DE69622192T2

DE69622192T2 - Zinnbeschichteter elektrischer leiter

Info

Publication number: DE69622192T2
Application number: DE69622192T
Authority: DE
Inventors: L. Bender; Szuchain Chen; C. Fister; A. Khan
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: JP2001526734A; EP1203654A3; EP0869867A1; JP3727069B2; EP0869867B1; CA2240239C; DE69622192D1; WO1997022472A1; EP0869867A4; CA2240239A1; US5916695A; EP1203654A2

Description

Diese Erfindung betrifft zinnbeschichtete Verbundmaterialien auf Kupferbasis, z. B. elektrische Verbinder, mit einer verringerten Bildungsrate intermetallischer Kupfer/Zinn-Verbindungen. Insbesondere ist zwischen dem Substrat, z. B. dem Verbinder-Substrat, und der Beschichtung eine Sperrschicht angeordnet, die 25 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.
Elektrische Verbinder wie Buchsen und Stecker werden typischerweise aus einem Substrat aus einer Legierung auf Kupferbasis, das für eine gute elektrische Leitfähigkeit sorgt hergestellt. Wenn der elektrische Verbinder während des Betriebs erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, wie unter der Motorhaube eines Kraftfahrzeugs, wird das Substrat aus einer Legierung auf Kupferbasis mit hoher Festigkeit und Spannungsrelaxations-Widerstand hergestellt.
Der Spannungsrelaxations-Widerstand wird aufgezeichnet als Prozentsatz der Spannung, der verbleibt, nachdem ein Probenstreifen auf einen vorgegebenen Prozentsatz, typischerweise 80%, der Dehngrenze vorbelastet wurde, und zwar in einendig eingespannter Art gemäß den ASTM (American Society for Testing and Materials)-Vorschriften. Der Streifen wird dann für eine spezifizierte Anzahl von Stunden, typischerweise bis zu 3000 Stunden, erhitzt, typischerweise auf 125ºC, und periodisch erneut getestet. Je höher die nach jedem erneutem Test verbleibende Spannung ist, desto besser ist die Brauchbarkeit der angegebenen Zusammensetzung für Federanwendungen.
Zur Verringerung des Anlaufens des Substrats auf Kupferbasis bei erhöhter Temperatur und zur Verbesserung der Lötbarkeit wird häufig eine Deckschicht auf das Substrat aufgebracht. Zu typischen Deckschichten gehören Nickel, Palladium/Nickel-Legierungen, Zinn und Zinnlegierungen. Zur Kostenminimierung wird häufig Zinn verwendet.
Bei erhöhten Temperaturen diffundiert Kupfer aus dem Substrat heraus und vereinigt sich mit dem Zinn unter Bildung intermetallischer Verbindungen wie Cu&sub6;Sn&sub5; und Cu&sub3;Sn. Die Bildung der intermetallischen Verbindungen verringert die Menge an unreagiertem oder freiem Zinn an der Oberfläche. Dies verschlechtert die elektrischen, Korrosions- und andere Leistungsmerkmale.
Es ist bekannt, eine Sperrschicht zwischen das Substrat auf Kupferbasis und die Deckschicht auf Zinnbasis zu legen, um die Bildung der intermetallischen Kupfer/Zinn-Verbindung zu verringern. Eine Veröffentlichung von Kay et al., erschienen in den Transactions of the Institute of Metal Finishing, Band 59, 1979, offenbart auf Seite 169, dass Sperrschichten wie Nickel, Kobalt und Eisen, sowie Legierungen wie Zinn/Nickel, Kupfer/Zinn und Nickel/ Eisen, zwischen einem Substrat auf Kupferbasis und einer Zinn-Beschichtung angeordnet werden, um die Bildung intermetallischer Verbindungen zu verringern.
Diese Sperren sind zwar wirkungsvoll, sorgen aber nicht für die Hemmung der Bildung intermetallischer Verbindungen, die erforderlich ist für Anwendungen unter der Kraftfahrzeug-Motorhaube, die erfordern, dass nach 3000 Stunden langer 125ºC-Exposition eine Minimalmenge an freiem Zinn verbleibt.
US-A-4 441 118 offenbart Kupferlegierungen, auf die eine Zinn- oder Zinn enthaltende Beschichtung unmittelbar aufgebracht werden kann, wodurch verringerte Mengen an intermetallischen Kupfer-Zinn-Verbindungen gebildet werden. Die Kupferlegierungen enthalten etwa 15% bis etwa 30% Nickel und sind insbesondere brauchbar als ein Substratmaterial für ein mit Zinn beschichtetes Verbundmaterial.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Sperrschicht, die die Bildungsrate intermetallischer Kupfer/Zinn-Verbindungen verringert, zwischen ein Substrat auf Kupferbasis und eine Beschichtung auf Zinnbasis zu legen.
