DE19752329A1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundbands - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Zinn-Silber-Legie­ rung beschichteten Verbundbands zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen.

Zinn-Silber ist ein sehr guter Kontaktwerkstoff. Er zeichnet sich vor allem durch sei­ nen geringen elektrischen Widerstand, seine Härte und seine Abriebfestigkeit aus.

Die Möglichkeiten, einen elektrisch leitfähigen Basiswerkstoff galvanisch mit einer Zinn-Silber-Legierung zu überziehen, sind jedoch begrenzt. Die US-A-5 514 261 of­ fenbart in diesem Zusammenhang einen Weg, eine Silber-Zinn-Legierung galvanisch aus einem cyanidfreien Bad abzuscheiden. Das Bad wird unter Verwendung von Sil­ ber als Nitrat oder Diammin-Komplex, Zinn als lösliche Zinn(II)- oder Zinn(IV)-Verbin­ dung und Mercaptoalkancarbonsäuren und -sulfonsäuren zubereitet. Aus diesem Bad lassen sich Schichten aus Silber-Zinn-Legierungen mit einem Silbergehalt von etwa 20 Gew.-% bis 99 Gew.-% abscheiden.

Der Silberanteil einer auf diese Weise hergestellten Beschichtung ist relativ hoch. Schichten mit geringeren Silberanteilen können nicht erzielt werden. Ferner ist die galvanisch erzeugte Schicht feinzellig mit einer leichten Mikrorauhigkeit. Die Schicht ist spröde und verträgt nur geringe Biegebeanspruchungen.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, welches die Herstellung einer qualitativ hochwertigen Zinn- Silber-Beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen Basiswerkstoff ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des An­ spruchs 1.

Danach wird der Basiswerkstoff in einem ersten Beschichtungsschritt mit einer Be­ schichtung aus Zinn oder einer Zinnlegierung versehen. In einem zweiten Beschich­ tungsschritt wird hierauf eine Silberschicht abgeschieden.

Durch die sich einstellenden Diffusionsvorgänge entsteht eine Zinn-Silber-Legie­ rungsschicht. Diese weist gegenüber den zunächst heterogen aufgebrachten Schichten verbesserte Eigenschaften auf. Die Beschichtung besitzt eine hohe elek­ trische Leitfähigkeit und sehr gute mechanische Eigenschaften. Sie ist abriebfest und hart. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist hoch.

Die Beschichtung sichert einen wirksamen Korrosionsschutz und bildet gleichzeitig eine Löthilfe. Dies ist insbesondere bei elektrischen oder elektronischen Komponen­ ten von Vorteil.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprü­ chen 2 bis 8.

Als Basiswerkstoff können grundsätzlich alle für elektrotechnische Anwendungen übli­ che Metalle und Metallegierungen mit guter elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt wer­ den, wobei Kupfer und Kupferlegierungen besonders bevorzugt sind (Anspruch 8). Kupferwerkstoffe zeichnen sich durch ihre hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Zum Schutz gegen Korrosion und Verschleiß sowie zur Erhöhung der Oberflächenhärte ist es üblich, den Kupferwerkstoff mit einem metallischen Überzug zu versehen. In die­ sem Zusammenhang zählt es zum Stand der Technik, ein Band aus einem Kupfer­ werkstoff entweder galvanisch mit Zinn zu beschichten oder auf ein Kupferband in einem Schmelzbad Zinn oder eine Zinn-Blei-Legierung aufzubringen.

Neben Kupfer ist aber auch die Verwendung von Zinnbronze, Messing oder niedrig le­ gierten Kupferlegierungen, beispielsweise CuFe2, als Basiswerkstoff möglich.

Die Zinnschicht kann auf schmelzflüssigem Wege und die Silberschicht galvanisch aufgebracht werden, wie dies Anspruch 2 vorsieht. Ferner können sowohl die Zinn­ schicht als auch die Silberschicht galvanisch aufgebracht werden (Anspruch 3). Eine weitere vorteilhafte Vorgehensweise besteht nach Anspruch 4 darin, die Zinnschicht im Schmelztauchverfahren und die Silberschicht anschließend durch Kathodenzer­ stäubung, dem sogenannten Sputtern, aufzubringen. Möglich ist es desweiteren sowohl die Zinnschicht als auch die Silberschicht durch Sputtern aufzutragen (Anspruch 5).

Speziell durch die Kombination der schmelzflüssigen Verzinnung (Feuerverzinnung) des Ausgangsbands in einer Schichtdicke von 0,5 µm bis 10,0 µm und anschließen­ der galvanischer Nachversilberung mit einer Dicke der aufgebrachten Silberschicht zwischen 0,1 µm bis 3,5 µm kann ein Verbundband hergestellt werden, welches ho­ hen mechanischen und physikalischen Anforderungen zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen genügt. Durch die Zinn-Silber-Legierungsbeschichtung kann auch die Temperaturbeständigkeit unter Betriebsbedingungen im Vergleich zu einer her­ kömmlichen Zinn- oder Zinn-Blei-Beschichtung verbessert werden. Das Verbundband ist gut verarbeitbar durch Stanzen, Schneiden, Biegen oder Tiefziehen. Ferner verfügt es über eine hohe Festigkeit mit guten Federeigenschaften. Die elektrische Leitfähigkeit ist hoch und die Lotbenetzbarkeit gut. Der aufgebrachte Überzug ist gleichmäßig in Struktur und Dicke. Desweiteren ist er porenfrei. Durch die Zinn-Silber- Legierungsbeschichtung wird der Basiswerkstoff zuverlässig gegen Oxidation und Korrosion geschützt.

