Difference between revisions of "Prüfung von Kontaktschichten"

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==<!--13.2-->Prüfung von Kontaktschichten==
 
==<!--13.2-->Prüfung von Kontaktschichten==
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For applications at low switching loads contact layers with thicknesses in the range of just a few micrometers are widely used. For testing such thin layers the actual coating properties must be distinguished from the functional properties. Coating properties include, besides others, porosity, hardness, and ductility. Depending on the application, the most important function properties are for example frictional wear, contact resistance, material transfer, or contact welding behavior. Besides these other technological properties such as adhesion strength, and solderability, maybe of importance for special applications like those for electronic components.
  
 
Für Anwendungen bei geringen Schaltlasten kommen häufig Kontaktschichten
 
Für Anwendungen bei geringen Schaltlasten kommen häufig Kontaktschichten
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====<!--13.2.1.2-->Porosität====
 
====<!--13.2.1.2-->Porosität====
  
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Poren sind Oberflächenfehler, die auf unterschiedlichste Art entstehen können.
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Pores are surface defects which may have multiple causes. These include roughness and defects in the substrate layer or material such as grooves or
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Eine erhöhte Rauhigkeit und Beschädigungen der darunter liegenden Schicht
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scratch marks, as well as cracks in the base material which may have been generated by bend stresses or mechanical wear <xr id="fig:Porosity of an electroplated hard gold layer"/><!--(Fig. 13.1)-->.
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oder des Basismaterials durch Riefen und Kratzspuren sind ebenso häufig
 
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Ursache für eine erhöhte Porenzahl, wie Risse, die durch eine mechanische
 
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Beanspruchung bei einem Biegevorgang oder als Folge des mechanischen
 
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Verschleißes auftreten können (<xr id="fig:Porosity of an electroplated hard gold layer"/><!--(Fig. 13.1)-->).
 
 
<figure id="fig:Porosity of an electroplated hard gold layer">
 
<figure id="fig:Porosity of an electroplated hard gold layer">
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[[File:Porosity of an electroplated hard gold layer.jpg|right|thumb|Figure 1: Porosität einer galvanisch aufgebrachten Hartgoldschicht in Abhängigkeit von der Schichtdicke s bei unterschiedlicher Rauhigkeit R<sub>a</sub> der Unterlage]]
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[[File:Porosity of an electroplated hard gold layer.jpg|right|thumb|Porosity of an electroplated hard gold layer as a function of the layer thickness at different surface roughness values R<sub>a</sub>]]
 
</figure>
 
</figure>
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An den Porenfußpunkten ist das darunter liegende Material der umgebenden
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At the foot points of the pores the substrate material is exposed to the surrounding atmosphere. This can cause corrosion products to rise through the pores to the contact surface, expand there further, and thus lead to increased contact resistance. The allowable number of pores in gold layers, for example for connectors, mainly depends on the concentration of corrosive gases in the intended working environment.
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Atmosphäre ausgesetzt. Die entstehenden Korrosionsprodukte können durch
 
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die Poren an die Oberfläche der Kontaktschicht gelangen, sich dort ausbreiten
 
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und zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes führen. Die zulässige Anzahl
 
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von Poren in einer Goldschicht, z.B. von Steckverbinderkontakten, hängt
 
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wesentlich von der Konzentration der Schadgasatmosphäre ab.
 
−
 
 
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Die angewandten Methoden für einen Porentest basieren meist auf dem Nachweis
 
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von Unedelmetall, das nach einer elektrochemischen Behandlung aus der
 
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darunter liegenden Schicht auf die Edelmetalloberfläche gelangt ist. Für die
 
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Prüfung von Gold- und Palladiumschichten auf nickelhaltigen Unterschichten
 
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hat sich der Dimethylglyoxin-Test zum Nickelnachweis bewährt. Die elektrochemischen
 
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Tests arbeiten elektrographisch oder elektrolytisch.
 
  
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Beim elektrographischen Test wird der Prüfling gegen einen mit Elektrolyt
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Most methods of porosity testing are based on detecting the substrate material which is transferred to the surface during an electrochemical treatment process.
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getränkten Filterstreifen oder eine Gelatinefolie gepresst. Nach dem Stromdurchgang
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For testing of gold and palladium coatings on nickel containing substrates the dimethyl-glyoxin test for detecting the nickel has been a proven method. The electrochemical methods are mostly working on a electrographic or electrolytic basis.
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befinden sich Reaktionsprodukte auf dem Filterstreifen und können
 
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mit Hilfe von Indikatoren sichtbar gemacht werden.
 
  
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Beim elektrolytischen Test wird die Probe in einen Elektrolyten getaucht, der die
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In the electrographic test a strip of filter material saturated with an electrolyte or a gelatin foil is pressed onto the sample. After the application of an electrical field and current the reaction products are made visible by chemical indicators.
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Indikatorlösung enthält. Nach einem Stromdurchgang sind die Poren als
 
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Farbstellen sichtbar.
 
