WO2013174560A2 - Zinnbeschichtung, zugehöriges kontaktelement und verfahren zum aufbringen einer zinnbeschichtung - Google Patents

Zinnbeschichtung, zugehöriges kontaktelement und verfahren zum aufbringen einer zinnbeschichtung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a tin coating according to the preamble of independent claim 1, an associated contact element according to the preamble of independent claim 7 and a method for applying a tin coating according to the preamble of independent claim 8.
  • Tin coating is to be understood as meaning a coating system which is formed from at least one tin-containing layer. This also includes a completely made of tin layer or a layer which is formed from a suitable for the intended application tin alloy. In addition, in addition to the layer containing at least one tin, additional layers of other material compositions can be provided adjacent to it. In the galvanic Zinnbe- layers can be distinguished between matte tin and bright tin.
  • Matte tin coatings have a quasi-columnar grain structure.
  • the tin coatings are typically deposited on copper or copper alloys. The texture is usually uniform for the layer system, but depends on the electrolyte used and the process control.
  • Today matte tin coatings are in use, which have a grain size, which are typically in the range of 3 to 5 ⁇ . However, the tin coatings are prone to whisker growth without further countermeasures.
  • the glossy tin layers typically also have a columnar grain structure. The main difference, however, is the significantly smaller grain size, which typically lies in the range of 0.2 to 2 ⁇ m, which results in the eponymous glossy appearance.
  • Both tin coatings have the ten to form whiskers (tin hairs) which grow out of the tin-containing layer uncontrollably. These whiskers can then possibly cause an electrical short circuit and thus lead to the malfunction of electronic applications.
  • the whisker slope correlates directly with the emergence of a stress gradient in the tin coating which is lateral and perpendicular thereto. Often, the tin coating will eventually be under compressive stress after some time. This can be observed in particular in layer systems in which tin (Sn) or a tin alloy is deposited directly on copper (Cu).
  • Compressive stress in conjunction with a corresponding gradient is the driving force for whisker growth.
  • German Offenlegungsschrift DE 10 2004 030 930 A1 describes, for example, tin-coated printed circuit boards with a low tendency to whisker formation.
  • the coated circuit board comprises at least one non-conductive base layer which comprises, for example, epoxies, epoxy composites, teflon, cyanate esters, ceramics, cellulose and cellulose composites, materials based on these substances and flexible base layers based on polyimide, at least one layer of copper and / or a copper alloy and a tin-containing layer containing at least one other metallic element such as platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag), copper (Cu), indium (In), zinc (Zn), lead ( Pb), germanium (Ge), gallium (Ga), magnesium (Mg), antimony (Sb), manganese (Mn), zirconium (Zr), calcium (Ca) and wsmut (Bi).
  • the tin coating according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that the equiaxial grain structure is achieved by an alternating layer structure without the use of lead, which is achieved simply by sequential deposition of the corresponding Tin containing layers or intermediate layer can be implemented. This practically creates the equiaxial structure through the design itself, which minimizes whisker growth analogous to tin-lead layers.
  • Such a tin coating having at least two tin-containing layers and at least one intermediate layer separating the at least two tin-containing layers can better distribute the resulting compressive stresses three-dimensionally by providing lateral diffusion paths or increasing the number of lateral diffusion paths or grain boundaries. so that advantageously only flat voltage gradients
  • tin-containing solder alloys especially with a tin content of more than 50 percent, especially of more than 70 percent to call.
  • lead-free tin solders fall under it.
  • the individual tin-containing layers or intermediate layers are deposited via galvanic processes.
  • the individual tin-containing layers or interlayers may be deposited by other suitable methods or processes, such as, for example, chemical or physical vapor deposition, vapor phase coating methods, hot dipping, etc. Due to the tin coating modified according to the invention, compressive stresses are reduced not via whisker growth but via global grain growth or newly formed grains within the tin coating, since the diffusion of the atoms takes place undirected.
  • the gist of the invention is to construct the overall layer of several sub-layers of tin-containing materials which are interrupted by intermediate layers of a suitable material. As a result, the risk of whisker formation can advantageously be reduced to that for tin-lead
  • Layers known low risk of whisker formation can be reduced.
  • the structure of the grain structure of the tin-containing layers to be deposited during the deposition is interrupted several times such that a characteristic of the overall system columnar structure is prevented.
  • the microstructure of the tin coating is changed so that form additional lateral grain boundaries, and thus the tin or the tin-containing material can degrade as a whole faster voltage gradients and it so not for the Whiskerönön sufficient and necessary condition of mostly integral compressive stress to near the yield point of the layer material, in conjunction with lateral and vertical negative voltage gradients (eg> 20MPa ⁇ m ) comes.
  • the desirable equiaxial grain structure of the tin coating can advantageously be generated independently of the electrolyte used and the object to be coated.
  • this new layer system represents a change based on scientific findings to previous systems.
  • the realization of tin coating according to the invention can be realized with almost any galvanic plant after appropriate adjustment.
  • the interruption of the individual layers containing tin is practically given by all the chemical elements which can be deposited on tin or a tin alloy, on which tin or a tin alloy can be deposited again.
  • Embodiments of the present invention provide a tin coating having a substantially equiaxed grain structure comprising, according to the invention, at least two sequentially deposited tin-containing layers separated by an intermediate layer.
  • the intermediate layer advantageously produces laterally extending grain boundaries in the adjacent tin-containing layers.
  • the tin coating is made up of at least two tin-containing layers, which are sequentially deposited on the at least one contact portion of the contact element, wherein an intermediate layer is deposited between the at least two tin-containing layers, so that laterally extending Grain boundaries are generated in the adjacent tin-containing layers.
  • the individual tin-containing layers or intermediate layers are deposited via galvanic processes.
  • Embodiments of the tin coating according to the invention with a substantially equiaxial grain structure can be used, for example, as part of a coating arrangement on a contact element having at least one contact section which is formed, an electrical spring contact and / or an electrical contact by insulation displacement and / or crimping and / or flanging and / or to produce rivets and / or screws and / or caulking and / or press-fitting and / or folding and / or bending and / or soldering, in particular to a substrate or a press-in pin, which in particular is copper or iron or aluminum or an alloy made of copper or iron or aluminum.
