EP2491620A1 - Lötfreie elektrische verbindung - Google Patents

Lötfreie elektrische verbindung

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Publication number
EP2491620A1
EP2491620A1 EP10771044A EP10771044A EP2491620A1 EP 2491620 A1 EP2491620 A1 EP 2491620A1 EP 10771044 A EP10771044 A EP 10771044A EP 10771044 A EP10771044 A EP 10771044A EP 2491620 A1 EP2491620 A1 EP 2491620A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical connection
joining partner
solderless electrical
coating
osp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10771044A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philippe Jaeckle
Stefan Rysy
Michael Krapp
Svetislav Vukovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2491620A1 publication Critical patent/EP2491620A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • H01R4/58—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 characterised by the form or material of the contacting members
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/1601—Process or apparatus
    • C23C18/1633—Process of electroless plating
    • C23C18/1646—Characteristics of the product obtained
    • C23C18/165—Multilayered product
    • C23C18/1653—Two or more layers with at least one layer obtained by electroless plating and one layer obtained by electroplating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/10—Electroplating with more than one layer of the same or of different metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D5/48—After-treatment of electroplated surfaces
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    • H01R12/50—Fixed connections
    • H01R12/51—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures
    • H01R12/55—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals
    • H01R12/58—Fixed connections for rigid printed circuits or like structures characterised by the terminals terminals for insertion into holes
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    • H01R4/24—Connections using contact members penetrating or cutting insulation or cable strands
    • H01R4/2416—Connections using contact members penetrating or cutting insulation or cable strands the contact members having insulation-cutting edges, e.g. of tuning fork type

Definitions

  • An electrical contact for cold contact technology comprising a metallic substrate which is provided with a coating.
  • the coating is formed from a dispersion of particles of carbon and / or a polymer in a metal.
  • the electrical contact is preferably designed as a plug contact.
  • a compression of the two joining partners takes place, which can also take the form of an insulation displacement connection or is given by press-fitting. For example, a pin becomes one
  • both a joining partner and both joining partners can be provided with a coating.
  • an electrical device in particular a control unit, is provided on at least one joint with a first joining partner, in particular a sleeve, which cooperates with a second joining partner, in particular a pin.
  • the joint comprises between the two partners to be joined a joint in which an at least partially solidified lubricant is present.
  • the lubricant may be a multi-component material, the hardened lubricant at least partially sealing the joint to the outside at a preferably axial end of the joint.
  • the solidified lubricant binds at least one metallic chip.
  • Glicoat SMD Organic Solderability Preservatives (OSP) (www.electrochemicals.com), a substance known as "Glicoat SMD F2 (LX)", which is used to coat electrical contact elements and printed circuit boards, see also US 5,498,301 and US 5,560,785 Manufacturers such as Enthone are known for their OSP coatings based on phenylimidazoles or benzimidazoles, for example
  • the pin of a connector strip of another device and a metallized printed circuit board hole (sleeve) made.
  • the pin has a solid or elastic press-in zone whose geometry is generally designed manufacturer-specific. This press-in zone deforms plastically and elastically when pressed into the PCB shell and adapts to the sleeve diameter. In this way, the pin is contacted directly with the sleeve.
  • the circuit board sleeve is essentially made of copper, with an overlying further coating as a surface to prevent Kupferoxi- dation.
  • This further coating can be a hot tin plating or a chemically deposited metallization, for example nickel or gold or nickel / gold or tin or silver.
  • the further coating can be an organic passivation layer, an OSP ("organic surface passivation") "material.”
  • the press-in zone of the connection pin usually consists of a copper base material and is usually galvanically metallized If this galvanic metallization is made of tin There is a risk that so-called tin whiskers may form, which are acicular tin single crystals of a few ⁇ m in diameter and up to several ⁇ m in length. These conductive whiskers are located between open contacts lying close to each other on the printed circuit board If this galvanic metallization of the pins is made of other, for example, harder surfaces such as nickel or gold or silver, there is a risk that unacceptable PCB damage will occur when the pins are pressed in.
  • insulation displacement terminal In insulation displacement technology, which is used as an alternative to press-fitting technology, a solderless electrical connection between, for example, the wire of a component or a punched grid and a metallized insulation displacement terminal is also produced.
  • the insulation displacement terminal has a solid or elastic V-shaped notch whose geometry is generally designed to be manufacturer specific. When the wire is pressed into the V-shaped notch of the cutting clamp, this cutting clamp and the wire deform plastically and elastically and adapt to one another in terms of their contour. In this way, the wire directly contacts the insulation displacement terminal.
  • the wire is made of copper or copper alloys or steel, with an overlying further coating as the surface to prevent oxidation.
  • This further coating for preventing oxidation can, for example, be an electrodeposited metallization, for example copper and tin or copper / nickel and tin.
  • the insulation displacement clamp in the insulation displacement technology usually consists of a copper base material and may optionally be galvanically metallized.
