Beschichtungsverfahren

Neben der Herstellung der Kontaktwerkstoffe aus der festen Phase, z.B. auf schmelz- oder pulvermetallurgischem Wege, bietet sich die Herstellung über die flüssige und gasförmige Phase vor allem dann an, wenn dünne Schichten im μm-Bereich benötigt werden, die nach den üblichen Plattiertechniken nicht wirtschaftlich herstellbar sind (Table 1). Derartige Schichten erfüllen, abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und Dicke, unterschiedliche Anforderungen. Sie dienen z.B. als Korrosions- und Verschleißschutz oder übernehmen die Funktion einer Kontaktschicht, an die bestimmte technische Anforderungen gestellt werden. Daneben stellen sie für dekorative Zwecke eine optisch ansprechende und verschleißfeste Oberflächenschicht dar.

Table 1: Übersicht über einige wichtige Eigenschaften galvanisch abgeschiedener Schichten und die jeweiligen Anwendungen

Eigenschaften	Anwendungszweck	Anwendungsbeispiele
Farbe	gutes Aussehen	vermessingte Leuchten, Möbelbeschläge
Glanz	dekoratives Aussehen, Reflexionsvermögen	verchromte Armaturen, versilberte Spiegel
Härte/Verschleißfestigkeit	Erhöhung der Standzeit	hartverchromte Werkzeuge
Gleitfähigkeit	Verbesserung der Trockengleiteigenschaften	Blei-Zinn-Kupfer-Legierungen für Gleitlager
Chemische Beständigkeit	Schutz gegen Chemikalieneinwirkung	Blei-Zinn-Schichten als Ätzresist bei gedruckten Schaltungen
Korrosionsbeständigkeit	Schutz gegen die atmosphärische Korrosion	Zinkschichten auf Werkstücken aus Stahl
Elektrische Leitfähigkeit	Leitung des elektrischen Stromes auf der Oberfläche	Leiterbahnen auf gedruckten Schaltungen
Wärmeleitfähigkeit	verbesserter Wärmeübergang auf der Oberfläche	verkupferte Böden von Töpfen für Elektroherde
Zerspanbarkeit	Formgebung durch spanabhebendes Bearbeiten	Kupferschichten auf Tiefdruckzylindern
Magnetische Eigenschaften	Erhöhung der Koerzitivkraft *)	Kobalt-Nickel-Legierungen auf Magnetspeichern
Lötbarkeit	Löten ohne aggressive Flußmittel	Zinn-Blei-Schichten auf Leiterbahnen gedruckter Schaltungen
Haftfähigkeit	Verbesserung der Haftung	Messingschichten auf Reifeneinlegedraht
Schmierfähigkeit	Verbesserung der Verformbarkeit	Verkupfern beim Drahtziehen

*) Koerzitivkraft = Kraft, mit der ein Stoff versucht, die einmal angenommene Magnetisierung zu behalten

Um den mechanischen Verschleiß bei dünnen Schichten zu verringern, kommen bei Gleit- und Steckkontakten Schmiermittel meist in flüssiger Form zum Einsatz. Bei Silber-Kontakten bieten sog. Passivierungsschichten einen Schutz gegenüber Silbersulfidbildung.

Beschichtung über die flüssige Phase

Für dünne, über die flüssige Phase erzeugte Schichten bieten sich zwei Herstellungsverfahren an. Sie unterscheiden sich dadurch, dass die metallische Abscheidung mit oder ohne äußere Stromquelle erfolgt. Im ersten Fall handelt es sich um eine galvanische Beschichtung, im zweiten um eine chemische Beschichtung.