  • the tin coating may comprise three or four sequentially deposited tin-containing layers, wherein each two tin-containing layers may be separated by an intermediate layer.
  • each two tin-containing layers may be separated by an intermediate layer.
  • the individual layers containing tin for example, have a layer thickness in the range of 0.1 to 3 ⁇ m.
  • the individual intermediate layers can, for example, have a layer thickness in the range from 2 to 100 nm, preferably from 10 to 50 nm, particularly preferably from
  • one or more of the tin-containing layers may be combined with one another.
  • the one or more of the intermediate layers differ from each other in their respective material composition and / or in their respective layer thickness.
  • the at least two sequentially applied tin-containing layers can each have a substantially columnar grain structure.
  • the equiaxial grain structure of the tin coating is reacted by alternately depositing the tin-containing layers with the columnar grain structure and the corresponding intermediate layer separating the two tin-containing layers.
  • the intermediate layer may consist of at least one chemical element which can be deposited on tin or on a tin alloy and on which tin or a tin alloy can be deposited.
  • the at least one chemical element of the intermediate layer is selected from a material group whose members essentially do not build up compressive stresses in the tin-containing layer.
  • the at least one chemical element of the intermediate layer can be selected from a group of materials whose members form an intermetallic phase with tin, which advantageously does not generate compressive stresses in the tin-containing layer or does not react with tin.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a coating arrangement with an embodiment of a tin coating according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic structural representation of the coating arrangement from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic structural representation of a coating arrangement with a conventional tin coating to explain the whisker formation.
  • the illustrated coating arrangement 1 comprises a substrate 3, which consists of copper or a copper alloy, and a conventional tin coating 5', which is applied galvanically to the substrate 3.
  • the tin coating 5 ' consists of a tin layer Sn with a predetermined layer thickness d Sn , which has a columnar grain structure with relatively large, columnar grains 10 with substantially vertical grain boundaries 10.1.
  • the layer may also contain other materials in addition to tin and be present in particular in the form of a tin alloy.
  • the whisker slope thus correlates directly with the formation of a voltage gradient in the tin layer Sn, which is lateral and perpendicular thereto.
  • the tin layer Sn is after a few days under compressive stress F.
  • the compressive stress F and the associated gradient are the driving forces for whisker growth.
  • Such a whisker 5.1 grows monocrystalline due to the grain boundary diffusion of the tin to the whisker root, with the whisker growth rate and whisker length being proportional to the induced compressive stress F.
  • the whiskers 5.1 often grow after only 2 to 3 days due to the mechanical compressive stress F occurring at room temperature due to the formation of the intermetallic phase.
  • the mechanical compressive stress F in tin layers Sn with columnar grain structures can be caused by oxidation, which is promoted in particular by an aggressive environment, by acting external pressure forces and by thermal cycling.
  • the introduction of the voltage gradients in the thermal cycling can be caused by the use of materials having different thermal expansion coefficients.
  • the exemplary embodiment of a coating arrangement 1 comprises a substrate 3, which in the illustrated embodiment comprises copper or a copper alloy, and a tin coating 5 applied to the substrate 3, which has a substantially equiaxial grain structure having.
  • the tin coating is deposited, for example, on one or more contact elements of the substrate 3.
  • the contact element for example, by soldering or pressing in electrical contact with an electrical component, e.g. a terminal of a chip or a press-in pin of a connector rail trained.
  • the contact element may, for example, be in the form of a contact pad arranged on the substrate 3 or a press-in zone formed in the substrate 3.
  • the tin coating 5 has at least two layers Sn1, Sn2, Sn3, which are applied sequentially, and which are separated from one another by an intermediate layer ZW1, ZW2.
  • the respective intermediate layer ZW1, ZW2 advantageously produces laterally extending grain boundaries 10.2 in the adjacent tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3.
  • the tin coating 5 according to the invention in the exemplary embodiment illustrated has three layers Sn 1, Sn 2, Sn 3, which are applied sequentially and contain tin, and two corresponding intermediate layers. layers ZW1, ZW2, which each separate two adjacent tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 from each other.
  • the individual tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 or intermediate layers ZW1, ZW2 are preferably deposited via galvanic processes.
  • ZW1, ZW2 by other suitable methods or processes, such as by chemical or physical vapor deposition, vapor phase coating method, by hot dipping, etc. deposited or applied.
  • the individual sequentially deposited tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 furthermore have a substantially columnar structure
  • the equiaxial grain structure of the tin coating 5 is achieved by the alternating layer structure, which can be easily converted by sequentially depositing the corresponding tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 and the intermediate layers ZW1, ZW2.
  • the design itself provides the equiaxial structure of the tin coating 5 which minimizes or prevents whisker growth analogous to tin-lead layers.
  • a first tin-containing layer Sn 1 having a predetermined layer thickness d Sn i is deposited on the contact element of the substrate 3.
  • a first intermediate layer ZW1 with a predetermined layer thickness dzwi is then deposited on the contact element of the substrate 3.
  • a second tin-containing layer Sn2 with a predetermined layer thickness d Sn 2 is then deposited on the second tin-containing layer Sn 1 having a predetermined layer thickness d Sn i.
  • the intermediate layers ZW1, ZW2 each consist of at least one chemical element which can be deposited on tin (Sn) or a tin alloy and on which tin (Sn) or a tin alloy can be deposited.
  • the tin coating 5 may also comprise only two tin-containing layers which are separated by an intermediate layer or have more than three tin-containing layers, wherein two tin-containing layers each are replaced by an intermediate layer. are simply separated from each other. Overall, the tin coating 5 has a predetermined total layer thickness d g .
  • the intermediate layers ZW1, ZW2 in the adjacent tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 produce laterally extending grain boundaries 10.2 in addition to the vertically extending grain boundaries 10.1, so that advantageously a directed diffusion along the vertically extending Grain boundaries 10.1 for whisker formation is prevented.
  • the resulting compressive stresses in the tin coating 5 can be better distributed in three dimensions, so that advantageously only flat voltage gradients ( ⁇ 20 MPa) m) can arise.
  • compressive stresses can not be broken down via whisker growth but via global grain growth 9 or newly formed grains 12 within the tin coating 5, since the diffusion of the atoms takes place in an undirected manner.