  
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Häufig wird ein SO<sub>2</sub>-Test hoher Konzentration (100 ppm) und hoher relativer
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During the electrolytic test a sample is immersed into an electrolyte containing a indicator solution. After passing electrical current the pores are visible as colored spots.
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Luftfeuchte (95% bei 40°C) angewandt. Ein wesentlicher Vorteil bei diesem Test
 
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ist, dass sich der Schärfegrad durch Änderung der Konzentration leicht reproduzierbar
 
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einstellen lässt. Daneben werden auch Schadgasgemische H<sub>2</sub>S, SO<sub>2</sub>, und NO<sub>2</sub> für die Porenprüfung eingesetzt (z.B. ASTM-Test B 735 und B 799).
 
  
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====<!--13.2.1.3-->Härte====
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Frequently a SO test at higher concentrations (100 ppm) and high humidity 2 levels (95% RH at 40°C) is used. One advantage of this method is that the severity level can be increased easily by varying the concentration of SO<sub>2</sub>. Besides these, other corrosive gas mixtures of H<sub>2</sub>S, SO<sub>2</sub>, and NO<sub>2</sub> are used in porosity tests (i.e. tests according to ASTM B735 and B 799).
  
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Die Härte galvanisch abgeschiedener Schichten hängt von den Abscheidungsparametern
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====<!--13.2.1.3-->Hardness====
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und somit von ihrer Struktur und dem Anteil der eingebauten Substanzen
 
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ab. Aus der Härtemessung kann jedoch im Gegensatz zu schmelzmetallurgisch hergestellten Schichten nicht zwangsläufig auf mechanische
 
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Eigenschaften wie Verschleißverhalten geschlossen werden, da sich die Struktur
 
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galvanischer Schichten grundlegend von denen erschmolzener Metalle und
 
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Legierungen unterscheidet. Zudem haben Sprödigkeit und innere Spannungen
 
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Einfluss auf die Härte der Schicht.
 
  
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Üblicherweise werden Härteprüfungen in Europa nach der Vickers-Methode
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The hardness of electroplated surface coatings depends on their deposition parameters and therefore on the structure and concentration of incorporated substances. The hardness measurement is however not a true indicator of the mechanical properties such as frictional wear characteristics like for clad meltmetallurgically produced layers. This is caused by their fundamentally different structure compared to alloys. Brittleness and internal stresses also have an influence on the hardness.
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(DIN EN ISO 6507-1) mit einem Diamant-Eindringkörper und symmetrischer
 
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Pyramide durchgeführt. Bei dünnen Schichten wird die Mikrohärte im
 
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metallographischen Schliff bestimmt (DIN ISO 4516).  
 
  
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In den USA erfolgen die
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Usually hardness is measured in Europe and Asia applying the Vickers scale (DIN EN ISO 6507-1) for which an indenter of a symmetrical diamond shape is used. For thin layers the micro-hardness is measured in a metallographic crosssectional mount (DIN ISO 416).
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Angaben häufig nach Knoop. Dabei wird eine asymmetrische Pyramide verwendet,
 
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die einen rhombischen Eindruck in der Schicht erzeugt. Die erhaltenen
 
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Messwerte für beide Methoden sind zwar in gewissem Umfang vergleichbar,
 
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aber nicht streng ineinander umzurechnen.
 
  
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Bei Härtemessungen sollte die Eindringtiefe des Diamanten nicht mehr als 10%
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In the US the hardness values are often reported by values of the Knoop scale. This method uses a asymmetrical diamond indenter on the layer producing a rhombic indentation picture. Values obtained by both methods are comparable but cannot be converted into each other easily.
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der Dicke der zu messenden Schicht erfassen. Sofern die Härtewerte von
 
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Schicht- und Trägerwerkstoff nicht zu weit auseinander liegen, sind als Richtwert
 
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Eindringtiefen von ca. 30% noch vertretbar. Insbesondere bei Überzügen
 
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aus reinen Metallen kann sich im Grenzbereich die Härte des Grundmaterials
 
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dem galvanischen Belag aufprägen, wobei dann in Richtung zur Oberfläche ein
 
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Härteabfall in der Schicht beobachtet wird.
 
  
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====<!--13.2.1.4-->Duktilität====
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During hardness measurements the indentation depth should not exceed 10% of the layer thickness. Depth of up to 30% can be accepted only if the hardness values of the layer and substrate are in a similar range. For layers of pure metals the hardness of the base material can influence the one for the coating in the immediate boundary area.
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A decrease in hardness can then be observed towards the layer's surface.
  
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Die Duktilität gibt an, inwieweit eine Schicht plastisch verformt werden kann,
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====<!--13.2.1.4-->Ductility====
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ohne dabei aufzureißen. Sie ist somit ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines
 
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galvanischen Überzuges. Bei geringer Duktilität besteht die Gefahr, dass in dem
 
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galvanischen Niederschlag Risse auftreten. Diese Rissbildung kann entweder
 
−
unmittelbar nach der Schichtabscheidung aufgrund hoher innerer Spannungen
 
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entstehen, oder durch eine nachfolgende mechanische Beanspruchung bei der
 
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Weiterverarbeitung ausgelöst werden.
 
  
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Zur Prüfung der Duktilität von Goldschichten wird i.d.R. eine Biegeprüfung in
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The ductility indicates how much a coating layer can be plastically deformed without cracking. Therefore it is an important measure for the quality of electroplated coatings.
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Anlehnung an DIN 50 153 durchgeführt. Für bestimmte Einsatzfälle beruht die
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If the ductility is too low, cracks can develop in the layer. This crack formation can occur due to internal stresses right after the deposition or develop from mechanical stressing during subsequent mechanical deformation.
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Prüfmethode auf einer Vereinbarung zwischen Schichthersteller und Anwender.
 
