WO2019012050A1 - Einpressstift und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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    • H01R43/16—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining, or repairing of line connectors or current collectors or for joining electric conductors for manufacturing contact members, e.g. by punching and by bending

Definitions

  • the invention relates to a press-fit pin for a printed circuit board or for a lead frame according to the preamble of patent claim 1, a contact with such a press-fit pin, a printed circuit board designed with such a contacting or the like and a method for producing such a press-fit pin.
  • Solderless electrical and mechanical connections are made in the press-fit technique by pressing a press-fit pin into a contact hole of a printed circuit board or a punched grid.
  • the quality of a press-fit depends not only on the contact partners, press-fit pin and printed circuit board or punched grid but also on the surface used in the contact area.
  • On the press-fit pins are mainly the surfaces tin or tin-lead use.
  • DE 10 2009 008 1 18 A1 discloses a press-in pin with a coating of gold or of a gold alloy or of silver or a silver alloy or of aluminum or copper.
  • the coating serves to reduce whisker formation.
  • An additional anti-oxidation layer is applied to this coating.
  • the press-in pin is provided with a copper-containing coating on which an organic passivation layer (OSP) is applied.
  • OSP organic passivation layer
  • the invention is based on the object to provide an improved press-fit pin and a method for its production, wherein with the press-in an electrical and / or mechanical connection with a contact hole (in particular a printed circuit board or a punched grid) can be produced, wherein the one - Press pin has a surface coating, which reduces the whisker formation.
  • the invention is further based on the object to provide an improved contact, which is applicable to a printed circuit board, a stamped grid or the like. This object is achieved with regard to the press-fit pin by the features of
  • Patent claim 1 with regard to the contacting by the features of the independent claim 8 with respect to the printed circuit board, the lead frame solved by the features of claim 9 and in terms of the method by the combination of features of claim 10.
  • the claimed press-fit pin is used to produce an electrical and / or mechanical contact by means of press-fit technology, wherein it is pressed into a contact hole, in particular in a printed circuit board or a stamped grid or in another substrate.
  • the claimed press-fit pin has a coating of gold or a gold alloy or silver or a silver alloy or aluminum or copper.
  • the press-in pin has a tin and lead-free surface coating. The advantage of this surface is that on the one hand no banned or dangerous substances such as e.g. Lead is used on the other hand and due to the absence of tin whisker formation is reduced.
  • the press-fit pin further has an outer second coating, wherein a transition layer between the first and the second coating is formed by suitable treatment after the application of the second coating to the first coating.
  • the second coating is an organic layer, preferably an organic surface protection.
  • the second coating is mechanically, thermally or chemically bonded to the first coating, wherein after the application of the second coating to the first coating, the transition / boundary layer is formed.
  • This transition layer may be an oxidation layer or a diffusion layer or any other formed boundary layer.
  • the electrical contact is formed with such a press-in pin which is pressed into a suitable contact hole, for example a printed circuit board.
  • a suitable contact hole for example a printed circuit board.
  • the electrical contact or connection is gas-tight.
  • the electrical contact is preferably provided on or in an electrical circuit board or an electrical stamped grid.
  • a stamped grid or other substrate - is first applied a first coating of gold or a gold alloy or silver or a silver alloy or copper or made of aluminium. According to the invention, this is followed by application of a second coating, and the formation of a transition layer.
  • the transition layer is formed thermally, chemically and / or mechanically.
  • the transition layer can be formed, for example, by diffusion processes or oxidation processes. Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
  • Figure 1 is a schematic diagram of a contact according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the layer structure of a press-fit pin according to the invention before the formation of a transition layer
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a press-fit pin according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of a contact 1 according to the invention, which is designed in Einpresstechnik.
  • a press-in pin 2 is pressed into a contact hole 4 of a printed circuit board 6.
  • the press-in pin 2 is exemplified with two legs 8, 10 are formed, which are arcuate and extending from a pin body 12 away toward a pin head 14.
  • the press-in pin 2 may be formed in other ways.
