DE2816328C3 - Lösbare elektrische Kontaktverbindung für die Nachrichtentechnik und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine lösbare elektrische Kontaktverbindung für die Nachrichtentechnik, insbesondere für mit integrierten Schaltungen versehene Schaltungskarten, bei welcher jedes Kontaktstück auf seiner dem anderen Kontaktstück gegenüberliegenden Oberfläche seines Trägers mit einer großen Anzahl von leitenden Vorsprüngen versehen ist.

Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für solche Anwendungsgebiete, bei denen es erwünscht ist, auf einem relativ kleinen Raum eine große Anzahl einzelner, lösbarer elektrischer Kontaktverbindungen herzustellen. Ein Beispiel für ein solches Anwendungsgebiet sind die Anschlußverbindungen für den Anschluß hochintegrierter Schaltungsmoduln auf mit gedruckten Schaltungen versehenen Schaltungskarten und -platten. Man ist dabei bisher stets so vorgegangen, daß das einzelne mit hochintegrierten Schaltungen bestückte Modul an seiner Unterseite eine Anzahl herausragender Kontaktstifte aufwies. Die mit gedruckter Schaltung versehene Schaltungskarte oder Schaltungsplatte enthielt dabei eine gleichartige Anordnung von Steckbuchsen zur Aufnahme der Kontaktstifte des Moduls, wenn dieses mit der Karte oder der Platte verbunden werden sollte. Jede solche Steckerverbindung enthielt in irgendeiner Form federnde Teile, mit deren Hilfe eine entsprechende Kontaktkraft auf den entsprechenden Kon-

J₅ taktstift des Moduls ausgeübt wird. Obgleich sich dadurch zufriedenstellend arbeitende Steckverbindungen ergeben, so sind doch die an Schaltungskarten oder Schaltungsplatten befestigten Steckverbindungen in der Herstellung relativ teuer und nehmen oft mehr Raum ein als erwünscht. Tatsächlich sind es die dafür erforderlichen Flächen, die im allgemeinen die für jedes Modul mögliche Anzahl von Kontaktstiften einschränken.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Kontaktverbindung der eingangs genannten Art dahingehend abzuwandeln, daß sie einen wesentlich kleineren Raum einnimmt, selbstreinigend und selbsthaltend ist und daß sie einen sehr kleinen gleichbleibenden Kontaktwiderstand aufweist.

Insbesondere soll die Erfindung bei solchen Anwendungsgebieten, bei denen lösbare Vielfachverbindungen mit wesentlich verringerten Kosten je einzelne Verbindung geschaffen werden sollen, einsetzbar sein. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung ist der An-Schluß der Leiter eines flachen Vielfachkabels an einer gedruckten Schaitungskarte oder -platte. Dabei ging man bisher so vor, daß man die einzelnen Leiter des Kabels an leitende Elemente auf einer sogenannten Zwischensteckerkarte angelötet hat. Diese leitenden Elemente werden durch die Verdrahtung der Zwischensteckerkarte mit einzelnen Kontaktfederbuchsen auf der Zwischensteckerkarte verbunden, wobei für jeden Leiter des Kabels eine Federbuchse vorgesehen ist. Diese Federbuchse kommt dabei mit Kontaktstiften in Eingriff, die auf der mit gedruckten Schaltungen versehenen Schaltungskarte befestigt sind, an der die elektrischen Anschlüsse hergestellt werden sollen. Eine solche Anordnung arbeitet an sich

zufriedenstellend, ist jedoch etwas umständlich und ziemlich teuer. Es wäre daher erwünscht, eine Anschlußverbindung zwischen Kabel und Schaltungskarte zu schaffen, bei der die Verwendung einer Zwischensteckerkarte entfällt und bei der für jeden Verbindungspunkt die bisher erforderliche Federbuchse wegfällt. Dabei würde sich unter anderem eine wesentliche Verringerung der Kosten für die Anschlußverbindung ergeben.

Stand der Technik

Aus der DE-OS 2163 549 ist eine lösbare Kontaktverbindung der eingangs genannten Art ohne Selbsthalte- oder Selbstreinigungswirkung für Magnetzungenschalter relativ hoher Leistung bekanntgeworden, deren Oberflächen gegen Lichtbogenbildung und damit gegen eine fortschreitende Zunahme des Kontaktwiderstandes dadurch geschützt werden, daß die Oberflächen durch einen Belag aus einem hochschmelzenden Metall verstärkt werden, welcher aus in einer Basislegierung einlegierten Körnern aus einem hochschmelzenden Metall, z. B. Wolfram, besteht, die von einem niedrigschmelzenden Metall. z. B. Silber, umhüllt sind. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe läßt sich auf diese Art nicht lösen.

Aus der DE-OS 2151683 ist eine Dauerkontaktverbindung, die weder lösbar, noch beim Lösen und Schließen selbstreinigend ist, bekanntgeworden, bei welcher die Kontaktoberflächen vor dem nur einmal erfolgenden Schließen des Kontaktes durch Prägen, Stanzen oder Meißeln so verformt werden, daß nach dem Schließen des Kontaktes im Laufe der Zeit, manchmal schon nach vier Wochen aus den beiden Kontaktoberflächen sogenannte »Whiskers« herauswachsen, in die unmittelbar gegenüberliegende Kontaktfläche eindringen und in unmittelbarer Nachbarschaft der Kontaktoberflächen miteinander unlösbar verfilzen. Die Kontaktoberfläche ist dabei vor oder nach der Verformung mit einem Whisker bildenden Metall, z. B. Zinn, überzogen. Diese Technik eignet sich ebenfalls nicht zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe.

