(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気接触アセンブリ（１）用のプレスフィットピン（１０）であって、
弾性圧入領域（１２）と導電性コーティング（１４）とを有するプレスフィットピン（１０）において、
前記コーティング（１４）は、前記プレスフィットピン（１０）上に被着されている反応性多層（１４．１）と、前記反応性多層（１４．１）上に被着されている第１の接触層（１４．２）とを含み、
前記反応性多層（１４．１）は、エネルギーパルスによって反応温度で発熱反応を引き起こし、前記反応温度によって前記第１の接触層（１４．２）が溶解されるように構成されている、
ことを特徴とする、電気接触アセンブリ（１）用のプレスフィットピン（１０）。
【請求項２】
前記反応性多層（１４．１）は、前記弾性圧入領域（１２）の有効圧入長上に被着されている、請求項１に記載のプレスフィットピン（１０）。
【請求項３】
前記反応性多層（１４．１）は、前記プレスフィットピン（１０）上に交互に堆積されている少なくとも２つの異なる金属材料から構成されている、請求項１又は２に記載のプレスフィットピン（１０）。
【請求項４】
前記反応性多層（１４．１）は、第１の金属材料としてアルミニウムを含有しており、第２の金属材料としてニッケルを含有している、請求項１又は２に記載のプレスフィットピン（１０）。
【請求項５】
第１の接触層（１４．２）として銅が被着されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプレスフィットピン（１０）。
【請求項６】
弾性圧入領域（１２）及び導電性コーティング（１４）を有するプレスフィットピン（１０）と、金属化ビア（７）とを備えた電気接触アセンブリ（１）であって、
前記金属化ビア（７）は、プリント回路基板（３）の孔（５）に挿入されていて、前記弾性圧入領域（１２）及び前記導電性コーティング（１４）との接触面（８）を形成し、
前記プレスフィットピン（１０）は、前記金属化ビア（７）に挿入されており、前記プレスフィットピン（１０）の第１の接触層（１４．２）と前記金属化ビア（７）の第２の接触層（８．１）との間に材料結合（９）が形成されている電気接触アセンブリ（１）において、
前記プレスフィットピン（１０）は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプレスフィットピン（１０）であり、前記材料結合（９）は、活性化された前記反応性多層（１４．１）の発熱反応に基づいて発生する
ことを特徴とする電気接触アセンブリ（１）。
【請求項７】
前記プレスフィットピン（１０）の前記弾性圧入領域（１２）の寸法及びばね特性は、前記弾性圧入領域（１２）が前記金属化ビア（７）上に２５Ｎ／ｍｍ２未満の横方向の力（Ｆｑ）を生成するように、前記金属化ビア（７）の寸法に適合するように調整されている、請求項６に記載の電気接触アセンブリ（１）。
【請求項８】
前記金属化ビア（７）の前記第２の接触層（８．１）は、銅を含有する、請求項６又は７に記載の電気接触アセンブリ（１）。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプレスフィットピン（１０）と金属化ビア（７）とを接合する方法であって、
前記金属化ビアは、プリント回路基板（３）の孔（５）に挿入されており、
前記プレスフィットピン（１０）を、所望の深さに達するまで前記金属化ビア（７）に挿入する方法において、
前記プレスフィットピン（１０）の前記コーティング（１４）の前記反応性多層（１４．１）をエネルギーパルスによって活性化し、前記エネルギーパルスは、前記反応性多層（１４．１）の発熱反応を引き起こし、
前記発熱反応によって発生した熱によって、隣接する前記プレスフィットピン（１０）の前記第１の接触層（１４．２）と前記金属化ビア（７）の第２の接触層（８．１）とが溶解し、相互に溶接されて、材料結合（９）を形成する、
ことを特徴とする、プレスフィットピン（１０）と金属化ビア（７）とを接合する方法。
【請求項１０】