  • the individual tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 can have, for example, a layer thickness d Sn i, sn 2, sn 3 ⁇ range from 0.1 to 3 ⁇ m.
  • the individual intermediate layers ZW1, ZW2 may comprise, for example, depending on the requirements and application of a layer thickness d wi Z, d Z w2 in the range of 2 to 100 nm.
  • the tin coating 5 by embodiments of the method according to the invention for applying a tin coating 5 having a substantially equiaxial grain structure on a contact element of a substrate 3, which in particular comprises copper or iron or aluminum or an alloy of copper or iron or aluminum, the tin coating 5 according to the invention from at least two tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3, which are deposited sequentially, wherein between the at least two tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3, an intermediate layer ZW1, ZW2 is deposited, so that laterally extending grain boundaries 10.2 in the adjacent tin-containing layers Sn1 , Sn2, Sn3 are generated.
  • the individual tin-containing layers Sn1, Sn2, Sn3 or intermediate layers ZW1, ZW2 are preferably deposited via galvanic processes.
  • the at least one chemical element of the intermediate layers ZW1, ZW1 can be selected from a material group whose members essentially do not build up any compressive stresses in the tin coating 5.
  • the at least one chemical element of the intermediate layers ZW1, ZW2 can be selected from a material group whose members form an intermetallic phase with tin Sn or do not react with tin Sn.
  • the intermediate layers ZW1, ZW2 can be platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag), indium (In), zinc (Zn), germanium (Ge), gallium (Ga), magnesium ( Mg), antimony (Sb), manganese (Mn), zirconium (Zr), calcium (Ca) and bismuth (Bi), preferably silver (Ag), whine (Bi), gold (Au), indium (In) , Nickel (Ni) or antimony (Sb).
  • the process can be carried out by the defined coating sequence and corresponding process monitoring with almost any electroplating plant after appropriate adaptation of the coating cells.
  • the tin coating according to the invention is advantageously suitable in principle for electrical and / or mechanical components which are under mechanical stress and / or exposed to a temperature at which hitherto known tin coatings tend to whisker formation.
  • Embodiments of the tin coating according to the invention can be applied, for example, to printed conductors and / or contact points and / or plated-through holes of a circuit carrier or a circuit board and / or to contact elements of an electrical and / or electronic component and / or an integrated circuit (IC).
  • the tin coating according to the invention and its application to contact elements with at least one contact section which is formed proves to be particularly advantageous, an electrical contact by insulation displacement contacts and / or a spring contact and / or crimping and / or crimping and / or riveting and / or screws and / or Caulking and / or press-fitting and / or folding and / or bending and / or soldering produce.
  • Einpresspins and / or the matching press-in zone fall under it, as well as plug contacts, busbars and stamped grid.
  • the tin coating is built up from the layers containing at least two tin, which are deposited sequentially on the at least one contact section of the contact element and wherein between the at least two tin-containing layers, the intermediate layer is deposited such that laterally extending grain boundaries are formed in the adjacent tin-containing layers.
  • a contact element according to the invention which is designed as an insulation displacement element, has, in a known manner, a wire receptacle which is designed to contact and retain a longitudinal section of a contact wire during insertion into the wire receptacle in a penetrating and / or press-fitting manner. As a result of the deformation, the area of wire reception of the cutting clamping element is exposed to high mechanical loads.
  • the tin coating according to the invention is therefore preferably provided at least in the region of the wire receptacle of the insulation displacement element in order to avoid whisker formation.
  • An inventive contact element is formed, an electrical
  • a tin coating is provided at least in the areas in which high surface pressures result from the plastic deformation.
  • Such a contact element preferably has the tin coating according to the invention in these resilient contact areas.
  • Contact elements which are designed as screws or rivets are preferably completely provided with the surface coating according to the invention.
  • the contact elements are preferably provided essentially of copper or iron or aluminum or of an alloy comprising copper or iron or aluminum as an essential component.
  • the tin coating according to the invention proves to be advantageous on mechanical holding elements, in particular in the areas which are provided for a holding function.
  • Embodiments of the present invention achieve an equiaxed grain structure of the tin coating by an alternating layer structure without the use of lead, which can advantageously be implemented simply by sequentially depositing the corresponding tin-containing layer or intermediate layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zinnbeschichtung (5) mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur, sowie ein Kontaktelement mit einer solchen Zinnbeschichtung (5) und ein Verfahren zum Aufbringen einer solchen Zinnbeschichtung (5). Erfindungsgemäß umfasst die Zinnbeschichtung (5) mindestens zwei sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltenden Schichten (Sn1, Sn2, Sn3), welche durch eine Zwischenschicht (ZW1, ZW2) voneinander getrennt sind, wobei die Zwischenschicht (ZW1, ZW2) lateral verlaufende Korngrenzen (10.2) in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten (Sn1, Sn2, Sn3) erzeugt.

Description

Beschreibung
Titel
Zinnbeschichtung, zugehöriges Kontaktelement und Verfahren zum Aufbringen einer Zinnbeschichtung Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Zinnbeschichtung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 , einem zugehörigen Kontaktelement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 7 und einem Verfahren zum Aufbringen einer Zinnbeschichtung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 8.
Zur Umstellung auf bleifreie Beschichtungen werden mehrheitlich galvanische Zinnbeschichtungen verwendet. Unter Zinnbeschichtung ist ein Beschichtungs- system zu verstehen, welches mindestens aus einer Zinn enthaltenden Schicht gebildet ist. Darunter fällt auch eine vollständig aus Zinn bestehende Schicht oder eine Schicht, welche aus einer für die vorgesehene Anwendung geeigneten Zinnlegierung gebildet ist. Zusätzlich können neben der mindestens einen Zinn enthaltenden Schicht zu dieser angrenzend weitere Schichten aus anderen Materialzusammensetzungen vorgesehen sein. Bei den galvanischen Zinnbe- Schichtungen kann zwischen mattem Zinn und Glanzzinn unterschieden werden.
