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Federkontaktstift
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Die Erfindung betrifft einen Federkontaktstift für Prüfvorrichtungen,
die dem Prüfen von elektrischen, insbesondere elektronischen Prüf lingen, wie Leiter
platten oder dergl., dienen.
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Prüfvorrichtungen dieser Art sind bekannt (Z.B.
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KRÜGER zPrüfmittel zur elektrischen Prüfung von Leiterplatten für
Uhren", Jahrbuch der Deutschen Gesellschaft für Chronometrie, Band 30, 1979, S.
269-276).
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Solche Prüfvorrichtungen dienen der Prüfung von Leiterplatten oder
sonstigen elektrischen, insbesondere elektronischen Bauteilen, um neu hergestellte
Leiter platten oder dergl. vor oder nach ihrer Bestückung auf ihre Fehlerfreiheit
rasch und einfach überprüfen bzw. durchmessen zu können, indem der Prüfling an mehreren
oder im allgemeinen meist sehr vielen Stellen gleichzeitig durch Federkontaktstifte
der Prüfvor-
richtung elektrisch kon taktiert wird. Die Prüfatellen
sind dabei oft sehr nahe beieinander, und zwar um so näher, je schmaler die Leiter
und je kleiner die Leiterabstände des Prüflings sind. Und zwar dienen derartige
Prüfvorrichtungen überviegend dazu, die Leiterbahnen noch unbestückter Leiterplatten
auf Kurzschluß zwischen benachbarten Leiterbahnen oder andere Fehler der Leiterbahnen,
bspw. Unterbrechungen oder dergl., zu prüfen, bevor sie mit weiteren elektronischen
Kcmponentenbestückt werden. Man kann in vielen Fällen auch solche Prüfvorrichtungen
nicht nur für die vorbeschriebenen Prüfzwecke einsetzen, sondern auch für Meßzwecke,
ggfs. für Meßzwecke bereits bestückter Leiterplatten oder sonstiger elektronischer
Bauteile, bspw. für Widerstandsmessungen und dergl.
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Bei der Prüfung eines Prüflinge werden die freien Enden der Kontaktbolzen,
die insbesondere Spitzen oder Köpfe bilden, an die betreffenden zu prüfenden Stellen
des jeweiligen Prüflings in gutem elektrischem Kontakt mit ihnen angedrückt. Die
Andrückkraft liegt meist in einem Bereich von ca. 80-500 cN und wird durch die Feder
des betreffenden Federkontaktstiftes aufgebracht. Der Federkontaktstift dient dabei
dazu, mit der betreffenden jeweils zu prüfenden Stelle des jeweiligen Prüflinge
in guten elektrischen Kontakt zu kommen und einen elektrischen Leiter geringen Durchgangswiderstandes
zu bilden. Der Federkontaktstift wird mit seinem rückwärtigen Ende oder
rückwärtigen
Endbereich in der Prüfvorrichtung normalerweise an einen weiterführenden elektrischen
Leiter angeschlossen, welcher normalerweise zu einem Auswerter führt, der bei der
Prüfung eines jeden Prüflings nach Anlegen der elektrischen Spannung oder Spannungen
die von den Federkontaktstiften mit geleiteten elektrischen Ströme bzw. elektrischen
Spannungen dahingehend auswertet, ob der Prüfling elektrisch ein wandfrei ist oder
nicht.
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Damit der Auswerter einwandfrei arbeiten kann, ist es wichtig, daß
die ihn mit dem jeweiligen Prüfling elektrisch verbindenden Leiter geringe elektrische
Widerstandswerte haben, die in meist relativ engen Grenzen liegen sollten, wobei
es um so günstiger ist, je enger diese Grenzen gehalten werden können und je niedriger
diese Widerstandswerte sind. Diese Widerstandswerte sind entscheidend abhängig von
den Durchgangswiderständen der die elektrischen Leiter mit bildenden Federkontaktstiften.