  • the contact hole 4 is provided with a suitable coating, which consists for example of gold or a gold alloy, silver or a silver alloy, copper or a copper alloy or tin. Also a multi-layered construction is possible.
  • the base material of the press-fit pin 2 consists for example of an aluminum- or copper-based alloy. This base material is then coated in the manner described below.
  • FIGS. 2 and 3 show the layer structure of a press-in zone 16 of the press-fit pin 2.
  • a contact area 20 provides the electrical contact between press-fit pin 2 and contact hole 4 (eg PCB hole).
  • the connection between press-fit pin 2 and contact hole 4 is gas-tight.
  • the press-fit zone 16 of the press-fit pin 2 has a first coating 22 of gold or a gold alloy, silver or a silver alloy, copper, or aluminum, on which an additional second coating 24 is applied.
  • This additional coating can, for example, be applied to the first coating 22 mechanically or chemically (deposited).
  • This second coating 24 is preferably an organic layer which forms an organic surface protection.
  • Such organic passivation layers are known in printed circuit board technology under the abbreviation OSP, so further explanations are dispensable.
  • This intermediate corresponds more or less to the prior art described at the outset.
  • a transition layer 26 shown in FIG. 3 is then formed on the intermediate product by suitable mechanical, thermal and / or chemical treatment.
  • This transition layer 26 is formed in the boundary layer region between the first coating 22 and the second coating 24 and can be formed by diffusion or oxidation processes, by chemical reactions or in another manner, depending on the process control and choice of material.
  • This layer (s) thus formed serves on the one hand as protection against oxidation and on the other hand for reducing the press-in forces during the press-fitting of the press-fit pin into the contact hole, so that damage to the printed circuit board 6 or the stamped grid is avoided.
  • the contact hole 4 has, as explained, a coating of gold or a gold alloy, or of silver or a silver alloy, or copper, preferably with an additional coating against oxidation, whereby whiskers are reduced.
  • the contact hole may also be coated with tin.
  • Al-based or Cu-based alloys can be used as materials for the press-fit pin 2.
  • a press-in pin wherein the pin material has two endurenbe- laminations, between which a transition layer is formed.

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Abstract

Offenbart ist ein Einpressstift, der eine zinn- und bleifreie Oberflächenbeschichtung aufweist. Der Einpressstift hat des Weiteren eine aussere zweite Beschichtung, wobei durch geeignete Behandlung nach dem Aufbringen der zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung eine Übergangsschicht zwischen der ersten und der zweiten Beschichtung ausgebildet wird.

Description

Einpressstift und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Einpressstift für eine Leiterplatte oder für ein Stanzgitter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , eine Kontaktierung mit einem derartigen Einpressstift, eine mit einer derartigen Kontaktierung ausgeführte Leiterplatte oder dergleichen und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Einpressstiftes. Bei der Einpresstechnik werden lötfreie elektrische und mechanische Verbindungen hergestellt, indem ein Einpressstift in ein Kontaktloch einer Leiterplatte oder eines Stanzgitters gepresst wird. Die Qualität einer Einpressverbindung hängt neben den Kontaktpartnern, Einpressstift und Leiterplatte bzw. Stanzgitter auch von der verwendeten Oberfläche im Kontaktbereich ab. Auf den Einpressstiften finden vorwiegend die Oberflächen Zinn oder Zinn-Blei Verwendung.
Nachteilig an derartigen Einpressstiften mit Zinnoberfläche ist die Gefahr der Whiskerbildung, welche durch die Beigabe von Blei reduziert wird. Der Einsatz von Blei in Elektro- und Elektronikgeräten ist allerdings durch die RoHS-Richtlinien verboten. Aus Mangel an Alternativen gibt es jedoch für den Einsatz in der Einpresstechnik eine Ausnahmeregelung.