Matte Zinnbeschichtungen weisen eine quasi kolumnare Kornstruktur auf. Die Zinnbeschichtungen werden typischerweise auf Kupfer bzw. Kupferlegierungen abgeschieden. Die Textur ist für das Schichtsystem meist einheitlich, hängt jedoch vom verwendeten Elektrolyt und der Prozessführung ab. Heute sind matte Zinnbeschichtungen im Einsatz, welche eine Korngröße aufweisen, welche typischerweise im Bereich von 3 bis 5 μηι liegen. Die Zinnbeschichtungen neigen jedoch ohne weitere Gegenmaßnahmen zu Whiskerwachstum. Bei den Glanzzinnschichten ist typischerweise auch eine kolumnare Kornstruktur vorhanden. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch in der deutlich kleineren Korngröße, wel- che typischerweise im Bereich von 0,2 bis 2 μηι liegt, wodurch sich das namensgebende glänzende Aussehen ergibt. Beide Zinnbeschichtungen haben die Ten- denz Whisker (Zinnhaare) zu bilden, welche aus der Zinn enthaltenden Schicht unkontrolliert herauswachsen. Diese Whisker können dann gegebenenfalls einen elektrischen Kurzschluss herbeiführen und damit zur Fehlfunktion von elektronischen Anwendungen führen.
Die Whiskerneigung korreliert direkt mit dem Entstehen eines Spannungsgradienten in der Zinnbeschichtung, welcher lateral und senkrecht dazu besteht. Häufig steht die Zinnbeschicht insgesamt nach einiger Zeit unter Druckspannung. Dies kann insbesondere bei Schichtsystemen beobachtet werden, bei welchen Zinn (Sn) oder einer Zinnlegierung direkt auf Kupfer (Cu) abgeschieden wird. Die
Druckspannung ist in Verbindung mit einem korrespondierenden Gradienten die Triebkraft für das Whiskerwachstum.
Wie aus dem Artikel„Stress Relaxation Mechanism of Sn and SnPb Coatings Electrodeposited on Cu: Avoidence of Whiskering", Sobiech et al., Journal of
Electronic Materials, Vol. 40, No. 11 , 201 1 bekannt ist, kann die Whiskerneigung durch eine equiaxiale Kornstruktur beseitigt werden.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2004 030 930 A1 werden beispielsweise zinnbeschichtete Leiterplatten mit geringer Neigung zur Whiskerbildung beschrieben. Die beschichtete Leiterplatte umfasst mindestens eine nicht leitende Basisschicht, welche beispielsweise Epoxide, Epoxidcomposite, Teflon, Cyanatester, Keramik, Cellulose und Cellulosecomposite, auf diesen Stoffen basierende Materialien sowie flexible Basisschichten auf Basis von Polyimid aufweist, mindestens eine Schicht aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung und eine zinnhaltige Schicht, welche mindestens ein weiteres metallisches Element wie beispielsweise Platin (Pt), Gold (Au), Nickel (Ni), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Indium (In), Zink (Zn), Blei (Pb), Germanium (Ge), Gallium (Ga), Magnesium (Mg), Antimon (Sb), Mangan (Mn), Zirkonium (Zr), Kalzium (Ca) und Wsmut (Bi) aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die equiaxiale Kornstruk- tur durch eine abwechselnde Schichtstruktur ohne Verwendung von Blei erreicht wird, welche einfach durch sequentielles Abscheiden der korrespondierenden Zinn enthaltenden Schichten bzw. Zwischenschicht umgesetzt werden kann. Dadurch wird praktisch durch das Design selbst die equiaxiale Struktur geschaffen, welche das Whiskerwachstum, analog zu Zinn-Blei-Schichten minimiert. Eine solche Zinnbeschichtung mit mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten und mindestens einer Zwischenschicht, welche die mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten voneinander trennt, kann durch die Bereitstellung von lateralen Diffusionspfaden bzw. die Erhöhung der Anzahl von lateralen Diffusionspfaden bzw. Korngrenzen die entstehenden Druckspannungen besser dreidimensional verteilen, so dass in vorteilhafter Weise nur flache Spannungsgradienten
(<20MPa^m) entstehen können. Erfindungsgemäß ergeben sich besondere Vorteile für Schichten aus Zinn enthaltenden Materialien, welcher unter bisher bekannter Anwendung, insbesondere in der Aufbau- und Verbindungstechnik im Elektronikbereich, zur Whiskerbildung neigen. Insbesondere sind hier zinnhaltige Lotlegierungen, vor allem mit einem Zinnanteil von mehr als 50 Prozent, ganz besonders von mehr als 70 Prozent, zu nennen. Ebenso fallen zahlreiche bleifreie Zinn-Lote darunter. Vorzugsweise werden die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten bzw. Zwischenschichten über galvanische Prozesse abgeschieden. Alternativ können die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten bzw. Zwischenschichten durch andere geeignete Verfahren bzw. Prozesse, wie beispielsweise durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, Dampfphasenbeschich- tungsverfahren, durch Schmelztauchen usw., abgeschieden bzw. aufgetragen werden. Durch die erfindungsgemäß modifizierte Zinnbeschichtung werden Druckspannungen nicht über Whiskerwachstum sondern über ein globales Kornwachstum bzw. neu entstehende Körner innerhalb der Zinnbeschichtung abgebaut, da die Diffusion der Atome ungerichtet stattfindet.
Der Kern der Erfindung besteht darin, die Gesamtschicht aus mehreren Teilschichten aus Zinn enthaltenden Materialien aufzubauen, welche durch Zwischenschichten eines geeigneten Materials unterbrochen werden. Dadurch kann das Risiko der Whiskerbildung in vorteilhafter Weise auf das für Zinn-Blei-
Schichten bekannte niedrige Risiko der Whiskerbildung reduziert werden. Zu diesem Zweck wird der Aufbau der Kornstruktur der aufzubringenden Zinn enthaltenden Schichten während der Abscheidung mehrere Male derart unterbrochen, dass eine für das Gesamtsystem charakteristische kolumnare Struktur verhindert wird. Durch diese Art des Aufbaus wird die Mikrostruktur der Zinnbeschichtung derart geändert, dass sich zusätzliche laterale Korngrenzen ausbilden, und damit das Zinn bzw. das Zinn enthaltende Material insgesamt schneller Spannungsgradienten abbauen kann und es so nicht zur der für Whiskerbildung hinreichenden und notwendigen Bedingung von meist integraler Druckspannung bis nahe zur Fließgrenze des Schichtmaterials, in Verbindung mit lateralen und senkrechten negativen Spannungsgradienten (z.B. >20MPa^m) kommt. Die wünschenswerte equiaxiale Kornstruktur der Zinnbeschichtung kann in vorteilhafter Weise unabhängig vom verwendeten Elektrolyten und dem zu beschichtenden Objekt erzeugt werden. Damit stellt dieses neue Schichtsystem einen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen basierende Änderung zu bisherigen Systemen dar. Die Realisierung der erfindungsgemäßen Zinnbeschichtung kann mit nahezu jeder Galvanikanlage nach entsprechender Anpassung realisiert werden.