  • tin whiskers may form. These are needle-shaped tin single crystals of a few ⁇ m diameter up to several mm in length. Due to these conductive whiskers there is a risk of short circuits between close open contacts. If the galvanic metallization is made of another, for example, harder material such as, for example, nickel, gold or silver, there is a risk that no gas-tight connections will be created when using the insulation displacement technology. If the surface of the insulation displacement terminal is made of bare copper or one of its alloys, there is a danger of "seizing", i.e. the wire already merges too early with the insulation displacement terminal and does not reach the desired position, which considerably impairs the connection.
  • the insulation displacement technique is used to produce a solderless electrical connection
  • the risk of the occurrence of tin deposits can be increased by applying an OSP layer to one of the joining partners, for example, either to the insulation displacement terminal or to the wire or to both joining partners. Whiskers and chips are minimized or completely avoided on both sides OSP-coated surfaces.
  • a gentler insulation displacement can be achieved without undue damage.
  • the pins are only galvanically plated with nickel.
  • a lubricant is in many cases given up immediately before pressing.
  • this process step can be completely eliminated.
  • the pin is already coated with the OSP coating by the manufacturer and this coating is used as a lubricant for the press-fitting process, even if the insulation displacement technology is used.
  • Figure 1 is a schematic representation of the press-fitting, in which a pin, which includes a press-in zone with OSP coating, is pressed in the press-fitting in a metallized opening of a circuit board and
  • Figure 2 shows the representation of the principle of the insulation displacement connection, in which at least one joining partner is provided with an OSP coating.
  • OSP coating is understood below to mean an organic passivating layer (organic solderability preservative), as is commonly used in printed circuit board technology.
  • OSP coating is a selectively acting Cu coordination compound such as, for example, phenylimidazole, benzimidazole, aminothiols, acetates, polyalcohols or diketones and also other substances, for example.
  • FIG. 1 schematically shows the principle of the press-fit technique for producing a solderless electrical connection 42.
  • connection pin 10 is pressed into the press-fit direction 22 in a printed circuit board hole 24 of a printed circuit board 26.
  • the illustration according to FIG. 1 shows that a press-in zone 14 extends above the tip of the connecting pin 10.
  • An opening may also be provided in the region of the press-fit zone 14, so that the connection pin 10 is formed within the press-fit zone 14 by two webs extending parallel to one another.
  • the connection pin 10 is provided with an OSP layer 56 within a coating area 20.
  • the coating area 20 extends essentially borrowed above the press-in zone 14 to the tip of the connecting pin 10.
  • a solderless electrical connection 42 is represented by pressing the connection pin 10 into the printed circuit board 26.
  • the circuit board 26 has a number of
  • the coating 34 serves as oxidation protection for the underlying copper metallization 32 and acts more or less lubricating in the press-in depending on the choice of material.
  • Possible coatings 34 are e.g. a hot tin plating or a chemically deposited metallization such as e.g. Nickel and gold or tin or silver and an organic passivation layer (OSP).
  • OSP organic passivation layer
  • the press-in zone 14 of the connecting pin 10 usually consists of a copper base material and is galvanically metallized. In the course of a galvanic metallization, the press-in zone 14 is usually provided with a Zinnmetali- sation.
  • inventively proposed OSP coating 56 within the press-fit zone 14 a tin chip formation is particularly advantageously avoided.
  • the OSP coating 56 in the area of the press-in zone 14 along the coating area 20 serves, on the one hand, as protection against occurring oxidation and, on the other hand, as a lubricant with properties similar to tinning.
  • inventively proposed solution the application of a lubricant can be omitted before pressing a pin.
  • the press-in zone 14 can already be provided with the OSP coating 56 by the manufacturer. Especially in applications where the pin
  • the proposed solution according to the invention offers itself.
  • a lubricant for example silicone gel, is applied in several cases immediately prior to pressing in.
  • this process step can be dispensed with when using the solution proposed according to the invention.
  • the press-fit zone 14 which lies within the coating area 20
  • galvanically Cu to this area, ie at least along the press-fit zone 14, preferably along the coating area 20 on the connection pin 10 in order to deposit on the surface of the pin 10 exclusively to offer Cu as a docking point for the OSP coating 56.
  • the chemical composition and the thickness of the OSP coating within the coating area 20 of the terminal pin 10 can be determined by means of Focused Ion Beam (FIB), UV spectrophotometry or optical reflection method (OSPrey).
  • FIB Focused Ion Beam
  • OSPrey optical reflection method
  • solderless electrical connection is designed as an insulation displacement connection, cf. FIG. 2.
  • solderless electrical connection 42 is made by connecting a wire 44 for connecting an electrical appliance or a punched grid to a metallized or non-metallized insulation displacement terminal 46.
  • the cutting clamp 46 comprises an elastic region, which in the illustration according to FIG. 2 is designed as a notch 48 formed in a V-shape.
