Zuverlässigkeit und Eigenschaften von Gold-Schichten bei hohen Einsatztemperaturen

Abstract:
Kontakte in Schaltelementen werden bei zunehmend höheren Umgebungstemperaturen über eine lange Zeitspanne eingesetzt. Während der Betriebsdauer, die bis zu 20 Jahren betragen kann, sollen die Kontaktwiderstände stabil bleiben. Dies ist unabhängig ob die Kontakte während dieser Zeit betätigt werden oder nicht. Abhängig von der Anwendung sollen dann 10 und mehr Millionen Schaltungen mit stabilem Kontaktwiderstand möglich sein. Vor allem an Signalrelais werden diesbezüglich besonders hohe Anforderungen gestellt. Da diese heute zum überwiegenden Teil für Oberflächenmontage ausgelegt sind, müssen sie während des Lötprozesses Spitzentemperaturen von über 260Grad C widerstehen und dies in der Regel während mehrerer Durchläufe. In typischen Anwendungen wie im Automobil werden Signalrelais oft im Motorraum eingesetzt, wo Betriebstemperaturen von 125 °C durchaus üblich sind. Unabhängig von der Betriebstemperatur, sollte der Kontaktwiderstand während der Lebensdauer um weniger als 10 mOhm schwanken. Dies führt zu extremen Anforderungen an die Eigenschaften und Qualität der eingesetzten Kontaktmaterialien, die in aller Regel mit einer Goldoberfläche versehen sind. Untersuchungen an diffundierten, gesputterten und walzplattierten Goldoberflächen, die entweder als Reingold oder als Legierung mit anderen Edel- oder Unedelmetallen ausgeführt wurden, zeigen deutliche Unterschiede in der Stabilität des Kontaktwiderstandes. Die mit Reingold diffundierten und gesputterten Kontaktoberflächen zeigen deutlich besseres Verhalten als die walzplattierten Kontakte. Sehr nachteilig haben sich Goldoberflächen mit höheren Unedelmetallanteilen (Ni) oder Kobalt, sogar in geringen Konzentrationen, herausgestellt. Nicht zu unterschätzen ist auch der Einfluss des Basismaterials. Hier können bei höheren Temperaturen Unedelmetalle leicht an die Kontaktobefläche diffundieren und zu erhöhten Kontaktwiderständen führen. So weisen Kontakte mit PdRu10 eine deutlich bessere Stabilität des Kontaktwiderstandes auf als solche mit AgNi 20. Werden die bestmöglichen Kontaktmaterialien in hermetisch dichte Schaltelemente wie das IM Relais eingebaut, kann ein sehr stabiles Verhalten des Kontaktwiderstandes beim Lötprozess, bei Hochtemperaturanwendungen sowie beim Schalten erwartet werden. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der bereits ausgezeichneten Zuverlässigkeit von elektromechanischen Relais unter extremen Einsatzbedingungen.