Aus der DE-AS 1916160 ist ferner eine lösbare elektrische Kontaktverbindung für Mikrobaugruppen bekanntgeworden, bei welcher in einem Rastermaß von 2,54 mm oder kleiner einzelne wohl definierte Kontaktelemente mit einer Strompfadlänge von weniger als 1 mm rasterartig in einer als isolierender Träger wirkenden Isolierfolie angeordnet sind. Die einzelnen Kontaktelemente können dabei elastische Metallhohlkugeln, elastische Drahtknäuel, zwei- oder mehrfach geschlitzte Federbleche sein, die dann noch mit einzelnen Kontaktbutzen versehen sein können. Auch dieser Vorschlag kann zur Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems keinen Beitrag liefern.

Eine interessante Variante für einen elektrischen Kontakt für sehr hohe Ströme in der Energietechnik offenbart die US-PS 3 254189. Hier werden die Kontaktstücke durch ein Faserbündel aus hochschmelzenden Wolframfasern gebiii!«' welches dann mit einem sehr gut leitenden Meian, z. ti. Gold oder Kupfer oder deren Legierungen getränkt wird. Nach dem Abkühlen wird dieser Strang mit Hilfe einer Schleifscheibe in Scheiben zerteilt. Die Kontaktflächen werden dann geglättet. Diese Kontaktstücke sollen dann besonders beständig gegen Lichtbogenbildung sein, ein Problem, das im Anwendungsgebiet der Erfindung keine Rolle spielt. Diese Kontaktstücke eignen sich nicht für die Nachrichtentechnik.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird vielmehr dadurch gelöst, daß die mit ihren Abmessungen im Mikrometerbereich liegenden Vorspränge pieilspitzen- oder nadeiförmig ausgebildet, von dendritischer Struktur, elastisch verformbar und federnd sind, wobei die dendritischen Vorsprünge aus einem Edelmetall bestehen, das aus der Palladium, Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium und Osmium enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

Zur Herstellung dieser Kontaktstücke dienen dabei die folgenden Verfahrensschritte:

a) Eintauchen des Kontaktstückes in ein galvanisches Bad, dessen Badlösung eine um den Faktor 2 oder mehr kleinere als die übliche Konzentration an Metallionen aufweist; und

b) Betreiben des Bades durch Einstellen des Galvanisierungsstromes auf eine um etwa eine Größenordnung höhere als die übliche Stromdichte.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben Es zeigt

Fig. 1 eine stark vergrößerte Ansicht eines Paars gemäß der Erfindung aufgebauter dendritischer Kontakte,

F i g. 2 eine Draufsicht auf eine mit einer gedruckten Schaltung versehene Schaltungskarte, auf der verschiedene, mit hochintegrierten Schaltungen versehene Moduln^ angebracht sind, die über Mehrleiter-Flachkabel unterschiedlicher Breite angeschlossen sind,

Fig. 3 eine Seitenansicht der in Fig. 2 dargestellten Schaltungskarte,

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der in Fig. 2 dargestellten Schaltungskarte sowie eine stark vergrößerte Seitenansicht eines Teils eines der Schaltungsmoduln in Fig. 2, zusammen mit einer vergrößerten Ansicht einiger der zusammengehörigen dendritischen Kontakte zur Herstellung der elektrischen Schaltverbindungen,

Fig. 5 eine auseinandergezogene Ansicht der Befestigung der Flachkabel an der Schaltungskarte in Fig. 2,

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines der Flachkabel in Fig. 2 von unten mit den dendritischen Kontakten zur Herstellung der elektrischen Anschlußverbindungen an die Schaltungskarte in Fig. 2,

Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht einer Ecke der in

so Fig. 2 gezeigten Schaltungskarte zur Darstellung, wie die darauf befindlichen dendritischen Kontakte mit den in Fig. 6 gezeigten Kabelkontakten zusammenwirken, und

Fig. 8 und 9 Rasterelektronenmikroskopauf nahmen zur Darstellung der dendritischen Kontaktstruktur in stark vergrößertem Maßstab.

Beschreibung der bevorzugten Ausfühfungsform der Erfindung

bo In Fig. 1 ist im stark vergrößerten Maßstab ein Paar zusammenwirkender dendritischer Kontakte kurz vor der Kontaktberührung dargestellt. Insbesondere zeigt Fig. 1 einen ersten dendritischen Kontakt 10, der aus einer leitenden Grundplatte 11 und einer Gruppe oder

b5 einem Büschel 12 aus kleinsten engbenachbarten elastischen, metallischen Vorsprüngen 13 besteht, die auf der leitenden Grundplatte 11 durch dendritisches Aufwachsen leitender metallischer Kristalle ausgebil-

det ist. Die leitende Grundplatte 11 besteht dabei aus einem leitenden Element oder Substrat 14, auf dem eine dünne Schicht 15 eines Edelmetalls in dem Oberflächenbereich aufgebracht worden ist, in dem ein elektrischer Kontakt hergestellt werden soll. Die metallischen Vcrsprünge oder dendritischen Kristalle 13, die ebenfalls aus einem Edelmetall bestehen, werden auf der freiliegenden Oberfläche dieser dünnen Schicht 15 unter solchen Bedingungen gebildet oder aufgewachsen, die die Bildung von dendritischen Strukturen fördern.