Der elektrische Durchgangswiderstand eines Federkontaktstiftes ist sein ohm'scher
Widerstand von dem freien Ende seines Kontaktbolzens aus bis zu seinem rückwärtigen
Anschlußende. Dieser Durchgangswiderstand ist entscheidend abhängig von dem ohm'schen
Obergangswiderstandazwlschen dem Kolben des Kontaktbolzens und dem den Kolben enthaltenden
Zylinder des Zylindergliedes.
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Bei einem in der Bundesrepublik Deutschland offenkundig vorbenutzten
Federkontaktstift dieser Art
(nachfolgend als Zvorbenutster Federkont6ktstlft"
bezeichnet) bestand der Zylinder aus Bronze. Der Grundkörper des Kontaktbolzens
bestand aus Stahl und war mit einer Nickelschicht einer Schichtdicke von 0,5 pm
beschichtet. Auf diese Nickelschicht war noch eine 2 µm dicke GoldxSdshtaus Hartgold-(Gold-Kobalt-Legierung)
aufgebracht.
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Die Nickelschicht diente als Diffusioflssperre, die die Diffusion
des Goldes in den Grundkörper verhindern soll. Der unter betriebsmäßigen Bedingungen
gemessene Durchgangswiderstand solcher vorbenutzter Federkontaktstifte erhöhte sich,
vermutlich durch Verschleiß des Kolbens, mit zunehmender Anzahl von Lastwechseln.
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Unter einem Lastwechsel ist eine einmalige betriebsmäßige Belastung
des Kontaktbolzens des Federkontaktstiftes verstanden. So stieg bei untersuchten
Federkontaktatiften dieser Bauart ihr elektrischer Durchgangswiderstand nach einigen
haxirttaand Lastwechseln mit zunehmender Anzahl der weiteren Lastwechsel stetig
an und lag bei 1,6.106 Lastwechseln weit über dem anfänglichen Durchgangswiderstand,
insbesondere 50 % und mehr darüber. Obwohl der Durchgangswiderstand dieser vorbenutzten
Kontaktstifte relativ gering war, ist es dennoch erwünscht, möglichst noch niedrigere
Durchgangswiderstände zu erhalten.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung1 einen Federkontaktstift gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend zu verbessern, daß er besonders geringen
elektrischen Durchgangswiderstand erhält und/oder seinen elektrischen Durchgangswiderstand
über möglichst viele Lastwechsel nicht stark ändert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Federkontaktstift gemäß
Anspruch 1 gelöst.
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Und zwar läßt sich völlig überraschend der elektrische Durchgangswiderstand
des Federkontaktstiftes durch mehr oder weniger starke, vorzugsweise sehr starke
Verringerung der Dicke der äußeren Schicht deutlich verkleinern, wobei vorzugsweise-mehr
oder weniger starke, vorzugsweise starke Vergrößerung der Dicke der inneren Schicht
vorgesehen sein kann. Dabei besteht die äußere Schicht aus Edelmetall oder Edelmetallen
oder weist Edelmetall oder Edelmetalle auf. Wenn die äußere Schicht nur teilweise
aus Edelmetall oder Edelmetallen besteht, können das Edelmetall oder die Edelmetalle
in ihr zweckmäßig ungefähr homogen verteilt sein.
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Die Erfindung ermöglicht erhebliche Verringerung des elektrischen
Durchgangswiderstandes. Dies ist völlig überraschend, da wegen der Verringerung
der Schichtdicke der äußeren Schicht genau das Gegenteil hätte erwartet werden müssen.
Ferner zeigte sich, ebenfalls völlig überraschend, daß trotz der Verringerung der
Dicke der äußeren Schicht der Verschleiß dieser Schicht äußerst niedrig ist und
sich sogar stark verringern kann.
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Die Erfindung ermöglicht auch, daß sich der elektrische Durchgangswiderstand
des Federkontaktstiftes mit steigender Anzahl der Lastwechsel weniger, insbesondere
besonders wenig ändert. Auch dies ist völlig überraschend.
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Die äußere Schicht kann vorzugsweise gemäß einem der Ansprüche 3-7,
15, 23 oder 25 bis 44 vorgesehen sein.