  • the depth of the notch 48 in the material of the insulation displacement terminal 46 causes the elasticity of the material or the mounting forces to be applied for producing the solderless electrical connection 42.
  • the contacting surfaces of the notch 48 formed in V-shape can be used be provided in the metallized or non-metallized insulation displacement terminal 46 with the OSP coating 56.
  • the wire 44 as a second joining partner is made of copper, a copper alloy or steel and comprises an oxidation prevention layer 50.
  • the outer surface of the wire 44 may also be provided with an OSP coating 56.
  • Wire 44 the base material of which may be copper, a copper alloy or steel, as well as to provide the contacting surfaces of the V-shaped notch 48 with the OSP coating 56.
  • the contacting surfaces for contacting the first joining partner, i. the metallized or non-metallized formed insulation displacement terminal 46, in second joining partner, i. of the wire 44, only to be electroplated in the area of the contacting surfaces.
  • This galvanically produced sub-copper serves as docking point for the OSP coating 56.
  • the OSP coating 56 serves on the one hand as protection against oxidation, on the other hand as a lubricant, which has similar properties as a tinning of the contacting surfaces on the inside of the notch formed in V-shape
  • FIG. 2 shows, in the middle illustration, how the wire 44 introduced substantially in the vertical direction in the press-in direction 22 into the V-shaped notch 48 causes a widening 58 of the metallized or non-metallized cutting terminal 46 in the horizontal direction. Due to the presence of the V-shaped notch 48, the upper portion of the metallized or non-metallized IDC 46 has inherent elasticity, so that the forces acting on the solderless electrical Compound 42 act, in particular the forces with which the wire 44 is fixed in the insulation displacement terminal 46, do not exceed a defined level.
  • the contacting surfaces of the V-shaped notch 48 are provided with the OSP coating 56, which acts as a sliding layer here, it is achieved that a "seizure" of the wire 44 upon first incomplete insertion into the V It is particularly avoided that the wire 44 before reaching its end position already merges too early with the material of the contacting surfaces, so that its desired position, ie the bottom of the notch 48 in V-shape, the in the cutting terminal 46 is formed, not reached.
  • Cutting block 46 may be made in the region of notch 48 in V-shape from a base material 52, such as copper or a copper alloy, as an alternative to a separate sub-copper of the contacting surfaces. Consequently, in the exemplary embodiment according to FIG. 2, an oxidation-preventing layer 50 in the form of an OSP coating 56 can be applied both on the lateral surface of the connecting wire 44 and on the contacting surfaces of the notch 48 in V-shape.
  • the OSP coating 56 also serves here as a lubricant for reducing the assembly force and to ensure the prevention of premature "seizure" when joining the first joining partner, ie the metallized or non-metallized running cutting terminal 46 with the second joining partner, here the lead wire 44th
  • the embodiment variant according to FIG. 2 makes it possible to produce materials by means of insulation displacement without undue damage to the first joining partner or the second joining partner or their metallizations even without the use of Zn. This also avoids the risk of tin whisker formation. Also in the embodiment shown in Figure 2 can previously on the
  • Contacting surfaces are deposited or deposited copper. be used to provide copper exclusively as a docking point for the OSP coating 56.
  • the chemical composition and thickness of the OSP coating 56 can be determined by Fl B (Focused Ion Beam), UV spectrophotometry, or optical refection (OSPrey).
  • Fl B Fluorine-based UV spectrophotometry
  • OSPrey optical refection
  • selectively acting Cu coordination compounds are used, for example phenylimidazole, benzimidazole, aminothiols, acetates, polyalcohols or diketones and other substances.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine lötfreie elektrische Verbindung (42) zwischen einem ersten Fügepartner (10, 46) und einem zweiten Fügepartner (24, 26; 44) zum Anschluss eines elektrischen Bauelementes, einer Steckerleiste oder eines Stanzgitters. Der erste Fügepartner (10, 46) oder beide Fügepartner (10,46,24,26,44) sind an ihren jeweiligen Kontaktierungsoberflächen (14, 48, 54,34,50) mit einer OSP-Beschichtung (56) versehen.

Description

Beschreibung
Titel
Lötfreie elektrische Verbindung Stand der Technik
Aus DE 10 2005 005 127 A1 ist ein elektrischer Kontakt und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Es wird ein elektrischer Kontakt für die Kaltkontak- tiertechnik beschrieben, umfassend ein metallisches Substrat, welches mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung ist aus einer Dispersion von Partikeln aus Kohlenstoff und/oder einem Polymer in einem Metall gebildet. Gemäß dieser Lösung ist der elektrische Kontakt vorzugsweise als Steckkontakt ausgeführt. Bei der Kaltkontaktiertechnik findet eine Verpressung der beiden Fügepartner statt, die auch die Form einer Schneidklemmverbindung annehmen kann oder durch Einpresstechnik gegeben ist. So wird zum Beispiel ein Pin in einer
Klemme bzw. eine Hülse eingeführt, die eine Beschichtung aufweist, bei der eine Spanbildung auftreten kann. Gemäß DE 10 2005 005 127 A1 kann sowohl ein Fügepartner als auch beide Fügepartner mit einer Beschichtung versehen werden.