前記エネルギーパルスを、目標を定めて、前記金属化ビア（７）に挿入されている前記プレスフィットピン（１０）の、前記金属化ビア（７）から突出している先端（１６）に導入する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記エネルギーパルスは、レーザパルス（ＺＩ）として又は電気パルスとして生成される、請求項９又は１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項１の上位概念に記載された電気接触アセンブリ用のプレスフィットピンに基づく。本発明の構成要件はまた、この種のプレスフィットピンを備えた電気接触アセンブリ、及び、プレスフィットピンと金属化ビアとの接合方法である。
【背景技術】
【０００２】
先行技術から、適度な数の異なるコーティングバリエーションを有するプリント回路基板プレスフィットピンが公知である。ここでは、錫ベースの（錫を主材料とする）コーティングバリエーションと錫フリーの（錫を含有しない）コーティングバリエーションとが区別される。プレスフィットピンと金属化ビアとの間の電気機械的な結合の予期されるべき負荷に応じて、これらの異なる層システムが使用される。プレスフィットピンとビアとの間の機械的な結合は、摩擦結合、形状結合及び材料結合に基づく。摩擦結合は、弾性的なプレスフィットピンのばね特性曲線、ひいてはそのばね形状、プレスフィットピンの幅に対するビアの直径の比、プレスフィットピンの基本材料の機械的な特性（弾性率、青銅の質感）、及び、プリント回路基板の基本材料の機械的な特性（主に圧縮応力強度）によって決まる。形状結合は、プレスフィットピンと金属化ビアとの間の、直接的に接触している接触面の形状及びその表面形態特性（例えば表面粗さ）によって決まる。材料結合は、プレスフィットピンの表面と金属化ビアの表面との間の拡散ブリッジの形成によってのみ生じる。これには、少なくとも片側での錫ベースの表面が必要である。プレスフィットピンが折り畳まれたときに発生する、金属化ビアにおける圧縮応力、及び、金属化ビアの銅又は金属間銅錫表面に対するプレスフィットピン上の錫の相応の拡散勾配の結果、両方の表面が相互の内部へ拡散する。極めて短い時間の後に既に、いわゆる気密性結合が生じる。このような材料結合は、電気機械的な結合の比較的高い耐荷重能力を保証し、摩擦結合ベース及び形状結合ベースの圧入結合だけでは、課された要求に対して十分でない場合に全般的に使用される。典型的な錫ベースの表面システムは、プレスフィットピンと金属化ビアとの間の摩擦結合、形状結合及び材料結合に基づいている。ニッケルからなる下地層を備えた錫鉛ベースのコーティング（例えばＳｎＰｂ５）は、依然として極めて広く普及しているが、鉛成分が原因で、次第に退潮している。ニッケルからなる下地層を有する、極めて純粋な錫からなる薄いコーティングも普及している。新しい表面システムは、錫と銀とを組み合わせたものである。これらの錫銀層又は銀錫層も、ニッケルからなる下地層の上に被着される。
【０００３】
原則として、錫を含有しない表面システムは、プレスフィットピンと金属化ビアとの間の摩擦結合及び形状結合のみをベースにする。同様に、純ニッケル表面は、つや消しニッケル層又はサンドイッチ層構造として極めて広く普及している。ニッケルサンドイッチ層構造においては、光沢ニッケル層がつや消しニッケル層の上に堆積される。ニッケル表面は、多くの場合、いわゆる潤滑剤である摩擦低減層によってコーティングされる。これは、例えば、チオールベースで行われ、又は、ペルフルオロポリエーテルを用いて行われる。他の既知の錫を含有しない表面システムは、インジウムに基づいている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許発明第１０３４９５８４号明細書（ＤＥ１０３４９５８４Ｂ４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術に記載されているプレスフィットピンの表面は、部分的に、極めて決定的な欠点を有している。機械的な応力が高いため、錫ベースの表面はウィスカを成長させる傾向が強くあり、特に純粋な錫表面がこれに該当する。しかし、ウィスカは、錫鉛層、錫銀層又はインジウムベースの表面にも形成される。しかし、他の金属の添加によって、形成されるウィスカは大幅に減少する。このような錫ウィスカは、短絡を生じさせる可能性がある。今日の圧入技術の他の欠点は、メカニズム自体である。電気機械的な結合の高い強度を実現することを可能にするために、ピンは、相応に高い圧縮応力をプリント回路基板に加える必要がある。これによって、典型的な圧入技術欠陥、例えば銅層の過度の変形、ジェット作用、スリーブの亀裂、導電性粒子の生成（摩耗）が生じる。これらのタイプの欠陥は全て、特に、ＤＩＮ−ＥＮ  ６０３５２−５にも記載されている。