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Wichtig ist, daß der Umfang des Kolbens des Kontaktbolzens und/oder
der Kolben laufbahn des Zylinders des Zylindergliedes mit einer neuartigen Beschichtung
versehen
ist. Wenn dabei die Gesamtoberfläche des Kontaktbolzens erfindungsgemäß beschichtet
wird, kann sich die äußere Schicht an der freien Spitze des Kontaktbolzens oft relativ
rasch abnützen, was sich-jedoch auf den elektrischen Dutchgangswiderstanddes Federkontaktstiftes
praktisch nicht auswirkt.
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Die Erfindung erbringt also mehrere, jeweils für sich völlig überraschende
Effekte.
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Obwohi die Erfindung besonders vorteilhaft ist, wenn die äußere Schicht
dünner als die innere Schicht ist, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, da
es auch denkbar ist, daß in manchen Fällen die innere Schicht auch dünner als die
äußere Schicht sein kann.
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Bevorzugt kann die Dicke der äußeren Schicht max. 1,5 pm, vorzugsweise
max. 1 pm betragen, insbesondere 0,3 bis 1,0 Sm. Besonders günstig ist es, wenn
die Dicke der äußeren Schicht max. 0,7 Sm ist. Auch kann die Dicke der äußeren Schicht
zweckmäßig mindestens 0,2 pm betragen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Dicke der äußeren Schicht ca.
0,3 bis 0,6 ptm beträgt, vorzugsweise ungefähr 0,4 bis 0,5 pm, insbesondere ca.
0,5 pm. Die Dicke der äußeren Schicht kann ggfs. auch kleiner als 0,2 Fm sein. Eine
besonders günstige Dicke der äußeren Schicht ist auch 0,4 bis 0,6 Am.
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Die Dicke der Diffusionssperrschicht, d, h. der inneren Schicht kann
vorteilhaft gleich oder größer als 2 Fm sein. Besonders günstig ist es, wenn die
Dicke dieser
inneren Schicht max. ca. 7 Sm beträgt. Vorzugsweise
Werte für die Dicke der inneren Schicht sind 3 bis 6 Fm, insbesondere ca. 5 Cun.
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Die eine Diffusionssperre für zumindest die Edelmetallatome, wie Goldatome
undvoder sonstige Edelmetallatome, der äußeren Schicht bildende innere Schicht kann
in vielen Fällen zweckmäßig Reinstnickel oder aber auch Nickel mit Zusätzen, vorzugsweise
eine Nickellegierung oder Nickelbasislegierung, besonders zweckmäßig Hartnickel
sein. Wenn diese innere Schicht galvanisch auf den Kontaktbolzen bzw. in das Zylinderglied
aufgebracht wird, kann sie zweckmäßig Reinstnickel sein. Reinstnickelschichten werden
auch als Mattnickelschichten bezeichnet, da sie sogenannte verzahnende Oberflächen
aufweisen.
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Bei der inneren Schicht kann es'sich auch um eine chemisch aufgebrachte
Schicht handeln, wobei zwischen den Nickelatomen noch andere Atome eingelagert sein
können, vorzugsweise Bor oder Phosphor. Das Bor kann bevorzugt in einer Menge von
4 bis 5 Gew.% und der Phosphor bevorzugt in einer Menge von ca. 8 Gew. % vorhanden
sein. Methoden, um derartige Schichten aufzubringen und die entsprechenden Bäder
dazu sind bekannt. So werden z. B. die Boratomedurch Zusatz von Natrium-Bor-Hydrid,
die Phosphoratome durch Zusatz von Natrium-Hypophosphid in die entsprechenden Bäder
aufgebracht. Es ist'dabei für erfindungsgemäße Federkontaktstifte besonders günstig,
wenn die Abscheidung unter Bedingungen erfolgt, daß diese relativ schnell
verläuft.
Es bildet sich dann eine Nickelschicht mit den Zusätzen von Bor bzw. Phosphor in
einer Blumenkohlstruktur oder Stempelstruktur. Derartige Schichtensind für die innere
Schicht erfindungsgemäßer Federkontaktstifte besonders geeignet.