Ferner ist ein zweiter elektrischer Kontakt 20 dargestellt, der aus einer leitenden Grundplatte 21 und einer Gruppe 22 eng benachbarter, sehr kleiner elastischer metallischer Vorsprünge 23 besteht, die auf der Grundplatte 21 durch das dendritische Aufwachsen von aus einem leitenden Metall bestehenden Kristallen gebildet ist. Die Grundplatte 21 besteht dabei aus einem leitenden Element oder Substrat 24, auf dem eine dünne Oberflächenschicht 25 aus einem Edelmetall auf derjenigen Oberfläche aufgebracht ist, an der ein elektrischer Kontakt hergestellt werden soll. Die metallischen Vorsprünge oder dendritischen Kristalle 23 bestehen ebenfalls aus einem Edelmetall und werden auf der freiliegenden Oberfläche dieser dünnen Schicht 25 dadurch erzeugt, daß ein elektrolytisches Verfahren unter Bedingungen durchgeführt wird, die die Bildung von dendritischen Strukturen fördern.

Die beiden elektrischen Kontakte 10 und 20, wenn sie gemäß Fig. 1 zusammenwirkend angeordnet sind, bilden eine auftrennbare elektrische Verbindung. Die elektrische Verbindung wird dadurch hergestellt, daß man die metallischen dendritischen Kristalle 13 der ersten leitenden Grundplatte 11 mit den metallischen Vorsprüngen 23 der zweiten leitenden Grundplatte 21 in einen sich gegenseitig verkeilenden Eingriff bringt. Kommen die beiden gleichartig aufgebauten Kontakte miteinander in Eingriff, dann gleiten die metallischen Vorsprünge 13 und 23 aneinander vorbei, und es entsteht eine Art Keilwirkung, die schließlich auf den verschiedenen Kristalloberflächen zu relativ hohen Spannungsbeanspruchungen führt. Dies wird von einer wischenden oder reibenden Wirkung von Metall auf Metall begleitet, so daß sich ein inniger metallischer Kontakt und eine gasdichte Verbindung an vielen Punkten ergibt. Das Übermaß an Kontaktpunkten stellt eine hohe Zuverlässigkeit und einen niedrigen Kontaktwiderstand sicher. Gegebenenfalls vorhandene Staubteilchen werden dadurch praktisch beiseite geschoben und beeinflussen damit die Qualität der elektrischen Verbindung nicht.

Es ist dabei wichtig, darauf hinzuweisen, daß der gegenseitige Eingriff der metallischen Vorsprünge 13 und 23 miteinander durch Anwendung nur sehr geringer Kräfte erreicht wird. Die metallischen Vorsprünge 13 und 23 gleiten relativ leicht aneinander vorbei. Nach Herstellen der Verbindung ist die Konstruktion ziemlich stabil, da die miteinander verkeilten metallischen Vorsprünge eine Art selbsthemmende Eigenschaft aufweisen, so daß nur eine ganz kleine Kraft zur Aufrechterhaltung der Kontaktverbindung erforderlich ist. Wegen der dendritischen Struktur der Kontakte ist außerdem eine geringe Fehlausrichtung oder ein geringer Toleranzfehler längs einer der räumlichen Achsen möglich, ohne daß dadurch die Kontakteigenschaften nachteilig beeinflußt werden.

Die Auswahl des für die dendritischen Vorsprünge 13 und 23 und für die Oberflächenschichten 15 und 25 verwendeten Metalls wird noch im einzelnen besprochen. Ein gutes Beispiel eines für beide Zwecke geeigneten Metalls ist Palladium. Die Grundplatten oder Substrate 14 und 24 bestehen normalerweise aus Kupfer oder einem anderen allgemein für elektrische Leiter benutzten Metall. Unter der Annahme, daß Palladium ausgewählt ist, werden die Oberflächenschichten 15 und 25 durch elektrolytische Abscheidung einer dünnen Palladiumschicht auf der Substratoberfläche unter solchen Bedingungen gebildet, bei denen die Bildung dendritischer Strukturen nicht gefördert wird. Anschließend läßt man dann die metallischen Vorsprünge 13 und 23 auf den freiliegenden Oberflächen der Schichten 15 und 25 durch elektrolytisches Abscheiden von Palladium unter solchen Be-Ηΐησιιησρη mifwarhapn Hip Hip RilHiinD HpnHriti<;rhpr

— ^—.-q— _. ~.— ..—___—, — -— _— ___-^ — — _—-._—.. — .

Strukturen fördern.

Die auf diese Weise hergestellten Vorsprünge 13 und 23 sind ziemlich klein. Die größte Höhe eines dieser Vorsprünge (Abmessung H in Fig. 1) liegt im Bereich zwischen 0,1 bis 0,15 mm. In der hier dargestellten beispielsweisen Anwendung beträgt die Breite des gesamten Büschels von dendritischen Vorsprüngen für einen einzigen Kontakt (Abmessung D in Fig. 1) zwischen 0,5 und 0,8 mm. Wie in Fig. 1 angedeutet, sind die einzelnen ein solches Büschel bildenden Vorsprünge von unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Form und sind mehr oder weniger unregelmäßig miteinander gemischt.

F i g. 8 und 9 zeigen mit einem Rasterelektronenmikroskop hergestellte Aufnahmen tatsächlich erzeugter aus Palladium bestehender dendritischer Anordnungen 12 oder 22, die nach einem noch zu beschreibenden Verfahren hergestellt worden sind, wobei die dort dargestellten dendritischen Vorsprünge 13 oder 23 gegenüber ihrer tatsächlichen Größe tausendfach vergrößert gezeigt sind. Eine typische Anordnung 12 weist dabei zwischen 3000 und 20000 dendritische Vorsprünge je Quadratmillimeter auf, wobei die tatsächlich vorhandene Anzahl in jedem Fall eine Funktion des bestimmten Anwendungsgebietes ist. Die Höhe der dendritischen Vorsprünge beträgt zwischen 10 und maximal 150 Mikrometer. Außerdem beträgt das Seitenverhältnis der dendri.ischen Vorsprünge,

d. h. die Höhe eines Vorsprungts, geteilt durch den größten Durchmesser zwischen einem Kleinstwert von 4 und einem Größtwert von 10. Außerdem beträgt das Umrißverhältnis einer Anordnung 12, d. h. die gesamte Fläche für alle Vorsprünge in einer Anordnung, die beispielsweise durch senkrechte Ausleuchtung der Anordnung von oben bestimmt wird, dividiert durch die Fläche der leitenden Grundplatte, auf der die Anordnung von Vorsprüngen gebildet ist, zwischen 0,10 und 0,39.

