用于电接触装置的压入针脚

摘要

本发明涉及用于电接触装置(1)的压入针脚(10)，以及对应的电接触装置(1)和用于将压入针脚(10)与金属化过孔(7)接合的方法，该压入针脚(10)具有弹性压入区域(12)和导电涂层(14)。在这里，涂层(14)包括被施加到压入针脚(10)上的活性多层和被施加到活性多层上的第一接触层。

权利要求

1.一种用于电接触装置(1)的压入针脚(10)，所述压入针脚(10)具有弹性压入区域(12)和导电涂层(14)，所述导电涂层(14)包括被施加到所述压入针脚(10)上的活性多层(14.1)和被施加到所述活性多层(14.1)上的第一接触层(14.2)，其特征在于，所述导电涂层(14)不含锡，并且所施加的活性多层(14.1)能够通过触发放热反应的能量脉冲来激活。

2.根据权利要求1所述的压入针脚(10)，其特征在于，所述活性多层(14.1)被施加到所述弹性压入区域(12)的有效压入长度上。

3.根据权利要求1或2所述的压入针脚(10)，其特征在于，所述活性多层(14.1)由至少两种不同的金属材料构成，所述金属材料交替地被沉积在所述压入针脚(10)上。

4.根据权利要求3所述的压入针脚(10)，其特征在于，所述活性多层(14.1)具有铝作为第一金属材料和镍作为第二金属材料。

5.根据权利要求1或2所述的压入针脚(10)，其特征在于，铜被施加作为第一接触层(14.2)。

6.一种电接触装置(1)，具有压入针脚(10)和金属化过孔(7)，所述压入针脚(10)具有弹性压入区域(12)和导电涂层(14)，所述金属化过孔(7)被引入到印刷电路板(3)的孔(5)中，并且形成用于所述弹性压入区域(12)和所述导电涂层(14)的接触面(8)，其中所述压入针脚(10)被插入到所述金属化过孔(7)中，并且材料接合连接(9)形成在所述压入针脚(10)的第一接触层(14.2)与所述金属化过孔(7)的第二接触层(8.1)之间，其特征在于，所述压入针脚(10)根据权利要求1至5中的任一项实现，其中所述材料接合连接(9)由于被激活的所述活性多层(14.1)的放热反应而产生。

7.根据权利要求6所述的电接触装置(1)，其特征在于，所述压入针脚(10)的所述弹性压入区域(12)的尺寸和弹簧特性与所述金属化过孔(7)的尺寸匹配，使得所述弹性压入区2

域(12)在所述金属化过孔(7)上产生小于25N/mm的横向力(Fq)。

8.根据权利要求6或7所述的电接触装置(1)，其特征在于，所述金属化过孔(7)的所述第二接触层(8.1)具有铜。

9.一种用于将压入针脚(10)与金属化过孔(7)接合的方法，所述压入针脚(10)根据权利要求1至5中的任一项实现，所述金属化过孔(7)被引入到印刷电路板(3)的孔(5)中，其中所述压入针脚(10)被插入到所述金属化过孔(7)中，直到达到所期望的深度，其特征在于，通过能量脉冲激活所述压入针脚(10)的所述涂层(14)的所述活性多层(14.1)，所述能量脉冲触发所述活性多层(14.1)的放热反应，其中由所述放热反应产生的热量来熔化相邻的所述压入针脚(10)的第一接触层(14.2)和所述金属化过孔(7)的第二接触层(8.1)，并且将所述第一接触层(14.2)与所述第二接触层(8.1)焊接在一起形成材料接合连接(9)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述能量脉冲被定向地引入到被插入到所述金属化过孔(7)中的所述压入针脚(10)的尖端(16)中，所述尖端(16)从所述金属化过孔(7)伸出。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述能量脉冲被作为激光脉冲(ZI)或电脉冲产生。

说明书

用于电接触装置的压入针脚

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于电接触装置的压入针脚。一种具有这种压入针脚的电接触装置，以及一种用于将压入针脚与金属化过孔接合的方法也是本发明的主题。

