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eines Verbinder-Kontaktteils mit der erfindungs- binders nachteilig dadurch beeinflussen, daß die Alugemäßen Sperrschicht, miniumleiter übermäßig stark eingekerbt werden,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Leiter-Kontakt- wenn sie in die Schlitze des Kontaktteiles hinein-

Grenzfläche bei einem an sich bekannten Verbinder gedrückt werden. Obwohl die Dicke der Schicht 27

und 5 wengistens 0,005 mm betragen sollte, um die er-

F i g. 3 einen Schnitt durch die Leiter-Kontakt- wünschte Wirkung zu erzieltn, gibt es keine tatsäch-

Grenzfläche des in Fig. 1 gezeigten Koutakteils. liehe Obergrenze für die Dicke. Da das überschüssige

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Indium im wesentlichen bei der Kontaktgabe mit

F i g. 1 gezeigt, wobei ein Kontaktteil 14 U-förmig dem eingesetzten Draht »abgewischt« wird, erhöhen

ausgeführt ist, während die Drähte aufnehmenden io dickere Indiumschichten lediglich den Materialüber-

Schlitze 13 sich von dem offenen Ende des U nach schuß.

innen erstrecken. Ein Kontakt wird zwischen dem Wie oben angegeben wurde, ist Njckel nicht das Kontaktteil 14 und einem Leiter 12 des Drahtes 11 einzige geeignete Material für die Sperrschicht. Bei hergestel¹*. der in den Schlitz 13 hineingedrückt wird. der Suche nach geeigneten Materialien für die Sperr-Obwohl Aluminium, Eisen, Blei und Nickel sich für 15 schicht haben sich gewisse Kriterien herausgestellt,
die Sperrschicht als geeignet erwiesen haben, wie Um die Ausbildung der unerwünschten Legierung noch beschrieben wird, ist sowohl aus Gründen der zu blockieren, wird eine Sperrschicht aus Metall verWirtschaftlichkeit als auch der Einfachheit der Her- wendet, um zu verhindern, daß eine Indium-Kupferstellung Nickel das bevorzugte Material. Folglich hat Grenzfläche hergestellt wird. Das ideale Metall für der Kontaktteil 14 (Fig. 1) eine Plattierung aus 20 solch eine Sperrschicht würde sehr langsam 'wenn 0,0025 mm Nickel über einem geformten Phosphor- überhaupt) eine wechselweise Diffusion mit Kupfer bronzeteil, wobei auf die Nickelschicht eine Schicht und Indium eingehen und würde keine Zwischenaus 0,005 mm plattiertem Indium folgt. phasen mit einem der beiden Materialien bilden.

Obwohl die hier angegebenen Dicken der Plattie- Um die Bildung einer Legierung zwischen dem

rung im wesentlichen auf alle Flächen des Kontakt- »5 Metall der Sperrschici.t und dem Indium zu verhin-

teils 14 zutreffen, ist der spezielle, in Frage korn- dem, sollten die beiden Materialien entweder voll-

mende Bereich die Seitenwand des Schlitzes 13. Da ständig löslich oder vollständig unlöslich in dem

der Draht 11 in den Schlitz 13 hineingedrückt wird, festen Zustand sein. Phasendiagramme von Systemen

um die Isolation zu durchschneiden und einen Kon- mit Indium zeigen, daß Indium in sehr wenigen

takt mit dem Leiter 12 herzustellen, ist der wichtigste 30 Metallen vollständig löslich ist und im allgemeinen