Galvanische Beschichtung

Zur galvanischen Abscheidung von Metallen, insbesondere Edelmetallen, werden wässrige Lösungen (Elektrolyte) verwendet, die die abzuscheidenden Metalle in Form von Ionen (z.B. gelöste Metallsalze) enthalten. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zwischen der Anode und dem kathodisch geschalteten Beschichtungsgut gelangen positiv geladene Metallionen zur Kathode, wo sie ihre Ladung abgeben und sich als Metall auf der Oberfläche abscheiden. Je nach Einsatz, in der Elektrotechnik und Elektronik oder für dekorative Zwecke, kommen unterschiedliche galvanische Bäder (Elektrolyte) zur Anwendung. Die für die Edelmetallbeschichtung eingesetzten Galvanisieranlagen und der Umfang ihrer Ausrüstung werden durch den vorgesehenen technologischen Prozess bestimmt. Die galvanischen Arbeitsverfahren erstrecken sich nicht nur auf den Vorgang der reinen elektrochemischen Metallabscheidung, sondern umfassen auch die Vor- und Nachbehandlung der zu beschichtenden Ware. Wichtigste Voraussetzung für die Herstellung eines festhaftenden Überzuges ist eine metallisch blanke, d.h. fett- und oxidfreie Oberfläche des zu veredelnden Werkstückes. Hierfür gibt es verschiedene Vorbehandlungsverfahren, die auf den Oberflächenzustand und die Eigenschaften des Werkstoffes abgestimmt sind. In den folgenden Abschnitten werden galvanische Bäder - Edelmetall- und Unedelmetallbäder - sowie die wichtigsten Galvanisierverfahren beschrieben.

siehe Artikel: Galvanische Beschichtung

Stromlose Beschichtung

Unter stromloser Metallabscheidung versteht man Beschichtungsverfahren, die ohne Anwendung einer äußeren Stromquelle ablaufen. Sie ermöglichen eine gleichmäßige Metallbeschichtung unabhängig von der geometrischen Form der zu beschichtenden Teile. Aufgrund der sehr guten Streufähigkeit dieser Bäder lassen sich z.B. auch Innenseiten von Bohrungen beschichten. Prinzipiell können zwei Verfahren der außenstromlosen Metallabscheidung unterschieden werden: Verfahren, bei denen das zu beschichtende Substratmaterial als Reduktionsmittel dient (Austauschverfahren), und solche, bei denen dem Elektrolyt ein Reduktionsmittel zugesetzt wird (Reduktionsverfahren).

siehe Artikel: Stromlose Beschichtung

Beschichtung über die Gasphase (Vakuumbeschichtung)

Unter der Bezeichnung PVD (physical vapor deposition) werden Beschichtungsverfahren zusammengefasst, bei denen die Abscheidung von Metallen, Legierungen sowie chemischen Verbindungen im Vakuum durch Zufuhr thermischer oder kinetischer Energie mittels Teilchenbeschuss erfolgt. Dabei unterscheidet man hauptsächlich vier Beschichtungsvarianten (Table 2):

• Aufdampfen
• Kathodenzerstäuben (Sputtern)
• Lichtbogenverdampfen
• Ionenplattieren

In allen vier Prozessen wird der Schichtwerkstoff unter Vakuum atomar von der Quelle zum Substrat transportiert und dort als dünne Schicht (einige nm bis ca. 10 μm) niedergeschlagen.

Table 2: Charakteristische Merkmale der wichtigsten PVD-Verfahren

Verfahren	Prinzip	Prozessgasdruck	Teilchenenergie	Bemerkungen
Aufdampfen	Verdampfen aus Tiegel (Elektronenstrahl o. Widerstandsheizung)	10-3 Pa	< 2eV	Entmischung bei Legierungen möglich
Lichtbogenverdampfen	Verdampfen der Targetplatte mit Lichtbogen	10-1 Pa-1Pa	80eV-300eV	Sehr gute Haftung durch Ionenbeschuss
Kathodenzerstäuben (Sputtern)	Atomare Zerstäubung der Targetplatte (Kathode) in Gasentladung	10-1 Pa-1Pa	10eV-100eV	Auch Sputtern von Nichtleitern durch RF-Betrieb möglich
Ionenplattieren	Kombination aus Aufdampfen und Sputtern	10-1 Pa-1Pa	80eV-300eV	Sehr gute Haftung durch Ionenbeschuss, aber auch Substraterwärmung

Die aus wirtschaftlicher Sicht grösste Bedeutung hat das Sputtern, dessen Verfahrensprinzip in Figure 1 dargestellt ist.