Die Aufgabe wird erfüllt durch das Verbundmaterial gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 beansprucht. Das Verbundmaterial der Erfindung kann zu einer Kraftfahrzeug- Buchse oder zu einem Kraftfahrzeug-Stecker gebildet werden.
Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass die Sperrschicht eine Legierung ist, die, gewichtsmäßig, 25% bis 40% Nickel aufweist. Das Nickel ist mit Kupfer und, gewünschtenfalls, mit Kobalt Eisen oder Zinn kombiniert. Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Dicke dieser Sperrschicht zwischen 0,2 um und 1,5 um liegt.
Unter den Vorteilen der Sperrschicht der Erfindung ist, dass, nachdem die Komponente erhöhter Temperatur ausgesetzt wurde, eine ausreichende Dicke freien Zinns auf der Oberfläche der Komponente bleibt, um die Unversehrtheit der Deckschicht beizubehalten.
Erfindungsgemäß wird ein Verbundmaterial mit einem Substrat aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis geschaffen. Zinn oder eine Legierung auf Zinnbasis bedeckt einen Teil dieses Substrats. Eine Sperrschicht liegt zwischen dem Substrat und dem Zinn oder der Legierung auf Zinnbasis. Die Sperrschicht enthält 25 bis 40 Gew.-% Nickel und hat eine Dicke von 0,2 um bis 1,5 um.
Die oben angegebenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen, die folgen, deutlicher werden.
Fig. 1 veranschaulicht in Schnitt-Darstellung einen erfindungsgemäßen elektrischen Verbinder.
Fig. 2 veranschaulicht für ein System mit einer binären Kupfer/Nickel-Sperrschicht grafisch die Beziehung zwischen dem Nickelgehalt und der Bildungsrate intermetallischer Verbindungen.
Fig. 3 veranschaulicht grafisch die Auswirkung der Sperrschicht auf die Dicke der intermetallischen Verbindung als eine Funktion der Stunden des Alterns.
Fig. 4 ist eine mikroskopische Aufnahme einer intermetallischen Kupfer/Zinn- Verbindung, ausgebildet auf einem nicht-gekneteten Substrat.
Fig. 5 ist eine mikroskopische Aufnahme einer intermetallischen Kupfer/Zinn- Verbindung, ausgebildet auf einem gekneteten Substrat.
Fig. 1 veranschaulicht ein Verbundmaterial 10, das als eine elektrische Verbinder-Komponente brauchbar ist. Zu derartigen Komponenten gehören Buchsen und Stecker. Das Verbundmaterial 10 ist insbesondere brauchbar als eine Komponente für einen elektrischen Verbinder, der erhöhten Temperaturen, oberhalb 75ºC, entweder auf intermittierender Basis oder auf kontinuierlicher Basis, ausgesetzt wird, wie unter der Motorhaube eines Kraftfahrzeugs.
Das Verbundmaterial 10 hat ein Substrat 12 aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, und eine Deckschicht 14 aus Zinn oder einer Legierung auf Zinnbasis, die zumindest über einem Teil des Substrats 12 liegt. "Basis" wird in dem in der metallurgischen Technik konventionellen Sinn verwendet, was bedeutet, dass die Legierung mindestens 50 Gew.-% des Basis-Bestandteils enthält.
Zwischen dem Substrat 12 und der Deckschicht 14 liegend befindet sich eine Sperrschicht 16. Die Sperrschicht 16 enthält 25 bis 40 Gew.-% Nickel und hat außerdem eine Dicke von 0,2 um bis 1,5 um.
Bevorzugt beträgt der Nickel-Gehalt der. Sperrschicht 16 von 25 bis 35 Gew.-%.
Das Substrat 12 ist aus Kupfer oder aus einer Legierung auf Kupferbasis gebildet. Bevorzugt hat das Substrat aus Kupferlegierung eine elektrische Leitfähigkeit über etwa 25% IACS (IACS bezieht sich auf Leitfähigkeit, wie sie durch den International Annealed Copper Standard definiert wird, und ordnet "reinem" Kupfer eine IACS von 100% bei 20ºC zu). Besonders bevorzugt liegt die elektrische Leitfähigkeit des Substrats 12 über etwa 35% IACS.
Das Substrat 12 hat eine Raumtemperatur-Dehngrenze über etwa 344,7 MPa (50 ksi), und bevorzugt über etwa 448,2 MPa (65 ksi).
