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Lösbare und nichtlösbare elektrische Kontakte
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Die Erfindung betrifft lösbare elektrische Kontakte wie Steckverbindungen,
Schraub-Klemm-Verbindungen und nichtlösbare elektrische Kontakte wie Ultraschallschweiß-Kontaktierverbindungen
nit einer kontakttähigen Metallschicht der Kontaktteile.
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Vieliach werden bei elektrischen Kontaktnaterialien hohe Anfordorungen
bezüglich des Übergangswiderstandes, der elektrischen Leitfähigkeit, der Schaltzahl,
der Erosion und Korrosion zumal offen an der Atmosphäre gestellt. Teure Edelmetalle
wie Platin, Iridium, Gold oder Silber bzw. Silber-Palladius-Legierungen kompakt
oder zumindest als Oberfläche nUssen eingesetzt werden. Bei unedleren Metallen wie
Quecksilber, Nickel, Kupfer, Zinn und anderen nuß der Schaltvorgang in Vakuum oder
unter Schutzgas, z.B. Argon, erfolgen.
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Bei Steckverbindungen bestehend aus Kontaktmesser und Kontaktfeder
oder aus Kontaktstift und Kontaktbuchse tragen bislang die beispielsweise aus Messing,
Neusilber, Bronzen und Nickel bestehenden Teile eine edelnetallhaltige Oberflächenschicht
(siehe Monographie von R. und E.Holm "Electric Contacts, Theory and Application
1967, insbesondere Seite 102, 164, 169 und 362 ff; Firmenschriften W.C.Heraeus,
1972, S.27-32; "Galvanische Schichten für Steck-Kontakte" von Dr.C.Raub. Solche
sind z.B. Nickel-Silber (auf Messing) (siehe Monographie von R-und E. Holn, 1967,
S.169)
und Silber-Palladium (auf Neusilber) (siehe R. und E.Holm,
1967, S.170). Silber mit 30 bis 50 % Palladium ist eine Kompromißlösung.
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Silber bietet sehr gute Leitfähigkeit und ist das billigste aller
Edelsetalle, läuft aber durch Ag2S-Schichtbildung schon bei H2S-Gehalten von 1/109
in Luft dunkel an. Palladium läuft in schwefelwasserstoffhaltiger Atomsphäre zwar
nicht an, ist jedoch erheblich teurer und katalysiert vor allem die Bildung von
Polymeren aus organischen Dämpfen.
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Die Steckverbindungen werden in großer Zahl mit verhältnismäßig großen
Oberflächen zum Anschluß von Elektronikbauteilen verwendet.
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Der verhältnisuäßig große Anteil an Edelmetall (Gold, Silber, Palladium,
Rhodium) verteuert diese Verbindungsstücke sehr. Ein weiterer Nachteil für Kontaktqualität,
Löt- und Lagerfähigkeit sind die Anlauverfärbungen bei Siliberoberflächen, die durch
Ag2S-Schichtbildung unter fortschreitender Korrosion des Silbers hervorgerufen werden
(siehe Holm, S.110).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitestgehend korrosions-und
anlauffeste elektrische Kontaktoberflächen guter elektrischer Leitfähigkeit zu schaffen
und vor allem bei Kontakten mit nicht extrem hoher Beanspruchung hinsichtlich Schaltzahl
und Verschleiß unedle bzw. edelnetallfreie Kontaktoberflächen einzusetzen. Die Beschichtung
aoll eine hohe elektrische Oberflächenleitfähigkeit bei gleichzeitig guten Kontakteigenschaften
haben sowie eine gute Lagerfähigkeit ohne Verfärbungen durch Anlauferscheinungen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche
der Kontaktteile mit Galvanoalu lnlus, einen Aluminium hoher Reinheit ( > 99,99),
guter elektrischer Leitfähigkeit und einer hohen Duktilität <200 Nin2 HV beschichtet
ist. Beschichtungen zwischen 5 und 60 ps Galvonaluminium haben sich für Steck-,
Schraub-Klen-Verbindungen als besonders geeignet erwiesen. Für Ultraschallscweiß-Kontaktverbindungen
hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß dank der ungewöhnlich hohen Reinheit
und Duktilität des Galvanoaluminium Schichtdicken zwischen 1 und 10 µm, vorzugsweise
zwischen 3 und 6 Pl, völlig ausreichend sind und Verbindungen hoher Zugefestigkeitsbelastung
erhalten werden. Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft herausgestellt,
die
galvanoaluminiumbeschrichteten Teile vor den Einbau beispielsweise bei Steck- und
Schraubverbindungen mechanisch zu polieren. Auch nach längerer Lagerzeit an Industrieluft
bleibt ein glänzend silberhelles Aussehen ehalten und Übergangswiderstünde, wie
sie bei angelaufenem Silber gegeben sind, sind sichergestellt. Als besonders überraschend
ist anzusehen, daß das an sich mit < 200 N/mm² verhältnismäßig duktile Galvanoaluminium,
die fUr den Einsatz in Steckleisten erforderlichen Steckcyclen ermöglicht und die
guten Kontakteigenschaften bei behält. Die Schichten zeigen eine hohe Korrosionsstabilität
gegen 02, SO2, H2S, CO, C02 und NH3, bei gleichzeitiger Feuchtigkeit.