【０００６】
要約すると、プレスフィットピンとＰＴＨとの間の高い機械的負荷に耐えることができる結合には、欠陥の確率が高いプリント回路基板への高い圧縮応力及び／又はウィスカのリスクのある錫ベースのピン表面が必要である。
【０００７】
独国特許発明第１０３４９５８４号明細書（ＤＥ１０３４９５８４Ｂ４）は、プレスフィットピンと導電性スリーブとの間の導電性結合のための、上位概念に記載されたプレスフィットピンを開示している。プレスフィットピンとスリーブとは、圧入過程中の塑性変形によって、プレスフィットピンとスリーブとの間に形成される接触面が形成されるように構成されている。プレスフィットピン及び／又はスリーブでの接触面は、拡散バリア層上に被着されており、０．１乃至０．８μｍ、有利には０．６μｍまでの厚さを有する外側層によって形成されている。この外側層は、例えば、銀、銀合金、金、金合金、錫又は錫合金から形成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の開示
独立請求項１の特徴を備えた、電気接触アセンブリ用のプレスフィットピンは、プレスフィットピンと金属化ビアとの間の高い負荷に耐えることができる結合を、極めて低い圧縮応力、及び、錫を含有しない表面により形成することができるという利点を有している。本発明に係るプレスフィットピンの実施形態は、表面として反応性多層システムを備えた任意の設計を有することができ、対応する接合方法によってプリント回路基板の金属化ビアと結合することができる。
【０００９】
本発明の実施形態は、プレスフィットピンと金属化ビアとの間の、材料結合に基づいた、高い機械的負荷に耐えることができる結合を説明する。これは、従来技術から既知のプレスフィットピンの上述した全ての欠点を有していない、即ち、錫ウィスカが形成されず、接合プロセス中のプリント回路基板又は金属化ビアにおける過度に高い圧縮応力による機械的な損傷もない、プレスフィットピンの新しい、錫を含有しないコーティングに基づく。
【００１０】
本発明の実施形態は、電気接触アセンブリ用のプレスフィットピンを提示し、このプレスフィットピンは、弾性圧入領域と導電性コーティングとを有する。ここで、このコーティングは、プレスフィットピン上に被着されている反応性多層と、この反応性多層上に被着されている第１の接触層とを含む。これは、従来技術に記載されているプレスフィットピンの表面が、反応性多層と、例えば銅からなる、第１の接触層とによって置き換えられることを意味する。
【００１１】
さらに、弾性圧入領域及び導電性コーティングを有するこのようなプレスフィットピンと、金属化ビアとを備えた電気接触アセンブリが提案される。この金属化ビアは、プリント回路基板の孔に挿入されていて、弾性圧入領域及び導電性コーティングとの接触面を形成する。プレスフィットピンは、金属化ビアに挿入されている。プレスフィットピンの第１の接触層と金属化ビアの第２の接触層との間に、活性化された反応性多層の発熱反応に基づいて発生する材料結合が形成される。
【００１２】
さらに、このようなプレスフィットピンと、プリント回路基板の孔に挿入されている金属化ビアとを接合する方法が提案される。プレスフィットピンは、所望の深さに達するまで金属化ビアに挿入される。次に、プレスフィットピンのコーティングの反応性多層が、エネルギーパルスによって活性化され、このエネルギーパルスは反応性多層の発熱反応を引き起こす。発熱反応によって発生した熱によって、隣接する、プレスフィットピンの第１の接触層と金属化ビアの第２の接触層とが溶解し、相互に溶接されて、材料結合を形成する。これによって、高い圧縮応力や機械的な応力や錫ウィスカが形成されるリスクが生じることなく、プレスフィットピンと金属化ビアとの間に、高い負荷に耐えることができる結合が実現される。