Zu geeigneten Legierungen gehören jene, die von der Copper Development Association bezeichnet werden als Kupferlegierung C7025, die die gewichtsmäßige Zusammensetzung von 2% bis 4,8% Nickel, 0,2% bis 1,4% Silicium, 0,05% bis 0,045% Magnesium, und Rest Kupfer hat; Kupferlegierung C194, die die gewichtsmäßige Zusammensetzung von 2,1% bis 2,6% Eisen, 0,05% bis 0,20% Zink, 0,015% bis 0,15% Phosphor, und Rest Kupfer hat; und Kupferlegierung C197, die die gewichtsmäßige Zusammensetzung von 0,3% bis 1, 2% Eisen, 0,1% bis 0,4% Phosphor, 0,01% bis 0,2% Magnesium, und Rest Kupfer hat.
Die Beschichtung 14 auf Zinnbasis wird mittels irgendeines konventionellen Verfahrens wie Elektroplattieren, Heißtauchen, stromlose chemische Abscheidung, Dampfabscheidung oder Walzenplattierung aufgebracht. Wenn die Deckschicht elektroplattiert wird, ist sie entweder matt oder glänzend. Die elektroplattierte Schicht kann wieder angeschmolzen werden, um das Aussehen zu verbessern und Fehler in der Plattierung zu verringern, wodurch die Leistung der Beschichtung hinsichtlich Lötbarkeit und die Kontakteigenschaften bei Verbinder-Anwendungen verbessert werden.
Die Deckschicht auf Zinnbasis kann eine Zinnlegierung, wie ein Lötmittel auf Zinn/Blei-Basis, das 1 bis 99 Gew.-% Zinn enthält, sein. Zinn-Verbindungen können ebenfalls verwendet werden. Zu Verbindungen, die als Teilchen zu einer Matrix auf Zinnbasis zugegeben werden können, gehören Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Silliciumoxid (SiO&sub2;), Ruß, Grafit, Wolframcarbid, Molybdändisulfid und Polytetrafluorethylen ("Teflon" eine Handelsmarke der DuPont Corporation aus Wilmington, DE).
Die Dicke der Deckschicht 14 auf Zinnbasis beträgt 0,5 um bis 10 um, und bevorzugt 0,75 um bis 1,5 um. Die bevorzugte Beschichtung ist elektroplattiertes mattes Zinn, das nachfolgend durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Zinn wieder angeschmolzen wird. Erhitzen erfolgt durch irgendein geeignetes Verfahren, wie in einer reduzierenden Atmosphäre vom Kohlenwasserstoff-Typ, in irgendeiner anderen geeigneten Atmosphäre wie Luft, Stickstoff oder einem anderen inerten Gas, in einem Induktionsofen, durch Infrarot-Erhitzen, oder durch Eintauchen in heißes Öl.
Die Sperrschicht 16 hat eine Minimaldicke von 0,2 um. Unterhalb dieser Dicke diffundiert Kupfer aus dem Substrat 12 durch Fehler in der Sperrschicht 16 hindurch, was zu einer Erhöhung der Bildungsrate intermetallischer Verbindungen führt.
Die maximale Dicke der Sperrschicht 16 beträgt 1,5 um. Die minimale Dicke der Sperre hängt von dem Abscheidungsverfahren der Schicht 14 auf Zinnbasis ab.
Durch Elektroplattieren aufgebrachte Beschichtungen auf Zinnbasis erfordern Sperrschichten geringer Dicke, näher an den angegebenen minimalen Dicken. Tauchbeschichtungen erfordern relativ dickere Beschichtungen, näher an den angegebenen Maxima, um das Abtragen der Sperrschicht, wenn sie zum Tauchbeschichten in geschmolzenes Zinn eingetaucht wird, auszugleichen.
Für Verbinder-Anwendungen hat das Substrat 12 eine minimale Dicke, die wirksam ist, die mit dem Einsetzen und Entfernen verbundenen Kräfte auszuhalten. Typischerweise ist diese minimale Dicke in der Größenordnung von mindestens 50 um, und bevorzugter von 200 um bis 500 um.
Die maximale Dicke der Sperrschicht beträgt 1,5 um. Oberhalb einer Dicke von etwa 5 um würde die Sperrschicht beginnen, sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Dehngrenze des Verbundmaterials 10 zu beeinflussen. Da die Kupfer/Nickel-Legierung eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit hat, wird der Einfluss der Sperrschicht bevorzugt minimiert.
Die Sperrschicht enthält 25 bis 40 Gew.-% Nickel. Wenn der Nickel-Gehalt weniger als 25% beträgt, ist die Sperrschicht 16 nicht dahingehend wirksam, die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen zu verringern. Wenn der Nickel-Gehalt 40% überschreitet, wird die elektrische Leitfähigkeit der Sperrschicht verringert und, wie in Fig. 2 veranschaulicht, die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen steigt an.