Im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 soll eine beispielhafte Anwendung solcher dendritischer elektrischer Kontakte, wie sie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt sind, für neue und verbesserte elektrische Vielfachkontaktanschlüsse für elektronische Geräte dargestellt werden. Fig. 2 und 3 zeigen eine mit einer gedruckten Schaltung versehene Schaltungskarte 30, auf der eine Anzahl von hochintegrierten Schaltungen versehene Schaltungsmoduln angebracht sind. Diese Moduln 31, 32 und 33 sind auf der Schaltungskarte 30 gezeigt. Ein viertes Modul 34 (Fig. 4) kann am Ort 35 der Karte 30 befestigt werden, ist jedoch in Fig. 2 nicht dargestellt, so daß eine Anordnung 36 von kleinen dendritischen Kontakten auf der Schal

tungskarte 30 zum Herstellen von elektrischen Vielfachkontakten mit dem LSI-Modul 34 gezeigt werden kann.

Eine gleichartige Anordnung 37 (Fig. 4) kleiner dendritischer Kontakte ist dabei an der Unterseite des LSI-Moduls 34 für eine entsprechende Kontaktverbindung mit den entsprechenden dendritischen Kontakten in der Anordnung 36 vorgesehen. Bei 38 sind Bohrungen in der Schaltungskarte 30 zur Aufnahme von Führungsstiften 39 (Fig. 4) gezeigt, die von der Unterseite eines LSI-Moduls 34 herausragen.

Im Laufe der Beschreibung soll hier nicht zwischen Schaltungskarte und Schaltungsplatte unterschieden werden. Beide Ausdrücke beziehen sich dabei auf die gleiche Art von Konstruktion und sollen daher gleichlautend oder austauschbar miteinander benutzt werden.

Jeder dendritische Kontakt 36a, 36b, 36c, der auf der Schaltungskarte befindlichen Anordnung 36, ist gleichartig aufgebaut wie der in Fig. 1 gezeigte Kontakt 10. Jeder dendritische Kontakt 37«, 37b, 37r usw., in der am Modul angebrachten Anordnung 37, ist genauso aufgebaut wie der in Fig. 1 gezeigte und im Zusammenhang damit beschriebene Kontakt 20. Mehrfache elektrische Kontaktverbindungen werden daher in der Weise hergestellt, daß das Modul 34 in Richtung auf die Schaltungskarte 30 gedrückt wird, so daß die metallischen Vorsprünge der zusammengehörigen Kontakte miteinander in einen ineinandergreifenden, sich verkeilenden Eingriff kommen.

Beispielsweise kann die in Fig. 2 dargestellte Anordnung 36 insgesamt 400 einzelne dendritische Kontakte aufweisen, die auf einer quadratischen Fläche von 2,54 cm X 2,54 cm angebracht sind. In diesem Fall kann das leitende Substrat für jeden Kontakt die Form einer kreisförmigen Metallisierung mit einem Durchmesser von 0,5 mm und Abständen von 1,27 mm zwischen den Mittelpunkten benachbarter Metallisierungen annehmen. Die zugehörige Anordnung auf der Unterseite des Moduls 34 würde natürlich die gleichen Abmessungen aufweisen. Diese Zahl von 400 Kontaktverbindungen sollte dabei mit den weniger als 100 (im allgemeinen 70-90) Kontakten verglichen werden, die unter Anwendung bisher üblicher Verfahren auf einer Fläche gleicher Größe untergebracht werden können.

Wie in Fig. 4 angedeutet, ist die Schaltungskarte 30 eine Mehrschichten-Schaltungskarte mit gedruckter Schaltung. Innen liegende Schichten aus Kupferfolie 40 und 41 liegen dabei zwischen aus nichtleitendem Material bestehenden Schichten 42, 43 und 44. Auf der oberen Oberfläche der obersten Isolierschicht 42 kann eine weitere Schicht aus Kupfer niedergeschlagen werden. Außerdem kann auf der unten liegenden Oberfläche der unteren Isolierschicht 44 ebenfalls eine weitere Kupferschicht angebracht werden. Die Kupferschichten werden dabei in bekannter Weise zur Darstellung elektrischer Leitungsmuster geätzt, wobei die innen liegenden Schichten 40 und 41 natürlich vor Aufbringen der isolierenden Schichten entsprechend geätzt werden. Die Kontaktflächen, auf denen die dendritischen Kristalle aufgewachsen werden, werden in gleicher Weise gebildet. Mit anderen Worten werden die Kontaktflächen oder leitenden Substrate für die Kontakte 36a, 36b, 36c usw. auf der oben liegenden Oberfläche der Isolierschicht 42 dadurch gebildet, daß zunächst eine dünne, aus Kupfer bestehende Schicht dort niedergeschlagen und die nicht benötigten Teile dieser Kupferschicht abgeätzt werden.

