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Kontaktbanstein
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Die Erfindung betrifft einen Kontaktbaustein gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Bei einem bekannten Kontaktbaustein dieser Art (DE-PS 29 04 360),
welcher ein Mantelrohr, eine Schraubenfeder und einen Kontaktkolben aufweist, ist
der Kontaktkolben chemisch hartvernickelt. Auch das Mantelrohr ist zumindest an
seiner mit dem Kontaktkolben in Berührung kommenden Innenfläche chemisch hartvernickelt.
Hierdurch werden lange Lebensdauer sowie geringe und gleichbleibende elektrische
Obergangswiderstände der hartvernickelten Flächen des Kontaktbausteines erreicht.
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Solche Kontaktbausteine dienen insbesondere dazu, in Adapterplatten
eingesetzt zu werden, die jeweils eine Vielzahl solcher Kontaktbausteine zum gleichzeitigen
Abtasten einer Vielzahl von zu prüfenden bzw. zu messenden Stellen von Leiterplatten
oder dergl. aufweisen.
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Diese in der Elektronikindustrie, insbesondere auch bei Rechnerherstellern
eingesetzten elektrischen Kontaktbausteine müssen eine große Anzahl, bspw. oft mindestens
1 bis 5 Millionen von Meß- bzw. Prüfvorgängen durchführen können, ohne daß ihre
elektrischen Eigenschaften sich störend verändern. Je höher die Anzahl von Meß-
oder Prüfvorgängen ist, die der Kontaktbaustein ohne störende Änderung seiner elektrischen
Eigenschaften ausführen kann, um so betriebssicherer und wirtschaftlicher ist er.
Nun haben aber derartige Kontaktbausteine in der Regel sehr geringe Durchmesser
von vielfach weniger als 1 mm bis meist höchstens 2,5 mm und es ist deshalb nicht
einfach, ihnen bei solch geringen Durchmessern hohe Lebensdauer zu geben, wenn man
berücksichtigt, daß sie wegen ihrer Kleinheit nicht reparabel sind und deshalb ihre
schwächste Stelle - in der Regel ihre Kontaktspitze -ihre Lebensdauer bestimmt.
Der Kontaktbaustein soll ferner geringen, über seine Lebensdauer weitgehend konstanten
elektrischen Widerstand haben von möglichst nur ca. 40 bis 600 Milliohm. Dies erfordert
geringen elektrischen Widerstand der Kontaktspitze und des übrigen Kontaktbausteines.
Wenn der Kontaktbaustein zwei gesonderte Teile aufweist, die relativ zueinander
beweglich sind und in elektrischem Kontakt miteinander stehende, Meß- oder Prüfstrom
übertragende Kontaktflächen aufweisen, ist es auch erforderlich, daß die elektrischen
Ubergangswider-
stände dieser Kontaktflächen sich ebenfalls während
möglichst vieler Meß- oder Prüfvorgängen nicht oder nicht störend ändern und klein
sind.
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Die Härte der Hartnickelschichten des Kontaktbausteines nach der DE-PS
29 04 360 beträgt ca. 1000 HV <HV = Vickershärte). Diese Hartnickelschichten
ergeben hohe Verschleißfestigkeit. Es ist jedoch erwünscht, noch höhere Verschleißfestigkeit
zumindest der besonders stark beanspruchten Kontaktspitze zu erreichen, um die Lebensdauer
eines solchen Kontaktbausteines noch weiter zu erhöhen. Hierbei tritt jedoch die
Schwierigkeit auf, daß hierunter die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktbausteines
nicht leiden darf.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kontaktbaustein der im
Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, der erhöhte Lebensdauer
bei den erforderlichen elektrischen Eigenschaften hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kontaktbaustein gemäß
Anspruch 1 gelöst. Unter metallischen Hartstoffen sind elektrisch leitfähige Hartstoffe
in der Definition ÜHLEIN "Römpps Chemisches Wörterbuch", Franckh'sche Verlagsbuchhandlung,
Stuttgart, 1969, S. 351, verstanden.
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Durch die Erfindung wird bei guter, über die Lebensdauer weitgehend
konstant bleibender elektrischer
Leitfähigkeit des Kontaktbausteines,
der die Meß- und Prüfströme nicht störend verfälscht, insbesondere bei geringem
elektrischen Widerstand bzw. Widerständen an der oder den metallische Hartstoff
schichten aufweisenden Stellen höhere Lebensdauer des Kontaktbausteines als bisher
erzielt.