Bereich für die Zwecke der Hersteilung der Verbin- viele intermetallische Phasen auf Grund teilweiser

dung der Kontaktbereich zwischen der Seitenwand Löslichkeit in festem Zustand bildet. Die Metalle,

und dem Leiter. in denen Indium löslich ist, sind im allgemeinen die

Ein an sich bekannter Kontaktteil ist in F i g. 2 Metalle, in denen eine außerordentlich schnelle

gezeigt. Der die Unterlage bildende Kontaktteil 20 35 Zwischengitterdiffusion von Kupfer auftritt. Daher

ist ein ausgeformter Phosphorbronzeteil. Der Kon- wird mit diesen Metallen in Zusammenhang mit einer

taktteil 20 ist dann mit einer Schicht mit einer Dicke Blockierfähigkeit wenig gewonnen,

von 0,010 mm aus Indium plattiert. Wie aus Fig. 2 Metalle, die intermetallische Phasen mit Indium

ersichtlich ist, ist der Bereich aus elementarem In- bilden, sind ungeeignet, Wenn die Geschwindigkeit

dium 22 erheblich durch die Ausbildung einer Le- 40 der wechselseitigen Diffusion so groß ist, daß sich

gierung 21 auf Grund einer Diffusion vermindert. die intermetallische Phase zwischen der Sperrschicht

Der restliche Bereich aus elementarem Indium 22 ist und dem Indium mit derselben Geschwindigkeit

nur am Rande verwendbar, um eine stabile Verbin- bildet wie die Kupfer-Indium-Intermetallphase. Ein

dung mit dem Aluminiumleiter 12 herzustellen. Tat- Metall, das in Indium unlöslich ist, wäre geeignet,

sächlich hat die Legierung 21 an einigen Stellen die 45 Viele dieser Metalle sind jedoch schwierig zu plat-

Indiumschicht 22 bis zu dem Kontaktleiter 12 voll- tieren. Beispielsweise wäre die Plattierung des Phos-

ständig durchdrungen. phorbronzekontaktteiles mit einer Sperrschicht aus

Durch die Erfindung wird die verbesserte Kontakt- Aluminium vor der Plattierung mit Indium wirkungsstruktur 14 von Fig. 3 erhalten. Die Kontaktstruktur voll. Die Plattierung von Aluminium auf Bronze ist 14 weist einen die Unterlage bilderden Phosphor- 50 jedoch sowohl teuer, als auch gefährlich, da sie unter bronzeteil 25 auf, der mit einer 0,0025 mm dicken Luftabschluß in einer Lösung auf der Basis von Nickelschicht 26, gefolgt von einer 0,005 mm dicken Äther durchgeführt werden muß.
Indiumschicht 27, plattiert ist. Die Indiumschicht 27 Obwohl Eisen und Indium ineinander nahezu stellt den Kontakt mit dem Leiter 12 her. Die redu- unlöslich sind und keine intermetallischen Phasen zierte Dicke der Indiumschicht wird durch die Sperr- 55 bilden, ist die Plattierung von Eisen ebenfalls verschicht 26 ermöglicht, die eine Legierungsbildung in hältnismäßig schwierig. Das Plattierungsbad muß auf der Indumschicht 27 verhindert. Daher ist im wesent- einer hohen Temperatur gehalten werden, und Verliehen die gesamte Dicke der plattierten Indium- unreinigungen müssen sehr genau kontrolliert werschicht 27 verwendbar, ohne daß es erforderlich ist, den. Selbst wenn eine befriedigende Eisenplattierung eine Plattierung über der Indiumschicht anzubringen, 60 erzielt ist, muß sie wärmebehandelt werden, um die um eine Verschlechterung auf Grund Alterung und Brüchigkeit des Eisens zu beseitigen.
Legierungsbildung in Kauf nehmen zu müssen. Die Verwendung von Zinn hat sich als erfolglos

Die angegebenen Dicken der Schichten 26 und 27 herausgestellt, weil intermetallische Phasen sowohl

sind nur Sollwerte. Die Nickelschicht 26.kann bis zwischen Kupfer und Zinn als auch zwischen Zinn

zu 0,0018 mm dünn sein, bevor die Porosität der 65 und Aluminium gebildet werden. Obwohl die Bildung

Schicht nachteilig wird. Umgekehrt kann eine Dicke, von intermetallischen Phasen als solche kein schwie-

die 0,003 mm übersteigt, den Kontakt in unerwünsch- riges Problem darstellen würde, hat es sich gezeigt,

ter Weise versteifen und die Arbeitsweise des Ver- daß die Diffusion an beiden Grenzflächen verhältnis-

mäßig schnell vor sich geht, so daß sich die intermetallischen Phasen schnell bilden können.

