Laserinterferenztexturierung elektrischer Steckverbinder für die Automobilindustrie

Abstract

Die Anforderungen an elektrische Steckverbinder für die Automobilindustrie haben in den letzten Jahren stark zugenommen. Ursache hierfür sind die steigende Anzahl an elektronischen Systemen und die damit verbundene Notwendigkeit der Miniaturisierung. Ein elektrischer Steckverbinder muss einen niedrigen und stabilen Kontaktwiderstand bei gleichzeitig hoher mechanischer Verschleißbeständigkeit aufweisen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der Effekt der Laser-Oberflächentexturierung auf das Verschleißverhalten und den stationären elektrischen Kontaktwiderstand verzinnter Kupfer-Kontakte untersucht. Die Mikrostruktur und Topographie der Kontaktoberflächen wurde vor und nach Prüfung mit modernen Charakterisierungsverfahren wie bspw. fokussierte Ionenstrahlmikroskopie, Raman-Spektroskopie oder Sekundärionen-Massenspektrometrie analysiert. Es wird gezeigt, dass die über Lasertexturierung erzeugten Vertiefungen als Mikroreservoir für das Ansammeln von Verschleißpartikel dienen, was eine Verminderung des elektrischen Kontaktwiderstands und eine Verlängerung der Laufzeit der Steckverbindermaterialien zur Folge hat. Weiterhin führt die Texturierung zu einer Erweichung der Oberfläche, was den vorherrschenden Deformationsmechanismus ändert. Die Widerstand-Last-Abhängigkeit der texturierten Oberflächen folgt dabei dem Holm-Modell, wonach der Kontaktwiderstand durch plastische Deformation der Oberfläche bestimmt wird. Es wird gezeigt, dass die Lasertexturierung das Aufbrechen elektrisch isolierender Oxidschichten erleichtert und damit sowohl zur Verminderung des elektrischen Kontaktwiderstands als auch zur Abnahme des Hystereseeffekts zwischen dem Be- und Entlasten führt.

The demands on electrical connectors for automotive applications have risen in recent years due to a growing number of electronic systems and the resulting need for their miniaturization. An electrical connector must present low and stable contact resistance while being highly resistant against mechanical wear. In order to achieve this, the effect of laser surface texturing (LST) on the fretting wear behavior and the stationary contact resistance of tin-plated copper contacts is explored. The microstructure and topography of the contact surface before and after testing was analyzed using advanced characterization methods such as focused ion beam (FIB), Raman spectroscopy and secondary ion mass spectrometry (SIMS). Results show that the surface cavities introduced by LST act as micro reservoirs for wear debris, which leads to a lower electrical contact resistance and a prolonged service life of connector materials. Furthermore, LST induces surface softening and thereby changes the predominant deformation mechanism. The resistance versus load behavior of the laser-textured contact follows the Holm model, indicating that plastic deformation governs the electrical resistance. It is demonstrated that LST eases the breakdown of insulating oxide layers which reduces the electrical contact resistance as well as the resistance hysteresis during operational mating and unmating cycles.