Zusätzlich kann eine Wärmebehandlung, insbesondere als Diffusionsglühung, vorge­ sehen werden (Anspruch 6). Die Wärmebehandlung gewährleistet einen zuverlässi­ gen Ausgleich von möglicherweise noch vorhandenen Konzentrationsunterschieden im Schichtaufbau des aufgebrachten Überzugs. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebe­ handlung des Verbundbands in einem Durchlaufprozeß mit einer Temperatur zwi­ schen 140°C und 180°C.

Vor der Wärmebehandlung kann zum Schutz gegen Anlaufen eine chemische Passi­ vierung der Oberfläche mittels üblicher Inhibitoren erfolgen.

Grundsätzlich kann auch eine Wärmebehandlung am verzinnten Ausgangsband vor­ genommen werden. Als vorteilhaft ist auch hier ein Temperaturbereich zwischen 140 und 180°C anzusehen. Im Anschluß an die Wärmebehandlung des verzinnten Aus­ gangsbands wird in einem weiteren Fertigungsschritt die Silberbeschichtung aufgetra­ gen.

Für die im ersten Beschichtungsschritt aufgetragene Zinnschicht hat sich neben Zinn eine Zinnlegierung mit Anteilen von Blei bewährt. Wird die Zinnschicht auf schmelz­ flüssigem Wege aufgebracht, hat sich ferner eine Zinnlegierung als vorteilhaft erwie­ sen, die 0,1 bis 10 Gew.-% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Palladium und Platin enthält. Der Rest besteht aus Zinn ein­ schließlich unvermeidbarer Verunreinigungen und geringer Desoxidations- und Ver­ arbeitungszusätze.

Ferner kann eine kobalthaltige Zinnlegierung verwendet werden mit einem Kobaltan­ teil zwischen 0,001 bis 5,0 Gew.-%. Desweiteren können dieser Zinnlegierung 0,1 bis 10 Gew.-% Wismut und/oder 0,1 bis 10 Gew.-% Indium zulegiert sein.

Durch einen Kobaltzusatz wird die Ausbildung einer feinkörnigen gleichmäßigen in­ termetallischen Phase zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung gefördert. Ferner wird die Gesamtschichthärte bei Verbesserung der Biegbarkeit erhöht. Desweiteren kann die Scherfestigkeit verbessert und der Elastizitätsmodul verringert werden. Wis­ mut und Indium führen zu einer zusätzlichen Härtesteigerung durch Mischkristallhär­ tung.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines in ihren mechanischen und physika­ lischen Eigenschaften hochwertigen Überzugs aus einer Zinn-Silber-Legierung auf dem Ausgangsband. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 wird die Zinnschicht in einer Dicke zwischen 0,5 µm und 10,0 µm aufgebracht, wobei sie vorzugsweise zwi­ schen 0,8 µm und 3,0 mm liegt. Die nachfolgende Silberschicht weist eine Dicke zwi­ schen 0,1 µm und 3,5 µm auf, vorzugsweise zwischen 0,2 µm und 1,0 µm. Diese heterogenen Schichten homogenisieren anschließend durch Diffusion zu einer Zinn- Silber-Legierungsschicht.

Das erfindungsgemäße Verbundband ist daher besonders gut für die Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen geeignet, welche Biege- und Scherbeanspruchungen ausgesetzt sind, beispielsweise von elektrischen Steck- oder Klemmverbindern. Sol­ che Verbinder können mehrfach gesteckt und gelöst werden, ohne daß sich der Kon­ taktwiderstand nennenswert ändert.

Ferner kann das erfindungsgemäß hergestellte Verbundmaterial auch für die Ferti­ gung von elektromechanischen und elektrooptischen Bauelementen oder Halbleiter­ bauelementen und ähnlichem Verwendung finden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundbands zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, bei welchem ein Ausgangsband aus einem elek­ trisch leitfähigen Basiswerkstoff zunächst mit einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung versehen und anschließend hierauf eine Schicht aus Silber abge­ schieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht schmelzflüssig und die Silberschicht galvanisch aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht und die Silberschicht galvanisch aufgebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht schmelzflüssig und die Silberschicht durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) auf­ gebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht und die Silberschicht durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebracht werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbundband eine Wärmebehandlung, insbesondere ein Diffusionsglühen, vorge­ nommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnschicht in einer Dicke zwischen 0,5 µm und 10,0 µm und die Silberschicht in einer Dicke zwischen 0,1 µm und 3,5 µm aufgebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Basiswerkstoff Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet wird.