DE 10 2005 062 601 A1 bezieht sich auf ein elektrisches Gerät mit einer geschmierten Fügestelle sowie ein Verfahren zur Schmierung einer solchen Fügestelle. Gemäß dieser Lösung ist ein elektrisches Gerät, insbesondere ein Steuergerät, an zumindest einer Fügestelle mit einem ersten Fügepartner, insbe- sondere einer Hülse versehen, der mit einem zweiten Fügepartner, insbesondere einem Stift, zusammenwirkt. Die Fügestelle umfasst zwischen den beiden zu fügenden Partnern eine Fuge, in der ein zumindest teilweise erstarrter Schmierstoff vorhanden ist. Bei dem Schmierstoff kann es sich um einen Mehrkomponentenstoff handeln, wobei der ausgehärtete Schmierstoff an einem vorzugsweise axia- len Ende der Fügestelle zumindest teilweise der Fügestelle nach außen abdichtet. Der erstarrte Schmierstoff bindet zumindest einen metallischen Span.
Von Glicoat SMD Organic Solderability Preservatives (OSP) (www.electrochemicals.com) ist eine Substanz„Glicoat SMD F2 (LX)" bekannt, die zur Beschichtung elektrischer Kontaktelemente und Leiterplatten eingesetzt wird, vgl. US 5,498,301 und US 5,560,785. Auch von anderen Herstellern wie z.B. Enthone sind entsprechende OSP-Beschichtungen z.B. auf Basis von Phe- nylimidazolen oder Benzimidazolen bekannt. Bei der Einpresstechnik wird eine lötfreie elektrische Verbindung zwischen dem
Anschlussstift einer Steckerleiste eines anderen Bauelements und einem metallisierten Leiterplattenloch (Hülse) hergestellt. Der Anschlussstift besitzt eine massive oder elastische Einpresszone, deren Geometrie im Allgemeinen herstellerspezifisch gestaltet ist. Diese Einpresszone verformt sich beim Einpressen in die Leiterplattenhülse plastisch und elastisch und passt sich an den Hülsendurchmesser an. Auf diese Weise wird der Stift direkt mit der Hülse kontaktiert.
Die Leiterplattenhülse besteht im Wesentlichen aus Kupfer, mit einer darüberlie- genden weiteren Beschichtung als Oberfläche zur Verhinderung von Kupferoxi- dation. Bei dieser weiteren Beschichtung kann es sich um eine Heißverzinnung oder um eine chemisch abgeschiedene Metallisierung zum Beispiel Nickel oder Gold oder Nickel/Gold oder Zinn oder Silber handeln. Des Weiteren kann die weitere Beschichtung eine organische Passivierungsschicht, ein so genanntes OSP (organic surface passivation)„Material" sein. Die Einpresszone des Anschluss- stiftes besteht üblicherweise aus einem Kupfer-Grundmaterial und ist üblicherweise galvanisch metallisiert. Ist diese galvanische Metallisierung aus Zinn gefertigt, besteht die Gefahr, dass sich so genannte Zinn-Whisker bilden können. Dabei handelt es sich um nadeiförmige Zinn-Einkristalle, von wenigen μιη Durchmesser und bis zu mehreren μιη Länge. Durch diese leitfähigen Whisker besteht zwischen eng beieinander liegenden offenen Kontakten auf der Leiterplatte oder zwischen den Anschlussstiften Kurzschlussgefahr. Ist diese galvanische Metallisierung der Anschlussstifte aus anderen so zum Beispiel härteren Oberflächen wie Nickel oder Gold oder Silber gefertigt, besteht die Gefahr, dass beim Einpressen der Anschlussstifte unzulässige Leiterplattenbeschädigungen entstehen. Bei der Schneidklemmtechnik, die alternativ zur Einpresstechnik angewendet wird, wird ebenfalls eine lötfreie elektrische Verbindung zwischen zum Beispiel dem Draht eines Bauelementes oder eines Stanzgitters und einer metallisierten Schneidklemme hergestellt. Die Schneidklemme besitzt eine massive oder elastische V-förmige Kerbe, deren Geometrie im Allgemeinen herstellerspezifisch gestaltet ist. Diese Schneidklemme und der Draht verformen sich beim Einpressen des Drahtes in die V-förmig konfigurierte Kerbe der Schneidklemme plastisch und elastisch und passen sich hinsichtlich ihrer Kontur aneinander an. Auf diese Weise kontaktiert der Draht direkt die Schneidklemme.