Fig. 2 veranschaulicht grafisch die Beziehung zwischen der Bildungsrate intermetallischer Verbindungen und dem Nickel-Gehalt einer Sperrschicht aus binärem Nickel-Kupfer. Es gibt überraschend wenig Unterschied in der Rate, wenn die Sperrschicht 100% Kupfer ist, Bezugspunkt 18, im Vergleich zu 100% Nickel, Bezugspunkt 20. Die Anmelder haben die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen als eine Funktion des Nickel-Gehalts von 0 Gew.-% Nickel (100 Gew.-% Kupfer) bis zu 60 Gew.-% Nickel, und bei 100% Nickel, gemessen.
Die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen wurde mittels Röntgenstrahlfluoreszenz gemessen. Zuerst wurde die Zinn-Gesamtdicke gemessen (M&sub1;). Das unreagierte Zinn wurde dann durch chemisches Ablösen entfernt. Als Nächstes wurde die Menge an verbleibendem Zinn gemessen (M&sub2;), und der Unterschied zwischen M&sub1; und M&sub2; war die Menge an verbleibendem freien Zinn.
Die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen ist maximal, wenn die Sperrschicht eine Zusammensetzung aus näherungsweise 8 Gew.-% Nickel und Rest Kupfer, Bezugspunkt 22, hat. Von 10 Gew.-% Nickel zu höheren Mengen ist die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen geringer als die Rate für eine Sperrschicht aus reinem Nickel oder reinem Kupfer. Von 20 bis 40 Gew.-% ist die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen bei einem Minimum 24.
Die Anmelder haben aus Fig. 2 hergeleitet, dass bei einem Nickel-Gehalt über 40 Gew.-% die Bildungsrate intermetallischer Verbindungen ansteigt und die elektrische Leitfähigkeit abnimmt. Daher beträgt in einer Sperrschicht 16, die im Wesentlichen aus Nickel und Kupfer besteht, der Nickel-Gehalt der Sperrschicht bevorzugt zwischen 25 und 40 Gew.-%.
Die Sperrschicht 16 ist, in einer Ausführungsform, eine binäre Legierung, die Nickel enthält, wobei der Rest der Legierung Kupfer ist. Es ist am meisten bevorzugt, Kupfer mit dem Nickel zu kombinieren, weil diese Kombination die niedrigste Wachstumsrate intermetallischer Verbindungen hat.
Alternativ kann die Sperrschicht 16 eine ternäre oder höhere Legierung sein, die, zusätzlich zu Kupfer und Nickel, Zinn, Eisen, Kobalt und Gemische davon enthält.
Die Sperrschicht wird durch irgendein geeignetes Mittel, wozu Heißtauchen, Walzplattieren oder Elektroplattieren gehört, entweder auf das gesamte Substrat 12 oder auf einen Teil davon aufgebracht. Zur leichteren Abscheidung und Dickenkontrolle der Sperrschicht ist Elektroplattieren bevorzugt. Eine Sperrschicht aus Kupfer- 25 bis 40 Gew.-% Nickel kann aus einem wässrigen zitronensauren Elektrolyten abgeschieden werden. Der Elektrolyt ist eine wässrige Lösung, die 30 bis 80 g/l, Nickel, 7 bis 35 g/l, Kupfer und 80 bis 320 g/l, Natriumzitrat-dihydrat enthält. Die Lösung wird zum Gebrauch auf eine Temperatur zwischen 40ºC und 70ºC erhitzt. Das Substrat wird als die Kathode in den Elektrolyten eingetaucht, wobei rostfreier Stahl als eine Anode geeignet ist. Eine Stromdichte von 30 bis 120 mA/cm² wird durch den Elektrolyten ausgeübt. Nach zwischen etwa 0,5 Min und 2 Min ist eine Sperrschicht mit einer nominellen Dicke von zwischen 0,3 um und 2,5 um abgeschieden.
Die Sperrschicht sollte relativ glatt sein, im Gegensatz zu knotig, da eine knotige Beschichtung die Oberfläche der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Zinn erhöht, was zu einer Erhöhung der Bildungsrate intermetallischer Verbindungen führt. In kosmetischer Hinsicht erhöht eine glatte Sperrschicht den Glanz einer wieder angeschmolzenen Zinn-Deckschicht.
Die Wirksamkeit der Kupfer/Nickel-Sperrschicht 16 wird durch den Zusatz einer oder mehrerer Verfeinerungs-Verbindungen zu dem Elektrolyten gesteigert. Zu diesen Verfeinerungs-Verbindungen gehören Benzotriazol (BTA), Leime, Proteine, Thioharnstoff, Sulfon-Verbindungen und Chloridionen-Donatoren wie Nickelchlorid. Die Verfeinerungs-Verbindungen sind dahingehend wirksam, die Porosität und die Rauheit der abgeschiedenen Sperrschicht zu verringern, und können der Sperrschicht auch eine feinkörnigere Kristallstruktur verleihen.