Dabei ist die Kontaktfläche des Kontaktes 36b beispielsweise mit einem Leiter in der Kupferfolienschicht 40 verbunden, während die Kontaktfläche für den Kontakt 36c mit einem Leiter in der Kupferfolienschicht 41 elektrisch verbunden ist. Dies wird dadurch erreicht, daß durch die an der Oberfläche liegenden Kontaktflächen und durch die entsprechenden Isolierschichten Bohrungen mit kleinem Durchmesser

ίο hergestellt werden, die anschließend mit leitendem Material ausgefüllt werden. Das die elektrische Verbindung für die Kontaktfläche 36b darstellende leitende Material ist bei 45 dargestellt, während das die leitende Verbindung für die Kontaktfläche 36c dai stellende leitende Material bei 46 gezeigt ist. Diese Verbindungen zwischen Kontaktfläche und innen liegender Kupferfolie werden hergestellt, bevor auf den Kontaktflächen die dendritischen Kristalle aufgewachsen werden. Die elektrische Verbindung für die Kontaktfläche des Kontaktes 36a wird mit Hilfe der auf der Isolierschicht 42 liegenden Kupferschicht hergestellt, dies ist jedoch für eine vereinfachte Darstellung nicht gezeigt.

Elektrische Mehrfach-AnschlutSverbindungen für die anderen Moduln 31 bis 33 werden in gleicher Weise vorgesehen, wie dies soeben für das Modul 34 beschrieben worden ist.

Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, werden die Moduln 31 bis 34 auf der Schaltungskarte 30 mittels langgestreckter Leisten 47, die an der Schaltungskarte 30 befestigt sind, sowie durch Querleisten 48 gehalten, deren Enden an den Leisten 47 mit kleinen Schrauben

49 angeschraubt sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, liegen die Leisten 48 auf der Oberseite der Moduln auf, so daß sich diese durch Erschütterungen oder Vibrieren nicht von der Schaltungskarte 30 loslösen können. Durch diese mechanische Anordnung werden die metallischen Vorsprünge der zusammengehörigen dendritischen Kontakte in sich verkeilendem Eingriff miteinander gehalten. Die durch die Leisten 48 ausgeübte Kraft ist dabei eher eine Haltekraft als eine Andruckkraft. Sie hat daher einen relativ kleinen Wert.

Fig. 2 und 3 zeigen ferner die Verwendung dendritischer Kontakte zum Anschluß von Vielfachflachkabein an der Schaltungskarte oder Platte. Die kartenseitigen Enden von vier verschiedenen Flachkabeln 50, 51, 52 und 53 sind in Fig. 2 dargestellt. Wie aus der Ansicht in Fig. 5 zu sehen, sind diese Flachkabel

50 bis 53 in der Nähe der Kante der Schaltungsplatte so 30 mit U-förmigen Andruckpolstern 54 bis 57 und entsprechenden U-förmigen Klammern 58 bis 61 festgehalten. Die Andruckpolster 54 bis 57 bestehen aus Gummi oder einem anderen verformbaren, nichtleitenden Material.

Wie in der Ansicht von unten in Fig. 6 gezeigt, besteht jedes der Flachkabel, wie das dort gezeigte Flachkabel 50, aus einer größeren Anzahl flacher elektrischer Leiter 62, die nebeneinander angeordnet und zwischen zwei Schichten aus nichtleitendem Material eingeschlossen sind. Die Leiter 62 können beispielsweise dünne Streifen aus Kupferfolie sein, die in einem biegsamen Kunststoffmaterial eingebettet sind. In der Nähe des Endes eines jeden Kabels ist ein Paar von Führungsstiftbohrungen 63 vorgesehen, die der Aufnahme entsprechender Führungsstifte 64 dienen, die geringfügig über die Oberfläche der Schaltungsplatte 30 hinausragen. Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Teils der Schaltungskarte 30, an der

das Flachkabel 50 angeschlossen ist. Diese Figur hat den gleichen Maßstab wie die vergrößerte Ansicht des Flachkabels SO in Fig. 6.

Ein Vielfachkontaktanschluß für eine Verbindung der einzelnen Leiter des Flachkabels 50 mit einer entsprechenden Gruppe von Leitern auf der gedruckten Schaltungskarte wird durch Bildung einer linearen Anordnung dendritischer Kontakte unmittelbar auf dem Flachkabel 50 und ferner durch Bildung einer entsprechenden linearen Anordnung von dendritischen Kontakten in der Nähe der Kante der Schaltungsanordnung 30 hergestellt. Insbesondere werden am Ende des Kabels 50 kleine elektrische Kontaktflächen 65 dadurch gebildet, daß man das über den Leitern 62 liegende Isoliermaterial entweder abschabt oder sonst entfernt. Ein dünner Oberflächenüberzug aus einem Edelmetall wird dann auf jeder der freiliegenden Kontaktflächen 65 galvanisch aufgebracht, worauf dann auf dieser Oberflächenschicht jeder dieser Kontaktflächen die dendritischen metallischen Vorsprünge aufgewachsen werden. Der Einfachheit halber sind diese dendritischen Kristalle in Fig. 6 nicht dargestellt.

Zusammenpassende dendritische Kontakte werden auf einer entsprechenden Anordnung kleiner Kontaktflächen 66 auf der Schaltungskarte 30 gebildet, wie dies Fig. 7 zeigt. Jede der Kontaktflächen 66 besteht aus einem Stück Kupferfolie, das auf der Oberfläche der Schaltungskarte 30 angebracht ist. In jedem Fall wird auf der oben liegenden Oberfläche der Kupferfolie der Kontaktfläche eine Schicht aus einem Edelmetall galvanisch aufgebracht, worauf auf der Oberfläche des Edelmetallüberzugs ein Büschel dendritischer Metallvorsprünge aufgewachsen wird. Wiederum sind in der Darstellung der Fig. 7 der Einfachheit halber die dendritischen Vorsprünge weggelassen.

