Steckverbinderkontakte Beschichtungen: Gibt es eine Alternative zu Gold?

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Gold ist bei der Beschichtung von Kontakten ein technischer Allrounder in sämtlichen Bereichen. Allerdings verliert Gold gerade wieder aufgrund geopolitischer Randbedingungen an Attraktivität. Welche Alternativen gibt es?

Fragt man Elektronikingenieure nach einer idealen Kontaktbeschichtung, mit der man allen Herausforderungen begegnen kann, so wird die Antwort in beinahe allen Fällen Gold sein. Gold besitzt eine herausragende Leitfähigkeit und das bereits bei dünnen Beschichtungsschichtstärken. Mit der zweitbesten elektrischen Leitfähigkeit aller Metalle wird der Übergangswiderstand zwischen zwei Kontaktkontrahenten auf ein Minimum reduziert.

Geringe Signalströme stellen auch bei hohen Übertragungsraten für große Datenmengen keine Herausforderung dar – und das nicht nur bei idealen Temperaturen von 20 °C im wohltemperierten Serverraum. Die Widerstandsfähigkeit von Gold gegenüber äußeren Einflüssen ist seinen elektrischen Eigenschaften ebenbürtig. Bevor die Goldschicht aufgrund von zu hohen Temperaturen versagt, wird zumeist der Kontaktgrundwerkstoff aufgrund von Deratingerscheinungen versagen.

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Erst bei Temperaturen ab 150 °C erhöht sich der Kontaktwiderstand des Goldes merklich, was allerdings noch keinem Versagen der Beschichtung gleichkommt. Auch diverse weitere Einflüsse wie stark erhöhte Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt die Beschichtung nicht.

Salzsprühnebeltests zeigen, dass Gold je nach Veredelungsart bei beispielsweise einer dünnen Beschichtungsstärke von 0,2 µm erst nach 48 h die ersten Anzeichen von Korrosion aufweist; weniger als 4 % der Beschichtungsschichtdicke einer Kontaktverzinnung nach Industriestandard.

Wenn Gold also ein absoluter Highperformer in mehreren Parametern ist, warum verliert es dann aktuell zunehmend an Beliebtheit?

Der Goldpreis: Warum Volatilität der Kostentreiber ist

In den 2020er-Jahren schwankte der Goldpreis stärker als in den Jahren zuvor. Auslöser waren neben pandemischen Zuständen weltpolitische Ereignisse wie die Russland-Ukraine-Krise. Zusätzlich wurde der Goldpreis durch die inflationsgetriebene Nachfrage nach sicheren Anlageformen weiter gestützt.

Das stellt Hersteller vor eine große Herausforderung. Preisangebote werden häufig nur noch auf Basis tagesaktueller Kurse kalkuliert. Je nach Ausführung eines Leiterplattensteckverbinders hat die Goldbeschichtung einen Anteil von über 60 % an den Herstellkosten. Das sind Faktoren, die auch der Endkunde spürt, aber Hersteller und Entwickler ebenso motivieren nach alternativen und insbesondere qualitativ gleichgestellten Methoden zu suchen.

Schichtstärken verringern: Eine Patentlösung?

Der erste Ansatz, den Hersteller im Dialog mit Anwendern in Erwägung ziehen, ist simpel und effektiv, trotzdem nicht auf jeden Fall applizierbar. Im Zusammenhang mit der Goldschichtstärke sind zwei Einflussgrößen entscheidend: Der Übergangswiderstand und die mechanische Resistenz.

Industrienormen geben Aufschluss über die mechanische Widerstandsfähigkeit von Beschichtungsstärken bis hin zu mindestens 0,2 µm. Diese erlaubt mit einer paarungsgerechten Buchsenkombination ein Minimum von 50 Verbindungszyklen. Bei einer Goldschichtstärke von 0,1 µm wird dieser Wert bereits mehr als halbiert (Bild 1).

Für einige Anwendungen also sicherlich ausreichend, unter der Berücksichtigung, dass ein Großteil der Leiterplattensteckverbindern lediglich einmal während des Montagevorgangs gesteckt wird.

Für Testaufbauten, dynamische Elektroniken und mechanische Einflüsse sind dünnere Hauchvergoldungen hingegen schnell am Rande ihrer Belastungsgrenze. Die abgenutzte Beschichtung, Wärmeentwicklung aufgrund zu hoher Widerstände und Korrosionsbildung sind die Folgen, welche letztendlich zum Versagen der Steckverbindung führen.

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Geringe Schichtstärken optimieren und widerstandsfähiger gestalten

Ist Gold als Veredlungswerkstoff unverzichtbar und alternative Kontaktwerkstoffe sind keine Option, gibt es zahlreiche Möglichkeiten, eine sehr dünne Schicht widerstandsfähiger gegenüber der Umwelt und verschiedenen Belastungen zu gestalten.