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Nach dem Biegen der beschichteten Probe um einen bestimmten Radius wird
 
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unter dem Mikroskop die Schichtoberfläche in der Biegezone betrachtet. Sind
 
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dabei Risse oder gar Ablösungen festzustellen, so ist dies ein Hinweis auf eine
 
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zu geringe Duktilität.
 
  
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===<!--13.2.2-->Funktionseigenschaften===
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To evaluate the ductility of gold layers, a bending test according to DIN 50 153 is usually employed. For certain applications the testing method is agreed upon between the coating manufacturer and the user. After bending the test sample over a pre-defined radius the surface layer in the bend area is examined microscopically. The detection of cracks or even delaminating is an indication of insufficient ductility.
  
−
====<!--13.2.2.1-->Reibverschleiß====
+
===<!--13.2.2-->Functional Properties===
  
−
Bei Kontaktteilen, die auf Reibung beansprucht werden, z.B. in Steckverbindern
+
====<!--13.2.2.1-->Frictional Wear====
−
oder bei Gleitkontakten, bestimmt der mechanische Verschleiß der Kontaktschicht entscheidend die Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektromechanischer
 
−
Bauelemente. Üblicherweise wird angenommen, dass härtere
 
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Schichten auch verschleißfester sind. Diese Aussage trifft für erschmolzene
 
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Legierungen i.d.R. zu, ist jedoch bei galvanisch aufgebrachten Schichten
 
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keineswegs zwingend. So weisen z.B. galvanisch aufgebrachte niederkarätige
 
−
AuCuCd-Schichten trotz hoher Härte (HV350) einen höheren mechanischen
 
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Verschleiß als hochkarätige AuCo-Schichten (HV120) auf, bei denen der bei der
 
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galvanischen Abscheidung inkorporierte Kohlenstoff gewissermaßen als
 
−
Schmiermittel wirkt.
 
  
−
Vergleichende Untersuchungen zur Beurteilung des Verschleißes
+
For contact parts which are subjected to frictional sliding between each other, such as for example connector or sliding contact parts, the frictional wear is the determining factor for contact life and reliability. In general it is assumed that harder surfaces are more wear resistant. This usually is true for molten alloys, but not necessarily the fact for electroplated surface layers. As an example, low-carat molten AuCuCd layers exhibit despite a high hardness (HV 350) a higher mechanical wear than high-carat electroplated hard gold coatings (HV 120).
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von Kontaktschichten werden zunächst in Modelleinrichtungen
 
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durchgeführt. Diese Untersuchungen ermöglichen eine Werkstoffvorauswahl.
 
−
Danach schließen sich Prüfungen z.B. im Steckverbinder an, die die Form der
 
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Kontaktstellen und die konstruktive Ausführung des Steckverbinders berücksichtigen.
 
  
−
====<!--13.2.2.2-->Kontaktwiderstand====
+
In the latter the incorporated carbon content acts as a lubricant, reducing wear significantly. Comparative tests of the mechanical wear of contact layers are After these additional testing will be performed, for example on actual connectors which then incorporate the real design characteristics in the connector contact area.
  
−
Der Kontaktwiderstand ist wohl die wichtigste Funktionsgröße, die die Zuverlässigkeit
+
====<!--13.2.2.2-->Contact Resistance====
−
einer Kontaktschicht bestimmt.
 
  
−
Zur Messung des Kontaktwiderstandes werden kommerziell erhältliche Prüfgeräte
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The contact resistance is the most important functional property determining the reliability of a contact layer.
−
mit entsprechenden Auswerteeinrichtungen eingesetzt (<xr id="fig:Computer controlled contact resistance measuring device"/><!--(Fig. 13.2)-->). Dabei wird die Oberfläche der Kontaktschicht nach einem vorgegebenen Programm abgerastert.
 
−
Als Gegenkontakt wird meist ein vorher sorgfältig gereinigter Kontaktniet mit Hartgoldbeschichtung verwendet.
 
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Messspannung und Messtrom liegen meist bei <20 mV bzw. <10 mA (Gleichstrom
 
−
oder Wechselstrom 1kHz). Die Kontaktkraft wird je nach Anwendung der
 
−
Kontaktschicht mit 2, 5 oder 10 cN gewählt. Die aus den einzelnen Messwerten
 
−
ermittelte und meist in Form eines Histogramms dargestellte Häufigkeitsverteilung
 
−
des Kontaktwiderstandes ist ein Abbild der Reinheit der Oberfläche. Der
 
−
enge Streubereich und die nahezu symmetrische Verteilung der Kontaktwiderstandswerte
 
−
ist typisch für eine fremdschichtfreie Goldschicht (<xr id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface"/><!--(Fig. 13.3)-->). Ist
 
−
die Oberfläche ganz oder teilweise von Fremdschichten bedeckt, so ist hierfür
 
−
eine asymmetrische Verteilung der Kontaktwiderstandswerte charakteristisch
 
−
(<xr id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface"/><!--(Fig. 13.4)-->). Aus der Häufigkeitsverteilung des Kontaktwiderstandes lassen sich
 
−
Hinweise auf das Vorhandensein von Fremdschichten entnehmen. Art und
 
−
Zusammensetzung der Fremdschicht können nur durch oberflächenanalytische
 
−
Verfahren bestimmt werden.
 
