DE60006335T2 - Elektrolytisch abgeschiedener Edelmetallüberzug, der abriebfeste Partikel enthält - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft elektrische Anschlussstücke, Galvanisierbäder und Galvanisierverfahren.
• Die Tendenz in der heutigen Elektroniktechnologie geht bei elektronischen Anschlussstücken, z. B. Anschlussstücken für integrierte Schaltkreiselemente an eine gedruckte Schaltplatte, in Richtung Verkleinerung und erhöhte Anzahl von Kontaktelementen. Demnach nimmt der Eingangsdruck zu, wenn die Kontakte aufeinandertreffen, es sei denn, dass die Federkräfte verringert werden. Dies kann letztendlich zu unerwünschtem erhöhtem Verschleiß der Kontakte führen, wie beispielsweise entweder durch Reibungskräfte oder Kontaktwiderstand als Funktion der Verschleißzyklen gemessen wird.
• Verschiedene Typen von galvanisierten Verbundbeschichtungen sind auf dem Sektor der Galvanotechnik und anderen Sektoren bekannt. Beispielsweise beschreiben Henry et al. in US-A-4 830 889 und Feldstein in US-A-5 721 055 die gleichzeitige Abscheidung von fluoriniertem Polyethylen und Nickel aus einem stromlosen Nickelmetallisierbad. Historisch ist stromloses oder autokatalytisches Metallisieren immer als von der Galvanisiertechnik separate und abgegrenzte Technologie angesehen worden, da letztere elektrischen Strom erfordert, damit die Abscheidung stattfindet. Die metallisierten Gegenstände sind gemäß der Offenbarung von Feldstein Teile von Textilspinnmaschinen. Henry et al. beschreibt mehrere allgemeine Anwendungen für derartige gleichzeitige Abscheidungen. Es sei darauf hingewiesen, dass Henry et al. konstatieren, dass "fluorinierter Kohlenstoff in Galvanisierverfahren direkt gleichzeitig auf der Substratoberfläche abgeschieden worden ist", es werden jedoch keine Details oder Beschreibung des Verfahrens oder der Metalle gegeben, die abgeschieden werden. Itoh et al., US-A-5 103 637, betrifft eine Verbrennungsmotorkammer einer Rakete mit einer Oberfläche, die eine Metallmatrix, wie Nickel- oder Kupferlegierungen, mit darin dispergierten feuerfesten Partikeln wie Keramikoxidpartikeln aufweist. Die Oberfläche wird durch Galvanisieren gebildet. Tsuchiya et al., US-A-5 124 007, beschreiben zudem ein als Verbund galvanisiertes Nickel mit darin dispergierten Partikeln aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Wolframcarbid zur Verwendung auf Kolbenringen.
• SE-C-510 043 (ABB RES LTD), 12. April 1999 (1999-04-12) und DATABASE WPI Abschnitt Ch, Woche 199921 Derwent Publications Ltd., London, GB; Klasse L03, AN 1998-205933 XP002154543 offenbaren eine Kontaktoberfläche, die teilweise oder vollständig mit einem Verbundmaterial auf Silberbasis bedeckt ist, das verschleißbeständige Materialien enthält. Das Silber schließt außerdem organische Schwefelverbindungen ein, um die Oberflächenenergie des Verbundmaterials zu verringern.
• US-A-3 620 839 beschreibt Oberflächen von elektrischen Kontaktteilen, die sich relativ zueinander bewegen und mit diskreten Partikeln aus Graphit geschmiert werden, die an mindestens eine der Oberflächen gebunden sind.
• US-A-5 199 553 beschreibt einen beweglichen elektrischen Kontakt mit einem dazugehörigen Anschlussstück, wobei die Oberfläche mit einem Verbundmaterial beschichtet ist, bei dem Graphitteilchen in einer Silbermatrix dispergiert sind.
• Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird ein elektrisches Anschlussstück nach Anspruch 1 bereitgestellt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein Galvanisierbad nach Anspruch 7 bereitgestellt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein Galvanisierverfahren nach Anspruch 9 bereitgestellt.