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Die Hartstoffschicht ergibt nämlich bei geringer Schichtdicke noch
sehr gute elektrische Leitfähigkeit in Richtung quer zur Schichtoberfläche und damit
für solche Kontaktbausteine notwendigen geringen elektrischen Widerstand. Die hierfür
notwendigen geringen Schichtdicken werden durch die sehr hohe Härte und die hierdurch
erreichte hohe Verschleißfestigkeit der Hartstoffschicht ermöglicht.
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Diese hohe Verschleißfestigkeit der Hartstoffschicht wird also zum
Erzielen der für geringen elektrischen Widerstand notwendigen geringen Schichtdicke
der Hartstoffschicht unter gleichzeitigem Erreichen höherer Lebensdauer, d.h. höheren
Anzahlen von Meß-oder Prüfvorgängen des Kontaktbausteines ausgenutzt.
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Auch haben metallische Hartstoffe in der Regel gute chemische Beständigkeit.
Vorzugsweise kann die Dicke der Hartstoffschicht ungefähr 0,5 bis 10 um betragen.
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Die Lebensdauer des Kontaktbausteines wird noch weiter erhöht, wenn
man gemäß Anspruch 3 vorsieht, daß die Hartstoff schicht eine Härte von mindestens
2000 VH (VH = Vickershärte) aufweist. Ferner ist es
für das Erzielen
besonders geringer elektrischer Widerstände zweckmäßig, vorzusehen, daß der spezifische
elektrische Widerstand des Hartstoffes der Hartstoff schicht weniger als 70 y Qcm
aufweist. Besonders günstig ist es, wenn dieser spezifische Widerstand des Hartstoffes
weniger als 50 y Acm aufweist.
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Falls der Kontaktbaustein außer an der Kontaktspitze noch an mindestens
einer weiteren, für elektrischen Kontakt vorgesehenen Fläche eine metallische Hartstoffschicht
aufweist, kann diese zweckmäßig aus demselben Hartstoff wie die Hartstoffschicht
der Kontaktspitze bestehen und auch ungefähr dieselbe Dicke aufweisen. Es ist jedoch
auch möglich, die Schichtdicke der Hartstoffschicht an einer Kontaktfläche, die
weniger starken mechanischen Beanspruchungen als die Hartstoff schicht an der Kontaktspitze
unterliegt, noch dünner als die Hartstoff schicht der Kontaktspitze vorzusehen,
um ihren elektrischen Ubergangswiderstand noch kleiner zu machen.
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Der Hartstoff'der Hartstoffschicht kann aus einer einzigen Verbindung
oder dergl. bestehen. Jedoch ist es auch möglich, daß die Hartstoffschicht aus mehreren
unterschiedlichen Hartstoffen zusammengesetzt ist undioder zusätzliche Legierungsbestandteile
oder
dergl. enthält oder in sie eingebaut sind. Besonders günstig
ist es, wenn die Hartstoffschicht aus Karbid oder Nitrid oder Borid besteht. In
vielen Fällen kann auch vorgesehen sein, daß sie elektrisch leitfähiges Karbid,
Nitrid oder Borid enthält, d.h. außer dem Karbid bzw. Nitrid bzw. Borid noch mindestens
einen weiteren Bestandteil enthält, der ihre Härte und/oder ihre elektrische Leitfähigkeit
und/oder ihre chemische Beständigkeit noch erhöht.
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Das Karbid kann vorzugsweise Titankarbid, Zirkoniumkarbid, Vanadinkarbid,
Niobkarbid, Tantalkarbid oder Wolframkarbid sein. Das Nitrid kann vorzugsweise Titannitrid
oder Zirkoniumnitrid sein. Das Borid kann vorzugsweise Titanborid, Zirkoniumborid,
Vanadinborid, Niobborid, Tantalborid, Molybdänborid oder Wolframborid sein.
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Einige geeignete Karbide, Nitride oder Boride haben folgende chemischen
Formeln: WC, TaC, Ta2C, NbC, Nb2C, VC, ZrC, TiC, TiN, ZrN, TiB, TiB2, ZrB, ZrB2,
ZrB15, VB, Veb21 Nb321 TaB2, Mo2B5, Mo2B2, W2B5.