Figure 1: Prinzip der Kathodenzerstäubung; Ar = Argonatom; e = Elektron; M = Metallatom

Zunächst wird in Argon-Atmosphäre bei niedrigem Druck (10 - 1 Pa) eine Gasentladung gezündet. Die dabei erzeugten Argon-Ionen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und prallen mit hoher Energie auf die Kathode (Target) auf, die aus dem Schichtwerkstoff besteht. Durch die Aufprallenergie werden Metallatome aus dem Target herausgeschlagen, die auf der gegenüberliegenden Anode (Substrat) kondensieren und eine festhaftende Schicht aufbauen. Durch ein überlagertes Magnetfeld am Target kann die Beschichtungsrate und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht werden.

Die Vorteile des PVD-Verfahrens, insbesondere des in der Kontakttechnik eingesetzten Sputterns, sind:

• Hohe Reinheit der Schichten
• Geringe thermische Substratbeeinflussung
• Beliebige Schichtwerkstoffe
• Geringe Schichtdickentoleranz
• Ausgezeichnete Haftfestigkeit (auch über zusätzliche Zwischenschichten)

Nach dem PVD-Verfahren aufgebrachte Schichten werden u.a. für Kontaktzwecke, z.B. bei Miniprofilen, in der Elektrotechnik und Elektronik, zur Belotung in der Verbindungstechnik, zur Metallisierung von Nichtleitern sowie in der Halbleitertechnik, Optoelektronik, Optik und Medizintechnik eingesetzt (Figure 2).

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Figure 2: Beispiele für vakuumbeschichtete Halbzeuge und Teile

Bei der Geometrie der beschichtbaren Teile gibt es keine wesentlichen Beschränkungen. Lediglich die Innenbeschichtung von Bohrungen oder Rohren mit kleinem Durchmesser kann problematisch werden (Tiefe zu Durchmesser < 2:1). Es können Profildrähte, Bänder und Folien ein- oder beidseitig beschichtet werden; außerdem lassen sich Formteile durch geeignete Abdeckungen, die gleichzeitig als Halterung dienen, selektiv beschichten.

• Werkstoffe

Auswahl möglicher Kombinationen von Schicht- und Substratwerkstoffen

Substratwerkstoffe	Schichtwerkstoffe
	Ag	Au	Pt	Pd	Cu	Ni	Ti	Cr	Mo	W	Ai	Si
Edelmetall/Legierungen
NE-Metall/Legierungen
FE-Legierungen/Edelstahl
Sondermetalle (Ti,Mo,W, etc.)
Hartmetalle (WC-Co)
Keramik (Al2O3, AlN)
Gläser (SiO2, CaF, etc.)
Kunststoffe (PA, PPS, etc.)

= herstellbar // = mit Zwischenschichten herstellbar

• Abmessungen und Toleranzen

Abmessungen
Schichtdicke:	10 nm - 15 μm
Schichtdicke für Kontaktanwendungen:	0.1 - 10 μm

Bezüglich der Geometrie der beschichtbaren Halbzeuge gibt es keine wesentlichen Einschränkungen. Lediglich der Innenbeschichtung von Bohrungen und Rohren sind verfahrenstechnisch Grenzen gesetzt.

• Toleranzen

Schichtdicke: ±10 - 30 %, abhängig von der Schichtdicke

• Qualitätsmerkmale

Je nach Anwendung werden u.a. folgende Merkmale geprüft und dokumentiert (siehe auch Galvanisieren von Teilen):

• Schichtdicke
• Haftfestigkeit
• Porosität
• Lötbarkeit
• Bondbarkeit
• Kontaktwiderstand

Die Prüfungen und die Festlegung der Prüfmerkmale erfolgen nach einschlägigen Normen, Werksnormen bzw. Kundenspezifikationen.

