DE4224012C1 - Lötfähiges elektrisches Kontaktelement - Google Patents

Lötfähiges elektrisches Kontaktelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein lötfähiges elektrisches Kontaktelement aus einem Träger aus einer Eisen-Nickel-Legierung und einem darauf angeordneten Schichtensystem aus einer metallischen Schicht und einer auf einem Teil der Oberfläche der metallischen Schicht aufgebrachten Lötschicht aus einer Legierung aus 60-90 Gewichts-% Gold und 10-40 Gewichts-% Zinn.
Aus DE 30 28 044 C1 ist ein lötfähiges Schichtensystem aus einer Lötschicht aus zum Beispiel Kupfer oder Eisen und einer diese überdeckenden Korrosionsschutzschicht bekannt. Das Schichtensystem kann die lötfähige Anschlußstelle einer auf einem zum Beispiel aus Glas, Silicium, Epoxid oder Keramik bestehenden Träger befindlichen Leiterschicht einer Flüssigkristallanzeige sein. Ist die Korrosionsschutzschicht dünn, so gelangt beim Lötvorgang das Lot durch die porösen Stellen der Korrosionsschutzschicht und stellt so den Kontakt her. Ist die Korrosionsschutzschicht dicker, so muß sie vor dem Lötvorgang entfernt werden.
In DE 40 25 622 A1 wird ein Antischlußkontakthöcker für Halbleitersysteme, insbesondere Halbleitersysteme von integrierten Schaltkreisen, beschrieben, der auf einem mit einer Barriereschicht versehenen Leiter, üblicherweise aus Aluminium, aufgebracht ist und aus Gold und Zinn besteht. Der Anschlußkontakthöcker weist in dem der zum Beispiel aus Titan/Wolfram bestehenden Barriereschicht benachbarten Bereich eine unlegierte Goldschicht und in dem der Barriereschicht abgewandten Bereich eine Schicht aus einer Gold-Zinn-Legierung aus 80 Gewichts-% Gold und 20 Gewichts-% Zinn auf.
Nach "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", A. Keil u. a., Springer-Verlag 1984, besonders Seite 263, linke Spalte, wird Zinn mit geringen Silberzusätzen als Weichlot verwendet, wenn von dem Lot eine besondere Korrosionsbeständigkeit verlangt wird. Die Legierung mit 3,5% Silber weist eine gute Leitfähigkeit auf und benetzt andere Metalle leicht.
Aus US-PS 33 67 756 ist ein Verbundwerkstoff aus einem metallischen Träger und einer darauf mechanisch aufgebrachten Plattierung aus einer Gold-Schicht und einer Gold-Zinn-Legierungsschicht mit einem Zinn-Gehalt von 15-25% bekannt. Der Träger kann zum Beispiel aus Nickel, Nickel-Eisen, Kovar® oder Molybdän bestehen.
Aus DE 39 32 536 C1 ist ein auf einem Träger aufgebrachter Kontaktwerkstoff für Steckverbinder bekannt. Der Kontaktwerkstoff besteht zum Beispiel aus einer Legierung aus 60-70 Gewichts-% Silber und 30-40 Gewichts-% Zinn und einer darauf befindlichen geschlossenen Deckschicht aus Zinnoxid.
EP 00 55 368 B1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden zweier Teile miteinander unter Verwendung eines goldreichen Lotes und einer auf die Oberfläche eines der beiden Teile aufgebrachten Kupfer-Schicht. Die nach dem Verfahren gebildete Lötverbindung besitzt, bedingt durch die Mitverwendung des Kupfers, einen höheren Schmelzpunkt als die lediglich mit dem goldreichen Lot erzeugte. Mit Hilfe des Verfahrens werden die metallisierte Fläche eines auf einem Keramik-Substrat befindlichen Chips und ein elektrischer Verbindungsstift aus mit Palladium und Gold überzogenem Kovar® unter Verwendung eines 80/20 Au/Sn-Lotes miteinander verbunden.
Nach EP 00 82 271 B1 werden Kovar-Legierungen, da sie in unerwünschter Weise mit Gold/Zinn-Loten reagieren, zunächst mit Gold plattiert.
EP 01 34 532 B1 betrifft Lot-Legierungen aus 60-80 Gewichts-% Gold, 15-30 Gewichts-% Indium und 5-10 Gewichts-% Zinn und ihre Verwendung zum Verbinden von elektrischen "input/output"-Steckverbinderstiften oder Halbleiterchips mit einem Substrat. Mit Hilfe dieser Legierungen werden mit Nickel und Gold plattierte Kovar®-Stifte und Keramik-Substrate durch Löten bei 510°C miteinander verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein lötfähiges elektrisches Kontaktelement der eingangs charakterisierten Art zu finden, dessen metallische Schicht aus einem Material besteht, das - bei Gewährleistung etwa gleicher elektrischer und physikalisch-chemischer Eigenschaften - preiswerter als Gold ist und gleichzeitig ebenso wie Gold das unkontrollierte Zerlaufen der Gold-Zinn-Lotlegierung auf der Oberfläche des Kontakt- und Verbindungselementes verhindert.
Das die Lösung der Aufgabe darstellende lötfähige elektrische Kontakt- und Verbindungselement ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (3) aus einer Legierung aus 50-90 Gewichts-% Silber und 10-50 Gewichts-% Zinn besteht.