• Ein Edelmetallgalvanisierbad zum Metallisieren einer Verbundschicht aus dem Edelmetall zusammen mit Schmierpartikeln und das Verfahren zum Metallisieren des Verbunds werden beschrieben.
• Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und ein Metallisierbad zum Beschichten der Oberfläche eines elektrischen Anschlussstücks mit einem leitfähigen Basismetall sowie das resultierende elektronische Anschlussstück, um ein Anschlussstück mit verbesserten Verschleißcharakteristika ohne bedeutsamen Verlust der Kontaktleitfähigkeit zu liefern.
• Das bevorzugte Verfahren umfasst insbesondere die Verwendung eines Galvanisierbads mit einer Anode und einer Kathode, und das eine wässrige Lösung von Palladiumionen und Kobaltionen mit darin dispergiertem schmierenden Fluorpolymer umfasst. Der zu metallisierende Artikel, wie ein elektronisches Anschlussstück, umfasst ein leitfähiges Basismetall, das selbst zu der Kathode des Bades gemacht wird oder sich in elektrischem Kontakt mit dieser befindet und in das Metallisierbad getaucht wird. Das Metallisieren wird initiiert, indem ein Strom durch das Bad geleitet wird, während das Bad bewegt wird. Die resultierende Abscheidung ist eine PdCo-Legierung mit dem darin dispergierten Fluorpolymer.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist eine schematische Darstellung einer galvanisierten Schichtstruktur, die in einem elektrischen Anschlussstück mit hoher Zuverlässigkeit und zur Messung des Gleitverschleißes brauchbar ist.
• 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zum Messen von Verschleiß und Reibungskräften auf einer Oberfläche brauchbar ist.
• 3 ist eine Tabelle des Reibungskoeffizienten verschiedener Edelmetallüberzüge als Funktion der Anzahl der Verschleißzyklen, gemessen durch einen Gleitverschleißtest.
• 4 ist eine graphische Darstellung der in 3 gezeigten Tabelle.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Im Allgemeinen verwenden moderne elektronische Zwischenverbindungen, die Anschlussstücke mit hoher Zuverlässigkeit benötigen, Edelmetallüberzüge, um niedrigen elektrischen Widerstand und Beständigkeit gegen Oxidation oder anderen chemischen Abbau zu liefern. Wenn anstelle der Verringerung der Federkraft die Eingangskraft verringert werden kann, wie durch Herabsetzen der Reibung zwischen zusammengehörenden Teilen, kann die Federkraft und somit die Zuverlässigkeit der Verbindung aufrechterhalten werden. Dies muss jedoch ohne irgendeinen bedeutsamen Anstieg des Kontaktwiderstands bewirkt werden.
• Wir haben nun gefunden, dass durch gleichzeitiges Abscheiden von Schmierpartikeln, wie fluoriniertem Polyethylen, mit einer galvanisierten Edelmetallschicht die Eingangskraftreibung ohne erhebliche Zunahme des Kontaktwiderstands und mit einer erhöhten Verschleißbeständigkeit des elektrischen Anschlussstücks erheblich verringert werden kann.
• Das bevorzugte erfindungsgemäße Galvanisierbad ist ein Sulfatbad, das etwa 35 bis etwa 45 g/l Pd, etwa 6 bis etwa 10 g/l Co und etwa 2 bis etwa 5 ml/l PTFE 3 von Dupont umfasst, eine Fluorpolymerdispersion in Wasser mit Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Partikeln mit etwa 0,05 bis etwa 0,5 μm Durchmesser in einer Konzentration von etwa 60% des Gesamtgewichts. Es sei darauf hingewiesen, dass ebenso auch andere Konzentrationen von Badbestandteilen verwendet werden können und die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Bades mit der oben angegebenen Zusammensetzung begrenzt sein soll.