背景技术

[0002] 具有可控数目的不同涂层变型的印刷电路板压入针脚是从现有技术中已知的。其中可以区分为锡基涂层变型和无锡涂层变型。根据压入针脚与金属化过孔之间的机电连接
的预期负荷，使用这些不同的层系统。压入针脚与过孔之间的机械连接基于力配合、形状配
合以及材料接合。力配合由弹性压入针脚的弹簧特性曲线、因此由弹性压入针脚的弹簧几
何形状、过孔直径与压入针脚宽度的比值、以及压入针脚的基材的机械特性(弹性模量、青
铜质地)和印刷电路板基材的机械特性(主要是压应力强度)确定。形状配合由压入针脚与
金属化过孔之间的直接接触的接触面的几何形状及其地形特性(例如粗糙度)确定。材料接
合仅通过在压入针脚的表面与金属化过孔之间形成扩散桥而产生。为此，锡基表面是至少
单侧必要的。由于金属化过孔中的在折叠压入针脚时所产生的压应力，以及压入针脚上的
锡向金属化过孔的铜或金属间铜锡表面的相应扩散梯度，两个表面扩散到彼此中。很短的
时间之后就产生了所谓的气密连接。这种材料接合的连接导致机电连接的较高的负荷能
力，并且在基于力配合与形状配合的压入连接不足以满足所提出的要求的情况下被广泛使
用。典型的锡基表面系统基于压入针脚与金属化过孔之间的力配合、形状配合以及材料接
合。具有由镍制成的底层的锡铅基(例如SnPb5)上的涂层仍然非常流行，但是该材料由于铅
成分而越来越多被排斥。具有由镍制成的底层的由最纯的锡制成的薄涂层同样流行。新的
表面系统将锡与银组合。这些锡银层或银锡层也被施加到由镍制成的底层。

[0003] 通常，无锡表面系统仅基于压入针脚与金属化过孔之间的力配合和形状配合。纯镍表面作为无光泽镍层或夹心层结构同样非常流行。在镍夹心层结构中，光亮镍层被沉积
在无光泽镍层之上。镍表面通常被涂覆有所谓润滑剂的减小摩擦层，例如在硫醇基上或借
助于全氟聚醚。另一已知的无锡表面体系基于铟。

[0004] 压入针脚的在现有技术中所描述的表面部分地具有非常决定性的缺点。由于高的机械应力，锡基表面极易产生晶须，特别是纯锡表面极易产生晶须。晶须还形成在锡铅层、
锡银层或铟基表面上。由于混合其他金属，形成明显较少的晶须。这些锡晶须可能会导致短
路。现今的压入技术的另一缺点是机械装置本身。为了获得机电连接的高强度，针脚必须在
印刷电路板中引入相应的高的压应力。从而产生典型的压入技术缺陷，例如铜层的过度变
形、射流效应、套筒裂纹以及导电颗粒(磨粒)的产生。此外，还在DIN‑EN 60352‑5中描述了
所有这些缺陷类型。

[0005] 总而言之，对于压入针脚与PTH之间的能承受高机械负荷的连接，具有高的缺陷概率的印刷电路板中的高的压应力和/或具有晶须风险的基于锡的针脚表面是必需的。

[0006] 一种通用的用于压入针脚与导电插座之间的导电连接的压入针脚是从DE 103 49 584 B4中已知的。压入针脚和插座被设计为在压入过程中通过塑性形变形成接触面，该接
触面形成在压入针脚与插座之间。压入针脚和/或插座上的接触面由外层形成，该外层被施
加到扩散阻挡层上，并且具有在0.1μm至0.8μm(优选地至0.6μm)之间的厚度。外层例如由
银、银合金、金，金合金、锡或锡合金形成。

发明内容

[0007] 具有根据本发明的特征的用于电接触装置的压入针脚具有如下优点：压入针脚与金属化过孔之间的能承受高负荷的连接可以被设计为具有非常低的压应力以及无锡表面。
根据本发明的压入针脚的实施方案可以具有以活性多层系统作为表面的任何设计，并且可
以通过相应的接合方法连接到印刷电路板中的金属化过孔。