Die Silber-Zinn-Legierungsschicht ist wesentlich preiswerter als eine Gold-Schicht und hinsichtlich der benötigten elektrischen bzw. physikalisch- chemischen Eigenschaften der Gold-Schicht gleichwertig.
Vorteilhaft ist es, daß die Silber-Zinn-Legierung einen Zinn-Anteil von 15 bis 40 Gewichts-% aufweist. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß zwischen dem Träger und der Silber-Zinn-Legierungsschicht eine Nickel-Schicht angeordnet ist. Diese Nickel-Schicht dient als Sperre für die Diffusion des Eisens aus der Eisen-Nickel-Legierung des Trägers in die Silber-Zinn-Legierungsschicht. Sie hat sich insbesondere in den Fällen als vorteilhaft erwiesen, in denen die Anwesenheit von Eisen die Eigenschaften der Silber-Zinn-Legierungsschicht in unerwünschter Weise verändern kann.
Die Verwendung von Nickel als "Diffusionsbremse" bei Mehrschichtwerkstoffen ist zum Beispiel aus "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", A. Keil u. a., Springer-Verlag 1984, Seite 19, bekannt.
Zur Verhinderung der Diffusion des Eisens in die Silber-Zinn-Legierungsschicht ist eine Nickel-Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 2 µm ausreichend. Die Silber-Zinn-Legierungsschicht weist eine Dicke von etwa 2-4 µm auf; auch größere Schichtdicken sind möglich, jedoch für die meisten Anwendungsfälle nicht sinnvoll.
Derartige Schichten können beispielsweise galvanisch oder durch Aufdampfen im Vakuum (PVD-Verfahren, "Physical Vapour Deposition") auf den Träger aufgebracht werden. Die Gold-Zinn-Legierung kann beispielsweise als Schmelztropfen aufgebracht werden oder als festes Material, etwa in Kugelform, wobei die Verbindung mit der Silber-Zinn-Legierungsschicht anschließend durch Aufschmelzen erfolgt. Bei dem Aufschmelzvorgang verformt sich die Gold-Zinn-Kugel zu einer Form ähnlich einem Kugelabschnitt. Die Größe der von der Gold-Zinn- Legierung benetzten Fläche kann dabei durch die Menge der aufgebrachten Gold- Zinn-Legierung beeinflußt werden. Selbst bei einer großflächigen Beschichtung des Trägers mit der Silber-Zinn-Legierungsschicht, die zugleich als Kontaktschicht für Feder-, Schleif- oder Steckkontakte verwendet werden kann, benetzt die Gold-Zinn-Legierung nur einen eng begrenzten Bereich der Silber-Zinn-Legierungsschicht.
Das Kontaktelement läßt sich mehrfach auf 330±5°C erwärmen, ohne daß die Lotschicht zerläuft.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Kontaktfeder in der Seitenansicht und
Fig. 2 einen Kontaktstift im Längsschnitt.
Das in Fig. 1 dargestellte elektrische Kontaktelement weist einen Träger 1 in Form eines flachen Streifens aus einer Eisen-Nickel-Legierung auf. Der Träger 1 ist mit einer Nickel-Schicht 2 als Diffusionssperre gegen die Diffusion des Eisens versehen. Auf dieser Nickel- Schicht 2 ist die Schicht 3 aus einer galvanisch aufgebrachten Silber-Zinn- Legierung aus 80 Gewichts-% Silber und 20 Gewichts-% Zinn und auf einem Teil der Oberfläche dieser Schicht die Lotschicht 4 angeordnet. Sie wird durch Auflegen einer Kugel aus einer Gold-Zinn-Legierung auf die Silber-Zinn-Legierungsschicht 3 und anschließendes Aufschmelzen durch eine mehrere Minuten dauernde Temperaturbehandlung bei etwa 305°C erhalten.
Eine weitere Ausführung zeigt Fig. 2. Hier ist die Lötverbindung an der Stirnseite des in zylindrischer Form vorliegenden Trägers 1 vorgesehen. Auf der Stirnseite sind in gleicher Weise, wie oben beschrieben, die Nickel- Schicht 2 und die Silber-Zinn-Legierungsschicht 3 angeordnet. Darauf ist, die Stirnseite bedeckend, die Lotschicht 4 in Form eines Kugelabschnittes aufgebracht.

Claims (3)

1. Lötfähiges elektrisches Kontaktelement aus einem Träger aus einer Eisen-Nickel-Legierung und einem darauf angeordneten Schichtensystem aus einer metallischen Schicht und einer auf einem Teil der Oberfläche der metallischen Schicht aufgebrachten Lotschicht aus einer Legierung aus 60-90 Gewichts-% Gold und 10-40 Gewichts-% Zinn, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (3) aus einer Legierung aus 50-90 Gewichts-% Silber und 10-50 Gewichts-% Zinn besteht.
2. Kontakt- und Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (3) aus einer Legierung aus 60-85 Gewichts-% Silber und 15-40 Gewichts-% Zinn besteht.
3. Kontakt- und Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (1) und der metallischen Schicht (3) eine Nickel-Schicht (2) angeordnet ist.
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