Auch Cadmium hat sich für die Sperrschicht als ungeeignet erwiesen. Ursprünglich war man der Auffassung, daß die geringere Geschwindigkeit der wechselseitigen Diffusion von Kupfer und Cadmium und das Fehlen von intermetallischen Phasen zwischen Cadmium und Indium zu einer wirksamen Sperrschicht führen würde. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich Kupfer-Cadmium-Indium-Legierungen in außerordentlich großem Maße bilden. Auch Zink hat sich als ungeeignet erwiesen. Obwohl sich keine Legierung an der Bronze-Zink-Grenzfläche bildet, tritt eine erhebliche wechselseitige Diffusion auf. Zink und Indium diffundieren zu einem gewissen Maß an ihrer Grenzfläche ebenfalls ineinander. Daher kann sich eine intermetallische Legierung bilden.

Da Kupfer sehr schnell durch die meisten Metalle in der Umgebung von Indium in dem periodischen System diffundiert, wurde versucht, ein Metall zu finden, das als Sperrschicht geeignet ist, das mit Kupfer keine Legierung bildet und das das Kupfer von dem Indium trennen kann, um die gelegentliche Legierungsbildung zwischen diesen beiden Elementen zu verzögern. In dieser Gruppe hat sich Blei als die beste Wahl herausgestellt. Obwohl Blei eine Zwischenphase mit Indium bildet, ist es keine harte intermetallische Phase. Ferner sind Blei und Kupfer im festen Zustand nahezu unlöslich ineinander.

Kupfer diffundiert durch Blei über einen Zwischengittermechanismus. Obwohl diese Diffusion schnell ist, geht sie nicht so schnell vonstatten, wie durch Indium. Die wechselseitige Diffusion von Blei und Indium bewirkt, daß die beiden Metalle sehr schnell ihre Eigenschaften verlieren. Daher bildet sich eine Legierung an der Kupfer-Sperrschicht-Grenzfläche, jedoch mit einer viel langsameren Geschwindigkeit als an der Kupfer-Indium-Grenzfläche. Obwohl sich eine Zwischenphase aus Blei und Indium bildet, bleiben in überraschender Weise die Eigenschaften der die Bestandteile dieser Phase bildenden Metalle erhalten. Es ist eine ausreichende Sicherheit gegeben, und nie Phase hat eine geringe Zugfestigkeit. Messungen des elektrischen Widerstandes zeigen eine ausgezeichnete Alterungskennlinie des Widerstandes. Es wurde gefunden, daß eine sehr dünne Nickelschicht die Ditusion von Kupfer verhindert. Obwohl Nickel und Indium sehr schnell bei höheren Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes von Indium ineinander diffundieren, hat es sich in überraschender Weise gezeigt, daß Nickel und Indium sehr langsam

ίο bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes ineinander diffundieren. Beispielsweise würde es wenigstens 40 Jahre dauern, um eine 0,005 mm dicke Indiumschicht in eine Nickel-Indium-Legierung bei einer Temperatur von 110⁰C umzuwandeln. Bei Zimmertemperatur würde dieser Vorgang noch länger dauern.

Über die Vermeidung der Legierungsprobleme hinaus bietet die kombinierte Plattierung Vorteile gegenüber der dickeren Indiumplattierung. Beispielsweise ist Nickel verhältnismäßig billig und kann leicht plattiert werden. Da Indium über frisches Nickel plattiert werden kann, kann die dünnere Plattierung von Indium leichter durchgeführt und behandelt werden als die dickere Indiumplattierung über Phosphorbronze, wie es bei den früheren Versuchen der Fall war. Ein Kostenvergleich zeigt, daß die beschriebene, kombinierte Plattierung nicht teurer als die Plattierung bei der an sich bekannten Ausführung gemäß F i g. 2 ist.

