Elektrische Eigenschaften von Steckverbindungen prüfen Wann und wie die Widerstandsveränderung durch Fritten auftritt

Ein stabiler Kontaktwiderstand ist ein wichtiges Merkmal für eine gute Steckverbindung. Veränderungen des Kontaktwiderstandes können verschiedene Gründe haben. Eine der Ursachen ist das elektrische Durchbrechen von hochohmschen Schichten, auch Fritten genannt.

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Um den Einfluss des Frittens zu eliminieren, werden für die Prüfungen von Steckverbindungen der Prüfstrom und der maximal zulässige Spannungsabfall festgelegt. Um diese einzuhalten, müssen spezielle Geräte für die Prüfungen verwendet werden. Es stellt sich auch die Frage, unter welchen Bedingungen und in welcher Form die Widerstandsveränderung aufgrund des Frittens auftritt.

Untersuchungen zeigen, dass der maßgebende Faktor für das Fritten die Spannung am Kontakt ist, die bei jedem Oberflächenmaterial immer innerhalb eines typischen mV-Bereichs liegt. Aufgrund dessen und der Tatsache, dass der Kontaktwiderstand der meisten Steckverbindungen sehr gering ist, tritt das Fritten bei vielen Steckverbindungen im relevanten Strombereich gar nicht auf. Deshalb kann auch der gerätetechnische Aufwand bei einigen Prüfungen reduziert werden.

Elektrischer Durchbruch durch Fritten

Hochohmige Korrosions- und Fremdschichten können elektrisch durchgebrochen werden (Bild 1). Dieser Vorgang wird als Fritten bezeichnet. Ein deutliches Zeichen für das Fritten ist ein Knick in der Spannungs- und Stromkennlinie, welcher auf einen Sprung des Kontaktwiderstandes hindeutet.

Für Anwendungen bedeutet dieser Sprung des Kontaktwiderstandes eine Änderung der Übertragungseigenschaft von Steckverbindungen, die das zu übertragende Signal, z.B. eine Überwachungsspannung verfälschen kann. Bei allgemeinen Prüfungen von Steckverbindungen könnte es durch die Verwendung eines zu großen Messstromes und einer zu hohen Leerlaufspannung zum Fritten kommen. Somit bliebe eine Kontaktwiderstandserhöhung unentdeckt. Um das zu vermeiden, werden z. B. in der IEC 512 Teil 2 ein maximaler Messstrom von 100 mA und eine maximale Leerlaufspannung von 20 mV vorgeschrieben.

Allgemein wird vorgeschlagen, dass bei Kontakten für geringe Last Goldlegierungen verwendet werden. Als Grenze für geringe Last werden Werte von 3 bis 10 mA genannt [1]. Diese liegen oberhalb der Ruhestrom- und Überwachungsstromstärke von vielen elektronischen Modulen. Aufgrund des stark steigenden Einsatzes der Elektronik in Maschinen und Fahrzeugen ist man bestrebt, den Ruhestrom und Überwachungsstrom zu senken. Dadurch kann der Ruhestromverbrauch in Maschinen und Fahrzeugen reduziert werden.

Folgende Fragen sollen im Rahmen der Untersuchungen beantwortet werden: Wie klein muss der Messstrom sein, damit kein Fritten auftritt und somit der erhöhte Widerstand detektiert wird? Unter welchen elektrischen Bedingungen tritt Fritten auf? Wie werden die Eigenschaften von elektrischen Kontakten durch Fritten beeinflusst? Wo liegen die Untergrenzen der Spannung am Kontakt und des Stromes für eine einwandfreie Übertragungsfunktion?

Datacom, Telekom, Maschinenbau und Automotive

Um Ergebnisse der Untersuchungen abzusichern, werden unterschiedliche Prüflinge untersucht, die unterschiendliche Materialien, unterschiedliche Vorgeschichten und unterschiedliche Oberflächenschutzschichten aufweisen (Bild 2).

Dabei sind sowohl Steckverbindungen für Computer, Telekommunikation wie auch Elemente aus dem Maschinenbau und dem Automotive-Bereich. Die Steckverbindungen sind teilweise künstlich gealtert. Einige wurden aus alten Geräten nach langjährigem Gebrauch ausgebaut. Bei den Oberflächen handelt es sich um Gold, Silber und Zinn. Aufgrund der Natur der Untersuchung wird im folgenden nicht zwischen den Bauarten der Steckverbindungen unterschieden.

Versuchsaufbauten und Messmethoden

Für Messungen des Kontaktwiderstandes wird die Vierleiter-Methode verwendet. Um die kurzzeitigen Geschehnisse zu erfassen, wird die Spannung am Kontakt mit einem Transientenrekorder überwacht. Dazu wird ein Oszilloskop verwendet, das auf einem Aktivierungspegel von 20 mV eingestellt ist.