Ein Verringern der Porosität der Sperrschicht verringert die Diffusionsrate von Zinn und Kupfer. Ein Verringern der Rauheit der Sperrschicht verringert die Grenzflächen-Fläche zwischen der Sperrschicht und dem Substrat und zwischen der Sperrschicht und der Beschichtung, was zu einer verringerten Diffusionsrate von Kupfer und Zinn führt. Ein Modifizieren der Kristallkorn- Struktur, um die Feinheit der Körner zu erhöhen, kann zu einer kompakteren intermetallischen Struktur führen, was die Wachstumsrate intermetallischer Verbindungen effektiv verringert.
Bevorzugt werden etwa 10 ppm bis etwa 1000 ppm der Verfeinerungs-Verbindung zu dem Elektrolyten zugegeben, um die gewünschte Verringerung der Porosität und Rauheit zu erreichen und zu einer feinkörnigeren Struktur zu führen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verfeinerungs-Verbindung 50 ppm bis 100 ppm BTA.
Alternativ wird die Sperrschicht 16 mechanisch verformt, wie durch Walzen, oder thermisch behandelt, wie durch Erhitzen, um die Kornstruktur der Sperrschicht vor der Abscheidung der Beschichtung auf Zinnbasis zu modifizieren.
Bei einem beispielhaften Verfahren wird, nachdem die Kupfer/Nickel-Sperrschicht auf dem Substrat abgeschieden wurde, das Sperrschicht/Substrat- Verbundmaterial 30 Min bis 120 Min lang bei einer Temperatur von 300ºC bis 500ºC getempert. Um die Oxidation des Verbundmaterials zu minimieren, wird das Tempern in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre wie gespaltenem Ammoniak (volumenmäßig 96% Stickstoff und 4% Wasserstoff) durchgeführt. Das getemperte Verbundmaterial wird dann bei Raumtemperatur (etwa 20ºC) durch ein Walzwerk geführt und einer Dickenverringerung von zwischen 10% und 20% unterzogen.
Zusätzlich zur Schaffung einer kompakteren Kristallkorn-Struktur oder einer bevorzugten Kristall-Ausrichtung erhöht das Tempern und Walzen, entweder getrennt oder in Kombination, die Härte bestimmter Kupferlegierungen durch Kaltverfestigung und Ausscheidungshärtung. Dieses Härten ist insbesondere bei der Herstellung eines elektrischen Verbinders nützlich. Eine beispielhafte Legierung für das Substrat für dieses Verfahren ist Kupferlegierung C194.
Zusätzlich verbessert eine thermische Behandlung durch Tempern die Biegeformbarkeit des Verbundmaterials. Es wird angenommen, dass das Tempern Spannungen, die in der elektrolytisch abgeschiedenen Kupfer/Nickel-Sperrschicht vorliegen können, vermindert.
Dann wird die Deckschicht 14 auf Zinnbasis mittels konventioneller Mittel über mindestens einem Teil der Sperrschicht 16 aufgebracht.
Zwischen dem Substrat 12 und der Sperrschicht 16 kann eine dünne Metallschicht (metallic flash) angeordnet werden, wobei die dünne Metallschicht eine Dicke von mindestens 0,05 um und weniger als 1,25 um (50 Microinch), und bevorzugt eine Dicke von zwischen 0,05 um (2 Microinch) und 0,5 um (20 Microinch), hat. Die dünne Schicht kann irgendein Metall sein, ist aber bevorzugt Kupfer oder Nickel. Die dünne Schicht hat die Wirkung, die Oberfläche zu nivellieren, um irgendwelche Oberflächen-Unregelmäßigkeiten in dem Substrat zu verdecken, was die für eine Diffusion zur Verfügung stehende Grenzflächen- Fläche verringert.
Die dünne Schicht minimiert auch die Wirkung, die die legierenden Bestandteile in dem Substrat auf die Abscheidung der Sperrschicht haben.
Die dünne Schicht wird mittels irgendeines geeigneten Verfahrens abgeschieden, wie elektrolytisch, durch stromlose Abscheidung, chemische Dampfabscheidung oder Plasma-Abscheidung.
Die Dicke der Zinn-Deckschicht verringert sich rasch beim ersten Erhitzen. Gleichzeitig gibt es eine schnelle Bildung der intermetallischen Kupfer-Zinn- Verbindung in der Sperrschicht. Sobald die Sperrschicht mit der intermetallischen Kupfer/Zinn-Verbindung gesättigt ist, nimmt die Abnahmerate der Zinn-Dicke rasch ab.
Die Vorteile der Sperrschicht der Erfindung werden aus den folgenden Beispielen deutlicher werden.

