EP2279545A1 - Kontakteinheit und verfahren zur herstellung einer kontakteinheit - Google Patents

Kontakteinheit und verfahren zur herstellung einer kontakteinheit

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EP2279545A1
EP2279545A1 EP09749565A EP09749565A EP2279545A1 EP 2279545 A1 EP2279545 A1 EP 2279545A1 EP 09749565 A EP09749565 A EP 09749565A EP 09749565 A EP09749565 A EP 09749565A EP 2279545 A1 EP2279545 A1 EP 2279545A1
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EP
European Patent Office
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layer
tin
contact unit
duplex
thickness
Prior art date
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EP09749565A
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English (en)
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EP2279545B1 (de
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Hans-Hilmar Schulte
Ulrich Rosemeyer
Christian Helmig
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Publication of EP2279545B1 publication Critical patent/EP2279545B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/03—Contact members characterised by the material, e.g. plating, or coating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/02—Soldered or welded connections
    • H01R4/029—Welded connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R43/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors
    • H01R43/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections
    • H01R43/0256—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for soldered or welded connections for soldering or welding connectors to a printed circuit board

Definitions

  • the present invention relates to a contact unit and in particular a soldering pin, and a method for producing a contact unit or a soldering pin, wherein the body of the contact unit is surrounded by a tin layer.
  • soldering pins with which a solder joint to a conductor or a printed circuit board is possible.
  • a soldering pin with a body known, wherein the body has a metallic core of copper and a metal core surrounding tin layer.
  • soldering pins can be used as solderable connector pins.
  • a disadvantage of the known method is the production cost, which also increases the unit cost.
  • One possible solution would be to make the contact pins via another manufacturing method in which the contact pin is not exposed to such high temperatures.
  • temperatures of up to about 265 degrees Celsius also occur in the soldering processes for contact-safe fastening of the contact pins on, for example, a printed circuit board in modern soldering processes such as a reflow soldering process, the contact pins are exposed to high temperatures even at a different manufacturing process at the latest when equipping so that when soldering the contact pin with a
  • Circuit board such high temperatures may occur that a dewetting of the tin layer of the contact pin occurs.
  • Whiskers can in particular arise in assemblies that have been processed with lead-free tin solders.
  • Tin whiskers or generally whiskers are thin or needle-shaped single crystals of a few micrometers in diameter and up to several hundred micrometers in length, which can grow out of galvanically or pyrolytically deposited layers. If whiskers break off, for example, due to vibrations or other mechanical stresses, they can cause short circuits on printed circuit boards, on electrical connections or, for example, between electrical or electronic components.
  • whiskers or needle-like outgrowths from soldering spots generally burn again at low current intensities of, for example, 10 mA, the current that has flowed may have already led to component damage or malfunction.
  • whiskers can only develop after years of operation and that their formation can often be poorly predicted.
  • the contact unit according to the invention is embodied in particular as a soldering pin and comprises a body which has a metallic core and a tin layer surrounding or surrounding the metallic core.
  • the tin layer is formed as a duplex layer and comprises a radially inner layer of matte tin and a radially outer layer of bright tin.
  • the contact unit according to the invention has many advantages.
  • a considerable advantage of the contact unit according to the invention is the use of the duplex layer provided around the metallic core. This will ensure that in depth the as a duplex layer executed tin layer provides the matte tin for a uniform wetting of the solder pin or the contact unit even at high soldering temperatures, while surrounding the inner layer of matte tin surrounding radially outer layer of glossy tin leads to a smooth and a mechanically compatible surface. Since the outer surface of bright tin usually serves for mechanical contacting, the contact unit according to the invention has a considerable advantage, since good mechanical compatibility and good contactability are provided.
  • the inner layer support made of matte tin preferably has little or no organic components which, when the contact unit is soldered, can lead to outgassing and thus to blistering on the body of the contact unit.
  • the radially outer layer of high-gloss tin has, on the other hand, only such a layer thickness on a regular basis that there is no bubble when the contact unit is being heated up.
  • duplex layer according to the invention can significantly reduce or even completely prevent harmful whisker formation.
  • whiskers are known to arise, especially on glossy tin layers and here the duplex layer has an outer glossy tin layer.
  • the whisker formation is largely avoided by the structure according to the invention with an inner matte tin layer and an outer glossy tin layer.
  • Pure matt tin layers have the disadvantage of an increased expenditure of force when plugging in and unplugging plugs compared with the duplex layer according to the invention, since there the surface roughness is higher. In addition, the visual surface quality of matt tin layers is lower.
  • the invention provides a contact unit, which has both convincing mechanical properties as well good electrical and a pleasing surface quality allowed.