Als Voltmeter wird ein Keithley Nanovoltmeter 2182A verwendet. Zudem wird je nach Stromstärke auch die Keithley Stromquelle 6220 (bis 100 mA) oder Delta-Elektronika-Power-Supply in Kombination mit einer elektronischen Last (100mA bis 40A) als Stromquelle verwendet.

Um elektromagnetische Störungen aus der Umgebung bei Messungen mit kleinen Strömen abzuschirmen, werden eine Abschirmkammer und abgeschirmte Kabel verwendet.

Die Messung beginnt mit einem sehr kleinen Strom von 100 µA. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass unter den genannten Bedingungen keine zuverlässigen Messungen bei noch kleineren Strömen durchzuführen sind. Aus der gemessenen Spannung wird der Durchgangswiderstand ermittelt. Davon wird der Bahnwiderstand abgezogen, um den eigentlichen Kontaktwiderstand zu erhalten. Der Strom wird nun solange schrittweise erhöht, bis die Fremdschicht durchschlagen wird.

• Durchbruchverhalten in Abhängigkeit von der Zeit

Beim Erreichen der Durchbruchspannung beginnt der Widerstand abzunehmen. Das elektrische Durchbrechen ist ein relativ langsamer Prozess. Der Widerstand nimmt mit der Zeit stetig ab. Erst nach 30 bis 60 min wird die Widerstandkonstanz erreicht. Bild 3 zeigt den typischen Verlauf des Kontaktwiderstandes in Abhängigkeit der bestromten Zeit. Aus diesem Grund werden die Messwerte erst nach dem Erreichen der Spannungs- (Widerstands-)Konstanz abgelesen.

• Messstrom

Um den Messstrom festlegen zu können, werden Kontaktwiderstände an Steckverbindungen mit Gold-, Silber- und Zinnoberflächen im neuen und gealterten Zustand in Abhängigkeit von Messstrom gemessen. Die Messreihen beginnen mit einem Messstrom von 100 bzw. 400 µA und enden mit einem Messstrom von 100 mA. Bei keiner der insgesamt 15 Messreihen (ca. 500 Messungen) wird eine starke Schwankung des Kontaktwiderstandes festgestellt. Bild 4 zeigt einige typische Verläufe des Kontaktwiderstandes in Abhängigkeit vom Messstrom.

Aufgrund dieser Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass das Variieren des Messstroms im Bereich von 100 µA bis 100 mA keinen relevanten Einfluss auf das Messergebnis aufweist. Dabei ist zu erwähnen, dass je kleiner der Messstrom ist, umso störanfälliger die Messung aufgrund der Umgebungsstörungen ist. Aus diesem Grund ist ein Messstrom im Mikroampere-Bereich nicht zu empfehlen.

• Bedingungen für das Fritten

Wird der Messstrom weiter erhöht, tritt das Fritten auch in unterschiedlichen Ausprägungen auf (Bild 5). Dabei fällt auf, dass das Fritten bei sehr unterschiedlichen Strömen (von ca. 400 mA bis über 10 A) beginnt. Dabei liegen die Spannungen am Kontakt, bei denen das Fritten beginnt, in den meisten Fällen in einem sehr engen Bereich zwischen 20 bis 60 mV. Vereinzelt wurden auch Spannungen bis zu 120 mV gemessen. Der Kontaktwiderstand liegt zwischen 0,3 und ca. 130 mΩ. Die Spannung am Kontakt ist somit die relevante Bedingung für das Fritten.

• Funktionstüchtigkeit von Steckverbindungen bei niedrigen Strömen und niedrigen Spannungen

Aufgrund der ermittelten Bedingungen für das Fritten ist die Funktionstüchtigkeit von Steckverbindungen bei niedrigen Strömen gegeben, wenn kein zu hoher Durchgangswiderstand bei einem Messstrom von 100 mA ermittelt wird. Maßgebend für die Veränderungen des Kontaktwiderstandes aufgrund des Frittens ist die Spannung am Kontakt.

Ursache für das Fritten

Maßgebend für das Fritten ist die Spannung am Kontakt. Diese liegt abhängig vom Zustand und Werkstoff der Oberfläche im Bereich 20 bis 120 mV. Für konventionelle Anwendungen im Maschinenbau und Fahrzeugbau (I > 100 µA, RK im mΩ-Bereich) tritt das Fritten erst bei einem Strom höher als 400 mA auf. Eine Verringerung des Messstromes zum Überprüfen der Funktionsfähigkeit bei kleinen Strömen ist daher nicht erforderlich. Ob diese Schlussfolgerungen allgemein gültig sind, muss durch weitere Untersuchungen an unterschiedlichen Bauteilen und Oberflächen verifiziert werden.

Literatur

[1] Vinaricky, E. (Hrsg.): Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen, Springer, Berlin 2002

*Prof. Dr. -Ing. Jian Song leitet das Labor für Feinsystemtechnik an der FH Lippe und Höxter in Lemgo. Alessandro Alberani ist Leiter Qualitätssicerung und Labor des Geschäftsbereiches industrielle Verbindungstechnik bei Phoenix Contact in Blomberg.

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