Haltbarkeit von Stiftbeschichtungsmaterialien für PCB-Steckverbinder

Stiftleisten sind eine der gängigen Komponenten auf PCBs, aber sie haben eine Spezifikation, die nicht immer berücksichtigt wird: das Plattierungsmaterial. Das Material, das Sie bei PCB-Stiftleisten, Steckverbindern, Pogo-Pins und Durchgangspfosten sehen, ist nur eine Beschichtung, und es wird über ein Basismetall abgeschieden, das die Hauptstrukturmerkmale liefert. Obwohl es wie ein kleines Detail erscheinen mag, ist die Stiftbeschichtung ein großer Bestimmungsfaktor für die Zuverlässigkeit bei Stiftverbindungen, genau wie bei der Oberflächenschicht eines PCBs.

Für die meisten Anwendungen werden einfache zinnbeschichtete Steckverbinderstifte verwendet, und diese werden aus der Zuverlässigkeitsperspektive akzeptabel sein. Wenn eine höhere mechanische Zuverlässigkeit benötigt wird, sollten die unten gezeigten Plattierungsoptionen in Betracht gezogen werden. Viele Steckverbinderhersteller bieten diese Plattierungsmaterialien bei ihren Produkten an, was vorgefertigte umhüllte Steckverbinder und Crimpkontakte für Kabelbaugruppen einschließt.

Plattierungsmaterialien für elektrische Steckverbinder

Steckverbinderstifte haben tendenziell 5 verschiedene Plattierungsoptionen: Zinn, Zinn-Blei, Gold, Silber oder Messing. Es gibt auch einige Steckverbinder, die spezielle Plattierungsmaterialien verwenden, wie Legierungen, die Nickel oder Palladium enthalten, ähnlich wie ENIG/ENEPIG.

Bei Basismaterialien ist die gängige Option Messing oder Phosphorbronze, obwohl ein robusteres Steckverbinder-Basismaterial Edelstahl ist, was gewünscht wäre, wenn stärkere Verbindungen benötigt werden.

Nun, da wir die Materialoptionen abgedeckt haben, werfen wir einen genaueren Blick auf die Plattierungsmaterialien.

Zinnbeschichtung

Dies ist die gängigste und kostengünstigste Plattierungsoption, und sie wird häufig bei Stiftleisten und Steckverbinderleitungen verwendet, typischerweise über Messing-Basismaterialien. Zinn bildet eine Oxidschicht, wenn es der Luft ausgesetzt wird, und es wird weiter korrodieren, wenn es korrosiven Mitteln ausgesetzt ist. Einige der Vorteile der Zinnbeschichtung:

• Es lässt sich leicht mit zinnbasierten Lötpasten oder Drähten löten
• Die Beschichtung ist dick (100er Mikrometer), was viele Steckzyklen ermöglicht
• Zinn gehört zu den kostengünstigsten Plattierungsoptionen

Obwohl Zinn-Steckverbinderstifte eine hohe Bewertung für Steckzyklen haben können, kann die Beschichtung dennoch aufgrund von Reibung abgetragen werden, was ein Grund ist, warum die Plattierungsablagerung sehr dick sein kann. Zinn hat auch das Potenzial, Whisker-Bildung zu erfahren, genau wie Sie es bei Zinnbeschichtungen auf PCBs finden würden. Das Whisker-Problem ist bei Steckverbinderstiften weniger wichtig, es sei denn, die Stifte sind sehr dicht.

Goldbeschichtung

Goldbeschichtung ist eine teurere Option, die einige Haltbarkeitsvorteile gegenüber anderen Beschichtungen bietet. Goldbeschichtung findet man bei Stiftleisten, Steckverbinderstiften und -buchsen sowie bei Pogo-Pin/Buchsen-Paaren. Obwohl Gold ein weiches Metall ist, ist es auch ein Edelmetall, was es korrosionsbeständiger macht als Zinn.