Das Flachkabel 50 wird an der Schaltungskarte 30 dadurch befestigt, daß man das beispielsweise in Fig. 6 gezeigte Kabel 50in die in Fig. 5 gezeigte Lage herumdreht und die Bohrungen 63 für die Führungsstifte 64 auf diese aufsetzt. Anschließend wird das Andruckpolster 54 über die überlappenden Abschnitte des Flachkabels 50 und der Schaltungskarte 30, wie in Fig. 3 gezeigt, aufgeschoben, worauf dann die Federklammer 58 über das Andruckpolster 54 aufgeschoben und in die in Fig. 3 gezeigte Position gebracht wird. Auf diese Weise werden dann die dendritischen Vorsprünge der Kontaktflächen 65 des Kabels 50 in sich verkeilendem Eingriff mit den dendritischen Vorsprüngen der entsprechenden Kontaktbereiche 66 auf der Schaltängskarte 30 in Eingriff gehalten.

Jede der Koniaktflächen 66 auf der Schaltungskarte 30 ist mit einem anderen, aus Kupferfolie bestehenden Leiter 67 auf der gedruckten Schaltungskarte verbunden. Für eine mehrschichtige Schaltungskarte können einzelne dieser Leiter 67 auf der Oberfläche der Schaltungskarte 30 liegen, während andere dieser Leiter im Inneren auf verschiedenen Ebenen innerhalb der Schaltungskarte 30 liegen können. In diesen Fällen werden elektrische Verbindungen durch Herstellen von Bohrungen kleinen Durchmessers gebildet, die, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, mit einem leitenden Material ausgefüllt werden. Die einzelnen Kontaktflächen 66 auf der Schaltungskarte 30 haben die gleichen Abmessungen wie die Kontaktflächen 65 am Flachkabel 50. Die Breite einer jeden derartigen Kontaktfläche 65 oder 66 ist die gleiche wie die Breite eines der Leiter 62 des Flachkabels, wobei diese Breite beispielsweise 0,254 mm betragen kann. Die Länge jeder Kontaktfläche 65 oder 66 kann etwa doppelt so groß sein, mit anderen Worten etwa 0,5 mm betragen.

Die Anschlußverbindungen für die anderen Flachkabel 51 bis 53 sind genauso aufgebaut wie für das Flachkabel 50, mit dem einzigen Unterschied, daß entsprechend der unterschiedlichen Anzahl von elektrischen Leitern in den anderen Flachkabeln 51 bis 53 unterschiedliche Anzahlen dendritischer Kontakte vorgesehen sind.

Wie man aus den bisher beschriebenen Beispielen erkennt, lassen sich gemäß der Erfindung aufgebaute elektrische Kontakte zum Aufbau lösbarer Vielfachkoniakiverbindungen benutzen, die nur sehr wenig Raum einnehmen. Für jeden Anschlußpunkt sind keine gesonderten Federanordnungen erforderlich, und die Kontakte können sehr klein gehalten werden.

Der dabei eingesparte Platz läßt sich bei der bisher beschriebenen Kontaktierung zwischen LSI-Modul und Schaltungskarte dazu benutzen, daß für eine vorgegebene Fläche eine wesentlich größere Anzahl voneinander unabhängiger elektrischer Anschlüsse hergestellt werden kann.

Von beträchtlicher Bedeutung ist auch die Tatsache, daß die Kosten für eine elektrische Vielfachkontaktverbindung gemäß der Erfindung wesentlich geringer gehalten werden können als bei bisher bekannten Mehrfachkontaktverbindungen. Dies ergibt sich insbesondere dadurch, daß für die verschiedenen Anschlußpunkte die einzelnen Kontaktfedern und Kontaktstifte weggelassen werden können und daß auch die beim Zusammenbau der Kontaktverbindüngen erforderlichen Arbeiten entfallen. Bei der Verwendung von Flachkabeln ergibt sich weiterhin eine beträchtliche Einsparung dadurch, daß das Kabel auf jede beliebige Länge und für jede beliebige Anzahl von Leitern zurechtgeschnitten werden kann. Die Anzahl der auf der Schaltungskarte angebrachten Kontakte läßt sich leicht für jede beliebige Anzahl von Leitern im Flachkabel verändern.

Die Herstellung eines gemäß der Erfindung aufgebauten elektrischen Kontaktes soll nunmehr im einzelnen beschrieben werden, wobei der Kontakt 10 in Fig. 1 für die Beschreibung als Modell dienen soll. In dieser Hinsicht sollen die kleinen metallischen Vorsprünge 13, die tatsächlich die elektrische Verbindung herstellen, vorzugsweise aus einem Metall bestehen, das sowohl elektrisch leitend, mechanisch elastisch ist und sich bei Zimmertemperatur bei normaler Umgebung nicht nachteilig verändert. Eine nachteilige Ver änderung soll beispielsweise bedeuten, daß die freiliegende Oberfläche des Metalls sich mit einem haftenden Korrosionsfilm, wie z. B. einer Oxidschicht oder einer Sulfidschicht od. dgl., überzieht. Mit federnd oder elastisch soll hier gemeint sein, daß das Metall der dendritischen Vorsprünge nach Lösen der Kontaktverbindung seine ursprüngliche Form ohne

bo bleibende Verformung wieder annimmt. Daher sind die metallischen Vorsprünge 13 federnd, so daß sie sich bei einem ineinandergreifenden Eingriff und einem sich verkeilenden Kontakt mit einem gegenüberliegenden Kontakt gleicher Art etwas verformen und sofort wieder ihre ursprüngliche Form und Lage annehmen, wenn der zugehörige Kontakt entfernt wird. Entsprechend diesen Forderungen bestehen die metallischen Vorsprünge 13 vorzugsweise aus einem

Edelmetall, das aus der aus Palladium, Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium oder Osmium bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Jedes dieser Metalle ist elektrisch leitend, läuft bei Zimmertemperatur nicht an und kann bei der Herstellung eine mechanische Elastizität erhalten. Wegen der etwas geringeren Kosten ist Palladium wahrscheinlich die günstigste Wahl.