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Selbst in Industrieatmosphäre ausgelagerte Steckerleisten erwiesen
sich bein nachfolgenden Steckverbinden funktionstüchtig. Dieser hohe Korrosionsschutz
wird dadurch gewährleistet, daß das Galvanoaluminium ähnlich wie rostfreier Stahl
an Luft einen weniger als 100 i dUnnen, Jedoch sehr dichten und deshalb sehr wirksamen
Aluminiumoxidschutzfilm ausbildet, der das darunterliegende Metall vor weiterem
Angriff durch die Atmosphärilison (O2, 802, H23, CO, C02, NH3, H20 usw.) schützt.
Ag20 hingegen kann sich auf Silberoberflächen bei Raumtemperatur nur in Gegenwart
von Ozon bilden, weshalb Ag dem Angriff von H2S ungeschützt ausgesetzt ist und fortschreitend
korrodiert, siehe Holm S. 110. Eine Galvanoaluminiumschicht schützt auch Silberkontakte
vor dem Anlaufen.
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Mit einer dünnen dichten infolge Oxidschichtbildung H2S-beständigen
Galvanoaluminiumschicht überzogene Silberschichten vereinigen als Kontakt- und Leitflächen
die vorzügliche Leitfähigkeit des Silbers mit dem anlauffesten Galvanoaluminium.
Hauchvergoldetes Silber ist gegen H20 nicht hinreichend beständig, weil solche Goldschichten
porös sind.
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Die dünne Oxidhaut, aufgesessen auf einer weichen Al-Schicht, läßt
sich leicht durchbrechen bzw. beiseite schieben, so daß bei Steck- und Schraubverbindungen
leicht neue, frische Kontakte flächen entstehen. Da die 3eweils bei Luftzutritt
neu entstehende Oxidhaut abermals dünn ist, läßt sich der Kontaktiervorgang oft
wiederholen. Dieses Galvanoaluminum ist bezüglich der Korrosion und Kontaktgebung
an der Atmosphäre den Cu, Messing, lli, Sn,
Sn-Legierungen, Zn und
Handels-Aluminium überlegen. Dadurch, daß es galvanisch nur als dünner Überzug auf
einer harten Unterlage, vorzugsweise Cu, Messing, Ni, Neusilber, Bronze, Mg aufgebracht
ist, sind auch die Nachteile des sonst bei E-Aluniniun bekannten Wegflißens nicht
gegeben, was dem geschlossenen Kontakt hohe Dauer sichert.
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Ein weiterer Vorteil der alt Galvonaluminium beschichteten Kontakte
ist darin zu sehen, daß die hiermit beschichteten Kontakte flächen eine ausgezeichnete
Ultraschall-Schweißbarkeit zur Kontaktierung von Elektronikbauteilen vermitteln,
wobei, wie bereits oben erwähnt, schon Schichtdicken zwischen 1 bis 10 µm ausreichend
sind. Nichtlösbare elektrische Kontakte mit galvanoaluiinierten Metallsubstraten,
Drähten, Bändern, Blechen usw. werden mit einer Vielzahl von Werkstoffen wie Kupfer,
Kupfer-Beryllium, Kupfer-Nickel, Messing, Nickel, Nickel-Eisen, Beryllium, Magnesium,
Silber, Gold, Platin, Silicium, Germanium, Zinn, Titan, Zirkon, Niob, Molybdän,
Wolfram, Stahl und Aluiiniui erhalten.
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Geeignete Materialien fUr die Messer der Steckverbindungen sind Kupferwerkstoffe
wie z.B. Messing, Tombak, Bronze fUr die Federn, Kupfer, Beryllium, Nickel, Nickel-Silber,
Neusilber oder Federstahlwerkstoffe.
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Geeignete Zwischenschichten bestehen vorzugsweise aus Kupfer oder
Nickel, vorzugsweise aus Silber, Kupfer oder Nickel.
