WO2012156021A1 - Einpresspin und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a press-fit pin according to claim 1 and a method for its production according to claim 8.
  • Durable, solderless electrical contacts are more widely used in the art.
  • electrical press-in connection which are produced by pressing a press-in pin into the plated-through hole of a printed circuit board and thereby producing a gas-tight electrical connection.
  • the wall of the plated-through hole is usually made of a copper sleeve, the press-in consists for example of a copper alloy.
  • the press-in pin has a so-called press-in zone, via which the contact to the plated-through hole is produced and which can be designed to be elastically deformable.
  • a component for example a plug
  • a press-in pin with a flexible press-in zone is described for example in DE 198 31 672 B4.
  • flexible press-fit zones are press-in pins with specifically set elastic properties, so that the mechanical forces are absorbed during the pressing in the first place by the press-in pin itself.
  • a gas-tight zone must form.
  • another layer - typically a pure tin layer - is applied to the copper sleeve with sufficient layer thickness. This is usually done by means of chemical tinning.
  • the chemical tinning offers favorable sliding properties during the pressing process ("lubricating effect") and thus also contributes to the reduction of the press-in forces.
  • a thin coating is also applied to the press-in pin at least in the region of the press-in zone.
  • the coating may be tin-containing to improve the sliding properties of the press-fit zone.
  • a press-in pin with a coating is described for example in DE 10 2006 057 143 A1. The order of this tin layer is usually done by electroplating.
  • the present invention has the object to improve a generic Einpresspin to the effect that the whisker growth is reduced to a level acceptable for the automotive industry, that is close to zero.
  • the silver or a part of it, can be replaced by copper or bismuth.
  • the press-in pin consists of a base body and a coating, which is located at least on the press-fit zone of the main body, said coating of a tin alloy with a very high proportion of at least one of the metals silver, copper or bismuth, hereinafter called fermentation metals consists.
  • the proportion of these alloy metals is between 30 and 72 percent by mass.
  • silver is used exclusively as the alloying metal.
  • a press-in pin with the coating according to the invention shows not only a significantly reduced whisker growth compared to a press-in pin with a pure tin coating, the coating according to the invention also has a positive effect on the sliding and thus wear properties of the involved connectors.
  • the coating is preferably deposited galvanically, more preferably from a strongly acidic tin-silver plating alloy electrolyte, whereby a finely crystalline alloys is formed.
  • the coating has a thickness between 0.25 and 0.6 microns.
  • the galvanic coating is carried out in a continuous system (strip electroplating), preferably at a current density of 0.5 to 10 A / dm 2 .
  • Figure 1 is a press-in pin
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a cell of a strip electroplating plant.
  • FIG. 1 shows a press-in pin 10 with a press-in zone 12, which is designed in the form of two legs 12 separated by a gap. It is therefore a flexible press-fit zone.
  • the press-in pin 10 consists of a base body 14, preferably made of copper or a copper alloy, and a base body 14, at least in the area of the press-fit zone.
  • gene coating 16 as shown in the not to scale representation of Figure 2.
  • the layer thickness of this coating is preferably between 0.25 and 0.6 ⁇ .
  • the coating consists in the illustrated embodiment of a tin-silver alloy with a silver content of> 30%, preferably about 40%.
  • the coating is applied by electroplating, preferably in a strip galvanic plant, in which a band-shaped stamped grid, in which the press-in pins are held in a not yet fully punched-out state, is pulled through a plurality of cells 20 (see FIG.
  • the electrolyte is aqueous methanesulfonic acid in which the tin and silver ions are dissolved.
  • the electrolyte is pumped in the cell in a circulation, wherein the supply into the cell 20 via nozzles 26, which apply to the belt 22, but obliquely in the direction of movement of the belt 22nd
  • the silver ions are preferably in liquid form, the tin ions are preferably added in the form of tin methanesulfonate and by the solubility of the tin anodes.
  • a suitable material for the anodes 24 is pure tin.