Die Unterbrechung der einzelnen Zinn enthaltenden Schichten ist praktisch durch alle auf Zinn oder einer Zinnlegierung abscheidbaren chemischen Elemente gegeben, auf weichen sich wieder Zinn bzw. eine Zinnlegierung abscheiden lässt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Zinnbeschichtung mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur zur Verfügung, welche erfindungsgemäß mindestens zwei sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltenden Schichten aufweist, welche durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Die Zwischenschicht erzeugt in vorteilhafter Weise lateral verlaufende Korngrenzen in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten.
Zudem wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Zinnbeschichtung mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur auf ein Kontaktelement mit zumindest einem Kontaktabschnitt, welcher ausgebildet ist, einen elektrischen Federkontakt und/oder einen elektrischen Kontakt durch Schneidklemmen und/oder Crimpen und/oder Bördeln und/oder Nieten und/oder Schrauben und/oder Verstemmen und/oder Einpressen und/oder Falten und/oder Biegen und/oder Löten herzustellen, insbesondere auf ein Substrat oder einen Einpresspin, vorgeschlagen, welches insbesondere Kupfer oder Eisen oder Aluminium oder eine Legierung aus Kupfer oder Eisen oder Aluminium umfasst. Erfindungsgemäß wird die Zinnbeschichtung aus mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten aufgebaut, welche sequentiell auf dem zumindest einen Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgeschieden werden, wobei zwischen den mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten eine Zwischenschicht abgeschieden wird, so dass lateral verlaufende Korngrenzen in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten erzeugt werden. Vorzugsweise werden die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten bzw. Zwischenschichten über galvanische Prozesse abgeschieden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zinnbeschichtung mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur können beispielsweise als Teil einer Be- schichtungsanordnung auf ein Kontaktelement mit zumindest einem Kontaktabschnitt, welcher ausgebildet ist, einen elektrischen Federkontakt und/oder einen elektrischen Kontakt durch Schneidklemmen und/oder Crimpen und/oder Bördeln und/oder Nieten und/oder Schrauben und/oder Verstemmen und/oder Einpressen und/oder Falten und/oder Biegen und/oder Löten herzustellen, insbesondere auf ein Substrat oder einen Einpresspin, aufgebracht werden, welches insbesondere Kupfer oder Eisen oder Aluminium oder eine Legierung aus Kupfer oder Eisen oder Aluminium umfasst.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Zinnbeschichtung und des im unabhängigen Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrens zum Aufbringen einer Zinnbeschichtung mög- lieh.
Vorzugsweise kann die Zinnbeschichtung drei oder vier sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltende Schichten aufweisen, wobei jeweils zwei Zinn enthaltende Schichten durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt werden können. Selbstverständlich können je nach Anforderung und Anwendung auch weniger als drei Zinn enthaltende Schichten oder mehr als vier Zinn enthaltende Schichten sequentiell aufgebracht werden. Die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten können beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von 0, 1 bis 3 μηι aufweisen. Die einzelnen Zwischenschichten können beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich von 2 bis 100 nm, bevorzugt von 10 bis 50 nm, besonders bevorzugt von
10 bis 20 nm, aufweisen. Je dünner die Zwischenschicht ausgeführt ist, um so einfacher bilden sich Diffusionspfade zwischen den an die Zwischenschicht angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten aus. Dadurch wird die Ausbildung einer equiaxialen Kornstruktur der Zinnbeschichtung besonders begünstigt. Bei einer Schichtabfolge von mehreren Zinn enthaltenden Schichten bzw. Zwischenschichten können sich eine oder mehrere der Zinn enthaltenden Schichten untereinan- der bzw. eine oder mehrere der Zwischenschichten untereinander in ihrer jeweiligen Materialzusammensetzung und/oder in ihrer jeweiligen Schichtdicke unterscheiden.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens zwei sequentiell aufgebrachten Zinn enthaltenden Schichten jeweils eine im Wesentlichen kolumnare Kornstruktur aufweisen können. Die equiaxiale Kornstruktur der Zinnbeschichtung wird durch das abwechselnde Abscheiden der Zinn enthaltenden Schichten mit der kolumnaren Kornstruktur und der korrespondierenden Zwischenschicht umgesetzt, welche die beiden Zinn enthaltenden Schichten trennt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zinnbeschichtung kann die Zwischenschicht aus mindestens einem chemischen Element bestehen, welches auf Zinn bzw. auf einer Zinnlegierung abscheidbar ist und auf welchem Zinn bzw. eine Zinnlegierung abscheidbar ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine chemischen Element der Zwischenschicht aus einer Materialgruppe ausgewählt, deren Mitglieder im Wesentlichen keine Druckspannungen in der Zinn enthaltenden Schicht aufbauen. Des Weiteren kann das mindestens eine chemische Element der Zwischenschicht aus einer Materialgruppe ausgewählt werden, deren Mitglieder eine intermetallische Phase mit Zinn ausbilden, die vorteilhafter Weise keine Druckspannungen in der Zinn enthaltenden Schicht erzeugt, oder nicht mit Zinn reagieren. Somit können die auftretenden Druckspannungen in der Zinnbeschichtung und somit das Risiko von Whiskerwachstum in vorteilhafter Weise bereits durch eine geeignete Materialauswahl vermieden bzw. reduziert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie eine Beschichtungsanordnung mit einer herkömmlichen Zinnbeschichtung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Beschichtungsanordnung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zinnbeschichtung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Strukturdarstellung der Beschichtungsanordnung aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Strukturdarstellung einer Beschichtungsanordnung mit einer herkömmlichen Zinnbeschichtung zur Erläuterung der Whiskerbil- dung.