Üblicherweise besteht der Draht aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen oder Stahl, mit einer darüberliegenden weiteren Beschichtung als Oberfläche zur Verhinderung von Oxidation. Bei dieser weiteren Beschichtung zur Verhinderung von Oxi- dation kann es sich zum Beispiel um eine galvanisch abgeschiedene Metallisierung, zum Beispiel Kupfer und Zinn oder Kupfer/Nickel und Zinn handeln. Die Schneidklemme im Rahmen der Schneidklemmtechnik besteht üblicherweise aus einem Kupfer-Grundmaterial und kann gegebenenfalls galvanisch metallisiert sein.
Ist eine der beiden Oberflächen aus Zinn gefertigt, besteht die Gefahr, dass sich so genannte Zinn-Whisker bilden können. Dabei handelt es sich um nadeiförmig ausgebildete Zinn-Einkristalle von wenigen μιη Durchmesser bis zu mehreren mm Länge. Durch diese leitfähigen Whisker besteht zwischen eng beieinander liegenden offenen Kontakten Kurzschlussgefahr. Ist die galvanische Metallisierung aus einem anderen so zum Beispiel härteren Material wie zum Beispiel Nickel, Gold oder Silber gefertigt, besteht die Gefahr, dass beim Anwenden der Schneidklemmtechnik keine gasdichten Verbindungen entstehen. Ist die Oberfläche der Schneidklemme aus blankem Kupfer oder einer seiner Legierungen gefertigt, besteht die Gefahr des„Fressens" d.h. der Draht vereinigt sich bereits viel zu früh mit der Schneidklemme und erreicht nicht die Sollposition, wodurch die Verbindung erheblich beeinträchtigt ist.
Darstellung der Erfindung Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird bei Einsatz der Einpresstechnik durch Aufbringung einer OSP-Schicht auf einen größeren Bereich des Anschlussstiftes das Risiko des Auftretens von Zinn-Whiskern minimiert und bei einer OSP-beschichteten Leiterplatte gänzlich vermieden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung führt zur Vermeidung einer Zinnspanbildung und erste Versuche zeigen eine konstant verlaufende Einpresskraft bei geringeren Einpresskräften als bei verzinnten oder vernickelten Anschlussstiften. Dadurch wird die Schädigung der Metallisierung der Leiterplattenlöcher minimiert.
Wird zur Herstellung einer der lötfreien elektrischen Verbindung hingegen die Schneidklemmtechnik eingesetzt, so kann durch Aufbringen einer OSP-Schicht auf einen der Fügepartner, so zum Beispiel entweder auf die Schneidklemme oder auf den Draht oder auch auf beide Fügepartnern, das Risiko des Auftretens von Zinn-Whiskern und Spänen minimiert bzw. bei beidseitig OSP-beschichteten Oberflächen komplett vermieden werden. Außerdem kann ein schonenderes Schneidklemmen ohne unzulässige Schädigungen erreicht werden.
Bei manchen Applikationen sind die Anschlussstifte nur galvanisch mit Nickel beschichtet. Um damit noch ausreichend niedrige Einpresskräfte und eine die Hülsen schonende Einpressverbindung zu erreichen, wird in vielen Fällen unmittelbar vor dem Einpressen ein Gleitmittel aufgegeben. Auch bei manch anderen Applikationen wird bei Verwendung der Einpresstechnik bzw. der Schneidklemmtechnik zur Herstellung einer lötfreien elektrischen Verbindung vor dem Schneidklemmen bzw. vor dem Einpressen ein Gleitmittel eingesetzt. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann dieser Prozessschritt vollständig entfallen. Stattdessen wird im Fall der Einpresstechnik der Anschlussstift bereits beim Hersteller mit der OSP-Beschichtung beschichtet und diese Beschichtung als Gleitmittel für den Einpressprozess verwendet, dies gilt auch bei Einsatz der Schneidklemmtechnik.
Bei beiden Techniken, so bei der Einpresstechnik als auch bei der Schneidklemmtechnik, lässt sich eine Kostenersparnis durch eine preisgünstigere stromlose Oberflächenbeschichtung anstelle einer oder mehrerer galvanischer Be- schichtungen und durch Entfall des Prozessschrittes des zusätzlichen Aufbringens eines Gleitmittels erreichen. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Einpresstechnik, bei der ein Anschlussstift, der eine Einpresszone mit OSP-Beschichtung umfasst, in Einpressrichtung in eine metallisierte Öffnung einer Leiterplatte eingepresst wird und
Figur 2 die Darstellung des Prinzips der Schneidklemmverbindung, bei der zumindest ein Fügepartner mit einer OSP-Beschichtung versehen ist.
Ausführungsvarianten
Unter dem Ausdruck OSP-Beschichtung wird nachfolgend eine organische Pas- sivierungsschicht (organic solderability preservative ) verstanden, wie sie üblicherweise in der Leiterplattentechnik eingesetzt wird. Bei der OSP-Beschichtung handelt es sich insbesondere um eine selektiv wirkende Cu- Koordinationsverbindung wie zum Beispiel Phenylimidazol, Benzimidazol, Ami- nothiole, Acetate, Polyalkohole oder Diketone sowie weitere Stoffe, um Beispiele zu nennen.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist in schematischer Weise das Prinzip der Einpresstechnik zur Herstellung einer lötfreien elektrischen Verbindung 42 zu entnehmen.