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Eine geeignete Beschichtung der Kontaktteile erfolgt aus sauerstoff-und
wasserfreien metallorganischen Elektrolyten, siehe z.B. die deutschen Patentschriften
1 496 993, 2 122 610 und die deutschen Offenlegungsschriften 24 53 830, 24 53 829
und 2 260 191.
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Das Grundmaterial der Kontektteile wird vorzugsweise durch partielle
Galvanoaluminiumbeschichtung von Bandmaterial hergestellt.
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Eine Galvanoaluminiumbeschichtung gemäß der Erfindung wird besonders
bei Steckverbindungen angewendet, wie sie beispielsweise in der Signaltechnik Anwendung
finden, wo man mit maximal
etwa 200 Steckvorgängen während der Lebensdauer
der Steckerleiste rechnet Sehr vorteilhaft sind Galvanoaluminiumschichten auch bei
Schraub-Klemm-Verbindungen, weil sie einen dauerhaften Korrosionsschutz bei silberhellen
Aussehen gewährleisten und eine sichere Kontaktierung vermitteln. Ein anderer wichtiger
Anvendungbereich ist als Kontaktmaterial bei nichtlösbaren Verbindungen. Solche
Verbindungen zeichnen sich dadurch meist aus, daß das Grundmaterial nicht oder nicht
hinreichend leicht und gut mit Ultraschall schweißbar ist und erst die Galvanoaluniniumbeschichtung
eine Ultraschallschweiß-Kontaktierverbindung möglich macht.
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Beispielsweise findet in der modernen Elektronik vielfach eine Nickel-Eisenlegierung
Verwendung, die für Kontaktzwecke vorteilhaft mit Glas- und Keramiksubstraten als
Isolatoren verarbeitet werden kann, der unmittelbaren Ultraschallschweiß-Kontaktierverbindung
aber nicht zugänglich ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher
beispielsweise die erfindungsgemäße Kontaktierungstechnik an Steckverbindern, an
Schraub-Klenmen-Verbindern und an durch Ultraschall schweißen zu verbindenden Anschlußkämmen
aus Kupfer Beryllium-Blech veranschulicht ist.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Steckverbinder-Messer 1 aus ms63
F45 28 mm lang und 0,8 mm stark, das nach iaterialgerechter Oberflächenvorbehandlung
auf 8 mm Länge ab Messerschneide gemessen partiell mit einer ca. 20 Wn starken Galvanoaluiiniumschicht
2 allseitig beschichtet ist. Vorzugsweise wird die zunächst mat-blendfreie Galvanoaluminiumbeschichtung
durch Trommel- oder Vibropolieren mittels Edelstahlkugeln mechanisch poliert bzw.
geglänzt.
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Fig. 2 ein Neusilber-Bandstück 4 fUr die Herstellung von Steckverbinder-Federn
aus CuNi 18Zn 20 HV 160, das beidseitig partiell 5 mm tief mit einer Galvanoaluminiumschicht
5 und 6 ca. 20 Pa dick beschichtet worden ist.
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Durch Stanzen und Zusammenbiegen werden aus diesem Band Kontakte federn
hergestellt, die im Kontaktbereich eine Galvanoaluminiumbeschichtung tragen. Durch
Abziehen des partiell mit Galvanoaluminium
beschichteten Ns-Bandes
über polierte Stahlwalzen wird die zunächst mattblendfreie Galvanoaluminiumschicht
geglättet und geglänzt und zeigt ein spiegelnd-silberhelles Aussehen.
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In analoger Weise können Steckvwrbinder-Rundstifte und Bandsormaterialien
für die Fertigung der zugehörigen Federbuchsenleisten aus Kupferwerkstoffen partiell
mit Gavalnoaluminium beschichtet werden.
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Fig. 3 zeigt einen Verbindungsbolzen 8 aus Ms-Blech gefertigt, dessen
Bolzenkopf 9 für die lötfreie Klemmverbindungstechnik mit einer ca. 12 pa starken
Galvanoaluminiumschicht 10 versehen ist.
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Fig. 4 zeigt die zugehörige Verbindungsmuffe 11, die ebenfalls aus
einem partiell mit einer 12 Pl starken Galvanoal- uminiumschicht 12 beschichteten
Ms- oder Ns- oder CuBe-Blech durch Stanzen und Zusammenwalzen angefertigt ist.
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Die Figuren 5 bis 10 zeigen verschiedene Kontakteile mit einer Galvanoaluminiumbeschichtung
für die Schraub-Verbindungstechnik aus Kupfer, Nickel, Ni-Legierungen, Ms- oder
Na-Werkstoffen usw., die aus ein- oder beidseitig mit Galvanoaluminium beschichteten
Band- oder Blechmaterial durch Stanzen und Biegen gefertigt sind.
