Miniaturisierung und Kostenreduzierung Die Weiterentwicklung der Kontaktoberflächen

Kontakte im Fokus der Entwicklung

TE hat die Trends im Bereich der Kontakttechnologie gesetzt, von der Erfindung des Crimpkontakts durch AMP bis zur heutigen Einführung des »NanoMQS«, dem Nachfolger des in der Kfz-Industrie fest etablierten »MQS«. Und auch die weiteren Trends will das Unternehmen bestimmen. Im Fokus steht unter anderem die Weiterentwicklung der Oberflächen.

Das Kontakt-Design setzt umfangreiches Basiswissen voraus, über das TE in nahezu allen Bereichen der Elektronikindustrie verfügt, wie rund 14.000 Patente belegen. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten finden auf unterschiedlichen Ebenen statt; wie der Kontaktgeometrie, dem Wirken der Kontaktkräfte sowie der Zusammensetzung der Oberflächenmaterialien. Denn so breit wie jeweiligen Einsatzbereiche von Steckverbindern gefächert sind, so unterschiedlich sind letztendlich auch die Anforderungen an die Kontakte! Und dennoch kann Dr. Helge Schmidt, Manager & Principal für Advanced Connector & Terminal Technology von Tyco Electronics, zwei ganz wesentliche Themen benennen, die die Weiterentwicklung der Kontakttechnologie heute maßgeblich beeinflussen: die Miniaturisierung und die Kostenreduzierung.

Mit steigender Packungsdichte wird es sich immer aufwändiger gestalten, die elektrischen Übertragungseigenschaften sowie das mechanische Verhalten auf einem sehr hohen Niveau zu halten. Daher sind Weiterentwicklungen unerlässlich. Dr. Helge Schmidt verdeutlicht: »Im Hinblick auf die gegensätzlichen Kundenanforderungen ist der wichtigste Trend am Markt, dass die Industrie die jeweils optimale Lösung für die jeweilige Applikation anstrebt, also genau das richtige Verhältnis zwischen Kosten und der gewünschten Funktionalität bzw. Qualität sucht.«  

Der Einfluss der Oberflächenmaterialen

»Die Kontakt-Oberfläche, die alle gewünschten Eigenschaften vereinen kann, ist am Markt nicht vorhanden«, schickt Dr. Helge Schmidt voraus, »auch wenn die Hersteller weiterhin nach ihr forschen.« In nächster Zeit werde man also vorerst bei den bewährten Oberflächen bleiben, wie etwa den Edelmetallschichten Gold und Silber und dem unedlen Zinn. Die Anteile der existierenden Oberflächen werden sich jedoch verschieben.

  • Silber erfüllt die wohl wichtigste Funktion von Kontaktoberflächen; es bietet die beste elektrische Leitfähigkeit unter den gängigen Elementen. Weiterhin ist es »kontaktkompatibel zur Zinnoberfläche«, wie Dr. Helge Schmidt erklärt, »und es lässt sich auch bei hohen Temperaturen einsetzen«. Derzeit sei ein klarer Trend am Markt hin zu Silber zu verzeichnen. Das hänge auch damit zusammen, dass heute neue Hochstrom-Applikationen entstehen, beispielsweise getrieben durch die Elektrifizierung des Antriebsstrangs in der Automobilindustrie. Das Oberflächenmaterial wird sich künftig also noch stärker etablieren. Dennoch gibt es – wie bei allen Oberflächenmaterialien – auch eine Kehrseite der Medaille. Als ein Hauptproblem von Silber in der Kontakttechnologie nennt Dr. Helge Schmidt die unerwünschte Eigenschaft, dass das Material zur Kaltverschweißung aufgrund von Adhäsion neigt und die Steckzyklen im Vergleich zur Goldoberfläche beschränkt sind.
  • Das zweite verbreitete Edelmetall ist natürlich das Gold, das sich durch seine reine Oberfläche und hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Nicht ganz unwesentlich ist auch, dass es durch seine glänzende Optik einen hochwertigen Eindruck vermittelt. Weil die Komponentenhersteller jedoch zum Teil unter immensem Preisdruck stehen, gilt es die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Dies lässt sich zum Beispiel über die selektive Veredelung - bei der das Gold nur an die Stellen gebracht wird, an denen es unbedingt erforderlich ist – realisieren. Diesbezüglich nehmen die Bemühungen der Industrie zu. Und man versucht die Wirtschaftlichkeit von Goldoberflächen auch über die Schichtdicken zu steuern, in dem man diese an die unterste Toleranzgrenze bringt. Wo diese Grenze jedoch liegt, ist Ermessenssache der jeweiligen Hersteller von Steckverbindern oder Kontakten – und damit auch ein Risiko für die Kunden. Tyco Electronics nennt als Toleranzgrenze bei porenfreien Goldoberflächen eine Schichtstärke von etwa 0,8 µm. Das Unterschreiten dieses Werts bei Kontakten für hochwertige Applikationen hält Dr. Schmidt für nicht empfehlenswert, auch wenn es aus Kostengründen verlockend erscheinen mag.
  • Eine nahezu gleichwertige Alternative zur Goldschicht ist die Paladium-Nickel-Flash-Gold-Beschichtung. In ihr sieht Tyco Electronics eine Ausweichmöglichkeit zum Gold, die abhängig von der Markt- bzw. Preislage der Edelmetalle kostengünstiger sein kann, aber nicht muss. Durch die begrenzten Ressourcen und wegen des weltweit steigenden Bedarfs ist weiter mit einem Preisanstieg bei den Edelmetallen zu rechnen, der ein wirtschaftliches und nicht berechenbares Risiko darstellt.
  • Das unedle Zinn gehört dagegen zu den kostengünstigsten Oberflächenmaterialien. Es eignet sich für den Einsatz bei Temperaturen bis etwa 120 °C. Ein Problem der Zinnoberflächen ist unter anderem der erhöhte Abrieb, was sich negativ auf die Steckhäufigkeit von Verbindungen auswirkt. Nichts desto trotz sind Zinnoberflächen in vielen Branchen stark akzeptiert, wie im Bereich Automobil sowie der Weißen und Braunen Ware. In der Militärtechnik hingegen haben Zinnoberflächen keine Bedeutung bzw. Akzeptanz.

»Jede Branche benötigt heute branchenspezifische Kontakte«, betont Dr. Schmidt. Die Oberflächenbeschichtung muss dabei immer im Gesamtzusammenhang mit dem Kontakt-Design stehen; aber auch der Verarbeitungsprozess hat einen Einfluss auf die Wahl des Materials. In Zukunft soll im Bereich der Oberflächenbeschichtung vor allem die Nanotechnologie neue Entwicklungen hervorbringen. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten laufen diesbezüglich auf Hochtouren. »Natürlich«, so räumt Dr. Helge Schmidt ein, »entwickelt das Unternehmen auch neue Schichten«, über die er »noch nicht spricht«.