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine bekannte Enstehungsart von Zinn-Whiskern begründet sich auf der Reaktion von Zinn (Sn) mit Kupfer (Cu). Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, umfasst die dargestellte Beschichtungsanordnung 1 ' ein Substrat 3, welches aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, und eine herkömmliche galvanisch auf das Substrat 3 aufgebrachte Zinnbeschichtung 5'. Die Zinnbeschichtung 5' besteht aus einer Zinnschicht Sn mit einer vorgegebenen Schichtdicke dSn, welche eine kolumnare Kornstruktur mit relativ großen, kolumnaren Körnern 10 mit im Wesentlichen vertikalen Korngrenzen 10.1 aufweist. Alternativ kann die Schicht neben Zinn auch weitere Materialien enthalten und insbesondere in Form einer Zinnlegierung vorliegen. Das bedeutet, dass die einzelnen Körner 10 der Kornstruktur der Zinnschicht Sn durch die vertikal verlaufenden Korngrenzen 10.1 getrennt sind und innerhalb der Zinnschicht Sn keine lateral verlaufenden Korngrenzen vorhanden sind. Bei Raumtemperatur diffundieren Kupferatome aus dem Substrat 3 in die Zinnschicht Sn, so dass an den vertikalen Korngrenzen 10.1 eine intermetallische Phase (Cu6Sn5) und im Substrat 3 eine Diffusionszone 3.1 entsteht, aus welcher die Kupferatome entlang der vertikalen Korngrenzen 10.1 diffundieren. In Fig. 3 ist die Diffusionsrichtung der Kupferatome mit 7 bezeichnet. Durch die Volumenausdehnung (-40%) werden in Pfeilrichtung mechanische Druckspannungen F induziert, welche durch die Ausbildung von Spannungsgradienten zu Whiskerwachstum führen. Die Whiskerneigung korreliert somit direkt mit dem Entstehen eines Spannungsgradienten in der Zinnschicht Sn, welcher lateral und senkrecht dazu besteht. Insgesamt steht die Zinnschicht Sn nach einigen Tagen unter Druckspannung F. Die Druckspannung F und der dazugehörige Gradient sind die Triebkräfte für das Whiskerwachstum. Ein solcher Whisker 5.1 wächst infolge der Korngrenzen-Diffusion des Zinns zur Whiskerwurzel einkristallin, wobei die Whiskerwachstumsgeschwindigkeit und die Whiskerlänge proportional zur induzierten Druckspannung F sind. Die Whisker 5.1 wachsen aufgrund der durch die Ausbildung der intermetallischen Phase bei Raumtemperatur auftretenden mechanischen Druckspannung F häufig bereits nach 2 bis 3 Tagen. Des Weiteren kann die mechanische Druckspannung F in Zinnschichten Sn mit kolumnaren Kornstrukturen durch Oxidation, welche insbesondere durch eine aggressive Umgebung gefördert wird, durch einwirkende externe Druckkräfte und durch thermisches Zyklieren hervorgerufen werden. In letzterem Fall kann das Einbringen der Spannungsgradienten beim thermischen Zyklieren durch die Verwendung von Materialen verursacht werden, welche unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung 1 ein Substrat 3, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst, und eine auf das Substrat 3 aufgebrachte Zinnbeschichtung 5, welche eine im We- sentlichen equiaxialen Kornstruktur aufweist. Die Zinnbeschichtung ist beispielsweise auf einem oder mehreren Kontaktelementen des Substrates 3 abgeschieden. Mittels des Kontaktelementes wird beispielsweise durch Verlöten oder Einpressen ein elektrischer Kontakt mit einem elektrischen Bauelement, z.B. einem Anschluss eines Chips oder einem Einpresspin einer Steckerschiene, ausgebil- det. Das Kontaktelement kann beispielsweise in Form eines auf dem Substrat 3 angeordneten Kontaktpads oder einer im Substrat 3 ausgebildeten Einpresszone vorliegen. Zur Ausbildung der equiaxialen Kornstruktur weist die Zinnbeschichtung 5 erfindungsgemäß mindestens zwei sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 auf, welche durch eine Zwischenschicht ZW1 , ZW2 voneinander getrennt sind. Die jeweilige Zwischenschicht ZW1 , ZW2 erzeugt in vorteilhafter Weise lateral verlaufende Korngrenzen 10.2 in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3.
Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel drei sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 und zwei korrespondierende Zwi- schenschichten ZW1 , ZW2 auf, welche jeweils zwei benachbarte Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 voneinander trennen. Vorzugsweise werden die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 bzw. Zwischenschichten ZW1 , ZW2 über galvanische Prozesse abgeschieden. Alternativ können die ein- zelnen Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 bzw. Zwischenschichten
ZW1 , ZW2 durch andere geeignete Verfahren bzw. Prozesse, wie beispielsweise über chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, Dampfphasenbe- schichtungsverfahren, durch Schmelztauchen usw., abgeschieden bzw. aufgebracht werden. Die einzelnen sequentiell aufgebrachten Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 weisen weiterhin eine im Wesentlichen kolumnare
Kornstruktur auf. Die equiaxiale Kornstruktur der Zinnbeschichtung 5 wird durch die abwechselnde Schichtstruktur erreicht, welche einfach durch sequentielles Abscheiden der korrespondierenden Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 und der Zwischenschichten ZW1 , ZW2 umgesetzt werden kann. Somit wird durch das Design selbst die equiaxiale Struktur der Zinnbeschichtung 5 geschaffen, welche das Whiskerwachstum, analog zu Zinn-Blei-Schichten minimiert bzw. verhindert.
Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, wird im dargestellten Ausführungsbei- spiel eine erste Zinn enthaltende Schicht Sn1 mit einer vorgegebenen Schichtdicke dSni auf dem Kontaktelement des Substrats 3 abgeschieden. Auf der ersten Zinn enthaltenden Schicht Sn1 wird dann eine erste Zwischenschicht ZW1 mit einer vorgegebenen Schichtdicke dzwi abgeschieden. Auf der ersten Zwischenschicht ZW1 wird dann eine zweite Zinn enthaltende Schicht Sn2 mit einer vor- gegebenen Schichtdicke dSn2 abgeschieden. Auf der zweiten Zinn enthaltenden
Schicht Sn2 wird dann eine zweite Zwischenschicht ZW2 mit einer vorgegebenen Schichtdicke dzw2 abgeschieden, auf welcher dann eine dritte Zinn enthaltende Schicht Sn3 mit einer vorgegebenen Schichtdicke dSn3 abgeschieden wird. Somit bestehen die Zwischenschichten ZW1 , ZW2 jeweils aus mindestens einem che- mischen Element, welches auf Zinn (Sn) bzw. einer Zinnlegierung abscheidbar ist und auf welchem Zinn (Sn) bzw. eine Zinnlegierung abscheidbar ist. Selbstverständlich kann die Zinnbeschichtung 5 je nach Anforderung und Anwendung auch nur zwei Zinn enthaltenden Schichten aufweisen, welche durch eine Zwischenschicht getrennt sind, bzw. mehr als drei Zinn enthaltende Schichten auf- weisen, wobei jeweils zwei Zinn enthaltende Schichten durch eine Zwischen- schlicht voneinander getrennt sind. Insgesamt weist die Zinnbeschichtung 5 eine vorgegebenen Gesamtschichtdicke dg auf.
Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, erzeugen die Zwischenschichten ZW1 , ZW2 in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 zusätzlich zu den vertikal verlaufenden Korngrenzen 10.1 lateral verlaufende Korngrenzen 10.2, so dass in vorteilhafter Weise ein gerichtete Diffusion entlang den vertikal verlaufenden Korngrenzen 10.1 zur Whiskerbildung verhindert wird. Durch die Bereitstellung von lateralen bzw. ungerichteten Diffusionspfaden 7 bzw. die Er- höhung der Anzahl von lateralen bzw. ungerichteten Diffusionspfaden 7 können die entstehenden Druckspannungen in der Zinnbeschichtung 5 besser dreidimensional verteilt werden, so dass in vorteilhafter Weise nur flache Spannungsgradienten (<20MPa^m) entstehen können. Durch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zinnbeschichtung 5 können Druckspannungen nicht über Whiskerwachstum sondern über ein globales Kornwachstum 9 bzw. neu entstehende Körner 12 innerhalb der Zinnbeschichtung 5 abgebaut werden, da die Diffusion der Atome ungerichtet stattfindet.
Die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 können beispielsweise je nach Anforderung und Anwendung eine Schichtdicke dSni , sn2, sn3 ΪΓΠ Bereich von 0, 1 bis 3 μηι aufweisen. Die einzelnen Zwischenschichten ZW1 , ZW2 können beispielsweise je nach Anforderung und Anwendung eine Schichtdicke dZwi , dZw2 im Bereich von 2 bis 100 nm aufweisen. Durch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbringen einer Zinnbeschichtung 5 mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur auf ein Kontaktelement eines Substrats 3, welches insbesondere Kupfer oder Eisen oder Aluminium oder eine Legierung aus Kupfer oder Eisen oder Aluminium um- fasst, wird die Zinnbeschichtung 5 erfindungsgemäß aus mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 aufgebaut, welche sequentiell abgeschieden werden, wobei zwischen den mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 eine Zwischenschicht ZW1 , ZW2 abgeschieden wird, so dass lateral verlaufende Korngrenzen 10.2 in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 erzeugt werden. Vorzugsweise werden die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten Sn1 , Sn2, Sn3 bzw. Zwischenschichten ZW1 , ZW2 über galvanische Prozesse abgeschieden. Das mindestens eine chemische Element der Zwischenschichten ZW1 , ZW1 kann aus einer Materialgruppe ausgewählt werden, deren Mitglieder im Wesentlichen keine Druckspannungen in der Zinnbeschichtung 5 aufbauen. Des Weiteren kann das mindestens eine chemischen Element der Zwischenschichten ZW1 , ZW2 aus einer Materialgruppe ausgewählt werden, deren Mitglieder eine intermetallische Phase mit Zinn Sn ausbilden oder nicht mit Zinn Sn reagieren. So können die Zwischenschichten ZW1 , ZW2 beispielsweise Platin (Pt), Gold (Au), Nickel (Ni), Silber (Ag), Indium (In), Zink (Zn), Germanium (Ge), Gallium (Ga), Magnesium (Mg), Antimon (Sb), Mangan (Mn), Zirkonium (Zr), Kalzium (Ca) und Wismut (Bi) aufweisen, wobei vorzugsweise Silber (Ag), Wsmut (Bi), Gold (Au), Indium (In), Nickel (Ni) oder Antimon (Sb) verwendet werden.
Das Verfahren kann durch die definierte Beschichtungsabfolge und entsprechende Prozessüberwachung mit nahezu jeder Galvanikanlage nach entsprechender Anpassung der Beschichtungszellen ausgeführt werden.
Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung in vorteilhafter Weise grundsätzlich auf elektrischen und/oder mechanischen Bauteilen, die unter einer mechanischen Spannung stehen und/oder einer Temperatur ausgesetzt sind, bei welcher bisher bekannte Zinnbeschichtungen zu Whiskerbildung neigen. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zinnbeschichtung können beispielsweise auf Leiterbahnen und/oder Kontaktstellen und/oder Durchkontaktie- rungen eines Schaltungsträgers bzw. einer Platine und/oder auf Kontaktelemente eines elektrischen und/oder elektronischen Bauteils und/oder einer integrierten Schaltung (IC) aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung und deren Auftrag auf Kontaktelementen mit zumindest einem Kontaktabschnitt, der ausgebildet ist, einen elektrischen Kontakt durch Schneidklemmen und/oder einen Federkontakt und /oder Crimpen und/oder Bördeln und/oder Nieten und/oder Schrauben und/oder Verstemmung und/oder Einpressen und/oder Falten und/oder Biegen und/oder Löten herzustellen. In gleicher Weise fallen auch Einpresspins und/oder die hierzu passende Einpresszone darunter, ebenso Steckerkontakte, Stromschienen und Stanzgitter. In diesen Fällen wird die Zinnbeschichtung erfindungsgemäß aus den mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten aufgebaut, wobei diese sequentiell auf dem zumindest einen Kontaktabschnitt des Kontaktelementes abgeschieden werden, und wobei zwischen den mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten die Zwischenschicht abgeschieden wird, so dass lateral verlaufende Korngrenzen in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten erzeugt werden. Ein erfindungsgemäßes Kontaktelement, das als Schneidklemmelement ausgebildet ist, weist in bekannter Weise eine Drahtaufnahme auf, welche ausgebildet ist, einen Längsabschnitt eines Kontaktdrahtes während eines Einführens in die Drahtaufnahme einschneidend und/oder einpressend zu kontaktieren und festzuhalten. Durch die Verformung ist der Bereich Drahtaufnahme des Schneid- klemmelements hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung ist demnach bevorzugt zumindest im Bereich der Drahtaufnahme des Schneidklemmelements vorgesehen, um eine Whiskerbil- dung zu vermeiden. Ein erfindungsgemäßes Kontaktelement das ausgebildet ist, einen elektrischen
Kontakt durch Crimpen bzw. Bördeln herzustellen, weist Bereiche auf, die plastisch verformt werden, dadurch in einen Gegenkontakt, wie z.B. einen Draht gedrückt werden und dadurch einen nicht lösbaren elektrischen Kontakt herstellen. Gemäß der Erfindung ist bei einem derartigen Kontaktelement eine Zinnbe- Schichtung zumindest in den Bereichen vorgesehen, in denen durch das plastische Verformen hohe Flächenpressungen entstehen.