温度導入が極めて短いので、有利には、金属の構造に大きな変化は生じない。その後の発熱反応によって、金属化ビアへのプレスフィットピンの「圧入」時の接合力が大幅に低下するため、プレスフィットピンを金属化ビアにのみ挿入すれば十分である。その結果、金属化ビアとプリント回路基板への圧縮応力を必要最小限に抑制することができ、プリント回路基板圧入技術における全ての既知の欠陥を有利な方法により確実に回避することができる。接合力が大幅に減少するため、プレスフィットピンを打ち抜き格子に結合する際の設計の自由度が高まる。このため、プレスフィットピンをプリント回路基板の金属化ビアへ圧入することに加えて、反応性多層を点火するための後続のプロセスを実行する必要がある。
【００１３】
従属請求項に記載された措置と発展形態とによって、独立請求項１に記載された、電気接触アセンブリ用のプレスフィットピン、独立請求項６に記載された、そのようなプレスフィットピンを備えた電気接触アセンブリ、及び、独立請求項９に記載された、そのようなプレスフィットピンと金属化ビアとの接合方法の有利な改良が可能である。
【００１４】
反応性多層が弾性圧入領域の有効圧入長上に被着可能であることは特に有利である。反応性多層は、例えば、正しいフェーズでプレスフィットピン上に交互に堆積された少なくとも２つの異なる金属材料から構成されていてよい。このようにして、プレスフィットピンを、有効圧入長の領域において反応性多層で選択的にコーティングすることができる。相応に活性化されると、２つの異なる金属材料は短時間の発熱反応状態になる。プレスフィットピンは、非常に多くの個数で処理されるので、２乃至６μｍ／ｈの堆積速度を有する、文献に記載されている一般的なスパッタリングプロセスを適用することはできない。プレスフィットピンは、通常、打ち抜きストリップリールツーリールで製造され、ストリップ電気めっき設備において、水性電解質を使用して電気化学的にコーティングされる。プレスフィットピンは多くの場合、しばしば顧客インタフェースのコンタクトピン又はプラグピンである、打ち抜き格子の残余の部分とは異なる表面を必要とするため、このようなコーティングは、多くの場合、選択的に行われる。全ての金属が水性電解質から堆積させることができるわけではなく（例えばアルミニウム）、反応性多層システムは、アルミニウムをベースにしていることが多いために、反応性多層は、高温下において、特殊な電解質を用いて、トルエン等の非プロトン性溶液から堆積させることが可能である。この堆積は、不活性ガス雰囲気下で行われるため、有利には、完全に閉じられたコーティング設備が使用され得る。
【００１５】
プレスフィットピンの有利な構成においては、反応性多層は、第１の金属材料としてアルミニウムを有し、第２の金属材料としてニッケルを有することができる。例えば、第１の接触層として銅を被着することができる。
【００１６】
電気接触アセンブリの有利な構成においては、プレスフィットピンの弾性圧入領域の寸法及びばね特性を、弾性圧入領域が金属化ビア上に２５Ｎ／ｍｍ２未満の横方向の力を生成するように、金属化ビアの寸法に適合するように調整することができる。金属化ビアの第２の接触層は、例えば銅を有することができる。
【００１７】
プレスフィットピンは、有利には、今日の打ち抜きプロセスと同様に製造可能である。新しくなったのは、プレスフィットピンの幅又はそのばね特性曲線に関連した、金属化ビアの寸法である。従来の圧入技術においては、プレスフィットピンと金属化ビアとの間に極めて高い機械的応力（通常は、＞＞１５０ＭＰａ（１５０Ｎ／ｍｍ２））が必要であるが、反応性多層を有する本発明に係るプレスフィットピンと金属化ビアとを接合するための本発明に係る方法の実行のために、プリント回路基板の金属化ビアがここでは、プレスフィットピンが低い機械的応力（＜２０Ｎ／ｍｍ２（２０ＭＰａ））だけを金属化ビアに加えるような大きさにされてよい。したがって、プレスフィットピンと金属化ビアを接合する際の、従来技術に記載されている全ての欠点（変形、ジェット作用、亀裂、切れ端等）は、有利にはもはや存在しない。プレスフィットピンをプリント回路基板の対応する金属化ビアに比較的容易に圧入又は挿入した後、反応性多層を発熱反応させる必要があり、これには「点火パルス」が必要である。