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Mit 14 ist 3eweils die 10 bis 14 µm starke Galvanoaluminiumbeschichtung
bezeichnet. Vorteilhafterweise sind auch die Kontakte substratoberflächen, Schrauben
und Beilagescheiben mit Galvanoaluminium beschichtet und gewährleisten beim Anschrauben
bzw.
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Einklemmen der in den Figuren dargestellten Anschlußteile infolge
der hohen Duktilität des Galvanoaluminiums eine einwandfreie Kontaktierung und Stronführung.
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Fig. 11 zeigt einen partiell mit Galvanoaluminium beschichteten Anschlußkamm
16 aus CuBe-Folienblech von 0,1 mm Dicke, wie er für Ultraschallschweiß-Kontaktierungen
von aufgedampften Leiterbahnen aus CrAl oder BiAl auf Glassubstraten in der Hybrid-Halbleitertechnik
verwendet werden kann. Für die Ultraschallschweißkontaktierung genügt ein Flächenstück
von weniger als 1.1 mm² Überlappung. Mit 17 ist die Galvanoaluminiumbeschrichtung
bezeichnet.
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Sie ist allseitig ca. 6 Pl stark.
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Fig. 12 zeigt den Rand eines Hybrid-Bauelement-Glassubstrates 19 mit
den Leiterbahnenfängen bzw -enden, die mittels oben gezeigter Anschlußkämme durch
Ultraschallschweißung mit konventionell lötbaren Anschlußfahnen versehen werden.
Mit 20 sind die aufgedampften Leiterbahnen aus Cr (Haftvermittler) und Al (Leiter)
bezeichnet.
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Fig. 13 zeigt einen Querschnitt einer mittels Anschlußkamm und Ultraschallschweiß-Kontaktierung
mittels Galvano-Aluminium hergestellter Kontaktverbindunge zwischen einer auf Glas
21 aufgedampften CrAl-Schicht 22 und einer CuBe-Schicht 23. Mit 24 ist das Galvanoaluminium
bezeichnet. In der Figur sind die Schichtdicken überhöht dargestellt.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele.
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Beispiel 1 Die entsprechend Fig. 1 aus Ms63 F45 bestehenden Messer,
wie sie beispielsweise in den 20 poligen Steckverbinderleisten der Eisenbahnsignaltechnik
eingesetzt werden, werden in iolgender Weise partiell mit ca. 20 Rm Galvanoaluminium
beschichtet: Fixierung und Kontaktierung: Um den Kontaktbereich des Steckverbinder-Messers
etwa 8 mm von der Schneide an nach oben mit Galvanoaluminium beschichten zu können,
werden die Messer in größerer Stückzahl in eine entsprechend vorbereitete Fixt er-
und Kontaktierleiste so eingeschoben, daß nur die letzten 8 mm Länge herausschauen
und die Messer voneinander einen Abstand von etwa 1 mm haben.
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Die so mit Messern bestückten Flxier- und Kontaktierleisten werden
dann nebeneinander in Kathodenrahmen aus Titan eingespannt und der Reinigung und
Oberflächenvorbehandlung zugeführt.
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Oberflächenvorbehandlung Hierzu werden die bestückten Halterungen
hintereinander in folgende Bld.r eingesenkta 1. Beizbad, HN03-sauer, 200C, 3.10s
2. Spulbad mit Leitungswasser 58 3. el. Entfettungsbad, 10 A/dm² 5-6V 2,5 min 4.
Spülbad mit Leitungswasser, 2.5s
5. Spulbad mit entionisiertem
Wasser 5s 6. Entwässerungsbad (tiefsiedene 15s Benzin-Fraktion) 7. Trockenbad (z.B.
Aceton) 8. Spülbad mit Isopropanol 2.15s 9. PER-Waschbad bei 200C 15s 10. PER-Dampfbad
bei 120°C 1 min 11. ßpülbad mit Xylol bei 200C 1 min 12. Spülbad mit Toluol bei
200C 1 min Bei den Spülbädern 11 und 12 ist es vorteilhaft, unter Einwirkung von
Ultraschall zu spülen.
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Falls die Messer verzunderte Oberflächen aufweisen sollten, kann vor
dem oben genannten Reinigungsgabng eine Druckstrahlreinigung mit Korundpulver bei
2,5 atil Druck vorausgeschickt werden.