Wie Figur 1 zeigt wird ein Anschlussstift 10 in Einpressrichtung 22 in ein Leiterplattenloch 24 einer Leiterplatte 26 eingepresst. Aus der Darstellung gemäß Figur 1 ergibt sich, dass sich oberhalb der Spitze des Anschlussstiftes 10 eine Einpresszone 14 erstreckt. Im Bereich der Einpresszone 14 kann auch eine Öffnung vorgesehen sein, so dass der Anschlussstift 10 innerhalb der Einpresszone 14 durch zwei parallel sich zueinander erstreckende Stege gebildet wird. Der Anschlussstift 10 ist innerhalb eines Beschichtungsbereiches 20 mit einer OSP- Schichtung 56 versehen. Der Beschichtungsbereich 20 erstreckt sich im Wesent- liehen beginnend oberhalb der Einpresszone 14 bis zur Spitze des Anschlussstiftes 10.
Eine lötfreie elektrische Verbindung 42 wird durch Einpressen des Anschlussstif- tes 10 in die Leiterplatte 26 dargestellt. Die Leiterplatte 26 weist eine Anzahl von
Leiterplattenöffnungen 24 auf, die mit einer Kupfermetallisierung 32 und mit einer darüber liegenden Beschichtung 34 versehen sind. Die Beschichtung 34 dient als Oxidationsschutz für die darunterliegende Kupfermetallisierung 32 und wirkt im Einpressprozess je nach Materialwahl mehr oder weniger schmierend. Mögliche Beschichtungen 34 sind z.B. eine Heißverzinnung oder eine chemisch abgeschiedene Metallisierung wie z.B. Nickel und Gold oder Zinn oder Silber sowie eine organische Passivierungsschicht (OSP).
Die Einpresszone 14 des Anschlussstiftes 10 besteht üblicherweise aus einem Kupfer-Grundmaterial und ist galvanisch metallisiert. Im Wege einer galvanischen Metallisierung wird die Einpresszone 14 in der Regel mit einer Zinnmetali- sierung versehen. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbringen der OSP-Schicht 56 anstatt der oben genannten Metallisierung auf den Anschlussstift 10, insbesondere zumindest entlang der Einpresszone 14, wird das Risiko des Auftretens von Zinn-Whiskern minimiert bzw. bei bereits mit einer OSP-
Beschichtung 34 versehenen Leiterplatte 26 gänzlich vermieden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene OSP-Beschichtung 56 innerhalb der Einpresszone 14 wird besonders vorteilhaft eine Zinnspanbildung vermieden. Die OSP- Beschichtung 56 im Bereich der Einpresszone 14 entlang des Beschichtungsbe- reiches 20 dient einerseits als Schutz gegen auftretende Oxidation und zum Anderen als ein Gleitmittel mit ähnlichen Eigenschaften wie einer Verzinnung. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann das Aufbringen eines Gleitmittels vor dem Einpressen eines Anschlussstiftes entfallen. Stattdessen kann die Einpresszone 14 bereits beim Hersteller mit der OSP-Beschichtung 56 versehen werden. Insbesondere bei Applikationen, bei denen der Anschlussstift
10 mit einer galvanisch abgeschiedenen Nickelbeschichtung versehen ist, bietet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung an. Um bei einer galvanisch abgeschiedenen Nickelbeschichtung auf einem Anschlussstift 10 noch ausreichend niedrige Einpresskräfte sowie eine die Leiterplatte 26 schonende Ein- pressverbindung zu erhalten, wird in etlichen Fällen unmittelbar vor dem Einpressen noch ein Gleitmittel, zum Beispiel Silikongel, aufgebracht. Bei Applikati- on der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, d.h. dem Aufbringen einer OSP-Beschichtung 56 zumindest in der Einpresszone 14 des Anschlussstiftes 10 kann dieser Prozessschritt bei Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung entfallen. Vor Aufbringen der OSP-Beschichtung 56 zumindest in der Einpresszone 14, die innerhalb des Beschichtungsbereiches 20 liegt, kann innerhalb dieses Bereiches, d.h. zumindest entlang der Einpresszone 14, bevorzugt besonders entlang des Beschichtungsbereiches 20 am Anschlussstift 10 galvanisch Cu aufgebracht werden, um auf der Oberfläche des Anschlussstiftes 10 ausschließlich Cu als Andockstelle für die OSP-Beschichtung 56 anzubieten.
Die chemische Zusammensetzung und die Dicke der OSP-Beschichtung innerhalb des Beschichtungsbereiches 20 des Anschlussstiftes 10 können mittels FIB- Schnitt (Focused Ion Beam), UV-Spektrophotometrie oder optischem Reflekti- onsverfahren (OSPrey) bestimmt werden.