  • Microcracks (microvoid) and the resultant possible adhesion of such microcraters ("MVC" or "microvoid coalescence”).
  • MVC microcracks
  • microvoid coalescence An adhesion of such microcraters can lead to functional limitations. With the duplex layer according to the invention such defects and perforations are avoided in a very satisfactory manner, so that the reliability and possible service life of the contact unit according to the invention increases.
  • the thickness of the layer of matte tin is between about 50 and 85 or 90% of the radial layer thickness of the tin layer.
  • the thickness of the layer of matte tin is between about 2/3 and 4/5 of the radial layer thickness of the tin layer.
  • the thickness of the layer of bright tin is preferably between about 15 and 50% of the radial layer thickness of the tin layer.
  • the radial layer thickness of the coating layer of bright tin is between about 1/5 and 1/3 of the radial layer thickness of the tin layer.
  • a duplex layer with about 2/3 layer thickness of matt tin and about 1/3 layer thickness of bright tin satisfies the desired mechanical and electrical properties.
  • the duplex layer is destroyed neither in the thermal ripping process for producing a contact unit according to the invention nor in a reflow soldering process, for example.
  • Such a contact unit according to the invention also meets high demands.
  • a layer thickness of the entire duplex layer is between about 2 and 10 microns.
  • the thickness of the matte film layer is about 2 to 4 microns, and in particularly preferred embodiments may be about 2.5 microns.
  • the radially outer layer deposit of bright tin preferably has a layer thickness of about 1 to 2 micrometers and, in particularly preferred embodiments, may be about 1.5 micrometers so that a total radial layer thickness of the tin layer of between about 3 and 5 micrometers results.
  • the core is surrounded by an intermediate layer which contains nickel or consists of nickel.
  • an intermediate layer is in particular applied directly to the core, to which in turn the duplex layer of matt tin and bright tin is applied.
  • the coating is preferably carried out successively in galvanic processes.
  • the nickel layer can be very thin. Layer thicknesses between 0.5 and 5 ⁇ m are preferred. In particular, the layer thickness of the duplex layer including the intermediate layer of nickel or a nickel-containing material is less than about 10 microns.
  • the body comprises at least one penpoint tip, which is designed in particular approximately tapered and which is also surrounded by the duplex layer.
  • the penpoint tip is at least substantially and in particular completely surrounded by the duplex layer in order to ensure a good mechanical contactability and a good solderability of the contact pin.
  • the body is manufactured in a thermal ripping process, wherein at least at one end results in particular a tapered pen tip.
  • the production of the contact unit by means of a thermal breaking process is very advantageous because the thermal Tear process is easy to perform, as well as quick and easy.
  • the invention ensures that, despite the temperatures which occur, the duplex layer is also retained on the pen tip, so that a separate secondary coating of the outer surface of the body obtained by a thermal tearing process is not necessary.
  • the core is polygonal, rounded or round in a cross section.
  • the body consists of a portion of a wire whip that is portioned galvanically with the duplex layer and which is subdivided into defined lengths.
  • the coating layer of bright tin can identify organic additives for smoothing the surface.
  • the glossy tin layer preferably has a typical grain size of about 0.5 to 1.0 microns, while the matte tin employed may have a grain size of typically about 3.0 microns.
  • the outermost grain size of the matte tin employed may have a grain size of typically about 3.0 microns.
  • Glossy tin surface achieves the desired mechanical property of the solder pin or the contact unit, while providing for the solderability of the layer of matte tin.
  • the inventive method is used to produce a contact unit and in particular for producing a soldering pin and is carried out using a Drahtschzeugs, which is initially provided with a radially inner layer of matte tin and an adjoining radially outer layer layer of bright tin. Before the application of the layer of matte tin can still be applied an intermediate layer of, for example, nickel. In one subsequent thermal rupture process, a portioned piece of the duplex layered wire whip is severed to form a soldering peg whose body is surrounded by the duplex layer.
  • the method according to the invention also has many advantages.
  • a significant advantage is that the manufacture is simplified and subsequent galvanic coating of the outer surface of the solder pin can be omitted, since the applied duplex layer remains present even at the usual temperatures of a reflow soldering process on the entire or almost the entire surface of the body, whereby good mechanical and electrical properties are achieved.
  • the thickness of the layer of matte tin and the thickness of the layer of glossy tin are matched to one another in such a way that the pen nib is essentially surrounded by the duplex layer after the thermal ripping process. This will cause a harmful blistering is avoided.
  • a wire whip is inserted and a portioned piece of wire is separated by the wire is held at the intended location by means of jaws and the wire is heated at the nip in particular by means of a power-induced integrated in the jaws heating element, whereupon through the application of train a defined body is separated.