Die dendritisch aufwachsenen Strukturen, die hier als metallische Vorsprünge 13 dargestellt sind, werden manchmal als Dendriten bezeichnet. Sie können je nach den Parametern bei der Galvanisierung, unter welchen sie aufwachsen, unterschiedliche Formen annehmen. Für die Herstellung von Kontakten eignen sich nadeiförmige oder speerspitzenförmige dendritische Formen, wie sie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt sind, wohl arn besten. Eine etwas andere Art, die sich ebenfalls für manche Zwecke gut zu eignen scheint, wird dadurch erhalten, daß man an der Spitze der nadelartigen Strukturen kleine pilzartige Köpfe entstehen läßt. Dadurch erhält man ein noch besseres selbsthaltendes oder selbstsperrendes Verhalten, wenn dies erwünscht ist.

Der dünne galvanische Überzug 15 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Edelmetall. Der Zweck der Schicht 15 besteht darin, eine dichte kompakte, porenfreie korrosionsfeste Oberfläche zu bilden, auf der die dendritischen Vorsprünge 13 aufgewachsen werden können. Dadurch ergibt sich eine bessere Verbindung, Korrosion wird verhindert, ebenso unerwünschte galvanische Veränderungen. Diese Schicht 15 kann dabei aus jeden der obengenannten, für die dendritischen Vorsprünge 13 benutzten Metalle hergestellt werden. Für die Schicht 15 ist es jedoch nicht erforderlich, daß das Metal! elastisch ist. Somit kann auch ein unelastisches Edelmetall, wie z. B. Gold, für die Schicht 15 benutzt werden.

Das leitende Element oder leitende Substraf. 14 ist mindestens ein Teil der elektrischen Schaltung oder Verdrahtung, an der der Kontakt hergestellt werden soll. Dieses leitende Element kann daher die Form eines Drahtes, Stiftes, Stabes, einer Kontaktfahne, einer Platte, einer Folie od. dgl. annehmen. Normalerweise besteht das Substrat 14 auf Kupfer, obwohl es auch aus irgendeinem anderen Metall bestehen kann, das normalerweise für elektrische Leiter benutzt wird. Sollte das Substrat 14 aus einem nicht anlaufenden Edelmetall bestehen, das die entsprechenden Oberflächeneigenschaften aufweist, dann kann die durch Galvanisieren aufgebrachte dünne Oberflächenschicht 15 wegfallen.

Die dendritischen Strukturen oder Vorsprünge 13

ίο

triebsbedingungen erzeugt. Während normaler galvanischer Herstellung von Überzügen wird im allgemeinen große Sorgfalt auf die Verhinderung des Entstehens dendritischer Strukturen verwandt. Für die Zwecke der Erfindung werden die normalen und üblichen Verfahrensregeln bei der Galvanisierung bewußt verletzt, um damit das Aufwachsen dendritischer Strukturen zu fördern. Insbesondere werden die dendritischen Strukturen oder Vorsprünge 13 gemäß der Erfindung dadurch erzeugt, daß das Galvanisieren bei einer höheren als der normalen Stromdichte durchgeführt wird, während die elektrolytische Lösung eine geringere als übliche Konzentration an Metallionen aufweist. Normale Arbeitsbedingungen sollen durch solche Werte gekennzeichnet sein, die eine dichte, kompakte, porenfreie Oberfläche liefern. Im Gegensatz dazu wird die Oberflächenschicht 15 elektrolytisch unter normalen Arbeitsbedingungen erzeugt, bei denen die Bildung von dendritischen Strukturen nicht gefördert wird.

Eine für die Zwecke der Erfindung, d. h. für das Aufwachsen dendritischer Strukturen aus Palladium, geeignete Galvanisierlösung besteht dabei aus einer Lösung von Wasser (H₂O), Ammoniak (NH₃), Ammoniumchlorid (NH₄Cl) und Palladoamminchlorid (Pd(NHj)₂Cl₂). Die Konzentrationen der Zusammensetzung, die besonders gut brauchbar sind, liegen in dem Bereich

Pd^+: bei einer millimolaren Lösung von 20-50
Cl" bei einer molaren Lösung von 2 bis 5
NH₃ für einen pH-Wert im Bereich zwischen 9,0 und 10,5.

Vergleichsweise würde eine normale Konzentration von Palladiumionen in der Größenordnung einer millimolaren Lösung von 100 liegen, verglichen mit dem oben angegebenen Bereich einer millimolaren Lösung von 20 bis 50.

Angenommen, die Oberflächenschicht 15 wurde bereits elektrolytisch erzeugt, dann wird der Gegenstand, auf dem die aus Palladium bestehenden dendritischen Strukturen aufgewachsen werden sollen, in ein elektrolytisches Bad mit den oben angegebenen Werten eingebracht und derart elektrisch angeschlossen, daß der Gegenstand für die Galvanisierung die Kathode bildet. Jede leitende Oberfläche des Gegen-Standes, auf dem keine dendritischen Kristalle aufgewachsen werden sollen, wird vor Einbringen in das galvanische Bad mit einer dünnen Schicht aus Isoliermaterial überzogen. Anschließend wird zwischen der durch den Gegenstand gebildeten Kathode und einer ebenfalls in das Bad eingetauchten, als Anode wirkenden Elektrode eine Gleichspannung angeschlossen. Dann wird durch das galvanische Bad ein höherer Strom als normalerweise üblich hindurchgeleitet, so daß auf der freiliegenden Oberfläche des Gegen>tandes dendritische metallische Vorsprünge aufwachsen.