• Typische Metallisierbedingungen für das bevorzugte Bad schließen eine Stromdichte von etwa 50 bis etwa 700 ASF, eine Badtemperatur von etwa 45°C bis etwa 60°C bei einem pH-Wert von etwa 7 bis etwa 7,5 mit Bewegung von etwa 0,25 bis etwa 3 m/s ein. Die resultierende Abscheidung umfasst eine PdCo-Legierung, die 20 bis 30 Gew.% Co mit darin gleichförmig dispergierten PTFE-Partikeln enthält. PdCo-Legierungen, die 5 bis 35 Gew.% Co enthalten, sind jedoch geeignet. Bei elektronischen Anschlussstücken ist das Substrat, mit dem Metallisieren erfolgt, in der Regel massives Cu, auf dem vorzugsweise eine Ni-Schicht abgeschieden worden ist. Eine geeignete Dicke für die Ni-Schicht liegt in der Größenordnung von 2 bis 3 μm, kann jedoch darüber oder darunter liegen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das Substrat nicht Kupfer sein muss und jedes andere leitfähige Material sein kann. Die Dicke des galvanisierten Edelmetallverbunds, der über dem Nickel liegt, ist in der Regel, wenn und falls er vorhanden ist, in der Größenordnung von etwa 1 μm, kann jedoch mehr oder weniger als diese Dicke aufweisen. Vorzugsweise wird nach der Galvanisierung eine dünne Decküberzugbeschichtung aus Gold in der Größenordnung von 0,1 μm Dicke über der PdCo-Legierung-Fluorpolymer-Verbundschicht bereitgestellt.
• Obwohl eine Verringerung der Oberflächenreibung bei einer Beschichtung mit darin befindlichen, nicht leitfähigen Schmierpartikeln im Vergleich zu einer Beschichtung ohne derartige Partikel erwartet werden kann, wäre auch zu erwarten, dass die Anwesenheit derartiger Partikel in einer Menge, die die Reibung erheblich verringert, den Kontaktwiderstand der Oberfläche auch erheblich erhöht, wodurch sie zur Verwendung in einem elektrischen Anschlussstück ungeeignet wird. Wir haben gefunden, dass dies nicht der Fall ist.
• In unserem jüngsten Artikel "Palladium-Cobalt Makes a Superior Finish", Connector Specifier, Seite 12 et al., Februar 1999, beschreiben wir das PdCo-System (ohne gleichzeitige Abscheidung von Schmierstoff) und vergleichen es mit PdNi und Hart-Au. Bei der Bestimmung der Langzeitleistungscharakteristika der Oberflächenanschlussstückkontakte wird ein wichtiger Parameter als Gleitverschleiß bezeichnet. Der Gleitverschleißtest liefert ein Maß für die Härte und Schmierfähigkeit des galvanisierten Überzugs. Dies sind zusammen mit dem Kontaktwiderstand Hauptfaktoren, die zu beachten sind, wenn elektronische Anschlussstücke mit hoher Zuverlässigkeit konstruiert werden.
• Der Gleitverschleiß wurde unter Verwendung einer Reiter- und Flächevorrichtung gemessen, wie in 2 gezeigt ist. Der Reiter ist eine Niete mit 1,75 mm Radius, und die Fläche war eine Scheibe mit 25 mm Durchmesser, wobei beide aus Kupfer gefertigt waren. Zusammengehörende Proben wurden mit identischen Oberflächenüberzügen metallisiert. Eine Last von 100 Gramm (etwa 1,0 N) wurde auf den Reiter ausgeübt und eine Hin- und Herbewegung mit 12,5 mm Amplitude mit einer Rate von 30 Zyklen/Minute (0,5 Hz) durchgeführt.
• Eine Testprobe für den Gleitverschleißtest ist in 1 gezeigt, wobei die Probe die Schichten zeigt, die in einem erfindungsgemäß hergestellten Anschlussstück mit hoher Zuverlässigkeit zu finden sind. Wie gezeigt ist, wird eine Ni-Schicht mit in der Regel etwa 2,5 μm Dicke auf einem Kupfersubstrat gebildet, wie durch Galvanisieren. Die neue galvanisierte PdCo-Legierung mit darin dispergierten Schmierpartikeln wird über der Ni-Schicht gebildet. Die PdCo-Schicht ist in der Regel etwa 1 μm dick. Dann wird vorzugsweise eine 0,1 um Decküberzugschicht aus Gold über der Verbundschicht gebildet.