  • the wire is heated by an electric current pulse and softened. It has surprisingly been found that in the subsequent tearing process, the duplex layer is completely or almost completely preserved.
  • Bubbles and dewaxing of the surfaces are regularly reliably avoided, so that homogeneous and reproducible Conditions are present at the pen tip and the other surface of the contact pin.
  • Figure 1 is a schematic sectional side view of an electrical soldering pin according to the invention.
  • Figure 2 shows the pen tip of the solder pin according to Fig. 1 in an enlarged view.
  • solder pin 2 electrical contact unit 1 an inventive and designed as a solder pin 2 electrical contact unit 1 is shown schematically.
  • the soldering pin 2 shown in FIG. 1 has a body 3 which comprises a metallic core 4.
  • the metallic core 4 may for example be designed as a wire and have a round, triangular or polygonal cross-section.
  • the wire whip 14 has been galvanically coated with a tin layer 5.
  • the tin layer 5 is designed as a duplex layer 6, which has a radially inner
  • Layer support 7 and a radially outer layer support 8 comprises.
  • the radially inner layer support 7 is a matte tin layer, which has a greater surface roughness than the radially outer layer support 8, which consists of a bright tin layer.
  • the bright tin layer 8 has good mechanical and electrical properties due to the significantly lower surface roughness.
  • the body 3 is clamped targeted and at the later pen tip 13, the core 4 and it are the layer supports 7 and 8, thermally heated in particular by a current pulse so that at
  • the penpoint tip 13 is shown enlarged. It can clearly be seen that the layer thickness 9 of the radially inner layer support 7 is significantly greater than the layer thickness 11 of the radially outer layer support 8, wherein the ratio of the layer support 8 to the thickness of the layer support 7 here in the embodiment about 1: 2.
  • a thin intermediate layer 12 may be provided, which may for example consist of nickel and serves as the basis for the duplex layer 6.
  • the layer thickness of the intermediate layer 12 made of nickel or a nickel-containing material is about 2.4 microns, while the layer thickness of the layer layer 7 of matte tin about 3.2 microns and the layer thickness of the layer layer 8 of bright tin is about 1.65.
  • the duplex layer 6 is completely present on the surface 15 of the body 3 as far as the pen tip 13, so that good soldering conditions and mechanical properties of the soldering pin 2 can be ensured.
  • the invention provides a simple production method with which soldering pegs 2 can be produced which have good mechanical and electrical properties and with which reliable soldering is possible
  • the contact units 1 have a high optical characteristic
  • Needle-like extensions and similar defects, such as, in particular, the growth of whiskers can also be substantially or even completely avoided, although a smooth and electrically good contact surface is provided with an outer glossy tin layer.

Landscapes

  • Manufacturing Of Electrical Connectors (AREA)
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Abstract

Kontakteinheit und insbesondere Lötstift, sowie Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit, umfassend einen Körper, der einen metallischen Kern und eine den metallischen Kern umgebende Zinnschicht aufweist. Dabei ist die Zinnschicht als Duplexschicht ausgeführt und weist eine radial innere Schichtauflage aus Mattzinn und eine radial äußere Schichtauflage aus Glanzzinn auf.

Description

Kontakteinheit und Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontakteinheit und insbesondere einen Lötstift, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit bzw. eines Lötstifts, wobei der Körper der Kontakteinheit mit einer Zinnschicht umgeben ist.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Kontakteinheiten und Lötstifte bekannt geworden, mit denen eine Lötverbindung zu einem Leiter oder einer Leiterplatte möglich ist. So ist z.B. aus der DE 198 02 580 Al ein Lötstift mit einem Körper bekannt, wobei der Körper einen metallischen Kern aus Kupfer und eine den metallischen Kern umgebende Zinnschicht aufweist. Bei konventionellen Lötprozessen mit bleihaltigen Loten können solche Lötstifte als lötbare Steckerstifte verwendet werden.
Die Umstellung bleihaltiger Oberflächensysteme in der Elektronik auf bleifreie Oberflächen führt aufgrund erhöhter Temperaturen der Lötprozesse zu einer steigenden thermischen Belastung der Oberflächen von Kontaktstiften. Durch die deutliche Überschreitung des Schmelzpunktes der favorisiert eingesetzten Glanzzinnoberflächen resultieren Blasenbildungen an der Oberfläche der Kontaktstifte, die durch die Ausgasung organischer Bestandteile entstehen können. Weiterhin ergeben sich oftmals Abschmelzungen der Zinnoberflächen, wodurch die Kontaktstifte stellenweise gar nicht mehr mit einer Zinnschicht versehen sind. Dadurch werden solche Kontaktstifte schlecht oder gar nicht mehr lötbar, beziehungsweise genügen nicht mehr den mechanischen Anforderungen.