• Niedriger Kontaktwiderstand im Steckbereich
• Dünne Beschichtung (10er Mikrometer) über einer Nickelschicht
• Niedrige Reibung überwindet die geringe Härte von Gold, um viele Steckzyklen zu gewährleisten
• Höhere Korrosionsbeständigkeit als Zinn

Sie haben wahrscheinlich schon vergoldete Stiftleisten wie dieses Streifen von Harwin verwendet. [Produktlink auf Octopart]

Palladium wird manchmal als Alternative zu Gold verwendet, obwohl es in kommerziellen Produkten nicht üblich ist. Einige Unternehmen, die Galvanisierungsdienste anbieten, stellen Palladium als eine Option zur Verfügung, die viel haltbarer als Gold ist, ohne die Kosten übermäßig zu erhöhen.

Zinn-Blei-Beschichtung

Da bleifreie Beschichtungen nicht für die Luft- und Raumfahrt oder andere Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit qualifiziert sind, wird Zinn-Blei normalerweise als PCB-Beschichtung, Komponentenleiter-Beschichtung und beim Löten verwendet. Zinn-Blei kann stärkere Lötverbindungen bilden und das Vorhandensein von Blei unterdrückt das Wachstum von Whiskern in Beschichtungen und Lötstellen.

• Hohe Zuverlässigkeit mit einfacher Lötbarkeit
• Dicke Beschichtung (100er Mikrometer) und hohe Härte ermöglichen viele Steckzyklen
• Kostengünstige Beschichtungsoption für viele Basismaterialien (Messing, Edelstahl usw.)
• Bessere Korrosionsbeständigkeit als bleifreie Beschichtungen

Trotz der Unfähigkeit, die RoHS-Richtlinie einzuhalten, wird die Zinn-Blei-Beschichtung in Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit wie der Luft- und Raumfahrt erforderlich sein, bis bleifreie Beschichtungsoptionen nachgewiesen werden können, dass sie Leistungs- und Qualifikationsstandards erfüllen.

Silberbeschichtung

Silber ist weniger verbreitet, bietet jedoch eine bessere Kompatibilität mit versilberten Lötmitteln, um ähnliche intermetallische Verbindungen beim Löten zu bilden. Es bietet auch den niedrigsten Kontaktwiderstand von nativen Metallbeschichtungen, sodass es in Anwendungen mit hoher Stromdichte verwendet werden kann, wo eine größere Zuverlässigkeit benötigt wird.

• Niedrigstmöglicher Kontaktwiderstand im Steckbereich
• Dünne Beschichtung (10er Mikrometer) über Basismaterial oder Seed-Schicht
• Niedrige Reibung überwindet die geringe Härte von Silber, um viele Steckzyklen zu gewährleisten

Genau wie die Silberoberflächenbeschichtung auf einer PCB können Silbersteckerleitungen im Laufe der Zeit Anlaufen ansammeln. Wenn eine silberbeschichtete Komponente gelötet werden muss, dann muss dies innerhalb weniger Monate nach Erhalt der Platine/Komponenten geschehen, sonst wird das Anlaufen die Stärke der Lötverbindung verringern.

Beispiel eines versilberten Crimpkontakts für eine Drahtverbindung, erhältlich bei Jameco.

Selektive Beschichtung

Einige Stiftleisten und durchkontaktierte Pins könnten selektiv beschichtet werden, wobei zwei verschiedene Beschichtungen für unterschiedliche Teile des Anschlussstifts verwendet werden. Zum Beispiel könnten bei Stiftleisten einige Produkte nur an der Spitze der Anschlussstifte eine Goldbeschichtung haben, während der Lötpunkt mit Zinn oder Zinn-Blei beschichtet sein könnte. Dies würde die Zuverlässigkeit des Zinn-Blei-Lötens an der Basis des Anschlusses mit der Korrosionsbeständigkeit einer Goldbeschichtung auf den exponierten Leiterstiften kombinieren.

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