Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundbands

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Zinn-Silber-Legierung beschichteten Verbundbands zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen.

[0002] Zinn-Silber ist ein sehr guter Kontaktwerkstoff. Er zeichnet sich vor allem durch seinen geringen elektrischen Widerstand, seine Härte und seine Abriebfestigkeit aus.

[0003] Die Möglichkeiten, einen elektrisch leitfähigen Basiswerkstoff galvanisch mit einer Zinn-Silber-Legierung zu überziehen, sind jedoch begrenzt. Die US-A-5 514 261 offenbart in diesem Zusammenhang einen Weg, eine Silber-Zinn-Legierung galvanisch aus einem cyanidfreien Bad abzuscheiden. Das Bad wird unter Verwendung von Silber als Nitrat oder Diammin-Komplex, Zinn als lösliche Zinn(II)- oder Zinn(IV)-Verbindung 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0007] Danach wird der Basiswerkstoff in einem ersten Beschichtungsschritt mit einer Beschichtung aus Zinn oder einer Zinnlegierung versehen. In einem zweiten Beschichtungsschritt wird hierauf eine Silberschicht abgeschieden.

[0008] Durch die sich einstellenden Diffusionsvorgänge entsteht eine Zinn-Silber-Legierungsschicht. Diese weist gegenüber den zunächst heterogen aufgebrachten Schichten verbesserte Eigenschaften auf. Die Beschichtung besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit und sehr gute mechanische Eigenschaften. Sie ist abriebfest und hart. Auch die Wärmeleitfähigkeit ist hoch.

[0009] Die Beschichtung sichert einen wirksamen Korrosionsschutz und bildet gleichzeitig eine Löthilfe. Dies ist insbesondere bei elektrischen oder elektronischen Komponenten von Vorteil.

[0010] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8.

[0011] Als Basiswerkstoff können grundsätzlich alle für elektrotechnische Anwendungen übliche Metalle und Metalllegierungen mit guter elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, 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 diesem Zusammenhang zählt es zum Stand der Technik, ein Band aus einem Kupferwerkstoff entweder galvanisch mit Zinn zu beschichten oder auf ein Kupferband in einem Schmelzbad Zinn oder eine Zinn-Blei-Legierung aufzubringen.

[0012] Neben Kupfer ist aber auch die Verwendung von Zinnbronze, Messing oder niedrig legierten Kupferlegierungen, beispielsweise CuFe2, als Basiswerkstoff möglich.

[0013] Die Zinnschicht kann auf schmelzflüssigem Wege und die Silberschicht galvanisch aufgebracht werden, wie dies Anspruch 2 vorsieht. Ferner können sowohl die Zinnschicht 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 Kathodenzerstäubung, dem sogenannten Sputtern, aufzubringen. Möglich ist es desweiteren, sowohl die Zinnschicht als auch die Silberschicht durch Sputtern aufzutragen (Anspruch 5).

[0014] Speziell durch die Kombination der schmelzflüssigen Verzinnung (Feuerverzinnung) des Ausgangsbands in einer Schichtdicke von 0,5 µm bis 10,0 µm und anschließender galvanischer Nachversilberung mit einer Dicke der aufgebrachten Silberschicht zwischen 0,1 µm bis 3,5 µm kann ein Verbundband hergestellt werden, welches hohen 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 herkömmlichen 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.

[0015] Zusätzlich kann eine Wärmebehandlung, insbesondere als Diffusionsglühung, vorgesehen werden (Anspruch 6). Die Wärmebehandlung gewährleistet einen zuverlässigen Ausgleich von möglicherweise noch vorhandenen Konzentrationsunterschieden im Schichtaufbau des aufgebrachten Überzugs. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebehandlung des Verbundbands in einem Durchlaufprozeß mit einer Temperatur zwischen 140° C und 180° C.

[0016] Vor der Wärmebehandlung kann zum Schutz gegen Anlaufen eine chemische Passivierung der Oberfläche mittels üblicher Inhibitoren erfolgen.

[0017] Grundsätzlich kann auch eine Wärmebehandlung am verzinnten Ausgangsband vorgenommen werden. Als vorteilhaft ist auch hier ein Temperaturbereich zwischen 140 und 180° C anzusehen. Im Anschluß an die Wärmebehandlung des verzinnten Ausgangsbands wird in einem weiteren Fertigungsschritt die Silberbeschichtung aufgetragen.

[0018] Für die im ersten Beschichtungsschritt aufgetragene Zinnschicht hat sich neben Zinn eine Zinnlegierung mit Anteilen von Blei bewährt. Wird die Zinnschicht auf schmelzflüssigem Wege aufgebracht, hat sich ferner eine Zinnlegierung als vorteilhaft erwiesen, 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 einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen und geringer Desoxidations- und Verarbeitungszusätze.

[0019] Ferner kann eine kobalthaltige Zinnlegierung verwendet werden mit einem Kobaltanteil 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.

[0020] Durch einen Kobaltzusatz wird die Ausbildung einer feinkörnigen gleichmäßigen intermetallischen 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. Wismut und Indium führen zu einer zusätzlichen Härtesteigerung durch Mischkristallhärtung.

[0021] Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines in ihren mechanischen und physikalischen 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 zwischen 0,8 µm und 3,0 µm liegt. Die nachfolgende Silberschicht weist eine Dicke zwischen 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.

[0022] 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. Solche Verbinder können mehrfach gesteckt und gelöst werden, ohne daß sich der Kontaktwiderstand nennenswert ändert.

[0023] Ferner kann das erfindungsgemäß hergestellte Verbundmaterial auch für die Fertigung von elektromechanischen und elektrooptischen Bauelementen oder Halbleiterbauelementen und ähnlichem Verwendung finden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundbands zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, bei welchem ein Ausgangsband aus einem elektrisch leitfähigen Basiswerkstoff zunächst mit einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung versehen und anschließend hierauf eine Schicht aus Silber abgeschieden 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) aufgebracht 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, vorgenommen 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.