In einer weiteren zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Gedankens wird die lötfreie elektrische Verbindung als Schneidklemmverbindung ausgestaltet, vergleiche Figur 2.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 2 sind verschiedene Stadien des Herstellens einer lötfreien elektrischen Verbindung 42 dargestellt. Die lötfreie elektrische Verbindung 42 wird dadurch hergestellt, dass ein Draht 44 zum Anschluss eines elektrischen Gerätes oder eines Stanzgitters mit einer metallisierten oder nicht-metallisierten Schneidklemme 46 verbunden wird.
Bei dem ersten Fügepartner, der lötfrei elektrisch verbunden wird, handelt es sich um eine Schneidklemme 46, die metallisiert oder auch ohne Metallisierung ausgeführt sein kann. Die Schneidklemme 46 umfasst einen elastischen Bereich, der in der Darstellung gemäß Figur 2 als in V-Form ausgebildete Kerbe 48 ausgebildet ist. Die Tiefe der Kerbe 48 im Material der Schneidklemme 46 bedingt die Elastizität des Materials bzw. die zur Herstellung der lötfreien elektrischen Verbindung 42 aufzubringenden Montagekräfte.
In einer ersten Ausführungsvariante der Schneidklemmverbindung gemäß Figur 2 können die Kontaktierungsoberflächen der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 in der metallisierten oder nicht-metallisierten Schneidklemme 46 mit der OSP- Beschichtung 56 versehen sein.
Der Draht 44 als zweiter Fügepartner wird aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder auch aus Stahl hergestellt und umfasst eine Oxidationsverhinderungs- schicht 50. In einer alternativen Ausführungsvariante der Schneidklemmverbindung gemäß Figur 2 kann auch die Mantelfläche des Drahtes 44 mit einer OSP- Beschichtung 56 versehen sein. Schließlich besteht des Weiteren die Möglichkeit, sowohl die Mantelfläche des
Drahtes 44, dessen Grundmaterial Kupfer, eine Kupferlegierung oder Stahl sein kann, als auch die Kontaktierungsoberflächen der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 mit der OSP-Beschichtung 56 zu versehen. Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens, besteht die Möglichkeit, die Kontaktierungsflächen zur Kontaktierung des ersten Fügepartners, d.h. der metallisiert oder nicht- metallisiert ausgebildeten Schneidklemme 46, in zweitem Fügepartner, d.h. des Drahtes 44, lediglich im Bereich der Kontaktierungsoberflächen galvanisch zu verkupfern. Diese galvanisch hergestellte Unterkupferung dient als Andockstelle für die OSP-Beschichtung 56.
Die OSP-Beschichtung 56 dient einerseits als Schutz gegen Oxidation, andererseits als Gleitmittel, welches ähnliche Eigenschaften wie eine Verzinnung der Kontaktierungsoberflächen an der Innerseite der in V-Form ausgebildeten Kerbe
48 in der Schneidklemme 46 aufweist. Damit entfällt das Vorsehen des Aufbringens eines Gleitmittels zur Herstellung der Schneidklemmverbindung mithin ein ganzer Prozessschritt. Figur 2 zeigt des Weiteren, vergleiche mittlere Darstellung, wie der im Wesentlichen in vertikaler Richtung in Einpressrichtung 22 in die in V-Form ausgebildete Kerbe 48 eingeführte Draht 44 eine Aufweitung 58 der metallisiert oder nicht- metallisiert ausgeführten Schneidklemme 46 in horizontale Richtung bewirkt. Aufgrund des Vorhandenseins der Kerbe in V-Form 48 wohnt dem oberen Be- reich der metallisiert oder nicht-metallisiert ausgeführten Schneidklemme 46 eine entsprechende Elastizität inne, sodass die Kräfte, die auf die lötfreie elektrische Verbindung 42 wirken, insbesondere die Kräfte, mit denen der Draht 44 in der Schneidklemme 46 fixiert wird, ein definiertes Maß nicht überschreiten. Aufgrund des Umstandes, dass die Kontaktierungsoberflächen der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 mit der OSP-Beschichtung 56 versehen sind, die hier als Gleit- schicht wirkt, wird erreicht, dass ein „Fressen" des Drahtes 44 bei erst unvollständigem Eingeführtsein in die V-Form ausgebildete Kerbe 48 vermieden wird. Es wird insbesondere vermieden, dass sich der Draht 44 vor Erreichen seiner Endposition bereits zu früh mit dem Material der Kontaktierungsoberflächen vereinigt, so dass seine Sollposition, d.h. den Grund der Kerbe 48 in V-Form, die in der Schneidklemme 46 ausgebildet ist, gar nicht erreicht.