  
−
<div class="multiple-images">
+
For the measurement of the contact resistance commercially available test instruments with applicable data analysis programs are used <xr id="fig:Computer controlled contact resistance measuring device"/><!--(Fig. 13.2)-->. In a pre-set program the surface of a contact layer is scanned and probed. Most frequently a freshly cleaned contact rivet with a hard gold coated contact rivet is used as the probing contact.
 
<figure id="fig:Computer controlled contact resistance measuring device">
 
<figure id="fig:Computer controlled contact resistance measuring device">
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[[File:Computer controlled contact resistance measuring device.jpg|right|thumb|Figure 2: Rechnergesteuerter Prüfstand für Kontaktwiderstandsmessung (WSK Messtechnik)]]
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[[File:Computer controlled contact resistance measuring device.jpg|right|thumb|Computer controlled contact resistance measuring device (WSK Messtechnik)]]
 
</figure>
 
</figure>
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The measuring voltage and current are usually in the range of < 20 mV and, 10 mA (DC or 1 kHz AC). The contact force is selected as 2, 5 or 10 cN,
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depending on the application of the contacts. A histogram of the individual resistance data is usually used to show the frequency distribution of the data and serves as an indicator for the cleanliness of the contact surface. As shown in <xr id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface"/><!--(Fig. 13.3)--> for a gold contact layer, a narrow scatter range and symmetrical distribution of the contact resistance values is typical for clean and tarnish film free contact surface. In case of the contact surface being partially or totally covered with a tarnish film, characteristic asymmetrical contact resistance distributions are evident <xr id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface"/><!--(Fig. 13.4)-->. While the contact resistance distribution can show the presence of tarnish films, only surface analytical methods can clarify their type and composition.
 
<figure id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface">
 
<figure id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface">
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[[File:Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface.jpg|right|thumb|Figure 3: Häufigkeitsverteilung des Kontaktwiderstandes einer sauberen Kontaktoberfläche (Ag - Niet mit galvanisch aufgebrachter Feingoldschicht; Messbedingungen: 10 mV; 10 mA; 10 cN)]]
+
[[File:Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface.jpg|right|thumb|Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface (Ag rivet with electroplated hard gold layer; test parameters: 10 mV, 10 mA, 10 cN)]]
 
</figure>
 
</figure>
 
<figure id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface">
 
<figure id="fig:Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface">
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[[File:Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface.jpg|right|thumb|Figure 4: Häufigkeitsverteilung des Kontaktwiderstandes einer verunreinigten Kontaktoberfläche ( Ag - Niet mit galvanisch aufgebrachter Hartgoldschicht; Messbedingungen: 10 mV; 10 mA; 10 cN)]]
+
[[File:Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface.jpg|right|thumb|Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface (Ag rivet with electroplated hard gold layer; test parameters: 10 mV, 10 mA, 10 cN)]]
 
</figure>
 
</figure>
−
</div>
 
−
<div class="clear"></div>
 
  
−
===<!--13.2.3-->Technologische Eigenschaften===
+
===<!--13.2.3-->Technological Properties===
  
−
====<!--13.2.3.1-->Haftfestigkeit====
+
====<!--13.2.3.1-->Adhesion Strength====
  
−
Eine gute Haftung der galvanischen Schicht auf dem Trägermetall ist für eine
+
Good adhesion of the electroplated layer on the substrate is mandatory for the reliable function of a contact system. The adhesion strength between the electroplated surface coating and the substrate depends on many factors, such as the surface roughness of the carrier metal, the surface preparation, thermal expansion properties, ductility, and others. A difference in formability of layer and substrate metal can easily lead to separation of the coating layer. Rapid temperature changes can also lead to delaminating if the thermal coefficients of expansion of the coating and the substrate differ substantially. A prerequisite for good adhesion is the careful surface preparation prior to the actual electroplating, which is usually integrated into the electroplating process equipment.
−
zuverlässige Funktion des Kontaktsystems unerlässlich. Die zwischen der
 
−
galvanischen Schicht und dem Träger auftretende Bindungskraft ist von vielen Faktoren abhängig, wie Rauhigkeit des Trägermetalls, Oberflächenbehandlung,
 
−
thermischer Ausdehnung, Verformbarkeit u. a.. Die unterschiedliche Verformbarkeit
 
−
von Schicht- und Trägermetall kann bei starker mechanischer Beanspruchung
 
−
leicht zum Abblättern der Schicht führen. Auch bei raschen Temperaturänderungen
 
−
kann es zum Lösen der Schicht kommen, falls sich die thermischen
 
−
Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Träger stark unterscheiden.
 
−
Voraussetzung für eine gute Haftung ist eine sorgfältige Vorbehandlung
 
−
der Trägeroberfläche, die üblicherweise in Galvanisieranlagen integriert ist.
 