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Abstract

Es wird ein Einpresspin (10) mit einem Grundkörper und einer den Grundkörper zumindest abschnittsweise bedeckenden Beschichtung beschrieben. Um einen Einpresspin mit einer bleifreien Beschichtung zur Verfügung zu stellen, welche ein Whiskerwachstum vermeidet oder weitgehend minimiert, besteht die Beschichtung zu 30 bis 72 Massenprozent aus Silber und/oder Kupfer und/oder Bismut (Legierungsmetalle), Rest Zinn und Verunreinigungen.

Description

Einpresspin und Verfahren zu seiner Herstellung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Einpresspin nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 8.
Dauerhafte, lotfreie elektrische Kontakte sind in der Technik weiter verbreitet. Es sind insbesondere sogenannte elektrische Einpressverbindung bekannt, welche dadurch hergestellt werden, dass ein Einpresspin in das durchkontaktierte Loch einer Leiterplatte gepresst und dabei eine gasdichte elektrische Verbindung erzeugt wird. Die Wandung des durchkontaktierten Lochs besteht in der Regel aus einer Kupferhülse, der Einpresspin besteht beispielsweise aus einer Kupferlegierung . Der Einpresspin weist eine sogenannte Einpresszone auf, über welche der Kontakt zum durchkontaktierten Loch hergestellt wird und welche elastisch deformierbar ausgebildet sein kann. Häufig trägt ein Bauteil, beispielsweise ein Stecker, eine Vielzahl von zueinander parallelen Einpresspins, welche bei der Montage dieses Bauteils an einer Leiterplatte alle gleichzeitig eingepresst werden. Darum muss die Leiterplatte beim Einpressen, trotz ihrer teilweise recht filigranen Struktur, oft erhebliche mechanische Belastungen aufnehmen können.
Stand der Technik
Je nach Gestaltung des Einpresspins und/oder seiner Einpresszone unterscheidet man zwischen flexiblen und massiven Einpresszonen. Ein Einpresspin mit einer flexiblen Einpresszone ist beispielsweise in der DE 198 31 672 B4 beschrieben. Im Falle flexibler Einpresszonen handelt es sich um Einpresspins mit gezielt eingestellten elastischen Eigenschaften, so dass die mechanischen Kräfte während des Einpressens in erster Linie durch den Einpresspin selbst aufgenommen werden. Beim Einpressvorgang muss sich eine gasdichte Zone bilden. Hierzu wird eine weitere Schicht - typischerweise ein Reinzinnschicht - auf die Kupferhülse mit ausreichender Schichtdicke aufgebracht. Dies geschieht in der Regel mittels chemischer Verzinnung. Die chemische Verzinnung bietet günstige Gleiteigenschaften beim Einpressvorgang („Schmierwirkung") und trägt somit auch zur Reduzierung der Einpresskräfte bei.
In der Regel wird auch eine dünne Beschichtung zumindest im Bereich der Einpresszone auf den Einpresspin aufgebracht. Die Beschichtung kann zinnhaltig sein, um die Gleiteigenschaften der Einpresszone zu verbessern. Ein Einpresspin mit einer Beschichtung ist beispielsweise in der DE 10 2006 057 143 A1 beschrieben. Der Auftrag dieser Zinnschicht erfolgt in der Regel auf galvanischem Weg.
