TE Connectivity Germany GmbH

Mit Bismut konnte das Whiskerrisiko um mindestens den Faktor 1.600 reduziert werden.

Bild: TE Connectivity; iStock, Epitavi

Neue Galvanisierungstechnik Bismut gegen Whisker

16.05.2018

Einpressstifte sind meist zinnhaltig, was die Bildung von Whiskern verstärkt. Kurzschlüsse sind die Folge. TE Connectivity hat eine Beschichtung auf Basis von Bismut entwickelt. Sie ist mit unterschiedlichen Leiterplatten kompatibel und mindert das Risiko von Systemausfällen aufgrund von Whiskerbildungen.

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Ein Montageverfahren für Steckleisten und Komponenten – ganz ohne den Einsatz von Blei: Dieses Ziel hat sich das Unternehmen TE Connectivity schon vor einigen Jahren gesetzt. Hintergrund dieser Anforderung sind die Vorgaben der RoHS-Richtlinie (Reduction of Hazardous Substances), die die Verwendung verschiedener gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten beschränken. Die EU hat zwar einige Ausnahmen für Blei zugelassen, diese laufen jedoch 2019 aus – und es ist unwahrscheinlich, dass diese Schonfrist verlängert wird.

Ungiftiges Schwermetall

Einen ersten Schritt war TE schon vor einigen Jahren mit der Entwicklung einer Einpresstechnik ohne bleibasiertes Loten gegangen. Für eine bleilose Zukunft mussten die TE-Mitarbeiter aber erst ein altes, durch Zugabe von Blei seit Jahrzehnten gelöstes Problem wieder angehen: die Bildung von Zinn-Whiskern. Diese metallischen Haarkristalle bilden sich insbesondere bei der Einpresstechnik an elektronischen Stiftkontakten (Pins). Diese sind meist zinnhaltig, das Metall verstärkt die Bildung von Whiskern. Die Haarkristalle stellen allerdings ein ernstes Problem dar: Sie können einen Kurzschluss verursachen. Mit der Zugabe von Blei wurde die Bildung von Whiskern verhindert.

Für die Mitarbeiter von TE stand deshalb fest: Auch wenn sich das Risiko der Whiskerbildung nicht vollständig eliminieren lässt, muss es wenigstens erheblich reduziert werden. Das Ergebnis ist die Beschichtungstechnologie Litesurf. Dieses Verfahren ist speziell auf Anwendungen für Einpressstifte zugeschnitten. Die Stiftkontakte werden dabei mit Bismut beschichtet. Das Schwermetall ist gesundheitlich unbedenklich. Außerdem ist es in der Beschaffung günstig, was für die langfristige Akzeptanz und die Anwendung in der Elektronik von Vorteil ist.

Die bismutbasierte Galvanikschicht zeigt ein dem Zinn ähnliches Verhalten, allerdings ist die Gefahr der Whiskerbildung wesentlich geringer. Das Risiko sinkt mit Bismut um einen Faktor von mehr als 1.600. Die Beschichtung kommt ohne Nickel und Edelmetalle aus. Das reduziert die Materialkosten und Produktionszeit. Das Verfahren basiert auf der herkömmlichen Galvanisierung und kann somit ohne Anpassung der Prozesse an bestehenden Galvanisierungslinien vorgenommen werden.

Litesurf ist das Ergebnis von fünf Jahren Forschung und Entwicklung. TE-Connectivity-Wissenschaftler, ergänzt um weltweite Experten, haben in einem globalen Netzwerk mit Forschungseinrichtungen zusammengearbeitet. Die Zielsetzung war die Entwicklung einer zinnfreien Beschichtung, die das Risiko von Whisker-verursachten Ausfällen eliminiert und damit auch für kommende Anforderungen – wie sie sich aus der Miniaturisierung mit reduzierten Leiterbahnenabständen und erhöhten mechanischen Spannungen ergeben – eine Lösung darstellt.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden mehr als zwölf verschiedene Oberflächen ausgiebigen Prüfungen unterzogen. Dabei wurden neben der Whiskerentstehung auch der Schmelzpunkt und ein möglichst einfacher, schlanker Herstellungsprozess berücksichtigt. Das Ergebnis der Studie war elektrochemisch beschichtetes Bismut als die beste Oberfläche für die Einpress-
technik. Wesentlich war dabei die Möglichkeit, Bismut mit dem gleichen galvanischen Verfahren wie dem Standard-Zinn-Prozess aufzubringen, so dass bestehende Galvaniklinien ohne Umbaumaßnahmen verwendet werden können. Der dazu notwendige Elektrolyt wurde von TE Connectivity entwickelt und ist die Grundlage der Beschichtungstechnologie Litesurf.

Tests an 10.000 Pins

Einpressstifte mit Litesurf wurden dann umfangreichen Untersuchungen unterzogen. Tests an über 10.000 Pins unter Verwendung von sowohl Action Pins wie Multispring-Einpresszonen, den gängigen drei verschiedenen Leiterplatten-Technologien und unter Berücksichtigung der Anforderungen der Automobilindustrie, wie etwa Temperaturwechsel, Vibration, Schadgas, wurden erfolgreich absolviert.

Um die Verbesserung im direkten Vergleich zu zeigen, wurde ein Vergleichstest an gleichen Pins durchgeführt. Unter identischen Bedingungen wurde der bestmögliche Reinzinn-Einpressstift, seit Jahren in größten Stückzahlen und kritischen Anwendungen ohne einen Whiskerausfall im Einsatz, mit Litesurf verglichen. Eine Verringerung des Whisker-Ausfallrisikos um den Faktor 1.600 war das Ergebnis. Dieser Faktor wurde konservativ ermittelt, begrenzt durch die Anzahl der Pins in der Untersuchung.

Litesurf, beziehungsweise das Press-fit-Portfolio, wurde für die Anwendung mit Pin-Anwendungsmaschinen von TE Connectivity entwickelt und getestet. TE Connectivity ist in der Lage, eine Komplettlösung aus einer Hand anzubieten: Pin-Design, Auslegung der Einpresszone, Beschichtung und Verarbeitungsmaschine sind aufeinander abgestimmt. TE Connectivity bietet diese weltweit verfügbare, whiskerfreie Beschichtungstechnologie sowohl für die Anwendungen als Steckerleiste wie für die Einzelpin-Bestückung an.

Bildergalerie

  • Alternative zu zinnhaltigen Einpressstiften: Die Beschichtungstechnologie Litesurf ist mit verschiedenen Leiterplatten kompatibel.

    Bild: TE Connectivity

  • Derzeit läuft die Zertifizierung von Litesurf für die NanoMultispring-Einpressstifte von TE.

    Bild: TE Connectivity

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