[0008] 本发明的实施方案描述了一种基于材料接合的能承受高机械负荷的连接，该连接在压入针脚和金属化过孔之间，并且基于压入针脚的新颖的无锡涂层，而没有从现有技术
中已知的压入针脚的上述所有缺点，即不形成锡晶须，并且在接合过程期间引入到印刷电
路板或金属化过孔中的过高的压应力没有造成机械损坏。

[0009] 本发明的实施方案提供了一种用于电接触装置的压入针脚，该压入针脚具有弹性压入区域和导电涂层。在这里，涂层包括被施加到压入针脚上的活性多层以及被施加到活
性多层上的第一接触层。这意味着，在现有技术中所描述的压入针脚表面由活性多层和第
一接触层代替，该第一接触层例如由铜构成。

[0010] 此外，提出了一种具有这种压入针脚和金属化过孔的电接触装置，该压入针脚具有弹性压入区域和导电涂层，该金属化过孔被引入到印刷电路板的孔中，并且形成用于弹
性压入区域和导电涂层的接触面。压入针脚被插入到金属化过孔中。材料接合连接形成在
压入针脚的第一接触层与金属化过孔的第二接触层之间，该材料接合连接由于被激活的活
性多层的放热反应而产生。

[0011] 此外，提出了一种用于将这种压入针脚与金属化过孔接合的方法，该金属化过孔被引入到印刷电路板的孔中。压入针脚被插入到金属化过孔中，直到达到所期望的深度。随
后，通过能量脉冲激活压入针脚的涂层的活性多层，该能量脉冲触发活性多层的放热反应。
由放热反应产生的热量熔化相邻的压入针脚的第一接触层和金属化过孔的第二接触层，并
且将它们焊接在一起以形成材料接合连接。从而可以在压入针脚和金属化过孔之间创建能
承受高负荷的连接，而没有高的压应力并且没有机械应力，并且没有形成锡晶须的风险。由
于极短的温度输入而有利地不会在金属中产生显著的结构变化。由于随后的放热反应，在
将压入针脚“压入”到金属化过孔中时，接合力可以明显减小。所以，仅将压入针脚插入到金
属化过孔中就足够了。从而可以在金属化过孔和印刷电路板中将压应力减小到必要的最小
值，并且可以以有利的方式可靠地避免印刷电路板压入技术中的所有已知缺陷。由于大幅
减小的接合力，在将压入针脚连接在引线框架上时，带来较大的设计自由度。为此，除了将
压入针脚压入到印刷电路板的金属化过孔中之外，必须进行用于触发活性多层的后续过
程。

[0012] 通过下文中所说明的措施和改进方案，对上述用于电接触装置的压入针脚的有利改进、对上述具有这种压入针脚的电接触装置的有利改进、以及对上述用于将这种压入针
脚与金属化过孔连接的方法的有利改进是可能的。

[0013] 特别有利地，活性多层可以被施加到弹性压入区域的有效压入长度上。例如，活性多层可以由至少两种不同的金属材料构成，这些金属材料以正确的物相交替地被沉积在压
入针脚上。因此，在有效压入长度的区域中，可以选择性地使用活性多层来涂覆压入针脚。
在相应激活的情况下，这两种不同的金属材料可以发生短暂的放热反应。由于以大量件数
加工压入针脚，因此不能使用文献中所描述的具有在2μm/h至6μm/h之间的沉积速率的常用
溅射方法。通常，压入针脚在冲压流水线中卷对卷地被生产，并且在流水线电镀设备中借助
于水性电解质电化学地被涂覆。通常有选择地进行这种涂覆，因为压入针脚通常需要与引
线框架的其余部分不同的表面，引线框架的其余部分通常是客户接口的接触引脚或插头引
脚。由于不是所有的金属都可以从水性电解质中沉积出来(例如铝)，但是活性多层系统通
常基于铝，因此可以在升高的温度下借助于特殊的电解质从非质子溶剂(例如甲苯)中沉积
活性多层。为此，优选地可以使用完全封闭的涂层系统，因为沉积在惰性气体气氛下发生。