Eine gleiche Problematik ergibt sich, wenn die Kontaktstifte oder Lötstifte in einem sogenannten thermischen Reißprozess hergestellt werden. Durch die erhöhten Temperaturen ergeben sich insbesondere an den Stiftspitzen Entnetzungen, an denen lokal keine oder eine nur sehr dünne Zinnschicht mehr vorhanden ist. Das führt zu einer schlechten Lötbarkeit der Kontaktstifte. Aus diesem Grund werden nach dem thermischen Reißprozess die Lötstifte in einem nachgeschalteten Galvanisierungsbad vollflächig galvanisiert. Das kann beispielsweise in einer Trommelgalvanisierung erfolgen, bei der eine Vielzahl von Kontaktstiften in einer Trommel in ein galvanisches Bad eingeführt wird. Dort werden die Kontaktstifte galvanisch mit einer Zinnschicht versehen. Durch die nachträglich aufgebrachte Zinnschicht werden während des Reißprozesses freigelegte Bereiche der Stifte für den nachfolgenden Lötprozess vorbereitet, sodass im Kontaktierungsbereich ein gasdichter Kontakt gegenüber einem Stecker sichergestellt werden kann. Dieser zusätzliche Prozessschritt führt zum gewünschten Ergebnis, stellt aber einen erheblichen Aufwand dar.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist der Herstellungsaufwand, der auch die Stückkosten erhöht.
Eine mögliche Lösung wäre die Herstellung der Kontaktstifte über ein anderes Herstellungsverfahren, bei dem der Kontaktstift nicht derart hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Da aber auch bei den Lötprozessen zur kontaktsicheren Befestigung der Kontaktstifte auf beispielsweise einer Leiterplatte bei modernen Lötprozessen wie beispielsweise einem Reflow-Lötprozess Temperaturen von bis zu etwa 265 Grad Celsius auftreten, werden die Kontaktstifte auch bei einem anderen Herstellungsverfahren spätestens bei der Bestückung hohen Temperaturen ausgesetzt, sodass bei der Verlötung des Kontaktstiftes mit einer
Leiterplatte solch hohe Temperaturen auftreten können, dass eine Entnetzung der Zinnschicht des Kontaktstiftes auftritt.
Ein weiteres Problem bei der Verarbeitung von bleifreien Zinn- Loten ist eine mögliche Whiskerbildung. Whisker können insbesondere bei Baugruppen entstehen, die mit bleifreien Zinn- Loten verarbeitet wurden. Zinn-Whisker bzw. im allgemeinen Whisker sind dünne oder nadeiförmige Einkristalle von einigen Mikrometern Durchmesser und bis zu mehreren Hundert Mikrometern Länge, die aus galvanisch oder pyrolytisch abgeschiedenen Schichten herauswachsen können. Wenn Whisker z.B. durch Erschütterungen oder sonstige mechanische Belastungen abbrechen, können sie Kurzschlüsse auf Leiterplatten, an elektrischen Anschlüssen oder z.B. zwischen elektrischen oder elektronischen Bauelementen verursachen. Whisker bzw. nadelartige Auswüchse aus Lotstellen brennen zwar in der Regel schon bei geringen Stromstärken von z.B. 10 mA wieder durch, aber bis dahin kann der geflossene Strom schon zur Bauteilschädigung bzw. Fehlfunktion geführt haben.
Ein Problem ist weiterhin, dass Whisker auch erst nach Jahren des Betriebs entstehen können und dass die Entstehung oft schlecht vorausgesagt werden kann.
Vor dem Hintergrund des beschriebenen Standes der Technik ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontakteinheit und insbesondere einen Lötstift sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit zur Verfügung zu stellen, wobei der Kontaktstift einfach herzustellen ist und den bei modernen Lötprozessen auftretenden Temperaturen stand hält.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Kontakteinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 10. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel.
Die erfindungsgemäße Kontakteinheit ist insbesondere als Lötstift ausgeführt und umfasst einen Körper, der einen metallischen Kern und eine den metallischen Kern umfassende oder umgebende Zinnschicht aufweist. Dabei ist die Zinnschicht als Duplexschicht ausgebildet und umfasst eine radial innere Schichtauflage aus Mattzinn und eine radial äußere Schichtauflage aus Glanzzinn.