  
−
Für eine zerstörungsfreie Prüfung der Haftung der Schicht gibt es kein Verfahren,
+
There is no non-destructive test method which can be applied under practical use conditions. The methods used are mechanical tests such as a fold and bend test, or the wrap test. Often also an adhesive strip test according to DIN IEC 326 Part 2 is used. A transparent adhesive tape is applied to the electroplated surface and removed again after 10s by a uniform pulling action.
−
das unter Praxixbedingungen angewandt werden kann. Zum Einsatz
 
−
kommen mechanische Prüfverfahren, wie die Falt- bzw. Biegeprobe oder der
 
−
Wickeltest. Sehr häufig wird das Klebebandverfahren nach DIN IEC 326 Teil 2
 
−
verwendet. Das transparente Klebeband wird auf den zu prüfenden Überzug
 
−
aufgebracht und nach 10 s unter gleichmäßigem Zug wieder abgezogen.
 
  
−
Dabei darf sich die Schicht nicht von dem Träger abheben, d.h. das Trägermaterial
+
During this removal the coating layer is not allowed to come off the substrate, which means no substrate material is allowed to become visibly exposed.
−
nicht sichtbar werden.
 
  
−
Häufig wird auch zur Beurteilung der Haftfestigkeit ein Wärmetest durchgeführt.
+
Quite often temperature tests are also used to judge the adhesion strength. For these samples are exposed to elevated temperatures between 120 and 400°C over a defined time period (5 to 60 min). At insufficient bonding strength bubbles are becoming visible and delaminating may occur.
−
Dabei werden die beschichteten Proben bei Temperaturen zwischen 120°C
 
−
und 400°C über eine bestimmte Zeit (5 bis 60 min) ausgelagert.
 
−
Bei ungenügender Haftung kommt es zu einer Blasenbildung oder zu einem
 
−
Abblättern der Schicht.
 
  
−
====<!--13.2.3.2-->Lötbarkeit====
+
====<!--13.2.3.2-->Solderabilty====
  
−
Unter Löten wird hier ausschließlich das Weichlöten unter Verwendung von Zinn
+
In this context soldering is defined as using low temperature tin or tin alloys. A freuquently used method to determine the solderability is the immersion test. The coated material is inserted into a bath of the liquid solder and tinned for about 5 s. After this exposure 95% of the surface immersed must be wetted with the solder.
−
oder Zinn-Legierungen verstanden. Eine häufig angewandte Methode zur Bestimmung
+
One of the requirements for complete wetting is also that the interface area between the substrate metal and the coating layer is not interrupted by oxides or other foreign substances.
−
der Lötbarkeit stellt der Tauchtest dar. Dabei wird das beschichtete
 
−
Material in ein Lotbad abgesenkt und ca. 5s lang verzinnt. Nach dieser Zeit
 
−
müssen 95% der Oberfläche mit Lot benetzt sein. Voraussetzung für eine gute
 
−
Benetzung ist, dass die innige Berührung zwischen Schichtoberfläche und Lot
 
−
nicht durch Oxid- oder Fremdschichten behindert wird.
 
  
−
Gold gilt zwar als lötfreudig, dennoch können sich beim Weichlöten auf dünnen
+
Gold is known to be well solderable, however problems can occur when soldering onto thin gold layers. Since the gold quickly dissolves in the soldering alloy the viscosity of the liquid solder is increased and can lead to reduced wetting. Gold and tin also form intermetallic compound phases which lead to embrittlement and thus reduce the mechanical strength of the solder bond. In addition non-precious alloying components or co-deposited carbon can be problematic for good solderability.
−
Goldschichten Probleme ergeben. Da sich Gold in der Lotlegierung rasch auflöst,
 
−
wird die Viskosität des flüssigen Lotes erhöht, was zu einer Verschlechterung
 
−
der Benetzung führen kann. Weiterhin können intermetallische Phasen aus
 
−
Gold und Zinn entstehen, die eine Versprödung verursachen und so die mechanische
 
−
Festigkeit der Lötverbindung verringern. Daneben können sich erhöhte
 
−
Anteile an unedlen Legierungskomponenten und inkorporierter Kohlenstoff
 
−
nachteilig auf die Lötbarkeit auswirken.
 
  
−
====<!--13.2.3.3-->Bondbarkeit====
+
====<!--13.2.3.3-->Bondability====
  
−
Das Drahtbonden - Aufschweißen von Feindrähten auf plane Halbleiter und Metallflächen - wurde zur Kontaktierung von Halbleitern entwickelt (Kap. 9 [[Anwendungen_in_der_Aufbau_und_Verbindungstechnik|Anwendungen in der Aufbau und Verbindungstechnik]]). Für
+
The wire bonding – a welding process of fine wires onto flat semiconductors and metal surfaces – was developed for contacting semiconductor
−
die jeweilige Anwendung ist die Zuverlässigkeit der durch Bonden hergestellten
+
components (see Chapter [[Applications for Bonding Technologies|Applications for Bonding Technologies]]) Depending on the application the reliability of the bond connections over extended time periods under difficult environmental conditions is of great importance. The quality of such connections can only be evaluated in destructive pull or shear tests.
−
Verbindungsstellen über einen längeren Zeitraum und unter erschwerten
 
−
Umweltbedingungen von entscheidender Bedeutung. Die Qualität dieser Verbindungen
 
−
kann nur mechanisch in zerstörenden Abzugs- oder Schertests
 
−
geprüft werden.
 
