Verzinnung von Kupferwerkstoffen

Die hauptsächliche Anwendung (60-65 %) von Kupferwerkstoffen liegt bei elektrotechnischen Anwendungen. Nahezu alle Industriezweige setzen diese für stromtragende Bauteile ein. Insbesondere Steckverbinder und Stanzgitter werden im Einsatz einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt, wie hier exemplarisch am Beispiel Automobil gezeigt wird:

  • Temperatur: -40 bis 150 °C
  • Feuchtigkeit 
  • Vibrationen
  • Elektrische Betriebsbedingungen
  • Schadgase
  • Feinstaub

Um ein dauerhaftes Funktionieren der Steckverbinder sicherzustellen, müssen daher eine Reihe von Werkstoffeigenschaften betrachtet und auf den Einsatz abgestimmt werden (s. Tabelle).

Diese komplexen Anforderungen werden durch Beschichtung von Kupferwerkstoffen erfüllt.  Zum einen werden Kupferbauteile galvanisch mit Edelmetallen beschichtet -  eine günstigere und für viele Anwendungen ebenso adäquate Lösung stellt aber auch die Verzinnung dar. Prozesstechnisch bieten sich hierbei die Alternativen Feuerverzinnung  oder galvanische Verzinnung an.

Anforderungen an Steckverbinder

Feuerverzinnung

Feuerverzinnungsanlage

Die Feuerverzinnung von Bändern ist nach EN 13148 genormt, wobei das gründlich entfettete, getrocknete und aktivierte Band durch ein Bad mit Flüssigzinn gefahren wird, welches Temperaturen zwischen ca. 250 und 290°C – der Schmelzpunkt von Zinn liegt bei nur 232 °C - hat. Nach dem Verlassen des Zinnbades wird das flüssige Zinn i. d. R. mittels Luftdüsen auf die geforderte Schichtdicke abgestreift und das Band zur Erstarrung des Zinns gekühlt. Der schematische Aufbau einer Feuerverzinnungsanlage ist hier schematisch gezeigt.

Auf diese Weise können Schichtdicken erreicht werden, die mit Werten zwischen 0,7 und 20 μm einen weiten Bereich umfassen und damit zahlreiche Anwendungen erschließen. Je nach Schichtdicke stehen dabei unterschiedliche Eigenschaften im Vordergrund.

 Reinzinn ist deutlich weicher als Kupfer (HV (Sn) = 8), so dass die reale Kontaktfläche mit steigender Dicke der Zinnschichten durch plastische Deformation der Kontaktfläche größer wird, damit einhergehend allerdings auch höhere Steck- und Ziehkräfte benötigt werden. Die Lötbarkeit und Korrosionsbeständigkeit ist bei höheren Schichtdicken besser.

Eigenschaften verschiedener Zinnschichten

Bildung intermetallischer Phasen

Bildung intermetallischer Phasen bei der Feuerverzinnung

Die Haftung auf dem Grundwerkstoff ist außerordentlich gut, da zwischen Kupfer und Zinn keine Diffusionsbarriere besteht. Die Kupferatome können daher in das Zinn wandern - der umgekehrte Prozess wird kaum beobachtet. Durch die hohe Temperatur beim Feuerverzinnungsprozess bilden sich bereits bei der Beschichtung selbst intermetallische Phasen aus.

Diese intermetallischen Phasen mit ihren hohen Härten (HV (ε-Cu3Sn) = 343) sind zum Beispiel für die geringen Steck- und Ziehkräfte ursächlich. Sollte der Anteil der intermetallischen Phase aber zu groß werden (z.B. in Folge erhöhter Temperaturen) können sich Nachteile bei Löt- und Umformbarkeit und beim Übergangswiderstand ergeben. Man kann solche vollständig „durchgewachsenen“ Schichten (100% IMC – intermetallic compound) zur Erzielung ganz besonderer Eigenschaften bewusst durch eine nachträgliche Glühbehandlung erzeugen. In den folgenden Bildern ist die Bildung der Phasen schematisch gezeigt.