Die DE 10 2009 008 1 18 A1 offenbart einen Einpressstift mit einer Beschichtung aus Gold oder aus einer Goldlegierung oder aus Silber oder einer Silberlegierung oder aus Aluminium oder aus Kupfer. Die Beschichtung dient zur Verringerung der Whiskerbildung. Auf diese Beschichtung ist eine zusätzliche Antioxidationsschicht aufgetragen.
Eine ähnliche Einpressverbindung ist in der DE 10 2009 047 043 A1 offenbart. Bei dieser Verbindung ist einer der Fügepartner, beispielsweise der Einpressstift mit einer Kupfer enthaltenden Beschichtung versehen, auf die eine organische Passivierungs- schicht (OSP) aufgetragen ist. Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Einpressstift und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei mit dem Einpressstift eine elektrische und/oder mechanische Verbindung mit einem Kontaktloch (insbesondere einer Leiterplatte oder eines Stanzgitters) herstellbar ist, wobei der Ein- pressstift eine Oberflächenbeschichtung aufweist, welche die Whiskerbildung verringert. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kontaktierung zu schaffen, die bei einer Leiterplatte, einem Stanzgitter oder dergleichen anwendbar ist. Diese Aufgabe wird im Hinblick auf den Einpressstift durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 , im Hinblick auf die Kontaktierung durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 8 im Hinblick auf die Leiterplatte, das Stanzgitter durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der beanspruchte Einpressstift dient zur Herstellung eines elektrischen und/oder mechanischen Kontakts mittels Einpresstechnik, wobei diese in ein Kontaktloch insbe- sondere in einer Leiterplatte oder einem Stanzgitter oder in einem anderen Substrat eingepresst wird. Der beanspruchte Einpressstift hat eine Beschichtung aus Gold oder einer Goldlegierung oder aus Silber oder einer Silberlegierung oder aus Aluminium oder aus Kupfer. Damit weist der Einpressstift eine zinn- und bleifreie Oberflächenbeschichtung auf. Vorteil dieser Oberfläche ist, dass zum einen keine verbotenen oder gefährlichen Stoffe wie z.B. Blei zum Einsatz kommen und zum anderen aufgrund des Nichtvorhandenseins von Zinn eine Whiskerbildung verringert wird. Der Einpressstift hat des Weiteren eine äußere zweite Beschichtung, wobei durch geeignete Behandlung nach dem Aufbringen der zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung eine Übergangsschicht zwischen der ersten und der zweiten Beschichtung ausgebildet wird.
Es zeigte sich, dass dieser Schichtaufbau, bei dem zunächst aus einer zweischichtigen Beschichtung durch geeignete Behandlung eine dazwischenliegende dritte Schicht ausgebildet wird, die Oberflächenqualität weiter verbessert wird. In einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Beschichtung eine organische Schicht, vorzugsweise ein organischer Oberflächenschutz. Vorzugsweise ist die zweite Beschichtung mechanisch, thermisch oder chemisch mit der ersten Beschichtung verbunden, wobei nach dem Aufbringen der zweiten Beschichtung auf die erste Beschichtung die Übergangs-/Grenzschicht ausgebildet wird.
Diese Übergangsschicht kann eine Oxidationsschicht oder eine Diffusionsschicht oder eine auf sonstige Weise ausgebildete Grenzschicht sein.
Die elektrische Kontaktierung wird mit einem derartigen Einpressstift gebildet, der in ein geeignetes Kontaktloch, beispielsweise einer Leiterplatte, eingepresst ist. Vorzugsweise ist die elektrische Kontaktierung bzw. Verbindung gasdicht.
Die elektrische Kontaktierung ist bevorzugt auf oder in einer elektrischen Leiterplatte oder einem elektrischen Stanzgitter vorgesehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fertigung eines Einpressstiftes zum späteren Einpressen in ein Kontaktloch - insbesondere einer Leiterplatte, eines Stanzgitters oder eines anderen Substrates - erfolgt zunächst ein Aufbringen einer ersten Beschichtung aus Gold oder aus einer Goldlegierung oder aus Silber oder aus einer Silberlegierung oder aus Kupfer oder aus Aluminium. Erfindungsgemäß folgt darauf ein Aufbringen einer zweiten Beschichtung, und das Ausbilden einer Übergangsschicht.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Übergangsschicht thermisch, chemisch und/oder mechanisch gebildet. Die Übergangsschicht kann beispielsweise durch Diffusionsprozesse oder Oxida- tionsprozesse gebildet werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kontaktierung.