  
−
*Abzugstest
+
*Pull Test
  
−
Beim Abzugstest wird ein Haken in die Bondschlaufe eingehängt und die Abzugskraft
+
During the pull test a hook is inserted into the bond wire loop and the pull force is slowly increased to an amount that destroys the connection. During this test the weakest spot of the bond loop is determined. The actual delaminating between bond wire and substrate is deemed the most serious defect. The transition between bond spot and wire is a weak point because of the high deformation stresses exerted onto the wire and can also lead to break. A break in the actual wire is the most desirable result condition during the pull test.
−
so weit gesteigert, bis die Verbindung zerstört ist. Bei dieser Prüfung
 
−
wird die mechanisch schwächste Stelle der Bondschlaufe ermittelt. Dabei gilt
 
−
ein „Bondabheber“, d. h. die Trennung zwischen Draht und beschichtetem
 
−
Leiter, als schwerwiegendster Fehler.
 
−
Der Übergang zwischen Bondstelle und Draht stellt wegen der hohen Verformung
 
−
beim Bondvorgang eine Schwachstelle dar, die zu einem Bruch führen
 
−
kann. Der eigentliche Drahtriss ist der angestrebte Zustand für eine zuverlässige
 
−
Bondverbindung.  
 
  
−
Die gemessenen Abreißkräfte liegen, abhängig von der Geometrie
+
Typical rupture pull forces measured are in the range of the rupture strength of the bond wire (i.e. 10 – 15 cN for a 25 μm diameter Au wire) and depend on the geometry of the loop.
−
der Schlaufe, im Bereich der Reißlast des Bonddrahtes (z.B. 10 -15 cN
 
−
bei Au-Draht mit 25 μm Durchmesser).
 
  
−
*Schertest
+
*Shear Test
  
−
Der Schertest stellt eine Alternative zum Abzugstest dar. Dabei wird die Bondstelle
+
The shear test is used as an alternative to the pull test. A shear force is excerted onto the bond area. Separation then occurs between the bond layer and bond wire, or for a good bond connection within the bond wire.
−
durch Aufbringen einer Scherkraft beansprucht. Die Trennung erfolgt
 
−
dann zwischen Bondschicht und Bonddraht oder bei einer zuverlässigen Verbindung
 
−
im verformten Draht.
 
  
−
*Alterungstest
+
*Aging Test
  
−
Wesentlich schwerwiegender sind Fälle zu bewerten, in denen zunächst gute
+
A higher difficulty for testing occurs if the initial bond test results from pulling or shearing were good at high forces, but later the bond connections show early failures due to aging.
−
Bondergebnisse d.h. hohe Abzugs- oder Scherkräfte erzielt werden, die Bondverbindungen
 
−
aber altern und dadurch vorzeitig ausfallen.
 
  
−
Eines der schärfsten Prüfverfahren stellt die Auslagerung bei 85% relativer
+
One of the most severe tests is an exposure at a humidity level of 85% RH and at 85°C. At higher porosity levels in the coating the high humidity can lead to corrosion effects on the substrate material from corrosive gases in the atmosphere. For the most severe requirements a simulation test at 85°C and 85% RH is performed over a 500 h exposure time period.
−
Feuchte und 85°C dar. Die hohe Luftfeuchtigkeit kann bei Edelmetallschichten
 
−
mit hoher Porendichte zu Korrosionserscheinungen führen, wenn die darunter
 
−
liegende Unedelmetallschicht mit Schadgasen aus der Atmosphäre reagiert.
 
−
Eine typische Auslagerungsdauer zur Simulation besonders harter Bedingungen
 
−
ist 500 h bei 85°C und 85% rel. Feuchte.
 
  
 
==Referenzen==
 
==Referenzen==

Revision as of 20:48, 22 September 2014

Prüfung von Kontaktschichten

For applications at low switching loads contact layers with thicknesses in the range of just a few micrometers are widely used. For testing such thin layers the actual coating properties must be distinguished from the functional properties. Coating properties include, besides others, porosity, hardness, and ductility. Depending on the application, the most important function properties are for example frictional wear, contact resistance, material transfer, or contact welding behavior. Besides these other technological properties such as adhesion strength, and solderability, maybe of importance for special applications like those for electronic components.

Für Anwendungen bei geringen Schaltlasten kommen häufig Kontaktschichten zum Einsatz, deren Dicke nur wenige Mikrometer betragen. Bei der Prüfung dieser dünnen Schichten ist zwischen den eigentlichen Schichteigenschaften und den Funktionseigenschaften zu unterscheiden. Zu den Schichteigenschaften sind u.a. Porosität, Härte und Duktilität zu zählen. Bei den Funktionseigenschaften stehen je nach Anwendung z.B. Reibverschleiß, Kontaktwiderstand, Materialwanderung oder Schweißverhalten im Vordergrund. Daneben spielen technologische Eigenschaften wie Haftfestigkeit, Lötbarkeit u.a. sowie für spezielle Anwendungen in der Elektronik die Bondbarkeit eine entscheidende Rolle.