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Galvanoaluminiumbeschichtung Die gereinigten, noch toluolfeuchten
Teile werden im Kathodemrahmen in die Galvanoaluminierzellenanlage eingebracht und
im aprotischen, sauerstoff- und wasserfreien aluminiumorganischen Elektrolytmedium,
z.B. aus NaF. 2Al (C2H5)3 3,35 C6H5CH3, bei 80-1000C Badtemperatur unter N2-Atmosphäre
und Kathodenbewegung mit ca. 20 µm siliberhellem, matt-blendfreien Galvanoaluminium
beschichtet. Aus dem Galvanoaluminierbad genommen werden die Teile mit Toluol gewaschen,
getrocknet, im wäßrigen Beizbad kurz gewaschen der Poliertrommel zugeführt.
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Mechanisches Polieren Die partiell mit matt-blendfreiem Galvanoaluminium
beschichteten Messer werden zur Erzeugung einer glatten glänzenden silberhellen
Galvanoaluminium-Obefläche in einer 10 Liter-Poliertrommel mit Edelstahlkugeln von
1 bis 2 mm Durchmesser unter Polierlösung 30 nin lang poliert.
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Die nocheinmal gewaschenen und getrockneten partiell galvanoaluminierten
Ms-Messer können für den Einbau in die aus Kunststoff bestehenden Steckverbinderleisten
verwendet werden.
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Beispiel 2 Die Steckerverbinder-Federn werden aus partiell am Rand
(siehe Fig. 2) mit Galvanoaluminium beschichteten Bandmaterial, z.B. aus
Neusilber
CuNi18Zn20 HV160, durch Stanzen und Biegen hergestellt.
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Das Bandmaterial kann dafür in Längen oder im Durchlauf kontinuierlich
partiell mit Galvanoaluminium, wie folgt, beschichtet werden: Fixierung und Kontaktierung
Die Bandlängen werden beidseitig mit einer mit Gummi gedichteten Abdecklblende versehen
oben und unten in den Kathodenrahmen leitfähig eingespannt.
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Bei der Durchlauf-Galvanoaluminierung erfolgt die Fixierung und Kontaktierung
über leitfähige Walzen und Spulentrommeln, die Abschirmung des elektrischen Feldes
durch eine stationär eingebaute Abdeckblende aus nicht leitfähigem Material (z.B.
Glas, Keramik, Duroplaste etc.) unter und über dem Band in 1 bis 2 mm Abstand, die
nur die 5 mm breiten Randzonen des Bandes für die Galvanoaluminiumbeschichtung frei
läßt.
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Oberflächenvorbehandlung Im wesentlichen wie unter Beispiel 1 näher
angegeben. Bei frisch hergestelltem Bandmaterial vereinfacht sich die Reinigung
beim Durchlaufverfahren auf eine Druckstrahlreinigung der Randzonen mit Korundpulver
in Öl und zwei Abspritzentfettungen mit PER oder Chlorkohlenwasserstoffen oder Fluorchlorkohlenstoffen
und abschließender Xylol- und Toluol-Wäsche.
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Galvanoaluminiumbeschichtung Im aluminiumorganischen Elektrolytmedium
werden unter Kathoderahmenbewegung von 15 cm/s bzw. unter im Gegenstrom zum Banddurchlauf
geführtem Elektrolytmedium vergleichbarer Relativgeschwindigkeit bei 80 bis 100°C
Badtemperatur und Badspannungen zwischen 4 und 8 V bei Stromdichten von etwa 2 A/dm²
ca. 20 µm Galvanoaluminium beidseitig auf die 5 mm breiten Randzonen aufgebracht.
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In Schleusenraum wird unter N2-Atmosphäre an den Bändern anhaftender
Elektrolyt mit Toluol abgespritzt, das Band mittels Infrarotlichtbestrahlung getrocknet
und die Galvanoaluminiumbeschichtung beim Durchlauf durch ein Walzenpaar zu spiegelnd-silberheller
Oberflächenstruktur geglättet. Diese Kaltverformung erhöht zugleich die Festigkeit
des Galvanoaluminiums vorteilhaft für die Kontaktfunktion.
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Verarbeitung des Bandes zu Steckverbinder-Federn Das beidseitig mit
jeweils ca. 5 mm breiten Galvanoaluminium-Randstreifen versehene Neusilberband wird
zunächst auf einer Seite mit einem ca. 13 mm breiten, maximal 30 µm dicken Streifen
aus schmelzflüssig aufgebrachtem Zinn beschichtet, um eine konventielle Lötkontaktierung
der fertigen Feder in der Steckverbinderleiste zu ermöglichen. In Falle einer modernen
Ultraschallschweiß-Kontaktierverbindung besteht dieser Mittelstreifen ebenfalls
aus Galvanoaluminium, das partiell und gleichzeitig mit den Randstreifen etwa 10
bis 15 ii dick dort abgeschieden wird.