Die erfindungsgemäße Kontakteinheit hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kontakteinheit ist der Einsatz der um den metallischen Kern herum vorgesehenen Duplexschicht. Dadurch wird gewährleistet, dass in der Tiefe der als Duplexschicht ausgeführten Zinnschicht das Mattzinn für eine gleichmäßige Benetzung des Lötstiftes bzw. der Kontakteinheit auch bei hohen Löttemperaturen sorgt, während die die innere Schichtauflage aus Mattzinn umgebende radial äußere Schichtauflage aus Glanzzinn zu einer glatten und einer mechanisch kompatiblen Oberfläche führt. Da die äußere Oberfläche aus Glanzzinn in der Regel der mechanischen Kontaktierung dient, hat die erfindungsgemäße Kontakteinheit einen erheblichen Vorteil, da eine gute mechanische Kompatibilität und eine gute Kontaktierbarkeit gegeben ist.
Die innere Schichtauflage aus Mattzinn weist vorzugsweise wenig oder gar keine organischen Komponenten auf, die bei der Verlötung der Kontakteinheit zu einem Ausgasen und damit zu einem Blasenwurf an dem Körper der Kontakteinheit führen können. Die radial äußere Schichtauflage aus Glanzzinn weist hingegen regelmäßig nur eine solche Schichtdicke auf, dass ein Blasenwurf beim Aufheizen der Kontakteinheit unterbleibt.
Ein weiterer erheblicher Vorteil ist, dass durch die erfindungsgemäße Duplexschicht eine schädliche Whiskerbildung erheblich reduziert oder sogar ganz vermieden werden kann.
Dieser an sich überraschende Effekt tritt auf, obwohl Whisker bekanntermaßen insbesondere an Glanzzinnschichten entstehen und hier die Duplexschicht eine äußere Glanzzinnschicht aufweist. Hier wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau mit einer inneren Mattzinnschicht und einer äußeren Glanzzinnschicht die Whiskerbildung weitgehend vermieden.
Reine Mattzinnschichten haben gegenüber der erfindungsgemäßen Duplexschicht den Nachteil eines erhöhten Kraftaufwands beim Aufstecken und Abziehen von Steckern, da dort die Oberflächenrauigkeit höher ist. Außerdem ist die visuelle Oberflächenqualität von Mattzinnschichten geringer.
Damit stellt die Erfindung eine Kontakteinheit zur Verfügung, welche sowohl überzeugende mechanische Eigenschaften als auch gute elektrische und dazu noch eine ansprechende Oberflächenqualität erlaubt.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Vermeidung von Mikroperforierungen bzw. Mikrovoids oder
Mikrorissen bzw. Mikrokratern (engl, microvoid) und der dadurch möglichen resultierenden Verwachsung solcher Mikrokrater (engl. „MVC" bzw. „Microvoid coalescence") . Eine Verwachsung solcher Mikrokrater kann zu Einschränkungen der Funktion führen. Mit der erfindungsgemäßen Duplexschicht werden in sehr zufriedenstellender Art auch solche Defekte und Perforierungen vermieden, sodass die Zuverlässigkeit und mögliche Nutzungsdauer der erfindungsgemäßen Kontakteinheit steigt.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn zwischen etwa 50 und 85 oder 90 % der radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Besonders bevorzugt liegt die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn zwischen etwa 2/3 und 4/5 der radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Des Weiteren beträgt die Dicke der Schichtauflage aus Glanzzinn vorzugsweise zwischen etwa 15 und 50 % der radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Besonders bevorzugt beträgt die radiale Schichtdicke der Schichtauflage aus Glanzzinn zwischen etwa 1/5 und 1/3 der radialen Schichtdicke der Zinnschicht. Besonders bevorzugt ergibt sich ein Verhältnis der Dicken der Schichtauflage aus Glanzzinn zu Mattzinn von etwa 1 : 2 .
Es hat sich herausgestellt, dass eine Duplexschicht mit etwa 2/3 -Schichtdicke aus Mattzinn und etwa 1/3 -Schichtdicke aus Glanzzinn die gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften erfüllt. Bei einer solchen Ausgestaltung wird die Duplexschicht weder beim thermischen Reißprozess zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kontakteinheit noch bei beispielsweise einem Reflow-Lötverfahren zerstört. Eine solche erfindungsgemäße Kontakteinheit genügt auch hohen Ansprüchen. Vorzugsweise liegt eine Schichtdicke der gesamten Duplexschicht zwischen etwa 2 und 10 Mikrometer.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn etwa 2 bis 4 Mikrometer und kann in besonderes bevorzugten Ausgestaltungen bei etwa 2,5 Mikrometer liegen. Die radial äußere Schichtauflage aus Glanzzinn hat vorzugsweise eine Schichtdicke von etwa 1 bis 2 Mikrometer und kann in besonders bevorzugten Ausgestaltungen bei etwa 1,5 Mikrometern liegen, sodass sich eine radiale Schichtdicke der Zinnschicht insgesamt von zwischen etwa 3 und 5 Mikrometern ergibt.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Kern von einer Zwischenschicht umgeben ist, die Nickel enthält oder aus Nickel besteht. Eine solche Zwischenschicht wird insbesondere direkt auf den Kern aufgebracht, auf die dann wiederum die Duplexschicht aus Mattzinn und Glanzzinn aufgetragen wird. Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise in galvanischen Prozessen nacheinander. Die Nickelschicht kann sehr dünn sein. Schichtdicken zwischen 0,5 14m und 5 um sind bevorzugt. Insbesondere ist die Schichtdicke der Duplexschicht inklusive der Zwischenschicht aus Nickel oder einem nickelhaltigen Material kleiner etwa 10 μm.