これは、例えば、電気パルスとして又はレーザパルスとしてレーザを使用して生成することができる。圧入過程後、プレスフィットピンの先端がプリント回路基板から突出しているため、ピン先端にレーザパルスを、目標を定めて当てると、発熱化学反応を簡単に開始することができる。選択的に、プローブニードルを使用してプレスフィットピンの先端に導入される所期の電気パルスを介して発熱化学反応を開始することができる。これによって、熱の形でエネルギーが放出され、これは「点火箇所」の隣の隣接領域を活性化する。プレスフィットピンの反応性多層全体を通して熱波が生成される。発熱された熱は、直接的に接触している他の金属を融解させるのに十分である。これによって、反応が極めて迅速に行われるため、プリント回路基板への実質的な温度導入なく、金属化ビアは、プレスフィットピンに溶接される。これによって、プレスフィットピンと金属化ビアとの間に、高い負荷に耐えることができる、いわゆる気密性結合が形成される。プリント回路基板の孔内の金属化ビアは、通常、銅をベースにしているので、反応性多層の上にプレスフィットピンの薄い銅めっきが提供される。第１の接触層としてのこの薄い銅層は、金属化ビアの第２の接触層としての銅層と融合する。銅の融点は、１０８５°Ｃである。交互のニッケル−アルミニウム層に基づく反応性多層は、１６３９°Ｃの断熱反応温度を有しており、銅の融点より著しく高い。さらに銅層は、新しい状態において、卓越して、非常に薄い有機コーティングで不動態化され、酸化から保護される。両方の不動態化部は高温で蒸発し、プレスフィットピンと金属化ビアとの間の銅の融合を妨げることはない。金属化ビアの第２の接触層の有機コーティングへの変更によって、今日では一般的な化学錫めっきを省略することができるので、プリント回路基板の製造コストが削減される。
【００１８】
本発明の実施例を図面に示し、以下の記載において、より詳細に説明する。図面においては、同一の参照記号は、同一又は同等の機能を実施するコンポーネント又は要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電気接触アセンブリ用の本発明に係るプレスフィットピンの実施例の概略的な断面図を示す。
【図２】図１のＩＩの詳細図を示す。
【図３】図１のプレスフィットピンを備えた本発明に係る電気接触アセンブリの実施例の概略的な断面図を示す。
【図４】図３の切断線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図を示す。
【図５】プレスフィットピンの反応性多層の活性化前の、図４のＶの詳細図を示す。
【図６】プレスフィットピンの反応性多層の活性化後の、図４のＶＩの詳細図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態
図１乃至図６から見て取れるように、電気接触アセンブリ１用の本発明に係るプレスフィットピン１０の図示の実施例は、弾性圧入領域１２と導電性コーティング１４とを含む。ここで、コーティング１４は、プレスフィットピン１０上に被着された反応性多層１４．１と、反応性多層１４．１上に被着された第１の接触層１４．２とを含む。
【００２１】
プレスフィットピン１０の図示の実施例においては、反応性多層１４．１は、弾性圧入領域１２の有効圧入長上に被着されている。図示の実施例においては、反応性多層１４．１は、第１の金属材料としてアルミニウムを含有しており、第２の金属材料としてニッケルを含有している。ニッケル−アルミニウム積層体として形成された反応性多層１４．１は、−５９ｋＪ／ｍｏｌの自由生成エンタルピーを有しており、１６３９°Ｃの断熱反応温度を生成する。当然、反応性多層１４．１を、相互に正しいフェーズでプレスフィットピン１０上に交互に堆積される少なくとも２つの他の異なる金属材料から形成することもできる。図示の実施例においては、プレスフィットピン１０の第１の接触層１４．２は、銅からなる。弾性圧入領域１２は、プレスフィットピンの先端１６と接触ピン１８又はプラグピンとの間に配置されている。
【００２２】