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich hauptsächlich auf galvanisch erzeugte Kontaktschichten, da diese in der Kontakttechnik auch wirtschaftlich die größte Bedeutung haben. Sie gelten aber in ähnlicher Weise auch für Schichten, die z.B. durch mechanisches Plattieren oder Sputtern hergestellt wurden.

Schichteigenschaften

Schichtdicke

Für die Beurteilung eines galvanischen Überzugs werden in erster Linie Angaben über seine Dicke gefordert, da eine Reihe von Schichteigenschaften wie Porosität und Härte, Duktilität von der Schichtdicke abhängig sind. Eine bewährte Methode für die Schichtdickenmessung ist die Ermittlung unter dem Lichtmikroskop mittels eines metallographischen Schliffs. Wegen des begrenzten Auflösungsvermögens des Lichtmikroskops können Schichtdicken < 0,5 μm nicht mehr ausreichend genau bestimmt werden. Bei geringen Schichtdicken wird meist das Röntgenfluoreszenzverfahren eingesetzt, das üblicherweise zur Qualitätsüberwachung in den Fertigungsprozess, z.B. in Selektiv- Galvanisieranlagen integriert wird. Dabei wird die durch Röntgenbestrahlung ausgelöste Rückstrahlung von materialcharakteristischen Röntgenquanten aus der Oberfläche oder darunter liegenden Metallschichten erfasst und über ein entsprechendes EDV-Messprogramm ausgewertet.

Porosität

Pores are surface defects which may have multiple causes. These include roughness and defects in the substrate layer or material such as grooves or scratch marks, as well as cracks in the base material which may have been generated by bend stresses or mechanical wear Figure 1.

Porosity of an electroplated hard gold layer as a function of the layer thickness at different surface roughness values Ra

At the foot points of the pores the substrate material is exposed to the surrounding atmosphere. This can cause corrosion products to rise through the pores to the contact surface, expand there further, and thus lead to increased contact resistance. The allowable number of pores in gold layers, for example for connectors, mainly depends on the concentration of corrosive gases in the intended working environment.

Most methods of porosity testing are based on detecting the substrate material which is transferred to the surface during an electrochemical treatment process. For testing of gold and palladium coatings on nickel containing substrates the dimethyl-glyoxin test for detecting the nickel has been a proven method. The electrochemical methods are mostly working on a electrographic or electrolytic basis.

In the electrographic test a strip of filter material saturated with an electrolyte or a gelatin foil is pressed onto the sample. After the application of an electrical field and current the reaction products are made visible by chemical indicators.

During the electrolytic test a sample is immersed into an electrolyte containing a indicator solution. After passing electrical current the pores are visible as colored spots.

Frequently a SO test at higher concentrations (100 ppm) and high humidity 2 levels (95% RH at 40°C) is used. One advantage of this method is that the severity level can be increased easily by varying the concentration of SO2. Besides these, other corrosive gas mixtures of H2S, SO2, and NO2 are used in porosity tests (i.e. tests according to ASTM B735 and B 799).

Hardness

The hardness of electroplated surface coatings depends on their deposition parameters and therefore on the structure and concentration of incorporated substances. The hardness measurement is however not a true indicator of the mechanical properties such as frictional wear characteristics like for clad meltmetallurgically produced layers. This is caused by their fundamentally different structure compared to alloys. Brittleness and internal stresses also have an influence on the hardness.

Usually hardness is measured in Europe and Asia applying the Vickers scale (DIN EN ISO 6507-1) for which an indenter of a symmetrical diamond shape is used. For thin layers the micro-hardness is measured in a metallographic crosssectional mount (DIN ISO 416).

In the US the hardness values are often reported by values of the Knoop scale. This method uses a asymmetrical diamond indenter on the layer producing a rhombic indentation picture. Values obtained by both methods are comparable but cannot be converted into each other easily.

During hardness measurements the indentation depth should not exceed 10% of the layer thickness. Depth of up to 30% can be accepted only if the hardness values of the layer and substrate are in a similar range. For layers of pure metals the hardness of the base material can influence the one for the coating in the immediate boundary area. A decrease in hardness can then be observed towards the layer's surface.

Ductility

The ductility indicates how much a coating layer can be plastically deformed without cracking. Therefore it is an important measure for the quality of electroplated coatings. If the ductility is too low, cracks can develop in the layer. This crack formation can occur due to internal stresses right after the deposition or develop from mechanical stressing during subsequent mechanical deformation.

To evaluate the ductility of gold layers, a bending test according to DIN 50 153 is usually employed. For certain applications the testing method is agreed upon between the coating manufacturer and the user. After bending the test sample over a pre-defined radius the surface layer in the bend area is examined microscopically. The detection of cracks or even delaminating is an indication of insufficient ductility.

Functional Properties

Frictional Wear

For contact parts which are subjected to frictional sliding between each other, such as for example connector or sliding contact parts, the frictional wear is the determining factor for contact life and reliability. In general it is assumed that harder surfaces are more wear resistant. This usually is true for molten alloys, but not necessarily the fact for electroplated surface layers. As an example, low-carat molten AuCuCd layers exhibit despite a high hardness (HV 350) a higher mechanical wear than high-carat electroplated hard gold coatings (HV 120).