Vergleich verschiedener Beschichtungsverfahren

Die einzelnen Beschichtungsverfahren weisen teilweise unterschiedliche Leistungsmerkmale auf. Für jeden Anwendungsfall muss daher das optimale Verfahren unter Berücksichtigung sämtlicher technischer und wirtschaftlicher Randbedingungen festgelegt werden. Dabei spielen vor allem die elektrischen und mechanischen Anforderungen an die Kontaktschicht und konstruktive Merkmale des Kontaktteils eine wesentliche Rolle. Table 3 enthält einige Angaben für eine vergleichende Betrachtung der verschiedenen Beschichtungsverfahren.

Die stromlose Metallabscheidung bleibt hier unberücksichtigt, da die Schichten wegen ihrer geringen Dicke für die meisten Anwendungen als Kontaktschicht in elektromechanischen Bauelementen nicht geeignet sind.

Table 3: Vergleich verschiedener Beschichtungsverfahren

Verfahren/Schichteigenschaften	Mechanische Verfahren (Plattieren)	Galvanische Verfahren	Vakuumtechnische Verfahren (Sputtern)
Schichtwerkstoff	verformbare Metalle und Legierungen	Metalle, Legierungen in begrenztem Maße	Metalle und Legierungen
Schichtdicke	> 1μm	0,1 - ca. 10 μm (in Sonderfällen - 100 μm)	0,1 - ca. 10 μm
Schichtbelegung	selektiv, Stanzkanten unbeschichtet	allseitig und selektiv Stanzkanten beschichtet	überwiegend selektiv
Haftung	gut	gut	sehr gut
Duktilität	gut	eingeschränkt	gut
Reinheit	gut	Einbau von Fremdstoffen	sehr gut
Porosität	gut	gut > ca. 1μm	gut
Temperaturbeständigkeit	sehr gut	gut	sehr gut
mechanischer Verschleiß	gering	sehr gering	gering
Umweltbelastung	gering	erheblich	keine

Unterschiede zwischen den Beschichtungsverfahren zeigen sich vor allem beim Schichtwerkstoff und der Schichtdicke. Während bei der mechanischen Plattierung und dem Sputterverfahren nahezu sämtliche Legierungen eingesetzt werden können, bleibt die galvanische Beschichtung auf Metalle und bestimmte Legierungssysteme, z.B. hochkarätige Goldlegierungen mit ca. 0,3 Massen-% Co bzw. Ni beschränkt. Galvanisch abgeschiedene und durch Sputtern erzeugte Schichten weisen aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eine obere Grenzdicke von ca. 10 μm auf. Während bei walzplattierten Schichten die minimale Schichtdicke bei ca. 1 μm liegt, können nach galvanischen und vakuumtechnischen Verfahren auch sehr dünne Schichten von 0,1 μm Dicke problemlos aufgebracht werden.

Die Eigenschaften der Schichten sind eng mit dem Aufbringverfahren verknüpft. Ausgangswerkstoffe für mechanische Plattierungen und Sputtertargets sind Edelmetalle und deren Legierungen, die bei Gold- und Palladiumwerkstoffen im Vakuum erschmolzen werden und daher eine hohe Reinheit aufweisen. Bei der galvanischen Beschichtung werden je nach Badtyp und den gewählten Abscheidungsbedingungen stets Badbestandteile wie Kohlenstoff und organische Verbindungen in die Edelmetallschicht eingebaut. Aus der Gasphase abgeschiedene Schichten sind dagegen sehr rein.

Thermisch verzinnte („feuerverzinnte“) Bänder

Beim Feuerverzinnen werden entsprechend vorbehandelte Bänder mit schmelzflüssigem Lot aus Reinzinn oder einer Zinnlegierung beschichtet. Bei allseitiger Verzinnung werden die Bänder durch die Metallschmelze gezogen. Dabei tauchen Walzen in das schmelzflüssige Lotbad ein und übertragen das Lot auf das darüber geführte Band. Durch spezielle Abstreif- oder Abblasverfahren kann die aufgebrachte Lotschichtdicke in engen Toleranzen gehalten werden. Die Feuerverzinnung erfolgt ohne vorausgehende Verkupferung oder Vernickelung direkt auf dem Grundmaterial. Spezielle Angießverfahren oder das Aufschmelzen von Lot in Folienform ermöglichen auch die Herstellung dickerer Lotschichten ( > 15 μm ).

