REM/EDX Analyse erhöhter Kontaktwiderstände elektrischer Kontakte am Beispiel eines Federkontaktstifts (Pogo Pins)

Ausfälle aufgrund erhöhter Kontaktwiderstände bei Steckverbindungen oder Kontakt­stiften sind ein immer wieder auftretendes Fehlerbild. Beispielsweise können Fremd­materialien (Kontaminationen durch Partikel oder filmische Kontaminationen), Reib­korrosion (engl. fretting corrosion) oder andere Materialveränderungen im Kontakt­bereich der Komponenten zu einer signifikanten Widerstands­erhöhung bis hin zu einem voll­stän­digen Kontaktverlust führen. Die Analyse der Ursachen solcher Fehler können mit lokal chemisch empfindlichen Verfahren wie ToF-SIMS, XPS oder EDX in Kombination mit mikroskopischen verfahren wie der Rasterelektronenmikroskopie (REM) sehr häufig erfolgreich durchgeführt werden.

Federkontaktstifte (sog. Pogo Pins) finden sich in zahlreichen Elektronik­komponenten als Kontaktierung­selement. Hier kommen sie z.B. zum Einsatz wenn eine temporäre/lösbare Verbindungen benötigt wird, wie etwa bei einer Batterie­kontaktierung oder als Prüf­spitze. Oder sie werden verwendet um übereinander­liegende Leiter­platten miteinander zu verbinden. Auch hier sind elektrische Kontaktprobleme immer wieder die Ursache für den Ausfall von Baugruppen.

Zur Etablierung eines qualitativ guten elektrischen Kontakts weisen Stecker und Pins oft verschiedene Schichten auf. Viele hochwertige Kontaktierungselemente sind außen mit einer Goldschicht versehen, die besonders korrosionsbeständig ist und eine zuverlässige elektrische Kontaktierung ermöglicht. Alternative Materialien sind Silber oder in einfacheren Kontakten auch Stahl oder Zinn. Kommt als Basismaterial z.B. Kupfer, Messing oder eine Bronze zum Einsatz, befindet sich unter der äußersten Metallisierung oft einen dünne Nickelschicht, welche als Diffusionsbarriere dient. Damit soll die Bildung einer intermetallischen Phase mit den daraus resultierenden möglichen elektrischen Kontaktproblemen weitgehend verhindert werden.

REM Abbildung eines Federkontakts zur elektrischen Kontaktierung. Die Spitze des Kolbens ist der für den elektrischen Kontakt entscheidende Bereich.
REM Abbildung eines Federkontakts zur elektrischen Kontaktierung. Die Spitze des Kolbens ist der für den elektrischen Kontakt entscheidende Bereich.
REM/EDX Analyse auf der Spitze des elektrischen Kontaktes. Es sind deutliche Verschleißspuren des Stifts im Kontaktbereich zu erkennen. Ein EDX Mapping ermöglicht die genaue Identifizierung der defekten Schicht.
REM/EDX Messung auf der Spitze des elektrischen Kontaktes. Es sind deutliche Verschleißspuren des Stifts im Kontaktbereich zu erkennen. Ein EDX Mapping ermöglicht die genaue Identifizierung der defekten Schicht und von Fremdmaterialien.

Mechanische Beanspruchungen der Stecker und Pins führen immer wieder zu Problemen mit Reibkorrosion (engl. fretting corrosion). Solche elektrischen Kontaktprobleme lassen sich auch im Falle von sehr kleinen Kontaktpunkten mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) abbilden und untersuchen. Die Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX) ermöglicht zudem eine Identifizierung der lokalen Elementzusammensetzung oder kann die laterale Verteilung der im Defektbereich vorhandenen Elemente darstellen (EDX-Mappings).

Die im rechten Bild dargestellten EDX Messungen wurden unter Verwendung eines speziellen EDX-Detektors (Bruker FlatQuad) durchgeführt. Sein spezieller Aufbau ermöglicht ein ausgesprochen gutes Signal/Rausch-Verhältnis und vermeidet topographiebedingte Signal-Abschattungen.
In dem oben gezeigten Fall des Federkontakts kann durch das EDX-Mapping deutlich der Durchrieb der Goldschicht im für den elektrischen Kontakt entscheidenden Bereich nachgewiesen werden. Die unter dem Gold liegende Nickelschicht liegt frei und konnte sdaher oxidieren. Dies führt in der Folge zu einem erhöhten Kontaktwiderstand. Hierdurch lässt sich der Ausfall bzw. die signifikante Verschlechterung des elektrischen Kontakts erklären.

(Hinweis: In dem hier dargestellten EDX-Mapping wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle mit EDX nachgewiesenen Elemente dargestellt.)

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