[0014] 在压入针脚的有利实施方式中，活性多层可以具有铝作为第一金属材料和镍作为第二金属材料。例如，铜可以被施加作为第一接触层。

[0015] 在电接触装置的有利实施方式中，压入针脚的弹性压入区域的尺寸和弹簧特性可2
以与金属化过孔的尺寸匹配，使得弹性压入区域在金属化过孔上产生小于25N/mm 的横向
力。例如，金属化过孔的第二接触层可以具有铜。

[0016] 压入针脚可以有利地以与现今的冲压工艺相同的方式制造。新颖的是金属化过孔的尺寸与压入针脚的宽度或其弹簧特性有关。在常规的压入技术中，压入针脚和金属化过
2
孔之间的非常高的机械应力(通常>>150MPa(150N/mm))是必需的，然而对于执行根据本发
明的方法(该方法用于将根据本发明的具有活性多层的压入针脚与金属化过孔接合)的印
刷电路板的金属化过孔现在可以如此确定尺寸，使得压入针脚仅将小的机械应力(<20N/
2
mm (20MPa))引入到金属化过孔中。因此，有利地，在将压入针脚与金属化过孔接合时，现有
技术中所描述的所有缺点(变形、射流效应、裂纹、碎屑等)不再存在。在将压入针脚相对容
易地压入或插入到印刷电路板的相应的金属化过孔中之后，必须使活性多层发生放热反
应。为此，“点火脉冲”是必要的。该“点火脉冲”可以例如作为电脉冲或用激光作为激光脉冲
产生。由于在压入过程之后压入针脚的尖端从印刷电路板上伸出，因此放热的化学反应可
以通过在针脚尖端上定向的激光脉冲轻松地开始。由于在压入过程之后压入针脚的尖端从
印刷电路板中伸出，因此可以通过在针脚尖端上定向激光脉冲容易地开始放热化学反应。
备选地，放热化学反应可以通过电脉冲开始，该定向电脉冲通过探针被引入到压入针脚的
尖端中。从而能量以热量的形式被释放，该能量激活“点火点”旁边的邻近区域。产生穿过压
入针脚的整个活性多层的热浪。放热所产生的热量足以熔化直接接触的其他金属。从而实
现将金属化过孔焊接到压入针脚，而没有显著的温度输入到印刷电路板中，因为反应进行
得非常快。因此，在压入针脚与金属化过孔之间创建了能承受高负荷的所谓的气密连接。由
于印刷电路板孔的金属化过孔通常是基于铜，因此可以考虑压入针脚的在活性多层上方的
怕。作为第一接触层的该薄铜层与作为金属化过孔的第二接触层的铜层融合。铜具有1085
℃的熔点。基于交替的镍铝层的活性多层具有1639℃的绝热反应温度，该温度明显更高。此
外，在新状态中，铜层可以用极薄的有机涂层钝化，并且防止被氧化。两个钝化层在高温下
蒸发，并且不会干扰压入针脚与金属化过孔之间的铜融合。由于通过金属化过孔的第二接
触层变为有机涂层可以放弃目前常用的化学镀锡，所以印刷电路板生产成本降低。

[0017] 本发明的实施例在附图中示出，并且在下面的描述中更详细地解释。在附图中，相同的附图标记表示执行相同或相似功能的组件或元件。

附图说明

[0018] 图1示出了根据本发明的用于电接触装置的压入针脚的一个实施例的示意性截面图。

[0019] 图2示出了图1的II的细节图。

[0020] 图3示出了根据本发明的具有图1的压入针脚的电接触装置的一个实施例的示意性截面图。

[0021] 图4示出了沿着图2的剖面线IV‑IV的截面图。

[0022] 图5示出了图4的V的在压入针脚的活性多层的激活之前的细节图。

[0023] 图6示出了图4的VI的在压入针脚的活性多层的激活之后的细节图。

具体实施方式

[0024] 如从图1至图6中可以看出的，根据本发明的用于电接触装置1的压入针脚10的所示实施例包括弹性压入区域12和导电涂层14。在这里，涂层14包括被施加到压入针脚10上
的活性多层14.1和被施加到活性多层14.1上的第一接触层14.2。