In bevorzugten Weiterbildungen umfasst der Körper wenigstens eine Stiftspitze, die insbesondere etwa konisch zulaufend ausgebildet ist und die ebenfalls von der Duplexschicht umgeben ist. Insbesondere ist die Stiftspitze wenigstens im Wesentlichen und insbesondere vollständig von der Duplexschicht umgeben, um eine gute mechanische Kontaktierbarkeit und eine gute Verlötbarkeit des Kontaktstifts zu gewährleisten.
In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass der Körper in einem thermischen Reißprozess gefertigt wird, wobei sich wenigstens an einem Ende insbesondere eine spitz zulaufende Stiftspitze ergibt.
Die Fertigung der Kontakteinheit mittels eines thermischen Reißprozesses ist sehr vorteilhaft, da der thermische Reißprozess einfach durchführbar, sowie schnell und unkompliziert ist. Durch die Erfindung wird gewährleistet, dass trotz der auftretenden Temperaturen die Duplexschicht auch auf der Stiftspitze erhalten bleibt, sodass eine separate Nachbeschichtung der äußeren Oberfläche des durch einen thermischen Reißprozess erhaltenen Körpers nicht nötig ist.
In allen Ausgestaltungen ist es möglich und bevorzugt, dass der Kern in einem Querschnitt mehreckig, abgerundet oder rund ausgeführt ist. Insbesondere besteht der Körper aus einem galvanisch mit der Duplexschicht portionierten Stück eines Drahthalbzeugs, welches in definierte Längen unterteilt wird.
In allen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung kann die Schichtauflage aus Glanzzinn organische Zusätze zur Glättung der Oberfläche ausweisen.
Die Glanzzinnschicht hat vorzugsweise eine typische Korngröße von etwa 0,5 bis 1,0 Mikrometer, während das eingesetzte Mattzinn eine Korngröße von typischerweise etwa 3,0 Mikrometer aufweisen kann. Schon von daher ergibt sich eine deutlich unterschiedliche Glattheit einer reinen Mattzinnoberfläche und einer Glanzzinnoberfläche. Hier wird durch die äußere
Glanzzinnoberfläche die gewünschte mechanische Eigenschaft des Lötstifts bzw. der Kontakteinheit erzielt, während für die Lötbarkeit die Schicht aus Mattzinn sorgt.
Ein Blasenwerfen beim Reflow-Lötprozess wird vermieden, sodass durch die glatte Oberfläche der äußeren Zinnschicht gute mechanischen Eigenschaften erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Kontakteinheit und insbesondere zur Herstellung eines Lötstifts und wird unter Verwendung eines Drahthalbzeugs durchgeführt, welches zunächst mit einer radial inneren Schichtauflage aus Mattzinn und einer sich daran anschließenden radial äußeren Schichtauflage aus Glanzzinn versehen wird. Vor der Aufbringung der Schichtauflage aus Mattzinn kann noch eine Zwischenschicht aus beispielsweise Nickel aufgebracht werden. In einem anschließenden thermischen Reißprozess wird ein portioniertes Stück des mit der Duplexschicht versehenen Drahthalbzeugs abgetrennt, um einen Lötstift zu bilden, dessen Körper von der Duplexschicht umgeben ist.
Auch das erfindungsgemäße Verfahren hat viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil ist, dass die Herstellung vereinfacht wird und ein nachträgliches galvanisches Beschichten der äußeren Oberfläche des Lötstiftes unterbleiben kann, da die aufgetragene Duplexschicht auch bei den üblichen Temperaturen eines Reflow- Lötprozesses auf der gesamten oder doch nahezu der gesamten Oberfläche des Körpers vorhanden bleibt, wodurch gute mechanische und elektrische Eigenschaften erzielt werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Dicke der Schichtauflage aus Mattzinn und die Dicke der Schichtauflage aus Glanzzinn derart aufeinander abgestimmt, dass auch die Stiftspitze nach dem thermischen Reißprozess im Wesentlichen von der Duplexschicht umgeben ist. Dadurch wird bewirkt, dass ein schädliches Blasenwerfen unterbleibt.