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Die innere Schicht kann ggfs. auch aus anderen, Nickel als Bestandteil
oder überw@egenden Bestandteil enthaltenden Substanzen bestehen. Die innere Schicht
kann vorteilhaft mindestens 50 Gew.%NiekeI, Vorzugsweise mindestens 90 Gbw.% Nickel
enthalten.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die innere Schicht
relativ hohe Härte aufweist. Vorzugsweise kann ihre Härte mindestens 300 Vickers
betragen. Noch günstiger sind noch höhere Härten, bevorzugt Härten von mindestens
400 Vickers, besonders günstig mindestens 600 Vickers. Härten im Bereich von 800
bis 1000 Vickers sind besonders vorteilhaft. Acchnoch höhere HAw ten, vorzugsweisebiß
ca. 1200 Vidhars, können günstig sein.
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Die Härte der Nickelschicht kann durch Zusätze zum Nickel erhöht werden,
insbesondere durch Zusetzen der erwähnten Boratome bzw. Phosphoratome.
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Derartige Federkontaktstifte, auf die sich die Erfindung bezieht,
haben sehr kleine Durchmesser, damit sie in hoher Besetzungsdichte an einem sie
aufnehmenden Adapter oder dergl. angeordnet werden können. Der maximale Durchmesser
des Zylindergliedes kann vorzugsweise ca. 0,4 bis 3 mm und der Durch-
messer
des Kolbens des Kontaktbolzens kann vorzugsweile 0,2 bis 2 mm betragen.
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Ferner kann zweckmäßig der Grundkörper des Kontaktbolzens aus Stahl
oder Kupfer-Beryllium bestehen. Der Zylinder des Federkontaktstiftes kann bevorzugt
aus Bronze bestehen, ggfs. auch innenseitig und/oder außenseitig beschichtet sein,
vorzugsweise mit einer dünnen Silberschicht. Auch andere Metalle sind für den Grundkörper
des Kontaktbolzens und den Grundkörper des Zylinders denkbar.
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Meist ist es ausreichend und für geringe Herstellungskosten besonders
günstig, wenn nur der Kontaktbolzen eine erfindungsgemäße Beschichtung aufweist.
Diese Beschichtung kann den gesamten Kontaktbolzen oder auch nur einen oder mehrere
Bereichevon ihm bedecken.
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So ist es zumindest in vielen Fällen vorteilhaft und ausreichend,
nur den Kolben des Kontaktbolzens oder nur den Umfang des Kolbens dieses Kontaktbolzens
mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen.
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Es ist jedoch auch möglich und ebenfalls vorteilhaft, auch den Zylinder,
vorzugsweise seine Kolbenlaufbahn, mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen.
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In diesem Falle ist dann eine erfindungsgemäße Beschichtung des Kontaktbolzens
nicht unbedingt erforderlich, doch kann sie in vielen Fällen ebenfalls vorteilhaft
vorgesehen sein.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungabeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 einen Federkontaktstift gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
in teilweise gebrochener und teilweise längegeschnittener Darstellung, Fig. 2 einen
stark vergrößerten Ausschnitt des Kontaktbolzens des in Fig. 1 dargestellten Federkontaktstiftes.
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In Fig. 1 ist mit 10 die ebene Platte eines Adapters strichpunktiert
angedeutet, in die eine Vielzahl von Federkontaktstiften, und zwar im allgemeinen
mehrere bis viele tausend Federkontaktstifte, fest eingesetzt sein können, von denen
ein Federkontaktstift 11 lAngsgeschnitten dargestellt ist. Dieser Federkontaktstift
11 besteht aus einem Zylinderglied 14, einem Kontaktbolzen 18 und einer den Kontaktbolzen
18 in auswSrtiger Richtung belaatenden, im Inneren des Zylinders 15 des Zylindergliedes
14 angeordneten, an dem Innenraumboden 16 sich abstützenden, vorgespannten Schraubendruckfeder
19. An das geschlossene rückwärtige Ende des 'rohrförmigen Zylinders 15 schließt,
noch ein im Duz.chmesseretwas verkleinerter metallischer Ver'längerungsstift 12
einstückig an.