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Das so beschichtete neusilberband wird nun in an sich bekannten Maschinen
durch Stanz- und Biegeschritte zu Steckverbinder-Federn verarbeitet, die im Kontaktbereich
mit einer festhaftenden, silberhall-glämzenden Galvanoaluminiumschicht zwecks Korrosions-und
Anlaufschutz sowie guter Kontaktgabe überzogen sind.
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PrUfergebnisse mit galvanoaluminierten Steckverbindern Zur Prüfung
auf funktionelles Verhalten und Lagerfähigkeit wurde eine 20polige Steckverbindereinheit,
wie sie in der Eisenbahn-Signaltechnik zum Einsatz kommt, mit Je 10 Stück galvanoaluninierten
und versilberten Messern sowie Federn nebeneinander ausgestattet. Die offenen Messer-
und Feder-Steckerleisten wurden sodann zur Beurteilung der Lagerfähigkeit einer
Klimaprüfung von 6 Zyklen in starker Industrieatmosphäre mit 10 ppm S02 und 83 %iger
relativer Luftfeuchte bei 200C unterworfen.
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Befund bei den versilberten Kontaktflächen: Gelbbraune Anlaufschichten
mit zahlreichen braunen Korrosionsflecken über die gesamte Oberfläche und somit
fleckiges unschönes Aussehen.
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Befund bei den galvanoaluminierten Kontaktflächen: Fast unverändertes
silberhell-spiegelndes Aussehen mit nur vereinzelten weißen Flecken, d.h. eindeutig
besseres Lagerverhalten.
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Die PrUfung des Übergangswiderstandes an dieser so vorbelasteten Steckverbindereinheit
ergibt, daß der Übergangswiderstand an den galvanoaluminierten Kontakten dem der
versilberten gleichkommt bzw. entspricht (bei wesentlich besserem Aussehen der galvanoaluminierten
Kontakte). Mehrmaliges Stecken
hat keine Verschlechterung des Kontaktverhaltene
gebracht, so daß mit einer guten Lebensdauer des maximal auf 200 Steckungen auagelegten
Steckverbinders gerechnet werden kann.
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Beispial 3 Infolge seiner hohen Reinheit von ) 99,99 X Aluminium und
seiner dadurch gegebenen Duktilität erweist sich das Galvanoaluminium als hervorragender
Partner für Ultraschallschweißbindungen mit vielen anderen Werkstoffen und damit
auch als gut leitfähiges Verbindungsmetall für die Ultraschallschweiß-Kontaktierung
nicht lösbarer Kontaktteile.
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Eine erfindungsgemäß darauf aufbauende Verbindungstechnik ist die
Kontaktierung von Leiterbahnen für elektronische Bauelemente und Bauelememtkombinationen,
vorzugsweise aus Aufdampfaluminium, aber auch aus anderen Metallen wie Nickel, Silber,
Gold, Platin u.a. mit galvanoaluminierten Anschlußelementen aus z.B. Kupfer-oder
Kupfer-Beryllium- oder Messing-Folienblech.
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Solche, von ihrem strukturellen Aufbau her auch als Anschlußkämme
bezeichneten Anschlußelemente werden stanz- oder ätztechnisch aus Folienblechen
der genannten Werkstoffe hergestellt. Am Beispiel von ätztechnisch mit Hilfe der
Fotoresisttechnik aus CuBe-Folienblechen hergestellten Anschlußkämmen, die in größeren
Stückzahlen in Bändern oder Schablonen aufgereiht ätztechnisch rationell hergestellt
werden, sei die erfindungsgemäße Vrfahrensweise aurgezeigt.
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Die von der ätztechnischen Herstellung der beidseitig mit tzfestem
Fotoresistfilm und elektrolytmedienbeständigen bedeckten Anschlußkämme-Schablonen
werden mit Hilfe eines fein einstellbaren Mikrosandstrahlgebläses zeilenweise -
vorzugsweise einseitig -ca. 3 mm breit von dem ausgehärteten Fotoresistfilm befreit,
so daß rur die für die partielle Galvanoaluminiumbeschichtung erforderlichen Anschlußkammzahnanfänge
(siehe Fig. 11) blankes CuBe-Metall zeigen. Die so vorbehandelten Schablonen werden
unmittelbar anschließend mittels Drähten- oder Klemmkontakten in die Kathodenrahmen
eingespannt und nach einer kurzen Wäsche in trockenem Toluol in die Galvanoaluminierzelle
zur Beschichtung eingesenkt.