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Hartstoffe dieser chemischen Formeln sind im Fachbuch KIEFFER-BENESOVSKY
Hartstoffe, Springer-Verlag,
Wien, 1963, beschrieben. Es kommen
auch elektrisch leitfähige Nitride, Karbide und Boride anderer chemischer Zusammensetzungen
infrage. Auch sind manche metallische Hartstoffe nichtstöchiometrische Verbindungen
bzw.
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es braucht manche Verbindung nicht den Wertigkeitsvorstellungen der
Elemente zu entsprechen. Bspw. können Karbide nichtstöchiometrische Verbindungen
sein, siehe Römpps Chemisches Wörterbuch, wie oben, S. 119.
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Für das Aufbringen der Hartstoffschicht auf den betreffenden Metallkörper
sind neben anderen Verfahren vor allem geeignet das CVD-Verfahren (Chemical Vapor
Deposition) sowie das PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition). Zu letzterem Verfahren
gehört die Kathodenzerstäubung (Sputtern) und das ionenunterstützte Aufdampfen (Ion-Plating).
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Der bezüglich des Erzielens hoher Lebensdauer kritischste Punkt eines
solchen elektrischen Kontaktbausteines ist seine Kontaktspitze. Es genügt deshalb
oft, nur diese Kontaktspitze mit einer dünnen metallischen Hartstoffschicht zu überziehen.-
Falls der Kontaktbaustein noch Kontaktflächen hat, die relativ zueinander beweglich
sind und in elektrischem, den Meß- oder Prüfstrom übertragenden Kontakt miteinander
stehen und durch die relative Beweglichkeit ebenfalls Verschleiß unterliegen, kann
man hier jedoch vorzugsweise ebenfalls Beschichtung mindestens einer dieser Kontaktflächen
mit Hartstoff der beschriebenen Eigenschaften in
geringe Übergangswiderstände
ergebenden dünnen Schichtdicken von ebenfalls vorzugs-.
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weise 0,5 -IOIUm vorsehen. Da solche relativ zueinander beweglichen
Kontaktflächen jedoch meist erheblich geringerem Verschleiß als die Kontaktspitze
des Kontaktbausteines ausgesetzt sind, genügen an diesen relativ zueinander beweglichen
Flächen oder an einer von ihnen in vielen Fällen auch andere Beschichtungen, beispielsweise
sie chemisch hartzuvernickeln, oder es kann von Beschichtungen hier manchmal abgesehen
werden, ohne die Lebensdauer des Kontaktbausteines zu verkürzen.
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Der elektrische Kontaktbaustein kann im übrigen von üblicher Bauart
sein, insbesondere ein Kontaktbaustein, wie er in dem Prüfen von Leiterplatten dienenden
-Adapterplatten eingesetzt wird. Solche Kontaktbausteine bestehen meistens aus einem
Mantelrohr, dem Kontaktkolben und einer ihn ständig belastenden Feder. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf derartige Kontaktbausteine beschränkt, sondern sie ist auch
bei anderen Kontaktbausteinen anwendbar. So kann beispielsweise der Kontaktbaustein
gegebenenfalls nur aus einem dem Kontaktieren der Prüflinge dienenden drahtförmigen
Kontaktstift bestehen, der zumindest an seiner Kontaktspitze mit einer dünnen metallischen
Hartstoff schicht versehen ist.
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Wn der Zeichnung ist ein Kontaktbaustein gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung teilweise geschnitten dargestellt.
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Der dargestellte Kontaktbaustein 10 besteht aus einem metallischen
Mantelrohr 11, einem metallischen, als Kontaktierglied dienenden Kontaktkolben 12
und einer metallischen Schraubenfeder 13. Der massive Kontaktkolben 12 besteht aus
einem im Mantelrohr 11 in einem Schiebesitz geführten, im Durchmesser verbreiterten,
kreiszylindrischen Führungsteil 14, an das koaxial ein gerader Stift 15 mit einer
an seinem freien Ende befindlichen Kontaktspitze 16 einstückig anschließt.
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Das Metall des Kontaktkolbens 12 wie auch das Metall des Mantelrohres
11 ist elektrisch gut leitfähig,bspw.Messing.
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Der metallische Kontaktkolben 12 ist auf seiner ganzen Oberfläche
mit einer dünnen Hartstoffschicht 18 aus metallischem Hartstoff versehen. Die Dicke
dieser Schicht 18 kann vorzugsweise 0,5 -10 t betragen und ist in der Zeichnung
übertrieben dick dargestellt.