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Alle Teile dieses Federkontaktstiftes 11 sind zweckmäßig aus Metall
bzw. Metallegierungen. Das Zylinderglied 14, dessen verlängerungsstift 12
oft
auch weggelassen werden kann, kann zweckmäßig einstückig sein und au. einem elektrisch
gut leitenden Metall, vorzugsweise aus Bronze oder versilberter Bronze bestehen.
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Der Xontaktbolzen 18 weist einen Kolben 21, einen schaft 22 und einen
dem Kontaktieren von Prüfstellen von Prüf lingen, wie Leiterplatten oder dergl,
von denen eine ausschnittsweise strichpunktiert bei 23 angedeutet ist, dienenden,
am freien Ende spitz zulaufenden, verbreiterten Kopf 24 auf. Dieser Kontaktbolzen
18 weist einen einstückigen, metallischen Grundkörper 20 auf, der vorzugsweise aus
Stahl oder Kupfer-Beryllium bestehen kann und der in diesem Ausführungsbeispiel
über seine gesamte Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 25 versehen
ist, die sich also insbesondere auch auf dem Umfang des Kolbens 21 befindet.
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Diese Beschichtung 25 besteht aus einer chemisch, galvanischoder auf
sonstige Weise direkt auf den Grundkörper 20 aufgebrachten dünnen Diffusionssperrschicht
innere Schicht) 26 und einer dünnen äußeren Schicht 27, die direkt auf die innere
Schicht 26 ebenfalls chemisch, galvanisch oder auf sonstige Weise aufgebracht ist.
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Die innere Schicht26 besteht aus Reinstnickel oder einer Substanz,
die als Hauptbestandteil Nickel enthält, vorzugsweise einer Nickel-Legierung, insbesondere
aus Hartnickel. Diese innere Schicht 26 weist vor-
zugsweise relativ
große Härte auf. Die Härte kann bevorzugt mindestens 300 Vickers, insbesondere mindestens
400 Vicker., besonders zweckmäßig 600 und mehr Vickers betragen. Wenn diese innere,
metallische elektrische Leitfähigkeit aufweisende Schicht 26 nicht aus Reinstnickel
besteht, kann ihr Nickelanteil vorzugsweise mindestens 50 Gew.* betragen. Die ebenfalls
metallische elektrische Leitfähigkeit aufwelsende äußere Schicht 27 besteht aus
Edelmetall oder einer Edelmetall enthaltenden Legierung. Die Dicke dieser äußeren
Schicht 27 ist kleiner als 2 Cun.
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Die Dicken und die Stoffe der äußeren Schicht 27 und der inneren Schicht
26 sind so getroffen, daß der elektrische Durchgangswiderstand des Federkontaktstiftes
11, gemessen von der Spitze des Kontaktkopfes 24 bis zum freien Ende 32 des Verlängerungsstiftes
12, erheblich kleiner ist, als wenn die innere Schicht 26 eine Dicke von 0,5 pmund
die äußere Schicht 27 eine Dicke von 2 :zn aufweisen würde.
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Vorzugsweise kann die erfindungsgemLße Beschichtung so ausgebildet
sein, daß der elektrische Durchgangswiderstand des Federkontaktstiftes höchstens
das 0,7-fache, vorzugsweise höchstens das 0,4-fache, besonders zweckiuäßig nur ca.
113 bis 1/5 oder noch weniger als der elektrische Durchgangswiderstand eines gleich
gestalteten Federkontaktstiftes, jedoch mit einer Dicke der inneren Schicht von
0,5 em und der äußeren Schicht von 2 ym beträgt.