In the latter the incorporated carbon content acts as a lubricant, reducing wear significantly. Comparative tests of the mechanical wear of contact layers are After these additional testing will be performed, for example on actual connectors which then incorporate the real design characteristics in the connector contact area.

Contact Resistance

The contact resistance is the most important functional property determining the reliability of a contact layer.

For the measurement of the contact resistance commercially available test instruments with applicable data analysis programs are used Figure 2. In a pre-set program the surface of a contact layer is scanned and probed. Most frequently a freshly cleaned contact rivet with a hard gold coated contact rivet is used as the probing contact.

Computer controlled contact resistance measuring device (WSK Messtechnik)

The measuring voltage and current are usually in the range of < 20 mV and, 10 mA (DC or 1 kHz AC). The contact force is selected as 2, 5 or 10 cN, depending on the application of the contacts. A histogram of the individual resistance data is usually used to show the frequency distribution of the data and serves as an indicator for the cleanliness of the contact surface. As shown in Figure 3 for a gold contact layer, a narrow scatter range and symmetrical distribution of the contact resistance values is typical for clean and tarnish film free contact surface. In case of the contact surface being partially or totally covered with a tarnish film, characteristic asymmetrical contact resistance distributions are evident Figure 4. While the contact resistance distribution can show the presence of tarnish films, only surface analytical methods can clarify their type and composition.

Frequency distribution of the contact resistance of a clean contact surface (Ag rivet with electroplated hard gold layer; test parameters: 10 mV, 10 mA, 10 cN)
Frequency distribution of the contact resistance of a contaminated contact surface (Ag rivet with electroplated hard gold layer; test parameters: 10 mV, 10 mA, 10 cN)

Technological Properties

Adhesion Strength

Good adhesion of the electroplated layer on the substrate is mandatory for the reliable function of a contact system. The adhesion strength between the electroplated surface coating and the substrate depends on many factors, such as the surface roughness of the carrier metal, the surface preparation, thermal expansion properties, ductility, and others. A difference in formability of layer and substrate metal can easily lead to separation of the coating layer. Rapid temperature changes can also lead to delaminating if the thermal coefficients of expansion of the coating and the substrate differ substantially. A prerequisite for good adhesion is the careful surface preparation prior to the actual electroplating, which is usually integrated into the electroplating process equipment.

There is no non-destructive test method which can be applied under practical use conditions. The methods used are mechanical tests such as a fold and bend test, or the wrap test. Often also an adhesive strip test according to DIN IEC 326 Part 2 is used. A transparent adhesive tape is applied to the electroplated surface and removed again after 10s by a uniform pulling action.

During this removal the coating layer is not allowed to come off the substrate, which means no substrate material is allowed to become visibly exposed.

Quite often temperature tests are also used to judge the adhesion strength. For these samples are exposed to elevated temperatures between 120 and 400°C over a defined time period (5 to 60 min). At insufficient bonding strength bubbles are becoming visible and delaminating may occur.

Solderabilty

In this context soldering is defined as using low temperature tin or tin alloys. A freuquently used method to determine the solderability is the immersion test. The coated material is inserted into a bath of the liquid solder and tinned for about 5 s. After this exposure 95% of the surface immersed must be wetted with the solder. One of the requirements for complete wetting is also that the interface area between the substrate metal and the coating layer is not interrupted by oxides or other foreign substances.

Gold is known to be well solderable, however problems can occur when soldering onto thin gold layers. Since the gold quickly dissolves in the soldering alloy the viscosity of the liquid solder is increased and can lead to reduced wetting. Gold and tin also form intermetallic compound phases which lead to embrittlement and thus reduce the mechanical strength of the solder bond. In addition non-precious alloying components or co-deposited carbon can be problematic for good solderability.

Bondability

The wire bonding – a welding process of fine wires onto flat semiconductors and metal surfaces – was developed for contacting semiconductor components (see Chapter Applications for Bonding Technologies) Depending on the application the reliability of the bond connections over extended time periods under difficult environmental conditions is of great importance. The quality of such connections can only be evaluated in destructive pull or shear tests.

  • Pull Test

During the pull test a hook is inserted into the bond wire loop and the pull force is slowly increased to an amount that destroys the connection. During this test the weakest spot of the bond loop is determined. The actual delaminating between bond wire and substrate is deemed the most serious defect. The transition between bond spot and wire is a weak point because of the high deformation stresses exerted onto the wire and can also lead to break. A break in the actual wire is the most desirable result condition during the pull test.

Typical rupture pull forces measured are in the range of the rupture strength of the bond wire (i.e. 10 – 15 cN for a 25 μm diameter Au wire) and depend on the geometry of the loop.

  • Shear Test

The shear test is used as an alternative to the pull test. A shear force is excerted onto the bond area. Separation then occurs between the bond layer and bond wire, or for a good bond connection within the bond wire.

  • Aging Test

A higher difficulty for testing occurs if the initial bond test results from pulling or shearing were good at high forces, but later the bond connections show early failures due to aging.

One of the most severe tests is an exposure at a humidity level of 85% RH and at 85°C. At higher porosity levels in the coating the high humidity can lead to corrosion effects on the substrate material from corrosive gases in the atmosphere. For the most severe requirements a simulation test at 85°C and 85% RH is performed over a 500 h exposure time period.

Referenzen

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