Phasendigramm Kupfer/Zinn

Die Zusammensetzung der intermetallischen Phasen lässt sich genauer bei Betrachtung des Phasendiagramms Kupfer/Zinn, das unten gezeigt ist, erklären. Man sieht bei niedrigen Temperaturen die drei möglichen Phasen β-Zinn, η‘-Cu6Sn5 und ε-Cu3Sn, die sich im Kupfer/Zinn-Verhältnis unterscheiden (je nachdem, wo man sich auf der x-Achse befindet).

Bitte beachten: Cu3Sn ist die chemische Formel der ε-Phase. Die tiefgestellten Zahlen geben das atomare Verhältnis und nicht den Prozentsatz an.

Direkt nach Beschichtung liegt in den oberflächennahen Schichten zunächst reines β-Zinn vor, das rechts unten im Diagramm mit einem roten Kreis gekennzeichnet wird. Bei einer Diffusion von Kupfer in die Zinnschichten erhöht sich der Kupferanteil - im Diagramm wird dies durch Wanderung von rechts nach links zu höherem Kupferanteil deutlich (Pfeil). Dadurch liegt zunehmend mehr η‘-Phase der chemischen Zusammensetzung Cu6Sn5 neben reinem Zinn vor (mittlerer Kreis), so dass einiger Zeit ausschließlich die η‘-Phase vorliegt. Bei weiter erhöhtem Kupferanteil wird anschließend die ε-Phase der Zusammensetzung Cu3Sn gebildet (linker Kreis).

Galvanische Verzinnung

Galvanische Verzinnung

Beim galvanischen Verzinnen werden keine Temperaturbelastungen auf den Grundwerkstoff ausgeübt. Dies kann für wärmeempfindliche Werkstoffe, die beim Feuerverzinnen zur Entfestigung neigen (wie z. B. ETP-Cu), sinnvoll sein. Ebenso besteht die Möglichkeit einer Mehrfach- oder Selektivbeschichtung und es können Zwischenschichten zur Verbesserung der Haftfestigkeit oder der Reduzierung der Diffusion aus dem Grundwerkstoff – Nickel in Schichtdicken über 2 mm oder Kupfer/Nickelschichten sind besonders geeignet als Sperrschicht - verwendet werden. In der Regel sind galvanisch verzinnte Bänder allerdings aufgrund der langen Abscheidezeiten und der damit verbundenen hohen Kosten auf Schichtdicken < 4 μm beschränkt. Darüber hinaus wird häufig von – gegenüber feuerverzinnten Bändern – geringeren Standzeiten der Stanzwerkzeuge berichtet. Das Bild zeigt schematisch den Prozess. 

Der wesentliche Unterschied der galvanischen zur Feuerverzinnung liegt darin, dass durch geringere Temperaturen bei der Beschichtung keine intermetallischen Phasen ausgebildet werden. Die Diffusion der Kupferatome bei der galvanischen Verzinnung erfolgt vor allem über Korngrenzen, wodurch Eigenspannungen im Festkörper ausgebildet werden, die in der Bildung von Whiskern resultieren können. Whisker sind haarförmige Einkristalle, die mehrere hundert Mikrometer aus der Oberfläche "herauswachsen" können und bei elektronischen Bauteilen eine Kurzschlussgefahr darstellen.

Das Problem ist jedoch lange bekannt und kann unter anderem durch Reflowbehandlung – eine nachträgliche Wärmebehandlung mit kurzzeitigem Wiederaufschmelzen des Zinns - oder über die vorherige Abscheidung von Kupfer-Nickel-Sperrschichten minimiert werden.

Die Schichtbildung bei den standardmäßig angewandten Verfahren wird noch einmal in folgenden Bildern graphisch zusammengefasst.

Verfahren bei der Verzinnung von Kupferbändern

Quellennachweis: Aurubis AG, Wieland-Werke AG