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Der angedeutete Prüfling 23 weist in diesem Ausführungabeispiel als
Prüfstelle 29 ein Stück einer Leiterbahn oder dergl. auf, die durch diesen Federkontaktstift
11 zwecks elektrischer Verbindung mit einem nicht dargestellten Auswerter der diesen
Federkontaktstift 11 aufweisenden Prüfvorrichtung elektrisch verbunden ist. Und
zwar führt zu diesem Auswerter vom Ende des Verlängerungsstiftes 1.2 aus ein elektrischer
Leiter 30. Bei einem Prüfvorgang wird die Platte 10 bzw. die Leiterplatte 23 so
bewegt, daß der Kontaktbolzen 18 durch die zu prüfende Stelle 29 der Leiterplatte
23, mit der der Kontaktkopf 24 in Kontakt kommt, einige Millimeter nach links unter
stärkerem Zusanrmenpreesen der Feder 19 gedrückt wird, wobei der kreiszylindrische
Kolben 21 auf der kreiszylindrischen Kolbenlaufbahn 31 des Zylinders 15 des Zylindergliedes
14 gleitet. Sobald. diese Bewegung der Platte 10 bzw. der Leiterplatte 23, die den
Kolben 21 einwärts in den Zylinder 15 drückt, beendet ist, wird elektrische Prüf
spannung angelegt und es fließt ein Prüfstrom, der mit durch den Federkontaktstift
über dessen gesamte Länge strömt und der im Auswerter ausgewertet wird. Der. elektrische
Durchgangswiderstand ist wesentlich bestimmt durch den elektrischen Übergaagswiderstand
zwischen dem Kolben 21 und dem Zylinder 15.
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Dieser Federkontaktstift 11 hat dank der erfindungsgemäßen Beschichtung
25 einen extrem niedrigen elektri-
schen Durchgangswiderstand,
der sich auch nach sehr vielen Lastwechseln nicht erhöht oder nur wenig erhöht.
Außerdem ist der Verschleiß der äußeren Schicht 27 auf der Umfangsfläche des Kolbens
21 extrem gering, so daß die Erfindung auch die Xiöglichkeit schafft, sehr hohe
Standzeiten des Federkontaktstiftes erreichen zu lassen, wie sie mit demtvorbeschriebenen,.offenkundig
vorbenutzten Federkontaktstift nicht erreicht wurden.
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Es sei ferner noch erwähnt, daß der Kolben wegen seiner axialen Belastung
durch die Feder 19 mit nur geringer Kraft an der Kolbenlaufbahn 31 des Zylinders
15 anliegt. Trotz dieses hierdurch geringen Anlagedruckes ergeben sich durch die
Erfindung extrem niedrige Durchgangswiderstände des Federkontaktstiftes 11, wie
sie bisher nicht erreichbar waren.
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Die Beschichtung 25 ist wegen des geringen Edelmetallbedarfs der äußeren
Schicht 27 auch kostengünstig.
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Unter einer Legierung ist ein aus mehreren Komponenten bestehender
Stoff mit den Eigenschaften von Metallen verstanden, also auch mit metallischer
elektrischer Leitfähigkeit. Die Legierung kann vollständig aus Metall bestehen.
Es kann jedoch oft auch zweckmäßig vorgesehen sein, daß die Legierung außer mindestens
einem Metall auch mindestens ein Halbmetall oder Nichtmetall enthält. Die nichtmetallische
bzw.
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halbmetallische Komponente oder mindestens eine der nichtmetallischen
bzw. halbmetallischen Komponenten der Legierung, wenn sie mindestens eine solche
Komponente enthält, kann oder können vorzugsweise ebenfalls ein Element bzw. Elemente
sein, wie Phosphor, Bor, Wasserstoff oder dergl., in manchen Fällen jedoch auch
eine chemische Verbindung bzw.
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chemische Verbindungen sein. Die äußere Schicht 27 der Beschichtung
25 kann vorzugsweise mindestens 50 Gew.% Edelmetall, besonders zweckmäßig mindestens
90 Gew.% Edelmetall enthalten.
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Die innere wie auch die äußere Schicht können oft zweckmäßig frei
von Verunreinigungen sein oder aber oft auch geringe Mengen Verunreinigungen enthalten.