Obwohl Nickel als bevorzugtes Material genannt wurde, ist zu beachten, daß dazu spezielle, zur Verfügung stehende Herstellungsverfahren und Verwendungsbedingungen angenommen wurden. Wenn beispielsweise die Verwendung des Kontaktteiles 14 zur Herstellung einer gewissen Anzahl nacheinander erfolgender Verbindungen gedacht ist, ist die Verwendung von Blei als Sperrschicht ernsthaft zu erwägen. Die Blei-Indium-Zwischenphase ist härter als das reine Indium. Dies kann ein spezieller Vorteil in diesem Zusammenhang sein, weil verhindert wird, daß die abgenommenen Drähte zuviel von der Plattierung von dem Kontaktteil wegnehmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

dem Alter zunimmt. Dies beruht größtenteils darauf, Patentansprüche: daß sich Oxid an der Grenzfläche zwischen Leiter und Kontaktteil bildet und daß der Kontaktdruck auf

1. Verbinder zur Herstellung elektrischer Ver- Gt und eines Kriechvorganges in dem Aluminium bindungen mit einem Draht, wobei der Verbinder 5 nachläßt.

einen indiumplattierten Kontaktteil aus einem Um die mit der Zeit zunehmende Verschlechterung auf Kupfer basierenden Material, der einen den des Anschlusses zu verhindern, wurde durch die Draht aufnehmenden Schlitz aufweist, und eine USA.-Patentschrift 3 511921 angeregt, daß der Kon-Einrichtung zur Positionierung des Drahtes und taktteil mit Indium plattiert wird. Indium ist ein eine Einrichtung aufweist, die zu der Positionie- »o nicht oxidierendes, festes, leicht fließfähig zu machenrungseinrichtung paßt, um den Draht in den des leitfähiges Material. Indium ist selbst-tempernd Schlitz hineinzudrücken, dadurch gekenn- und härtet unter Kompression nicht aus. Daher ist zeichnet, daß der Kontaktteil (2S) und die Indium in der Lage, kleine Risse in der Oxidschicht Indiumschicht (27) durch eine metallische Sperr- zu durchdringen und einen Kontakt mit dem darschicht (26) getrennt sind, um eine elektrische 15 unte.Ucgenden Alunüniumleiter herzustellen. Gleich-Kontinuität zwischen dem Kontaktteil und der zeitig wird eine gasundurchlässige Dichtung gebildet, Indiumschicht aufrechtzuerhalten, während eine die eine weitere Oxidation an der Grenzfläche verhinwechselseitige Diffusion und Legierungsbildung dert. Obwohl mit Indium plattierte Kontakte ausgezwischen dem Kupfer des Kontastteiles und dem zeichnete Verbindungen zu Aluminiumleitern herstel-Indium verhindert wird. ao len, ist Indium verhältnismäßig teuer, und es hat sich

2. Verbinder nach Anspruch 1, dadurch ge- gezeigt., daß solche Kontakte eine erstaunlich kurze kennzeichnet, daß die metallische Sperrschicht Lebensdauer haben.

eine Nickelschicht mit einer Dicke zwischen Die kurze Lebensdauer beruht auf der Ausbildung

0,0018 und 0,003 mm aufweist. einer harten, brüchigen Legierung zwischen dem

3. Verbinder nach Anspruch 1, dadurch ge- as Kupfer in dem Kontakt und dem Indium an der kennzeichnet, daß das Metall der Sperrschicht Kontakt-Plattierungs-Grenzfläche. Die wechselseitige aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Eisen, Diffusion und Legierungsbildung des Kupfers des Blei und Nickel, ausgewählt ist. Kontakts mit dem Indium geht selbst bei Zimmertemperatur verhältnismäßig schnell. Beispielsweise

30 hat es sich gezeigt, daß die Zeit zur Legierungsbildung von 0,005 mm Indium bei Zimmertemperatur nur fünf Jahre beträgt. Wenn kein elementares In-