Bis vor einigen Jahren war die Beschichtung auf der Einpresszone des Pins in der Regel eine Blei-Zinn-Schicht. Aufgrund von verschärften Umweltvorschriften, insbesondere der RoHS (Restriction of certain Hazardous Substances) EU-Richtlinie 2002/95/EC, ist der Einsatz von Blei nicht mehr möglich. Es wurde deshalb auf bleifreie Zinnschichten umgestellt. Durch diese Umstellung von Zinn-Blei- auf bleifreie Zinnschichten kommt es vermehrt zu Problemen wegen der Bildung von sogenannten Whiskern. Whisker sind Einkristalle welche aus der Beschichtung herauswachsen und im Falle von elektrischen Verbindungen bis zu einigen Millimetern lang werden und zu Kurzschlüssen führen können. Whisker bilden sich oft erst nach Jahren des Betriebs und ein durch einen Whisker verursachter Kurz- schluss tritt ohne Vorwarnung auf. Whiskerbildung ist beispielsweise häufig für den plötzlichen Ausfall der Elektronik eines Kraftfahrzeugs verantwortlich. Im schlimmsten Fall fällt das Fahrzeug aufgrund einer solchen Whiskerbildung vollständig aus und kann nur in einer Fachwerkstatt durch Austausch der betroffenen Leiterplatte wieder in fahrbereiten Zustand versetzt werden.
In der gattungsbildenden US 2009/0239398 A1 ist ein Einpress-Pin beschrieben, auf welchem' zur Vermeidung von Whiskern eine Zinn-Silber-Schicht mit einem Silberanteil von 0,5 bis 15 %, Rest Silber aufgebracht ist. Es werden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, wie diese Schicht aufgebracht werden kann, unter anderem Galvanisieren.
Es hat sich herausgestellt, dass eine galvanisch aufgetragene Schicht, wie sie in der US 2009/0239398 A1 beschrieben ist, gegenüber einer reinen Zinnbeschich- tung zwar ein reduziertes Whiskerwachstum zeigt, dass dieses für viele Anwendungen, insbesondere im Automobilbau, jedoch immer noch inakzeptabel hoch ist.
Gegenstand der Erfindung
Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen gattungsgemäßen Einpresspin dahingehend zu verbessern, dass das Whiskerwachstum auf ein auch für den Automobilbau akzeptables Maß, das heißt nahe null, reduziert wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Einpresspin mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, bei bevorzugtes Herstellungsverfahren ist in Anspruch 8 angegeben.
Es hat sich herausgestellt, dass entgegen der Versuche, welche entsprechend der US 2009/0239398 A1 durchgeführt wurden, Zinn-Silber-Beschichtungen doch zu einer Whiskerreduzierung im gewünschten Maß führen können, jedoch nur, wenn der Silberanteil sehr viel höher liegt, als in der US 2009/0239398 A1 vorgeschlagen.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass das Silber, oder ein Teil desselben, durch Kupfer oder Bismut ersetzt werden kann.
Dementsprechend besteht der Einpresspin aus einem Grundkörper und einer Beschichtung, welche sich zumindest auf der Einpresszone des Grundkörpers befindet, wobei diese Beschichtung aus einer Zinnlegierung mit einem sehr hohen Anteil wenigstens eines der Metalle Silber, Kupfer oder Bismut, im folgenden Le- gierungsmetalle genannt, besteht. Der Anteil dieser Legierungsmetalle beträgt zwischen 30 und 72 Massenprozent. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Legierungsmetall ausschließlich Silber eingesetzt.
Ein Einpresspin mit der erfindungsgemäßen Beschichtung zeigt gegenüber einem Einpresspin mit einer Reinzinnbeschichtung nicht nur ein deutlich reduziertes Whiskerwachstum, die erfindungsgemäße Beschichtung hat auch eine positive Wirkung auf die Gleit- und somit Verschleißeigenschaften der beteiligten Steckpartner.
Die Beschichtung wird vorzugsweise galvanisch, weiter vorzugsweise aus einem stark sauren galvanischen Zinn-Silber-Legierungselektrolyten abgeschieden, wodurch eine feinkristalline Legierungen entsteht.
Vorzugsweise hat die Beschichtung eine Dicke zwischen 0,25 und 0,6 Micrometer.
Vorzugsweise erfolgt die galvanische Beschichtung in einer Durchlaufanlage (Bandgalvanik), vorzugsweise bei einer Stromdichte von 0,5 - 10 A/dm2.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Einpresspin
Figur 2 das Detail D aus Figur 1
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Zelle einer Bandgalvanik anläge.
