Koaxiale Steckverbinder | Know-how

18. Oktober 2012 | Telegärtner Karl Gärtner GmbH

COAX

Oberflächenbeschichtung
für koaxiale Steckverbinder

Qualitativ hochwertig und dennoch wirtschaftlich

Steckverbinder in der Hochfrequenztechnik sind vielfältigen Anforderungen und Belastungen ausgesetzt. Um dem Rechnung zu tragen, werden die Oberflächen von koaxialen HF-Steckverbindern veredelt. Nicht immer jedoch ist die technisch anspruchsvollste Lösung gesamtheitlich gesehen die beste. Auch – oder gerade – im High-Tech-Zeitalter muss eine technisch hervorragende Lösung auch gleichzeitig wirtschaftlich sein.

Die Oberflächen-Veredelung bei HF-Steckverbindern muss sicherstellen, dass die Verbindung lange zuverlässig funktioniert. Elektrische, mechanische und chemische Einflüsse müssen bei Konstruktion und Fertigung entsprechend berücksichtigt werden, was zu vielfältigen Anforderungen führt.
Zu den elektrischen Forderungen zählen eine möglichst gute Kontaktgabe und die störungsfreie Signalübertragung. Dabei soll die Verbindung möglichst abriebfest sein (mechanische Anforderung), um den Verschleiß und damit die Wechselzyklen oder Ausfallzeiten durch Ersatz der Steckverbindung beispielsweise in Geräten zu minimieren. Dazu kommt der Korrosionsschutz als chemische Anforderung: Die veredelte Oberfläche hat das Grundmaterial vor der Zerstörung durch Umwelteinflüsse zu schützen.

Lösungsansätze

In der Praxis sind verschiedene Varianten mit spezifischen Vor- und Nachteilen anzutreffen.

Häufig verwendete Materialien für koaxiale HF-Steckverbinder

Silber besitzt eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und – da es nicht ferromagnetisch ist – eine
ebensolche Intermodulationsfestigkeit, doch die Abriebfestigkeit ist die schlechteste der oben
skizzierten Materialien.
Die Kupfer-Zinn-Zink-Legierung Telealloy bietet eine gute Abriebfestigkeit, die Leitfähigkeit liegt jedoch
weit unter der der anderen Materialien.
Nickel würde sich als kostengünstiger Werkstoff anbieten, weist aber keine besonders gute
Intermodulationsfestigkeit auf; seine schwach-ferromagnetischen Eigenschaften erweisen sich bei
intermodulationssensiblen Anwendungen als Nachteil. Dazu kommt, dass Nickel häufig Auslöser von
Kontaktallergien ist.
Und Gold? Gold bietet unbestreitbare Vorteile. Bei Kleinsteckverbindungen, die typischerweise
Signale mit geringer Leistung übertragen, werden geringe Kontaktwiderstände gefordert, die mit Gold
oder Goldlegierungen erreicht werden. Daneben ist Gold ein äußerst beständiger Werkstoff, der sich
gut verarbeiten und löten lässt.

Materialeigenschaften im Vergleich

Gold allein macht nicht glücklich

Dieses alte Sprichwort hat zumindest in der Hochfrequenztechnik bis heute nichts von seiner Gültigkeit verloren. Das Grundmaterial aus Messing lediglich mit einer Goldschicht zu überziehen, löst die oben skizzierten Probleme jedoch nicht. Ganz im Gegenteil: Da die im Messing enthaltenen Zinkatome wesentlich kleiner sind als die des Goldes, würden sie langsam aber sicher durch die Goldschicht zur Oberfläche diffundieren. Eine Sperrschicht zwischen den beiden ist nötig. Hierfür bietet sich Nickel an, das in der Praxis auch häufig als Diffusionssperre eingesetzt wird. Es hat nur einen Nachteil: Es haftet nicht besonders gut auf Messing.

Zwischen der Sperrschicht aus Nickel und dem Messing muss daher eine Haftschicht aus Kupfer eingebracht werden. Sie stellt sicher, dass das sich das Nickel auch bei stärkeren mechanischen Belastungen wie Stößen nicht ablöst. Eine solche Haftschicht ist beispielsweise auch bei Steckverbindern mit Silberauflage notwendig. Gold besitzt allerdings noch einen weiteren, sehr viel größeren Nachteil: Es ist teuer.
Nachdem der Goldpreis seit den Achtziger Jahre lange Zeit stabil war, nahm er seit der Jahrtausendwende stetig zu. Seit dem Jahr 2000 hat er sich im Schnitt nahezu versechsfacht, und ein Ende der Preissteigerung ist nicht in Sicht.

Die Lösung: Gold, wohldosiert

Um technisch hervorragende und gleichzeitig wirtschaftliche HF-Steckverbinder zu realisieren, hat sich in der Praxis eine Goldschicht über einer Basisschicht aus einer Nickel-Phosphor-Legierung (NiP-Au) wie beispielsweise Tribor® bewährt.
Die Nickel-Phosphor-Basisschicht ist im abgeschiedenen Zustand nichtmagnetisch und bietet eine harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche. Sie ist darüber hinaus sehr glatt, was zu zu deutlich geringerem Abrieb beim Steckvorgang führt und dadurch eine dünnere Goldauflage ermöglicht als die herkömmliche Variante von Gold auf Nickel. Die haftfeste Gold-Kobalt-Legierung auf der NiP-Basisschicht, besitzt hervorragende Gleit- und Verschleißeigenschaften. Mit ihr werden deutlich höhere Steckzyklen-Zahlen als mit herkömmlichen Goldbeschichtungen erreicht.

Innovative Lösungen fordern innovative Verfahren und Prozesse

Während konventionelle Goldbeschichtungen mit galvanischen Verfahren aufgebracht werden, greift die Fertigung bei NiP-Au-Legierungen auf chemische Verfahren zurück. Das Abscheideprinzip beruht auf den Potenzialunterschieden zwischen Metall und Elektrolyt, der auf 85 °C erwärmt wird. Mit diesem Verfahren wird eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung erreicht. Es ist teurer als galvanische Prozesse, was durch den geringeren Materialeinsatz beim Gold jedoch mehr als ausgeglichen wird und zu einer deutlich höheren Gesamt-Wirtschaftlichkeit führt.
Durch die intensiver werdende Konkurrenzsituation auf globalisierten Märkten ist eine schnelle Reaktion auf veränderte Kundenwünsche heute mehr denn je erforderlich. Durch die räumliche Konzentration von Forschung, Entwicklung, Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung an einem zentralen Standort in Deutschland ist Telegärtner diesen Herausforderungen bestens gewachsen. „Made in Germany“ bietet nach wie vor technologische wie wirtschaftliche Vorteile.