Die Erfindung betrifft einen Verbinder, um perma- dium vorhanden ist, wenn die Verbindung zuerst her-

nente, elektrische Verbindungen mit isolierten Dräh- gestellt wird, wird möglicherweise ein Metall-Metall-

ten herzustellen, und insbesondere solche Verbinder, 35 Kontakt nicht hergestellt, und die Verbindung ist

die für Drähte gedacht sind, die Aluminiumleiter möglicherweise unzuverlässig. Da elementares Indium

haben. vorhanden sein muß, wenn die Verbindung zuerst

Verbinder zum Verbinden einer Vielzahl isolierter hergestellt wird, um einen guten elektrischen Kontakt

Drähte, ohne die Isolation der Drähte abisolieren zu sicherzustellen, ist ersichtlich, daß die effektive Le-

müssen, bevor die Drähte in den Verbinder eingesetzt 40 bensdauer möglicherweise noch geringer als fünf

werden, werden in starkem Maße verwendet und sind Jahre ist.

als lötfreie Verbinder bekannt. Typische Beispiele Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, solcher Verbinder sind in der USA.-Patentschrift die Lebensdauer von indiumplattierten Kontaktstük-3 012 219 beschrieben. Diese Verbinder weisen einen ken aus einem auf Kupfer basierenden Material, das Metallkontakt, beispielsweise aus Phosphorbronze 45 in lötfreien Verbindern verwendet wird, erheblich zu oder Messing, auf, der U-förmig ausgebildet ist, wo- verlängern, indem die wechselseitige Diffusion und bei Schlitze in den offenen Schenkeln des U vorge- Legierungsbildung zwischen dem Indium und dem sehen sind und sich von der freien Kante nach innen Kupfer des I. -ktteiles verhindert wird,
erstrecken. Wenn die Drähte in die Basis eingeführt Die InstaN;.·.--⁴ des elektrischen Widerstandes und und mit einem Deckel zusammengesteckt werden, 50 die VerscH^.. rung eines indiumplattierten Konwerden die isolierten Drähte in die Schlitze des Kon- takts aus eine; * auf Kupfer basierenden Material, das taktes hineingedrückt. Da die Schlitze enger als der sich aus der Bildung einer harten, brüchigen Legie-Durchmesser der Leiter der Drähte ist, wird die rung aus Kupfer und Indium an der Kontakt-PlatfeViation durchschnitten oder von dem Leiter zurück- tierungs-Grenzfläche ergibt, wird erfindungsgemäß geschoben, so daß em Teil des Leiters freigelegt 55 wirksam dadurch verhindert, daß eine Sperrschicht wird. Ein Kontakt wird dann zwischen dem frei- aus einem Metall zwischen dem Kontaktteil und der gelegten Leiter und em Kontaktteil hergestellt. Indiumschicht angeordnet wird. Obwohl die Wir-

Obwohl diese Verbinder bei Drähten mit Kupfer- kungsweisen verschieden sind, haben sich Alumileiter befriedigend sind, haben sich Probleme bei nium, Eisen, Blei und Nickel als wirksam für das Verbindungen mit Drähten mit Aluminiumleiter ge- 60 Metall der Sperrschicht erwiesen,
zeigt. Die Ausbildung eines Überzuges aus Alumi- In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erniumoxid auf der Leiterfläche wirkt nämlich als elek- findung ist ein Phosphorbronzekontaktteil mit einer trischer Isolator. Da das Oxid nicht elektrisch leit- Nickelschicht von einer Dicke von 0,0025 mm, gefähig ist, ist es erforderlich, sicherzustellen, daß die folgt von einer Indiumschicht mit einer Dicke von Oxidschicht während der Herstellung der Verbin- 65 0,005 mm, plattiert.

dung entfernt wird. Selbst wenn jedoch ordnungs- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun

gemäße Verbindungen hergestellt waren, hat es sich an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

gezeigt, daß der Kontaktwiderstand mit zunehmen- F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines Teils