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Es genügt jedoch oft bereits, zur bedeutenden Erhöhung der mit diesem
Kontaktbaustein 10 vornehmbaren Anzahlen von Meß- und Prüfvorgängen nur die mit
Prüflingen, wie Leiterplatten oder dergl., in Kontakt kommende Kontaktspitze 16
des Kontaktiergliedes 12 mit einer solchen dünnen Hartstoffschicht 18 zu versehen.
Jedoch ist es meist besonders günstig, wenn auch die Umfangsfläche 17 des Führungsteiles
14 ebenfalls mit einer solchen dünnen metallischen Hartstoffschicht 18 versehen
ist. Aus Herstellungsgründen ist es dabei zweckmäßig, die gesamte Oberfläche des
Kontaktkolbens 12 mit einer solchen dünnen Hartstoffschicht 18 zu versehen. Dieser
Kontaktkolben 12 weist trotz
der geringen Dicke der Hartstoffschicht
18 im Betrieb sehr hohe Lebensdauer auf, kann also sehr viele Prüf- oder Meßvorgänge
bei ungefähr gleichbleibenden elektrischen Eigenschaften, insbesondere geringen
elektrischen Übergangswiderständen ausüben.
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Desgleichen ist es besonders zweckmäßig, um auch für die Innenumfangswand
20 des Mantelrohres 11 ebenfalls sehr hohe Verschleißfestigkeit bei ebenfalls geringem
elektrischen Übergangswiderstand zu erreichen, sie zumindest am vom Führungsteil
14 kontaktierten Bereich ebenfalls mit einer solchen dünnen Schicht 18 aus metallischem
Hartstoff zu versehen. Und zwar gleitet das Führungsteil 14 an dieser Innenumfangswandung
20 im Betrieb axial hin und her und kontaktiert sie ständig, so daß sie ebenfalls
eine elektrische Kontaktfläche des Kontaktbausteines 10 bildet.
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Es können also vorzugsweise die Kontaktflächen 17, 20 ebenfalls mit
dünnen Schichten 18 aus metallischem Hartstoff versehen sein, um hier ebenfalls
sehr hohe Verschleißfestigkeit bei sehr geringem elektrischen Übergangswiderstand
zu erreichen, der sich während der Lebenszeit des Kontaktbausteines nicht oder nicht
störend ändert.
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Die Feder 13 stützt sich an der rückwärtigen, eine mittige Bohrung
aufweisende Rückwand 22 des Mantelrohres 11 ab und liegt unter ständiger Vorspannung
an der ebenen Rückseite des Führungsteiles 14 an und drückt so den Kolben 12 in
die dargestellte Stellung, in der sein
Führungsteil an die vordere
Stirnwand 23 des Mantelrohres 11 angedrückt ist. Wenn dieser Kontaktbaustein im
Betrieb eine Leiterplatte oder dergl. mit seiner Kontaktspitze 16 kontaktiert, wird
das Kontaktierglied 12 gegen die Wirkung der Feder 13 in Richtung des Pfeiles A
verschoben, wobei sich die elektrisch leitenden Eigenschaften dieses Kontaktbausteines
10 praktisch nicht ändern, so daß es den Meß- oder Prüfstrom, von dem es bei jeder
Messung oder Prüfung durchflossen wird, in seiner Größe wegen des geringen elektrischen
Widerstandes nicht störend beeinflußt.
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Dieser Kontaktbaustein 10 kann vorzugsweise in einer nicht dargestellten
Adapterplatte eingesetzt werden, die eine Vielzahl solcher Kontaktbausteine trägt,
um gleichzeitig eine Vielzahl von elektrisch zu prüfenden oder zu messenden Punkten
von Leiterplatten oder dergl. elektrisch messen bzw. prüfen zu können. Der Durchmesser
des Mantelrohres 11 kann deshalb wie üblich sehr klein sein.
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Der beim Prüfen einer Leiterplatte oder dergl diesen Kontaktbaustein
10 durchströmende Strom tritt an der Kontaktspitze 16 in den Kontaktkolben 12 ein
und strömt von seinem Führungsteil 14 über die Kontaktflächen 17, 20 und gegebenenfalls
auch mit über die Feder 13 in das-Mantelrohr 11 über. Vom Mantelrohr 11 aus kann
der Strom über eine nicht dargestellte Steck-oder Lötverbindung weitergeleitet werden.
Die Stromrichtung kann natürlich auch entgegengesetzt verlaufen oder es kann auch
Wechselstrom für die Prüfung bzw.
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Messung vorgesehen sein.
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