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Nach nur 10 min Abscheidungszeit in oben schon näher beschriebenen
aluminiumorganischen Elektrolytmedium sind ca. 5 mm
Galvanoaluminium
feinkörnig und haftfest auf den blanken CuBe-Flächenbereichen (und den Ätzkanten)
aufgewachsen, während sich der isolierende Fotoresistfilm unter der Elektrolyteinwirkung
kaum im Aussehen verändert hat. Zur Entfernung der Fotoresistfilme werden die partiell
mit Galvanoaluminium beschichteten Anschlußkämmeschablonen in eine an sich bekannte
Stripperlsöung oder Dichlotmethan eingetaucht, worin der Polymerfilm quillt und
dann mechanisch manuell leicht entfernt werden kann. Nach dem Abwaschen der Stripperlösung,
z.B. mit Aceton, und Trocknen sind die Anschlußkämme für die Ultraschalschweiß-Kontaktierung
einsetzbar.
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Gemäß den in den Figuren 11, 12 und 13 geschilderten Zusammenhängen
werden etwa 1.1 mm² Flächenteile von Aufdampf-Aluminium-Leiterbahn und galvanoaluminierten
Anschlußkammzahn mittels einer geeigneten Sonotrode in weniger als 1/10 s Ultraschallschweißdauer
flußmittelfrei verschweißt (CuBe mit Galvanoaluminium und Galvanoaluminium mit Aufdampf-AlCr-Glasschicht).
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Abreißversuche mit einer Kraftmeßuhr haben Festigkeitswerte von über
100 p und damit überraschend hohe Kontaktbolastungsstabilitöten bei diesen Verschweißflächen
ergeben Vergleiche mit ultraschallverschweißten flächengleichen Cupalfolienstreifen
(Cupal - walzplattierte Folie aus 50 pi Cu- und 50 Pl Al-Folie) naben nur Festigkeitswerte
von etwa 20 p ergeben. Dünnere Cupalfolien sind nicht nehr herstellbar; normalerweise
sind nur Cupalfolien von 100 µm Cu/1OO Pl Aluminium handelsgängig. Wegen des sehr
unterschiedlichen chemischen und ätztechnischen Verhaltens ist eine ätztechnische
Herstellung von Anschlußkämmen aus Cupalfolie sehr schwierig und aufwendig und deshalb
- auch angesichts der verhältnismäßig großen Schichtdicken - unwirtschaftlich.
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Außerdem haben unsere Versuche überraschenderweise ergeben, daß schon
Galvanoaluminium-Schichtdicken von nur wenigen µm für einwandfreie Ultraschallschweißverbindungen
ausreichend sind; in Anbetracht der erzielten Festigkeitswerte ein direkter Beweis
für die hohe Qualität des Galvanoaluminiums, im Vergleich zu technisch reine Cupal-Al,
und für die besondere Eignung des Galvanoaluminiums für die Ultraschall schweißverbindungstechnik.
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Ein zweites Beispiel beleuchtet diese Besonderheit und zugleich die
vielfältige Einsatzmöglichkeit galvanoaluminierter Kontaktteile
für
die Ultraschallschweiß-Kontaktierung.
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Für den Einsatz im Hochvakuum auf Aluminiumoxid-Keramik-Isolator aufgeschweißte
Kontaktstücke aus einer Ni-F-Legierung, etwa 2.5.1 mm, sollten zum Anschluß von
Halbleiterbauteilen mittels 70 µm Al-Draht einsetzbar sein. Eine galvanische Versilberung
der Kontaktteile brachte wegen der Anlaufschichten und Härte des Galvano-Silbers
keine Lösung. Die mit ca. 10 Pl Galvanoaluminium beschichteten Kontaktzeilen lassen
sich mit dem 70 Pl Al-Draht einwandfrei und sicher ultraschallschweißkontaktieren.
Mehrere 100 Stück der so kontaktierten Kontaktteile haben sich im Hochvakuumeinsatz
bewährt.
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Beispiel 4 Schraub-Klemm-Kontakt-Verbindungsteile der in den Figuren
beispielhaft gezeigten Formen werden erfindungsgemäß vorzugsweise aus ein- oder
beidseitig galvanoaluminiertem Bad-, Folien- oder Blechmaterial der erwähnten Werkstoffe
durch Stanz- und Biegevorgänge hergestellt. Das setzt die Bereitstellung von ein-
oder beidseitig ganz oder partiell (siehe Beispiel 2) mit Galvanoaluminium beschichteten
Material voraus, wobei zweckmäßigerweise auch bereits mit Löchern oder unrund geformten
Durchbrüchen vorgestanze. Band- oder Blechmaterial zum Galvanoaluminium-Beschichten
kommt, um die für die Kontaktierung wichtigen Stanzkanten der Innenbereiche mitbeschichten
zu können.