Bei einem erfindungsgemäßen Kontaktelement, das einen Federkontakt aufweist sind die Bereiche, die ausgebildet sind, federnd auf den Gegenkontakt zu drü- cken und so eine elektrische Kontaktierung zu erreichen, hohen mechanischen
Belastungen ausgesetzt, weshalb ein derartiges Kontaktelement bevorzugt in diesen federnden Kontaktbereichen die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung aufweist. Kontaktelemente die als Schrauben oder Nieten ausgebildet sind, sind vorzugsweise komplett mit der erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung versehen.
Die Kontaktelemente, insbesondere die oben genannten Kontaktabschnitte, sind bevorzugt im Wesentlichen aus Kupfer oder Eisen oder Aluminium vorgesehen oder aus einer Legierung, die Kupfer oder Eisen oder Aluminium als wesentlichen Bestandteil umfasst. Zusätzlich vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Zinnbeschichtung auf mechanischen Halteelementen, insbesondere in den Bereichen, die für eine Haltefunktion vorgesehen sind.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erreichen eine equiaxiale Kornstruktur der Zinnbeschichtung durch eine abwechselnde Schichtstruktur ohne Verwendung von Blei, welche in vorteilhafter Weise einfach durch sequentielles Abscheiden der korrespondierenden Zinn enthaltenden Schicht bzw. Zwischen- schicht umgesetzt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Zinnbeschichtung mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur, gekennzeichnet durch mindestens zwei sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltende Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3), welche durch eine Zwischenschicht (ZW1 , ZW2) voneinander getrennt sind, wobei die Zwischenschicht (ZW1 , ZW2) lateral verlaufende Korngrenzen (10.2) in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) erzeugt.
2. Zinnbeschichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch drei oder vier sequentiell aufgebrachte Zinn enthaltende Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3), wobei jeweils zwei Zinn enthaltende Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) durch eine Zwischenschicht (ZW1 , ZW2) voneinander getrennt sind.
3. Zinnbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) eine Schichtdicke (dSni , dSn2, dSn3) im Bereich von 0, 1 bis 3μηι aufweisen.
4. Zinnbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zwischenschichten (ZW1 , ZW2) eine Schichtdicke (dzwi , dZw2) im Bereich von 2 bis 100nm aufweisen.
5. Zinnbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei sequentiell aufgebrachten Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) jeweils eine im Wesentlichen kolumnare Kornstruktur aufweisen.
6. Zinnbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (ZW1 , ZW2) aus mindestens einem chemischen Element besteht, welches auf Zinn (Sn) bzw. einer Zinnlegierung ab- scheidbar ist und auf welchem Zinn (Sn) bzw. eine Zinnlegierung abscheidbar ist.
Kontaktelement mit zumindest einem Kontaktabschnitt, welcher ausgebildet ist, einen elektrischen Federkontakt und/oder einen elektrischen Kontakt durch Schneidklemmen und/oder Crimpen und/oder Bördeln und/oder Nieten und/oder Schrauben und/oder Verstemmen und/oder Einpressen und/oder Falten und/oder Biegen und/oder Löten herzustellen, und einer zumindest auf dem Kontaktabschnitt aufgebrachten Zinnbeschichtung (5), welche eine im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinnbeschichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufgebaut ist.
Verfahren zum Aufbringen einer Zinnbeschichtung (5) mit einer im Wesentlichen equiaxialen Kornstruktur auf ein Kontaktelement mit zumindest einem Kontaktabschnitt, welcher ausgebildet ist, einen elektrischen Federkontakt und/oder einen elektrischen Kontakt durch Schneidklemmen und/oder Crimpen und/oder Bördeln und/oder Nieten und/oder Schrauben und/oder Verstemmen und/oder Einpressen und/oder Falten und/oder Biegen und/oder Löten herzustellen, insbesondere auf ein Substrat (3) oder einen Einpresspin, welches insbesondere Kupfer oder Eisen oder Aluminium oder eine Legierung aus Kupfer oder Eisen oder Aluminium umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinnbeschichtung (5) aus mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) aufgebaut wird, welche sequentiell auf dem zumindest einen Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgeschieden werden, wobei zwischen den mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) eine Zwischenschicht (ZW1 , ZW2) abgeschieden wird, so dass lateral verlaufende Korngrenzen (10.2) in den angrenzenden Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zinn enthaltenden Schichten (Sn1 , Sn2, Sn3) und die mindestens eine Zwischenschicht (ZW1 , ZW2) galvanisch abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine chemische Element aus einer Materialgruppe ausgewählt wird, deren Mitglieder im Wesentlichen keine Druckspannungen in der Zinn enthaltenden Schicht (5) aufbauen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine chemischen Element aus einer Materialgruppe ausgewählt wird, deren Mitglieder eine intermetallische Phase mit Zinn (Sn) ausbilden oder nicht mit Zinn (Sn) reagieren.
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