[0025] 在压入针脚10的所示实施例中，活性多层14.1被施加到弹性压入区域12的有效压入长度上。在所示实施例中，活性多层14.1具有铝作为第一金属材料和镍作为第二金属材
料。被形成为镍铝叠层的活性多层14.1具有‑59kJ/mol的释放的结合焓，并且产生1639℃的
绝热反应温度。当然，活性多层14.1还可以由至少两种其他不同的金属材料构成，这些金属
材料以正确的物相交替地被沉积在压入针脚10上。在所示实施例中，压入针脚10的第一接
触层14.2由铜构成。弹性压入区域12被布置在尖端16与压入针脚的接触引脚18或插头引脚
之间。

[0026] 如从图3至图6中还可以看出的，根据本发明的电接触装置1的所示实施例包括压入针脚10和金属化过孔7，该压入针脚10具有弹性压入区域12和导电涂层14，该金属化过孔
7被引入到印刷电路板3的孔5中，并且形成用于弹性压入区域12和导电涂层14的接触面8。
压入针脚10被插入到金属化过孔7中。材料接合连接9形成在压入针脚10的第一接触层14.2
与金属化过孔7的第二接触层8.1之间，该材料接合连接9由于被激活的活性多层14.1的放
热反应而产生。

[0027] 如从图3、图4和图5中还可以看出的，压入针脚10在其侧面紧贴在金属化过孔7上，并且压入针脚10的薄镀铜作为第一接触层14.2与金属化过孔7的第二接触层8.1中的铜直
接接触。在根据图5的图示中，活性多层14.1尚未完全反应。如从图4中还可以看出的，压入
针脚10在接合时几乎不变形，因为与常规的压入相反，只需要很小的表面压力。因此，压入
针脚10的弹性压入区域12的尺寸(宽度)和弹簧特性可以与金属化过孔7的尺寸(直径)匹
2
配，使得弹性压入区域12在金属化过孔7上产生小于25N/mm的横向力Fq。

[0028] 为了执行将压入针脚10与金属化过孔7接合的方法，压入针脚10被插入到金属化过孔7中，直到达到所期望的深度。随后，通过能量脉冲激活压入针脚10的涂层14的活性多
层14.1，该能量脉冲触发活性多层14.1的放热反应。由放热反应产生的热量熔化相邻的压
入针脚10的第一接触层14.2和金属化过孔7的第二接触层8.1，并且将第一接触层14.2焊接
到第二接触层8.1形成材料接合连接9，如从图6中可以看出的。这意味着活性多层14.1的放
热反应通过能量脉冲开始。在压入针脚10和金属化过孔7之间的接触面8处，彼此紧贴的两
个铜层焊接在一起，即第一接触层14.2和第二接触层8.1形成气密的材料接合连接9。在所
示实施例中，能量脉冲被作为激光脉冲ZI由激光产生。备选地，能量脉冲可以作为电脉冲产
生，该电脉冲通过探针被引入到压入针脚10的尖端16中。

[0029] 如从图3中还可以看出的，激光脉冲ZI被定向地引入到被插入到金属化过孔7中的压入针脚10的尖端16中，该尖端16从金属化过孔7伸出。从而能量以热量的形式被释放，该
能量激活“点火点”旁边的邻近区域。产生穿过压入针脚10和压入针脚10的涂层14的整个活
性多层14.1的热波。放热所产生的热量足以熔化直接接触的其他金属。从而实现将金属化
过孔7焊接到压入针脚10，因为反应进行得极快，所以没有显著的温度输入到印刷电路板3
中。因此，在压入针脚10与金属化过孔7之间创建了能承受高负荷的所谓的气密连接9。

[0030] 由于以大量件数加工压入针脚10，因此根据本发明的压入针脚的实施方案在冲压流水线中卷对卷地被生产。在这里，压入针脚10的接触引脚18选择性地在第一流水线电镀
设备中借助于水性电解质电化学地被涂覆。例如在第二完全封闭的涂层系统中在升高的温
度下借助于特殊的电解质从非质子溶剂(例如甲苯)中沉积压入针脚10的弹性区域12上的
活性多层14.1，因为不能从水性电解质中沉积作为所示的根据本发明的压入针脚10的活性
多层14.1的一部分的铝。