Beispiel 1

Probestücke aus Kupferlegierung C194 wurden mit 1 um (40 Microinch) einer Sperrschicht aus Kupfer (30 Gew.-%)-Nickel-Legierung beschichtet, und wurden dann mit 1,25 um (50 Microinch) mattem Zinn beschichtet, das nachfolgend wieder angeschmolzen wurde. Sowohl die Sperrschicht als auch das matte Zinn wurden elektrolytisch abgeschieden. Das Kupfer und Nickel der Sperrschicht wurden gemeinsam abgeschieden.
Die Kontrolle waren Probestücke aus Kupferlegierung C194, elektrolytisch beschichtet mit mattem Zinn, das nachfolgend wieder angeschmolzen wurde. Der Kontrolle fehlte die Sperrschicht.
Die Test-Probestücke und die Kontrolle wurden dann bei 125ºC bis zu 2000 Stunden lang gealtert. Die Dicke der intermetallischen Schicht (IMC) in Microinch wurde dann gemessen und als eine Funktion der Quadratwurzel der Anzahl von Alterungsstunden aufgezeichnet. Die Ergebnisse der Test-Probestücke sind in Fig. 3 durch Bezugslinie 40 veranschaulicht, und die Ergebnisse der Kontrolle sind durch Bezugslinie 42 veranschaulicht. Die Dicken intermetallischer Verbindungen für Alterungszeiten über 2000 Stunden sind aus der grafischen Darstellung extrapoliert.