図３乃至図６からさらに見て取れるように、本発明に係る電気接触アセンブリ１の図示の実施例は、弾性圧入領域１２及び導電性コーティング１４を有するプレスフィットピン１０と、金属化ビア７とを含む。金属化ビアは、プリント回路基板３の孔５に挿入されていて、弾性圧入領域１２及び導電性コーティング１４との接触面８を形成する。プレスフィットピン１０は、金属化ビア７に挿入される。プレスフィットピン１０の第１の接触層１４．２と金属化ビア７の第２の接触層８．１との間に、材料結合９が形成される。これは、活性化された反応性多層１４．１の発熱反応によって発生する。
【００２３】
図３、図４、図５からさらに見て取れるように、プレスフィットピン１０は金属化ビア７の側面に接しており、プレスフィットピン１０の薄い銅めっきは、第１の接触層１４．２として、金属化ビア７の第２の接触層８．１の銅と直接的に接触している。図５においては、反応性多層１４．１は、まだ完全には反応していない。図４からさらに見て取れるように、プレスフィットピン１０は、従来の圧入とは異なり、小さな表面押圧しか必要としないため、接合時にほとんど変形しない。したがって、プレスフィットピン１０の弾性圧入領域１２の寸法（幅）及びばね特性は、弾性圧入領域１２が金属化ビア７上に２５Ｎ／ｍｍ２未満の横方向の力Ｆｑを生成するように、金属化ビア７の寸法（直径）に適合するように調整されている。
【００２４】
プレスフィットピン１０と金属化ビア７とを接合する方法を実行するために、プレスフィットピン１０は、所望の深さに達するまで金属化ビア７に挿入される。続いて、プレスフィットピン１０のコーティング１４の反応性多層１４．１が、反応性多層１４．１の発熱反応を引き起こすエネルギーパルスによって活性化される。図６から見て取れるように、発熱反応によって発生した熱は、隣接する、プレスフィットピン１０の第１の接触層１４．２と金属化ビア７の第２の接触層８．１を溶解し、第１の接触層１４．２を第２の接触層８．１に溶接して材料結合９を形成する。これは、反応性多層１４．１の発熱反応がエネルギーパルスによって開始されることを意味する。プレスフィットピン１０と金属化ビア７との間の接触面８において、接している２つの銅層が相互に溶接される。即ち、第１の接触層１４．２と第２の接触層８．１は、気密性の材料結合９になる。図示の実施例においては、エネルギーパルスは、レーザによってレーザパルスＺＩとして生成される。選択的に、エネルギーパルスは、プローブニードルを介してプレスフィットピン１０の先端１６に導入される電気パルスとして生成され得る。
【００２５】
さらに図３から見て取れるように、レーザパルスＺＩは、金属化ビア７から突出する、金属化ビア７に挿入されたプレスフィットピン１０の先端１６に目標を定めて導入される。これによって、熱の形でエネルギーが放出され、これは「点火箇所」の隣の隣接領域を活性化する。プレスフィットピン１０及びプレスフィットピン１０のコーティング１４の反応性多層１４．１全体を通して熱波が発生する。発熱された熱は、直接接触している他の金属を融解するのに十分である。その結果、反応が極めて迅速に進行するため、プリント回路基板３への実質的な温度導入なく、金属化ビア７は、プレスフィットピン１０と溶接される。このようにして、プレスフィットピン１０と金属化ビア７との間の高い負荷に耐えることができる、いわゆる気密性の結合９が形成される。
【００２６】
プレスフィットピン１０は、極めて多くの個数で処理されるので、本発明に係るプレスフィットピンの実施形態は、打ち抜きストリップリールツーリールで製造される。ここで、プレスフィットピン１０の接触ピン１８は、選択的に、第１のストリップ電気めっき設備において水性電解質によって電気化学的にコーティングされる。プレスフィットピン１０の弾性圧入領域１２の反応性多層体１４．１は、例えば、第２の完全に閉じられたコーティング設備において、特別な電解質を用いて、トルエン等の非プロトン性溶液から高温で堆積される。なぜなら、図示の本発明に係るプレスフィットピン１０の反応性多層体１４．１の一部であるアルミニウムは、水性電解質から堆積されないからである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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