Der Vorteil der Feuerverzinnung gegenüber einer galvanischen Verzinnung liegt in der Ausbildung einer intermetallischen Kupfer-Zinn-Phase (Cu₃Sn, Cu₆Sn₅) an der Grenze zwischen Trägerband und Zinnschicht. Diese dünne (0,3 - 0,5 μm) intermetallische Zwischenschicht, die im Verlauf des thermischen Verzinnungsprozesses entsteht, wirkt sich aufgrund ihrer hohen Härte beim Einsatz in Steckverbindern reibungs- und verschleißmindernd aus. Durch Feuerverzinnen hergestellte Überzüge haften gut auf dem Grundmaterial und neigen nicht zur Bildung von Zinn-Whiskern.

Eine spezielle Form der thermischen Verzinnung stellt das Reflow-Verfahren dar. Hierbei wird die Zinnschicht galvanisch aufgebracht und anschließend im Durchzugsverfahren kurzzeitig aufgeschmolzen. Die Eigenschaften so hergestellter Zinnschichten sind mit den konventionell erzeugter feuerverzinnter Schichten vergleichbar.

Neben der allseitigen Beschichtung kann die Feuerverzinnung auch in Form eines oder mehrerer Streifen auf der Ober und/oder Unterseite des Trägerbandes erfolgen (Figure 3).

• Werkstoffe

Schichtwerkstoffe: Reinzinn, Zinnlegierungen
Trägerwerkstoffe: Cu, CuZn, CuNiZn, CuSn, CuBe u.a.

• Abmessungen und Toleranzen

Breite der Verzinnung:	≥ 3 ± 1 mm
Dicke der Verzinnung:	1 - 15 μm (übliche Ausführung)
Toleranzen:	Je nach Dicke der Verzinnung ± 1 - ± 3 μm

• Qualitätsmerkmale

Festigkeitswerte und Maßtoleranzen thermisch verzinnter Bänder sind angelehnt an die für Cu und Cu-Legierungen geltenden Normen DIN EN 1652 und DIN EN 1654. Qualitätsmerkmale für die Zinnüberzüge werden i.d.R. gesondert vereinbart.

Kontaktschmiermittel

Durch die Verwendung geeigneter Schmiermittel kann der mechanische Verschleiß und die Reiboxidation bei Gleit- und Steckkontakten wesentlich verringert werden. In der Kontakttechnik werden feste, nieder- und hochviskose Schmiermittel eingesetzt.

Die Schmiermittel müssen dabei einer Vielzahl von Anforderungen genügen:

• Sie sollen die Kontaktoberfläche gut benetzen; nach dem Gleitvorgang soll sich der Schmiermittelfilm wieder schließen, d.h. mechanische Verletzungen „ausheilen“
• sie dürfen nicht verharzen, sich nicht verflüchtigen und sollen möglichst keine Staubfänger sein
• die Schmiermittel dürfen Kunststoffe nicht anlösen; sie dürfen weder auf Unedelmetallen korrosionsfördernd wirken, noch Spannungsrisskorrosion bei Kunststoffteilen auslösen
• der spezifische Widerstand der Schmiermittel darf - ausgenommen bei festen Schmiermitteln - nicht so niedrig sein, dass benetzte Kunststoffoberflächen ihr Isolationsvermögen verlieren
• der Kontaktwiderstand darf durch den Schmierfilm nicht erhöht werden; infolge seiner verschleißmindernden Wirkung soll der Kontaktwiderstand möglichst über eine lange Betriebsdauer konstant bleiben

Als feste „metallische Schmiermittel“ gelten z. B. 0,05 - 0,2 μm dünne Hartgoldschichten, die in Steckverbindern zusätzlich auf den eigentlichen Kontaktschichten aufgebracht werden.