Durch die in Zusammenhang mit Figur 2 dargestellte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass - wie im rechten Bild gemäß Figur 2 erkennbar, der Draht 44 in Einführrichtung 22 gesehen, seine Sollposition am Grunde der in V-Form ausgebildeten Kerbe 48 auch zuverlässig erreicht. Die
Schneidklemme 46 kann - alternativ zu einer separaten Unterkupferung der Kontaktierungsoberflächen - im Bereich der Kerbe 48 in V-Form aus einem Grundmaterial 52, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt sein. Mithin kann im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 eine Oxidationsverhinde- rungsschicht 50 in Gestalt einer OSP-Beschichtung 56 sowohl auf der Mantelfläche des Anschlussdrahtes 44 aufgebracht werden, als auch auf den Kontaktierungsoberflächen der Kerbe 48 in V-Form. Die OSP-Beschichtung 56 dient hier außerdem als Gleitmittel zur Herabsetzung der Montagekraft und zur Sicherstel- lung des Verhinderns eines vorzeitigen„Fressens" beim Fügen des ersten Fügepartners, d.h. der metallisiert oder nicht-metallisiert ausgeführten Schneidklemme 46 mit dem zweiten Fügepartner, hier dem Anschlussdraht 44.
Die Ausführungsvariante gemäß Figur 2 ermöglicht ein materialschonendes Her- stellen im Wege des Schneidklemmens ohne unzulässige Schädigungen des ersten Fügepartners bzw. des zweiten Fügepartners bzw. von deren Metallisierungen auch ohne den Einsatz von Zn. Damit wird auch das Risiko einer Zinn- Whiskerbildung vermieden. Auch bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorher auf den
Kontaktierungsoberflächen galvanisch Kupfer abgeschieden werden oder aufge- bracht werden, um ausschließlich Kupfer als Andockstelle für die OSP- Beschichtung 56 bereit zu stellen.
Die chemische Zusammensetzung und die Dicke der OSP-Beschichtung 56 kön- nen mittels Fl B-Schnitt (Focused Ion Beam), UV-Spektrophotometrie oder optischem Ref lektionsverfahren (OSPrey) bestimmt werden. Insbesondere werden selektiv wirkende Cu-Koordinationsverbindungen eingesetzt, so zum Beispiel Phenylimidazol, Benzimidazol, Aminothiole, Acetate, Polyalkohole oder Diketone sowie weitere Stoffe.

Claims

Ansprüche
1 . Lötfreie elektrische Verbindung (42) zwischen einem ersten Fügepartner (10, 46) und einem zweiten Fügepartner (24, 26; 44) zum Anschluss eines elektrischen Bauelementes oder eines Stanzgitters, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner (10, 46), oder der zweite Fügepartner (24, 44), oder beide Fügepartner (10, 44; 24, 26, 46) an ihren Kontaktierungsoberflä- chen (14, 48, 54; 32, 34, 50) mit einer OSP-Beschichtung (56) versehen sind.
2. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner ein Anschlussstift (10) oder eine metallisierte (54) oder nicht-metallisierte Schneidklemme (46) ist.
3. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner (10, 46) aus Cu oder Cu-Legierungen gefertigt ist und optional eine Metallisierungsschicht (54) aufweist.
4. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner ein beschichtetes (34) oder nichtbeschichtetes Cu-metallisiertes Loch (24) in einer Leiterplatte (26) ist.
5. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner ein Draht (44) ist und optional eine Oxidationsverhinderungsschicht (50) aufweist.
6. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (24) in der Leiterplatte (26) eine hülsenförmige Metallisierung (32) aus Cu aufweist, die galvanisch abgeschieden ist und eine darüber liegende Beschichtung (34) aus z.B. Ni, Au, Sn, Ag oder eine organische Passivierungsschicht OSP (56) aufweist.
7. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die OSP-Beschichtung (56) des ersten Fügepartners (10, 46) galvanisch unterkupfert ist.
Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner (10, 46) oder beide Fügepartner (10, 44 ; 24, 26, 46) an den mit der OSP-Beschichtung (56) versehenen Kontak- tierungsoberflächen (14, 48, 54, 32, 34, 44, 50) galvanisch unterkupfert sind.
Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fügepartner (46) eine elastische Schneidzone (48), insbesondere eine Kerbe in V-Form aufweist, deren Kontaktierungsoberflä- chen galvanisch unterkupfert sind. 10. Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsverhinderungsschicht (50, 54) am ersten Fügepartner (10, 46) oder am zweiten Fügepartner (24, 26, 44) die OSP- Beschichtung (56) ist.
Lötfreie elektrische Verbindung (42) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die OSP-Beschichtung (56) mindestens eine selektiv wirken de Cu-Koordinationsverbindung enthält.
12. Lötfreie elektrische Verbindung (42) gemäß Anspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die selektiv wirkende Cu-Koordinationsverbindung aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Phenylimidazol, Benzimidazol, Aminothiole, Acetate, Polyalkohole und/oder Diketone.
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