Zur Herstellung der Kontakteinheiten bzw. Lötstifte wird ein Drahthalbzeug eingesetzt und davon wird ein portioniertes Stück Draht abgetrennt, indem der Draht an der vorgesehenen Stelle mittels Klemmbacken festgehalten wird und der Draht an der Klemmstelle insbesondere mittels eines in den Klemmbacken strominduziert integrierten Heizelementes aufgeheizt wird, worauf hin durch Aufbringung von Zug ein definierter Körper abgetrennt wird.
Insbesondere wird der Draht durch einen elektrischen Stromimpuls aufgeheizt und aufgeweicht. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bei dem nachfolgenden Reißvorgang die Duplexschicht vollständig oder doch nahezu vollständig erhalten bleibt.
Blasen und Entnetzungen der Oberflächen werden regelmäßig zuverlässig vermieden, sodass homogene und reproduzierbare Bedingungen an der Stiftspitze und der sonstigen Oberfläche des Kontaktstifts vorliegen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert wird.
In den Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Lötstifts; und
Figur 2 die Stiftspitze des Lötstifts nach Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung.
In den Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße und als Lötstift 2 ausgeführte elektrische Kontakteinheit 1 schematisch dargestellt.
Der in Fig. 1 abgebildete Lötstift 2 weist einen Körper 3 auf, der einen metallischen Kern 4 umfasst. Der metallische Kern 4 kann beispielsweise als Draht ausgeführt sein und einen runden, drei- oder mehreckigen Querschnitt aufweisen.
Das Drahthalbzeug 14 ist mit einer Zinnschicht 5 galvanisch beschichtet worden. Dabei ist die Zinnschicht 5 als Duplexschicht 6 ausgeführt, die eine radial innere
Schichtauflage 7 und eine radial äußere Schichtauflage 8 umfasst.
Die radial innere Schichtauflage 7 ist eine Mattzinnschicht , die eine größere Oberflächenrauigkeit aufweist als die radial äußere Schichtauflage 8, die aus einer Glanzzinnschicht besteht. Die Glanzzinnschicht 8 weist aufgrund der erheblich geringeren Oberflächenrauigkeit gute mechanische und elektrische Eigenschaften auf. Die Beschichtung des metallischen Kerns 4 kann in einem Durchlaufverfahren erfolgen, bei dem die gesamte Länge einer Drahtrolle direkt mit der Duplexschicht 6 versehen wird. Nach der Beschichtung wird das mit der Zinnschicht 5 versehene Drahthalbzeug 14 insbesondere wieder aufgewickelt und kann so platzsparend gelagert werden.
Zur Herstellung der einzelnen Lötstifte 2 wird der Körper 3 gezielt eingeklemmt und an der späteren Stiftspitze 13 wird der Kern 4 und es werden die Schichtauflagen 7 und 8, thermisch insbesondere durch einen Stromimpuls derart erhitzt, dass bei
Aufbringung von Zug der Kern 4 an der Stiftspitze 13 durchtrennt wird, wodurch ein definierter Körper 3 entsteht.
In Fig. 2 ist die Stiftspitze 13 vergrößert dargestellt. Deutlich erkennbar ist, dass die Schichtdicke 9 der radial inneren Schichtauflage 7 deutlich größer als die Schichtdicke 11 der radial äußeren Schichtauflage 8 ist, wobei das Verhältnis der Schichtauflage 8 zu der Dicke der Schichtauflage 7 hier im Ausführungsbeispiel etwa 1 : 2 beträgt.
Direkt auf dem Kern 4 kann eine dünne Zwischenschicht 12 vorgesehen sein, die beispielsweise aus Nickel bestehen kann und die als Grundlage für die Duplexschicht 6 dient. In einer konkreten Ausgestaltung beträgt die Schichtdicke der Zwischenschicht 12 aus Nickel oder einem nickelhaltigen Material etwa 2,4 μm, während die Schichtdicke der Schichtauflage 7 aus Mattzinn etwa 3,2 um und die Schichtdicke der Schichtauflage 8 aus Glanzzinn etwa 1,65 um beträgt.
Wie insbesondere der vergrößerten Darstellung nach Fig. 2 entnommen werden kann, liegt bis zur Stiftsspitze 13 die Duplexschicht 6 auf der Oberfläche 15 des Körpers 3 vollständig vor, sodass gute Lötbedingungen und mechanische Eigenschaften des Lötstifts 2 gewährleistet werden können. Durch die Erfindung wird ein einfaches Herstellverfahren zur Verfügung gestellt, mit dem Lötstifte 2 produziert werden können, die gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen und mit denen eine zuverlässige Verlötung möglich ist
Außerdem weisen die Kontakteinheiten 1 eine hohe optische
Oberflächenqualität auf. Perforierungen, Mikrovoids, Mikrorisse und ähnliche Fehlstellen, die in der vergrößerten Ansicht optisch unschön sind und die durch ein Zusammenwachsen die Funktion und Haltbarkeit erheblich beeinträchtigen können, werden vermieden. Solche Fehlstellen werden auch durch den erheblich reduzierten Anteil organischer Stoffe in der Duplexschicht und insbesondere in der Mattzinnschicht erzielt, ohne auf die Vorteile der Glanzzinnschicht zu verzichten.