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Aus rationellen, fertigungstechnisch vorteilhaften Gründen wird die
Galvanoaluminium-Beschichtung von Bandmaterial im Durchlauf bevorzugt und deshalb
als Beispiel angeführt.
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In einer Galvanoaluminier-Banddurchlaufanlage, die in einer anderen
Anmeldung näher beschrieben wird, wird das Metallband passender Breite aus Messing-Vollmaterial
(für die Herstellung von lötfreien Kleirkontakt-Verbindungsteilen gemäß den Figuren
3 u. 4 ) bzw.
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Messing-Stanzmaterial (für die Herstellung von lötfreien Schraubkontakt-Verbindungsteilen
gemäß/Fig. 5b) materialgerecht oberflächenvorbehandelt. mit Galvanoaluminium in
Schichtdicken von 5 bis 60 µm, vorzugsweise 10 bis 30 Pl, ganz oder partiell, ein-
oder beidseitig beschichtet, noch innerhalb der Banddurchlaufanlage von anhaftendem
Elektrolytmedium freigewaschen und in N2-Atmosphäre mittels Infrarotlichtstrahlung
getrocknet. Mit Hilfe einer Doppelwalze polierter Oberfläche erhält die Galvanoaluminium-Schicht
ein
silberhell-spiegelndes Aussehen.
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Aus dem so mit Galvanoaluminium beschichteten Bandmaterial, das falls
notwendig oder zweckmäßig einer Temper- oder Diffusionsbehandlung in In.rtgasatmosphäre
unterzogen werden kann, z.B. zum Weichtempern des Bandmaterials oder der Erhöhung
der Haftfestigkeit des Galvanoaluminiums auf dem Messing durch wenige µm thermische
Diffusion bei 3500C wird in an sich bekannten Stanz-und Biegemaschinen das Jeweilige
Kontaktier-Vebindungsstück hergestellt, wobei die Galvanoaluminium-Beschichtung
infolge ihrer hohen Duktilität und Schmiermittelwirkung die Verformungen sehr gut
mitmacht und als Verformungshilfsstoff wirkt. Aufgrund eben dieser vorteilhaften
Eigenschaften des hochreinen Galvanoaluminiums gelingt es bei passend gewählter
Relation zwischen Banddicke und Galvanoaluminium-Schichtdicke (z.B. 0,2 mm Band
und 30 µm Al) mit entsprechend geformten Stanzwerkzeugen das Stanzkanteproblem durch
Überziehen mit Galvanoaluminium zu vermeiden oder zu vermindern.
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Wenn es aus funktionellen oder Haftfestigkeitsgründen vorteilhaft
ist, kann das Bandmaterial vor dem Beschichten mit Galvanoaluminium auf an sich
bekannte Weise durch Vakuumbedampfen oder auf wäßrig-galvanischem Wege mit einer
Zwischenschicht, vorzugsweise aus Kupfer, Silber oder Nickel, versehen werden, wobei
Schichtdicken zwischen 0,1 und 2 µm bevorzugt sind. Diese und viele andere Metalle
sind im korrosionsfreien aprotischen aluminiumorganischen Elektrolytmedium vällig
beständig, d.h. inert und werden deshalb auch bei kleinen Schichtdicken chemisch
oder elektrochemisch nicht angegriffen - ein weiter Vorzug dieses aprotischen Galvanikverfahrens.
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Im funktionellen Einsatz der so hergestellten Kontakt-Verbindungsstücke
erweisen sich die besonderen Eigenschaften des Galvanoaluminiums wie Korrosionsschutzwirkung
und anlauffreie Lagerfähigkeit, hohe Duktilität mit leichter Kontaktflächenerzeugung,
als besonders vorteilhaft.
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Beim Zusammenstecken von galvanoaluminierten Bolzen und Muffen (vgl.
Fig.3 u.4) wird die dUnne Oxidschicht, die die gute La6erfähigkeit bewirkt, durch
Scherkraftwirkung weggeschoben und eine gute Kontaktierung durch blanke Galvanoaluminium-Oberflächen
herbeigeführt.
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Auch beim Festschrauben der Kontaktteile gemäß den Figuren 5-10 entstehen
Scherkräfte, die die dünne Oxidhaut wegschieben und eine innige Kontaktierung blanker
Metalloberflächen bewirken.
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8 Patentansprüche 13 Figuren