Die Figur 1 zeigt einen Einpresspin 10 mit einer Einpresszone 12, welche in Form von zwei durch einen Zwischenraum getrennten Schenkeln 12 ausgebildet ist. Es handelt sich also um eine flexible Einpresszone. Der Einpresspin 10 besteht aus einem Grundkörper 14 vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einer zumindest im Bereich der Einpresszone auf den Grundkörper 14 aufgetra- genen Beschichtung 16, wie dies in der nicht maßstäblichen Darstellung der Figur 2 dargestellt ist. Die Schichtdicke dieser Beschichtung beträgt vorzugsweise zwischen 0,25 und 0,6 μιη. Die Beschichtung besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Zinn-Silberlegierung mit einem Silberanteil von > 30 %, vorzugsweise ca. 40%.
Der Auftrag der Beschichtung erfolgt auf galvanischem Wege, vorzugsweise in einer Bandgalvanikanlage, bei der ein bandförmiges Stanzgitter, in welchem die Einpresspins in einem noch nicht vollständig ausgestanzten Zustand gehalten sind, durch mehrere hintereinander liegende Zellen 20 (s. Figur 3) gezogen wird. Der Elektrolyt ist wässrige Methansulfonsäure, in welcher die Zinn- und die Silberionen gelöst sind. Der Elektrolyt wird in der Zelle in einem Kreislauf gepumpt, wobei die Zuführung in die Zelle 20 über Düsen 26 erfolgt, welche auf das Band 22 zuweisen, jedoch schräg in Richtung der Bewegungsrichtung des Bandes 22.
Die Silberionen werden vorzugsweise in flüssiger Form, die Zinnionen werden vorzugsweise in Form von Zinnmethansulfonat und durch die Löslichkeit der Zinnanoden zugegeben. Ein geeignetes Material für die Anoden 24 ist Reinzinn.

Claims

Patentansprüche
1. Einpresspin (10) mit einem Grundkörper (14) und einer den Grundkörper zumindest abschnittsweise bedeckenden Beschichtung (16), wobei die Be- schichtung Zinn enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (16) zu 30 bis 72 Massenprozent aus Silber und/oder Kupfer und/oder Bismut (Legierungsmetalle), Rest Zinn und Verunreinigungen besteht.
2. Einpresspin (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (16) galvanisch auf dem Grundkörper (14) abgeschieden ist.
3. Einpresspin (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil der Legirungsmetalle Silber, Kupfer und Bismut 40 bis 72 Massenprozent beträgt.
4. Einpresspin nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ausschließlich aus Zinn, Silber und Verunreinigungen besteht.
5. Einpresspin nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen weniger als 0,1 Massenprozent betragen.
6. Einpresspin nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen weniger als 0,05 Massenprozent betragen.
7. Einpresspin nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (16) eine Dicke zwischen 0,25 und 0,6 Micrometer aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Einpresspins nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Zinn und das wenigstens eine Legierungsmetall aus methansulfonsaurer Lösung galvanisch auf dem Grundkörper (14) abgeschieden wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die galvani- s sehe Abscheidung bei sich durch eine Zelle (20) bewegendem Einpresspin erfolgt, wobei der Elektrolyt umgepumpt wird und in Bewegungsrichtung des Einpresspins gerichtet auf den Einpresspin der Zelle (20) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpresspin Teil eines bandförmigen Stanzgitters ist, welches durch die Zelle bewegt wird.
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GANESAU S ET AL: "Assessment of long-term reliability in lead-free assemblies", ASIAN GREEN ELECTRONICS, 2005. AGEC. PROCEEDINGS OF 2005 INTERNATIONAL CONFERENCE ON SHANGHAI, CHINA MARCH 15-18, 2005, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, 15 March 2005 (2005-03-15), pages 140 - 155, XP010807577, ISBN: 978-0-7803-8806-2, DOI: 10.1109/AGEC.2005.1452334 *
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