• Die Gleitverschleißleistung wird durch Messen der Reibungskraft und des Kontaktwiderstands untersucht. Die Reibungskraft wird durch ein Beanspruchungsmessgerät ermittelt, und der Kontaktwiderstand wurde gleichzeitig unter Verwendung eines 25 mA Stroms durch das System ermittelt, während der Spannungsabfall gemessen wurde.
• Die Ergebnisse des Gleitverschleißtests (3 und 4) haben gezeigt, dass die Reibungskraft eines Edelmetallüberzugs durch Einbau nicht leitfähiger Schmierpartikel in den Überzug während des Galvanisierens erheblich verringert werden kann, ohne den elektrischen Kontaktwiderstand erheblich zu erhöhen. Ein Vergleich des Reibungskoeffizienten, wie durch den Gleitverschleißtest als Funktion von Verschleißzyklen für verschiedene Überzüge gemessen wird, ist in 3 zu sehen. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, hat der neue Überzug den niedrigsten Reibungskoeffizienten über den Bereich der getesteten Zyklen. Der gemessene Kontaktwiderstand betrug für den neuen Überzug während der 10000 Gleitverschleißzyklen nur etwa 3 bis 4 mΩ.

Claims (9)

1. Elektrisches Verbindungsstück mit Verbindungsstückkontakten, die ein Basismetall und eine galvanisierte Verbundschicht über dem Basismetall umfassen, wobei die Verbundschicht eine PdCo-Legierung und darin dispergierte Schmierpartikel aus PTFE in Submikrogröße umfasst.
2. Verbindungsstück nach Anspruch 1, bei dem die Legierung etwa 5 bis etwa 35 Gew.% Co enthält.
3. Verbindungsstück nach Anspruch 1, das eine Decküberzugschicht aus Au über der galvanisierten Verbundschicht umfasst.
4. Verbindungsstück nach Anspruch 1, das eine dünne Schicht aus Nickel umfasst, die zwischen dem Basismetall und der Verbundschicht angeordnet ist.
5. Verbindungsstück nach Anspruch 4, bei dem das Basismetall Kupfer ist.
6. Verbindungsstück nach Anspruch 4, das eine Decküberzugschicht aus Au über der galvanisierten Verbundschicht umfasst.
7. Galvanisierbad zum Abscheiden einer Verbundschicht aus Metall, wobei das Bad eine wässrige Sulfatlösung von Palladium und Kobalt umfasst, worin Schmierpartikel aus PTFE mit Submikrogröße dispergiert sind.
8. Galvanisierbad nach Anspruch 7, bei dem die Konzentration von Palladiumionen in dem Bad etwa 35 bis etwa 45 g/l beträgt, die Konzentration der Kobaltionen in dem Bad etwa 6 bis etwa 10 g/l beträgt und der pH-Wert des Bads etwa 7 bis etwa 7,5 beträgt.
9. Galvanisierverfahren zur Bildung einer Verbundschicht auf einem Artikel mit einer freiliegenden Metalloberfläche, bei dem der Artikel in einem Galvanisierbad angeordnet wird, das eine wässrige Sulfatlösung von Palladium und Kobalt umfasst, worin Schmierpartikel aus PTFE mit Submikrogröße dispergiert sind, die freiliegende Metalloberfläche des Artikels zu einer Galvanisierbadkathode gemacht oder mit einer solchen in Kontakt gebracht wird, und, während das Bad bewegt wird, ein Strom mit einer geeigneten Spannung zwischen einer Anode des Bads und der Kathode geleitet wird, um so die Verbundschicht abzuscheiden, die eine PdCo-Legierung und die darin dispergierten Schmierpartikel umfasst.