Aus der Vielzahl der angebotenen Schmiermittel haben sich besonders Kontaktöle bewährt. Zum Einsatz kommen meist synthetische, chemisch neutrale und silikonfreie Öle, z.B. DODUCONTA-Öle, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und der Viskosität unterscheiden.

Bei Gleitkontaktsystemen mit Kontaktkräften < 50 cN und höherer Geschwindigkeit werden bevorzugt niederviskose (< 50mPa·s) Kontaktöle eingesetzt. In Anwendungen, bei denen höhere Kontaktkräfte und höhere Temperaturen auftreten, kommen bevorzugt Kontaktöle mit höherer Viskosität zum Einsatz. Kontaktöle eignen sich besonders für Anwendungsfälle mit geringer Strombelastung. Bei höheren Strömen und beim Auftreten von Kontaktabhebungen während des Gleitvorganges kann es zu einer thermischen Zersetzung des Kontaktöles kommen und dadurch die Schmierwirkung verlorengehen.

Besonders kunststoffverträglich sind die Kontaktöl-Varianten B5, B12K und B25, die auch über einen längeren Zeitraum keine Spannungsrisskorrosion hervorrufen.

Für eine gute Schmierung ist eine sehr dünne Ölschicht ausreichend. Daher wird empfohlen, die Kontaktöle z.B. in Isopropylalkohol zu verdünnen.

• Eigenschaften synthetischer Kontaktschmierstoffe DODUCONTA-Öl

Schmiermittel	DODUCONTA
	B5	B9	B10	B12K	B25
Kontaktkraft	>1N	0.1 - 2N	< 0.2N	0.2 - 5N	<1N
Dichte (20°C) [g/cm³]	1.9	1.0	0.92	1.0	1.0
Spez. Widerstand [S · cm]		2 x 1010	1010	6 x 109	5 x 108
Viskosität (20°C) [mPa·s]	325	47	21	235	405
Stockpunkt [°C]		-55	-60	-40	-35
Flammpunkt [°C]		247	220	238	230

• Anwendungsbereiche synthetischer DODUCONTA-Kontaktöle

Schmiermittel	Anwendungsbereich
DODUCONTA B5	Stromabnehmer, Steckverbindungen, Schiebeschalter
DODUCONTA B9	Drahtpotentiometer, Gleitringübertrager, Schiebeschalter, Messstellenumschalter, Miniatur-Steckverbindungen
DODUCONTA B10	Präzisions-Drahtpotentiometer, Miniatur-Gleitringübertrager
DODUCONTA B12K	Drahtpotentiometer, Schiebeschalter, Miniatur-Gleitringübertrager, Messstellenumschalter, Steckverbinder
DODUCONTA B25	Stromabnehmer, Messstellenumschalter, Steckverbinder

Silber-Passivierung

Die Bildung von Silbersulfidschichten, die in schwefelhaltiger Atmosphäre entstehen, lässt sich durch Aufbringung zusätzlicher „Schutz“-Schichten während der Lagerung weitgehend vermeiden (Passivierungsschichten). Derartige Schichten sollten chemisch inert und ausreichend leitfähig sein, oder durch die anliegende Kontaktkraft durchbrochen werden können.

Figure 4: Typischer Prozessablauf beim Passivierungsverfahren SILVERBRITE W ATPS

Das Passivierungsverfahren SILVERBRITE W ATPS ist ein auf wässriger Basis arbeitender Anlaufschutz für Silber (Figure 4). Es ist frei von Chrom(VI)-Verbindungen und Lösungsmitteln. Die Passivierungsschicht wird im Tauchverfahren aufgebracht. Dabei entsteht ein transparenter, organischer Schutzfilm, der das Aussehen und die guten elektrischen Eigenschaften von Silber, z.B. den Kontaktwiderstand, nur geringfügig verschlechtert. Die gute Löt- und Bondbarkeit wird durch die Passivierungsschicht nicht beeinträchtigt. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung besitzt der Schutzfilm Schmiereigenschaften, wodurch z.B. in Steckverbindern die Steck- und Ziehkräfte deutlich herabgesetzt werden.

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