Eine Variante ist die Kombination verschiedener Legierungszusätze zum Gold. Herkömmliche Legierungsmetalle sind Nickel oder Kobalt. Diese Legierungszusätze erzeugen Hartgold, welches, wie der Name bereits vermuten lässt, die mechanische Widerstandsfähigkeit verbessert.

Hier ist eine Anpassung des Gegenspielers bzw. der Buchse unbedingt zu beachten. Ist der Gegenkontakt hier mit einer herkömmlichen Goldschicht oder einer anderen, ebenfalls weicheren Beschichtung überzogen, nutzt sich diese umso schneller ab.

Somit ist zwar die Langlebigkeit einer Seite erhöht, die gesamte Steckverbindung ist aufgrund des asymmetrischen Verschleißes geschwächt.

Die oben genannten Legierungszusätze haben allerdings einen geringfügigen, aber hemmenden Einfluss auf die elektrischen Kennwerte des Goldes. Um diesen Effekt zu umgehen, gibt es verschiedene Möglichkeiten die Oberflächenqualität zu verbessern.

Optimierung mittels Ionenbeschuss (Ion Beam Treatment)

Hierbei wird die bereits beschichtete Oberfläche mit energiereichen Ionen beschossen. Je nach Art der Behandlung ergeben sich verschiedene Vorteile in der Kristallstruktur der Goldschicht. Die Schicht wird verdichtet; eine glattere, porenärmere Oberfläche ist das Ergebnis. Die feinkörnigere Mikrostruktur erhöht die Härte und mindert die Rissbildung und Rissfortpflanzung erheblich.

Zusätzlich wird die Haftfestigkeit auf dem Substrat stark erhöht, weshalb sich die Schicht noch schwieriger ablöst. Das ist besonders essenziell, da die Haftung von Gold auf Diffusionssperren geringer ausfällt als auf anderen Substraten.

Schichtoptimierung mittels Graphenschichten

Ultradünne Graphenschichten erhöhen die mechanische Festigkeit und chemische Stabilität, bedingt durch die hohe Härte des Kohlenstoffs. Derartige Schichten sind bei korrekter Anwendung nur eine Atomlage dick und haben eine ebenfalls gute elektrische Leitfähigkeit, sodass sich die elektrischen Widerstände in den Kontaktierungen nicht erhöhen.

Die Reibung zwischen den Kontaktpartnern wird verringert, da die Schicht wie ein Festschmierstoff wirkt und der Abnutzung der Oberfläche entgegenwirkt. Darüber hinaus ist die Graphenschicht chemisch inert und reagiert kaum mit der Umgebung.

Beide Optimierungsverfahren sind zudem gut miteinander zu kombinieren. Die Kontaktoberflächen profitieren somit von den verbesserten mechanischen Eigenschaften durch den Ionenbeschuss und zusätzlich von der robusten Graphenschicht.

Mit der Kombination beider Behandlungsverfahren lassen sich aus den dünnsten Goldschichten maximale Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit herausholen. Allerdings erhöhen die vorgestellten Verfahren nicht nur die Qualität von Steckverbindungen, sondern als zusätzliche Arbeitsschritte auch die Herstellkosten und den Aufwand.

Die Prozesskette wird verlängert und folglich auch die Lieferzeiten. Daher gilt immer die Fragestellung, ob weitergehende Behandlungen wirklich unabdinglich sind.

Anforderungsdefinition als Basis effizienter Steckverbinder

Die konkreten Einsatzbedingungen und technischen Spezifikationen eines Steckverbinders sind den Entwicklern und Anwendern des Endprodukts am besten bekannt (Bild 2). Hier sind die Vorgaben zu den verschiedenen Belastungen bei Herstellern und Entwicklern von Steckverbindern der Schlüssel zu effizient ausgelegten Bauteilen. Ziel ist es, Steckverbindungen genau zwischen Overengineering und anwendungsgerechter Qualität zu dimensionieren.

Voraussetzung ist ein Partner, der auch in Prototypen- und Kleinserien flexibel agiert und Vorserienmuster für Zulassungen kundenspezifisch anpasst und mit Erfahrung und Kompetenz berät. Anfänglich vermeintlich hohe Entwicklungskosten amortisieren sich gerade im Bereich der Goldeinsparung bereits ab kleinen bis mittleren Serien.

Fazit: So viel wie nötig, so wenig wie möglich

Die Möglichkeiten zur Optimierung von Goldschichtstärken und Materialeinsatz sind vielfältig. Randparameter des gesamten Systems müssen allerdings frühzeitig und klar kommuniziert werden, denn mit diesen Informationen gilt es, die Rahmenbedingungen der Steckverbindung auszulegen. Für den Einsatz von Gold gilt weiterhin: So viel nötig, so wenig wie möglich. Angesichts aktueller Goldpreise sind jedoch Maßnahmen gefragt, die die Materialkosten nachhaltig reduzieren. (kr)

* Timon Dahlhaus ist Entwicklungsingenieur für Leiterkartensteckverbinder bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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