Nadelartige Fortsätze und ähnliche Fehler, wie insbesondere das Wachsen von Whiskern können ebenfalls weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden, obwohl mit einer äußeren Glanzzinnschicht eine glatte und elektrisch gut kontaktierbare Oberfläche bereit gestellt wird.
Dabei werden gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren zusätzlich erforderliche galvanische
Beschichtungsschritte eingespart, sodass mit der vorliegenden Erfindung kostengünstig und effizient Kontakteinheiten bzw. Lötstifte hergestellt werden können.
CTl
Bezugszeichenliste
1 Kontakteinheit
2 Lötstift 3 Körper
4 Kern
5 Zinnschicht
6 Duplexschicht
7 Schichtauflage 8 Schichtaufläge
Dicke
10 Schichtdicke
11 Dicke
12 Zwischenschicht 13 Stiftspitze
14 Drahthalbzeug
15 Oberfläche
16 Portioniertes Stück

Claims

Patentansprüche
1. Kontakteinheit (1) und insbesondere Lötstift (2) mit einem Körper (3), der einen metallischen Kern (4) und eine den metallischen Kern (4) umgebende Zinnschicht (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinnschicht (5) als Duplexschicht (6) eine radial innere Schichtauflage (7) aus Mattzinn und eine radial äußere Schichtauflage (8) aus Glanzzinn aufweist.
2. Kontakteinheit nach Anspruch 1, wobei die Dicke (9) der Schichtauflage (7) aus Mattzinn zwischen 50 und 90% und insbesondere zwischen etwa 2/3 und 4/5 der radialen Schichtdicke (10) der Zinnschicht (5) beträgt.
3. Kontakteinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke (11) der Schichtauflage (8) aus Glanzzinn zwischen 15 und 50% und insbesondere zwischen etwa 1/5 und 1/3 der radialen Schichtdicke (10) der Zinnschicht (5) beträgt.
4. Kontakteinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schichtdicke (10) der Duplexschicht (6) zwischen etwa 3 und 10 μm beträgt.
5. Kontakteinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem Kern (4) eine Nickel enthaltene oder aus Nickel bestehende Zwischenschicht (14) vorgesehen ist.
6. Kontakteinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (4) wenigstens eine Stiftspitze (13) umfasst, die ebenfalls von der Duplexschicht (6) umgeben ist.
7. Kontakteinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stiftspitze (13) in einem thermischen Reißprozess gefertigt ist.
8. Kontakteinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kern (4) in einem Querschnitt mehreckig, abgerundet oder rund ausgeführt ist und insbesondere aus einem galvanisch mit der Duplexschicht (6) versehenen Drahthalbzeug (14) besteht.
9. Kontakteinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtauflage (8) aus Glanzzinn organische Zusätze zur Glättung der Oberfläche (15) aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Kontakteinheit (1) und insbesondere eines Lötstifts (2) , bei dem ein Drahthalbzeug (14) mit einer Zinnschicht (5) als Duplexschicht (6) beschichtet wird, wobei die Duplexschicht (6) eine radial innere Schichtauflage (7) aus Mattzinn und eine radial äußere Schichtauflage (8) aus Glanzzinn aufweist, wobei in einem anschließenden thermischen Reißprozess ein portioniertes Stück (16) des mit der Duplexschicht (6) versehenen Drahthalbzeugs (14) abgetrennt wird, um einen Lötstift (2) zu bilden, dessen Körper (3) von der Duplexschicht (6) umgeben ist.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dicke
(9) der Schichtauflage (7) aus Mattzinn und die Dicke (11) der Schichtauflage (8) aus Glanzzinn derart aufeinander abgestimmt, sind, dass die Stiftspitze (13) nach dem thermischen Reißprozess im Wesentlichen von der Duplexschicht (6) umgeben ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 11, wobei von dem Drahthalbzeug (14) ein portioniertes Stück
(16) Draht mittels Klemmbacken festgehalten wird und insbesondere mittels eines in den Klemmbacken integrierten Heizelementes aufgeheizt wird, woraufhin durch Aufbringung von Zug ein definierter Körper (3) abgetrennt wird.
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