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Einpressstifts vor dem Ausbilden einer Übergangsschicht, und
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Einpress- Stifts.
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kontaktierung 1 , die in Einpresstechnik ausgeführt ist. Dabei wird ein Einpressstift 2 in ein Kontaktloch 4 einer Leiterplatte 6 eingepresst. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einpressstift 2 beispielhaft mit zwei Schenkeln 8, 10 ausgeführt, die bogenförmig ausgebildet sind und sich von einem Stiftkörper 12 weg hin zu einem Stiftkopf 14 erstrecken. Selbstverständlich kann der Einpressstift 2 auch auf andere Weise ausgebildet sein. Das Kontaktloch 4 ist mit einer geeigneten Beschichtung versehen, die beispielsweise aus Gold oder einer Goldlegierung, Silber oder einer Silberlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung oder Zinn besteht. Auch ein mehrschichtiger Aufbau ist möglich.
Das Grundmaterial des Einpressstiftes 2 besteht beispielsweise aus einer alumi- nium- oder kupfer-basierten Legierung. Dieses Grundmaterial wird dann in der im Folgenden beschriebenen Weise beschichtet. Die Figuren 2 und 3 zeigen den Schichtaufbau einer Einpresszone 16 des Einpressstifts 2.
Ein Kontaktbereich 20 stellt den elektrischen Kontakt zwischen Einpressstift 2 und Kontaktloch 4 (z.B. Leiterplattenloch) bereit. Die durch die beiden Schenkel 8, 10 gebildete Einpresszone 16, an der auch der Kontaktbereich 20 gebildet ist, stellt eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Einpressstift 2 und dem Kontaktloch 4 bereit. Die Verbindung zwischen Einpressstift 2 und Kontaktloch 4 ist gasdicht. Die Einpresszone 16 des Einpressstiftes 2 weist gemäß Figur 2 eine erste Beschichtung 22 aus Gold oder einer Goldlegierung, Silber oder einer Silberlegierung, Kupfer, oder Aluminium auf, auf der eine zusätzliche zweite Beschichtung 24 aufge- bracht ist. Diese zusätzliche Beschichtung kann beispielsweise mechanisch oder chemisch (abscheiden) auf die erste Beschichtung 22 aufgebracht werden. Bei dieser zweiten Beschichtung 24 handelt es sich vorzugsweise um eine organische Schicht, die einen organischen Oberflächenschutz ausbildet. Derartige organische Passivierungs- schichten sind in der Leiterplattentechnik unter der Abkürzung OSP bekannt, so dass weiter Erläuterungen entbehrlich sind.
Dieses Zwischenprodukt eines Einpressstiftes 4, der mit einer ersten Beschichtung 22 und einer zweiten Beschichtung 24, vorzugsweise einer organischen Beschichtung, versehen ist, ist in Figur 2 dargestellt. Dieses Zwischenprodukt entspricht mehr oder weniger dem eingangs beschriebenen Stand der Technik.
Erfindungsgemäß wird an dem Zwischenprodukt dann durch geeignete mechanische, thermische und/oder chemische Behandlung eine in Figur 3 dargestellte Übergangsschicht 26 ausgebildet. Diese Übergangsschicht 26 entsteht im Grenzschicht- bereich zwischen der ersten Beschichtung 22 und der zweiten Beschichtung 24 und kann je nach Verfahrensführung und Materialwahl durch Diffusions- oder Oxidations- prozesse, durch chemische Reaktionen oder in sonstiger Weise ausgebildet werden.