Beispiel 2

Fig. 4 ist eine mikroskopische Aufnahme mit zweitausendfacher Vergrößerung, die die intermetallische Kupfer/Zinn-Verbindung, die sich in dem System Substrat aus Kupferlegierung C194/Kupfer-30%Nickel/Zinn-Plattierung entwickelt wenn Substrat/Sperrschicht keiner thermischen oder mechanischen Behandlung unterzogen werden, veranschaulicht. Die intermetallische Verbindung wurde durch selektive chemische Entfernung von Restzinn exponiert. Die intermetallische Verbindung besteht aus rasch wachsenden Kugeln.
Fig. 5 ist eine mikroskopische Aufnahme mit zweitausendfacher Vergrößerung, die die intermetallische Kupfer/Zinn-Verbindung, die sich in dem System Substrat aus Kupferlegierung C715 (nominelle Zusammensetzung 30 Gew.-% Nickel, Rest Kupfer)/Zinn-Plattierung entwickelt, wenn das Substrat vor der Abscheidung des Zinns durch Walzen mechanisch verformt wurde, veranschaulicht. Die intermetallische Verbindung wurde durch selektive chemische Entfernung von Restzinn exponiert. Die intermetallische Verbindung besteht aus relativ langsam wachsenden abgeflachten Obelisken. Bevorzugt haben die abgeflachten Obelisken ein Seitenverhältnis (Länge zu Breite) von mindestens 5 : 1.
Wir haben festgestellt, dass die Kugeln mit etwa der doppelten Geschwindigkeit der abgeflachten Dendriten wachsen.
Es ist offenkundig, dass gemäß der vorliegenden Erfindung eine zwischen einem Substrat auf Kupferbasis und einer Deckschicht auf Zinnbasis liegende Sperrschicht, die die vorstehend dargelegten Aufgaben, Zwecke und Vorteile erfüllt, bereitgestellt wurde. Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit Ausführungsformen davon beschrieben, aber es ist offensichtlich, dass für Fachleute im Licht der vorangehenden Beschreibung viele Alternativen, Modifizierungen und Abwandlungen offenkundig sein werden. Dementsprechend ist beabsichtigt, alle derartigen Alternativen, Modifizierungen und Abwandlungen, die in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen, zu erfassen.

Claims

1. Verbundmaterial (10), gekennzeichnet durch:

ein Substrat (12) aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis,

eine Deckschicht (14) bestehend aus Zinn oder einer Legierung auf Zinnbasis, die über einem Teil des Substrats (12) liegt, und

eine elektroplattierte Sperrschicht (16), die zwischen dem Substrat (12) und der Deckschicht (14) liegt und die die Deckschicht (14) unmittelbar berührt,

wobei die Sperrschicht (16) vorwiegend aus Kupfer besteht und 25 bis 40 Gewichtsprozent Nickel enthält und eine Dicke von zwischen 0,2 und 1,5 um hat.

2. Verbundmaterial (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (16) außerdem mindestens ein Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Zinn, Kobalt, Eisen und Gemischen davon.

3. Verbundmaterial (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (12) und der Sperrschicht (16) eine dünne Metallschicht (metallic flash) angeordnet ist, wobei die dünne Metallschicht eine Dicke von 0,05 um bis 1,25 um hat.

4. Verbundmaterial (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Metallschicht ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Kupfer und Nickel.

5. Verbundmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (14) Teilchen enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid, Molybdändisulfid, Siliciumdioxid, Ruß, Grafit und Polytetrafluorethylen.

6. Verbundmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das zu einer Kraftfahrzeug-Buchse gebildet ist.

7. Verbundmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das zu einem Kraftfahrzeug-Stecker gebildet ist.