Zu diesem Zweck wurde eine Stromdichte in der Größen- Ordnung von 100 mÄ/cm² fur brauchbar befunden. Die normale Stromdichte für die galvanische Erzeugung einer Palladiumschicht ohne das Aufwachsen dendritischer Strukturen liegt in der Größenordnung von 10 raA/cra². In beiden Fällen werden diese Werte der Stromdichte an der Kathodenoberfläche gemessen.

Ist es erwünscht, gleichzeitig auf mehreren getrennten Kontaktbereichen dendritische Vorsprünge aufwachsen zu lassen, dann ist es notwendig, daß jeder ιιιν*αΐΊ Ljwtwivitv vT cull \~iiu UiO ι ivisu/itbiia uwa galvanischen Überzuges mit der negativen Klemme einer Gleichstromquelle verbunden ist. Für den Fall des in Fig. 6 dargestellten Flachkabels kann dies in der Weise geschehen, daß die fernen Enden der Leiter 62 an der negativen Klemme der Gleichstromquelle angeschlossen werden und daß man das Ende mit den Kontaktflächen 65 in das galvanische Bad eintaucht.

Für mehrfache Kontaktflächen auf einer Schaltungskarte, wie z. B. in Fig. 4 oder Fig. 7, läßt sich ein gleichzeitiges dendritisches Aufwachsen dadurch erreichen, daß man die durch Kupferfolie gebildeten Verbindungen zwischen den Kontaktflächen für eine Zusammenschaltung bestehen läßt und daß man diese Verbindungen nach Aufwachsen der dendritischen Vorsprünge auf den gewünschten Kontaktflächen abätzt.

Fig. 8 und 9 zeigen Fotografien tatsächlich hergestellter dendritischer Strukt'jren, wie sie durch Galvanisierung mit Palladium in der oben beschriebenen Weise erzeugt werten. Diese Fotografien wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop hergestellt, und die dort gezeigten dendritischen Strukturen sind gegenüber ihrer tatsächlichen Größe etwa 100Of ach vergrößert dargestellt.

Gemäß der Kenntnisse und der Erfahrungen der Anmelderin stellt das galvanische Erzeugen von dendritischen Strukturen unter den soeben beschriebe-

nen, neuartigen Betriebsbedingungen das bisher bevorzugte Verfahren dar. Dies sei jedoch nicht als eine stillschweigende Beschränkung des Verfahrens beim Herstellen dendritischer Strukturen aufzufassen, da es auch andere Verfahren gibt, mit denen derartige Strukturen hergestellt werden können. Solche Verfahren sind beispielsweise stromlose Verfahren, bei denen die Reduktion chemisch, ohne die Verwendung von Elektroden oder einem elektrischen Strom erzielt

ίο wird, Elektroformierung und chemischer Niederschlag aus der Dampfphase.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Lösbare elektrische Kontaktverbindung für die Nachrichtentechnik, insbesondere für mit integrierten Schaltungen versehene Schaltungskarten, bei welcher jedes Kontaktstück auf seiner den anderen Kontaktstück gegenüberliegenden Oberfläche seines Trägers mit einer großen Anzahl von leitenden Vorsprüngen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihren Abmessungen im Mikrometerbereich liegenden Vorsprünge (13, 23) pfeilspitzen- oder nadeiförmig ausgebildet, von dendritischer Struktur, elastisch verformbar und federnd sind.

2. Elektrische Kontaktverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13, 23) aus einem Edelmetall bestehen.

3. Elektrische Kontaktverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dendritischen Vorsprünge (13, 23) aus einem Metall bestehen, das aus der Palladium, Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium und Osmium enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Elektrische Kontaktverbindung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dendritischen Vorsprünge (13, 23) aus einem Material bestehen, das bei Zimmertemperatur in normaler Zimmeratmosphäre keinen anhaftenden Korrosionsüberzug bildet.

5. Elektrische Kontaktverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (14,24) an seiner Oberfläche, auf der die dendritischen Vorsprünge (13,23) hergestellt werden sollen, eine zusätzliche dünne Schicht (15, 25) aus einem Edelmetall aufweist.

6. Elektrische Kontaktverbindung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13, 23) ein Seitenverhältnis zwischen 4 und 10 aufweisen.

7. Elektrische Kontaktverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13,23) ein Umrißverhältnis in bezug auf den Träger (14, 24) von mindestens 0,10 aufweisen.

8. Elektrische Kontaktverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umrißverhältnis in Beziehung auf den Träger (14,24) zwischen 0,10 und 0,39 liegt.

9. Elektrische Kontaktverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der dendritischen Vorsprünge (13,23) je Quadratmillimeter der Fläche des Trägers (14, 24) zwischen 3000 und 20000 beträgt. __

10. Verfahren zum Herstellen der Kontaktstücke einer lösbaren elektrischen Kontaktverbindung gemäß einen der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Eintauchen des Kontaktstückes (11, 21) in ein galvanisches Bad, dessen Badlösung eine um den Faktor zwei oder mehr kleinere als die übliche Konzentration von Metallionen aufweist, und

b) Betreiben des Bades durch Einstellen des Galvanisierungsstromes auf eine um etwa eine Größenordnung höhere als die übliche Stromdichte.