Diese(r) so entstandene Schicht / Schichtaufbau dient zum einen als Schutz gegen Oxidation und zum anderen zur Reduzierung der Einpresskräfte beim Einpressen des Einpressstiftes in das Kontaktloch, sodass eine Beschädigung der Leiterplatte 6 oder des Stanzgitters vermieden wird.
Eine ausreichend hohe Haltekraft ist durch die Spannkraft der Einpresszone 16 des Einpressstiftes 2 und durch Reibschluss zwischen dem Kontaktbereich 20 und dem Kontaktloch 4 gewährleistet. Das Kontaktloch 4 besitzt, wie erläutert, eine Beschichtung aus Gold oder einer Goldlegierung, oder aus Silber oder einer Silberlegierung, oder Kupfer, vorzugsweise mit einer zusätzlichen Beschichtung gegen Oxidation, wodurch Whisker verringert werden. Optional kann das Kontaktloch auch mit Zinn beschichtet sein.
Als Materialien für den Einpressstift 2 können Al-basierte oder Cu-basierte Legierungen eingesetzt werden.
Offenbart ist ein Einpressstift, wobei das Stiftmaterial zwei Oberflächenbe- Schichtungen aufweist, zwischen denen eine Übergangsschicht gebildet ist.
Bezugszeichenliste
1 Kontaktierung
2 Einpressstift
4 Kontaktloch
6 Le iterpl atte/Sta nzg itter
8 Schenkel
10 Schenkel
12 Stiftkörper
14 Stiftkopf
16 Einpresszone
18 Beschichtung Kontaktloch
20 Kontaktbereich
22 erste Beschichtung
24 zweite Beschichtung
26 Übergangsschicht

Claims

Patentansprüche Einpressstift zum Einpressen in ein Kontaktloch, mit einer ersten Beschichtung (22) aus Gold oder aus einer Goldlegierung oder aus Silber oder aus einer Silberlegierung oder aus Kupfer, oder aus Aluminium, auf der eine äußere zweite Beschichtung (24), aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass, zwischen der ersten Beschichtung (22) und der zweiten Beschichtung (24) eine Übergangsschicht (26) ausgebildet ist. Einpressstift nach Anspruch 1 , wobei die zweite Beschichtung (24) eine organische Schicht, vorzugsweise ein organischer Oberflächenschutz ist. Einpressstift nach Anspruch 2, wobei die zweite Beschichtung (24) mechanisch und/oder chemisch mit der ersten Beschichtung (22) verbunden ist und danach die Ausbildung der Übergangsschicht (26) erfolgt. Einpressstift nach Anspruch 3, wobei die Übergangsschicht (26) eine Oxidations- oder Diffusionsschicht ist. Einpressstift nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Übergangsschicht (26) durch chemische, mechanische und/oder thermische Behandlung ausgebildet ist. Elektrische Kontaktierung mit einem Kontaktloch (4), in das ein Einpressstift (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingepresst ist. Elektrische Kontaktierung nach Patentanspruch 6, wobei das Kontaktloch (4) eine Beschichtung aus Gold oder einer Goldlegierung, Silber oder einer Silberlegierung oder Kupfer oder Zinn, vorzugsweise mit einer zusätzlichen Beschichtung gegen Oxidation aufweist. Elektrische Kontaktierung nach Anspruch 6 oder 7, die gasdicht ist. Elektrische Leiterpatte oder elektrisches Stanzgitter mit einer Kontaktierung gemäß Anspruch 6 oder 7. 0. Verfahren zur Fertigung eines Einpressstiftes mit den Schritten: - Aufbringen einer ersten Beschichtung (22) aus Gold oder aus einer Goldlegierung oder aus Silber oder aus einer Silberlegierung oder aus Kupfer oder aus Aluminium, - Aufbringen einer zweiten Beschichtung (24) und - Ausbilden einer Übergangsschicht (26) zwischen den beiden Beschichtungen.
1 . Verfahren nach Anspruch 10 wobei das Ausbilden der Übergangsschicht (26) chemisch, mechanisch, und/oder thermisch erfolgt.
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