Materialwissenschaftliche Untersuchung des Alterungsverhaltens von Silberschichtsystemen für Hochvoltanwendungen in der Elektromobilität

Abstract

Steckverbinder und deren Kontaktbeschichtungen unterliegen insbesondere bei Hochvoltanwendungen in der Elektromobilität steigenden Anforderungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit. Die Temperaturbelastung ergibt sich einerseits aus der erhöhten Umgebungstemperatur, vor allem verursacht durch den bei Hybridantrieben ebenfalls vorhandenen Verbrennungsmotor, als auch aus der Wärmeentwicklung durch die Strombelastung, welche speziell im Kontaktpunkt durch den elektrischen Übergangswiderstand kritisch ist. Betrachtet werden bei der Veredelung von Steckverbinderkomponenten eingesetzte wenige Mikrometer (μm) dicke Silberschichtsysteme mit und ohne Diffusionsbarriere aus Nickel (Ni). Da Silber (Ag) von allen Edelmetallen die beste Leitfähigkeit aufweist, wird es besonders im Hochvoltbereich häufig eingesetzt. Die Silberschichten werden auf das Grundmaterial, gewöhnlich ein kupferhaltiger Werkstoff, galvanisch aufgebracht. Oft wird eine dünne Schicht Kupfer (Cu) als Haftvermittler zwischen Grundwerkstoff und Ag-Schicht vorgesehen. Bislang gelten Temperaturen von über etwa 180°C für derartige Oberflächen als kritisch, obwohl die Angaben in der Literatur dazu variieren. Als Schädigungsmechanismen werden unter anderem genannt: (i) die durch Rekristallisation bedingte Erweichung der Silberschicht, (ii) Wärmeentwicklung durch den Anstieg des Kontaktwiderstands nach Bildung isolierender Oxide – fehlt die Ni-Zwischenschicht, diffundieren Atome des Grundmaterialsdurch die Ag-Schicht und reagieren mit der Atmosphäre, (iii) Haftungsprobleme durch Oxidation im Schichtsystem nach Diffusion von Sauerstoff (O) durch die Ag-Schicht zur Ni-Diffusionssperrschicht respektive zum Grundmaterial. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Effekte mit materialwissenschaftlichen Methoden untersucht, um herauszufinden, welche Schädigungsmechanismen bei welchen Temperaturen aktiv sind. Daraus soll abgeleitet werden bis zu welchen Temperaturen Silberschichtsysteme in Hochvoltanwendungen wie Elektroautos und deren Ladestationen sicher verwendet werden können und ein Beitrag zu deren Betriebssicherheit geleistet werden. Vor allem interessieren dabei die an den Schichtgrenzen Ag/Ni und Ag/Cu auftretenden Reaktionen und ob aufgrund der gegebenen Anfälligkeit von dünnen galvanischen Schichten für Diffusionsprozesse tatsächlich – wie in vielen Werken angeführt – eine Diffusionsbarriere notwendig ist, um den Ausfall von derartig beschichteten elektrischen Kontakten zu verhindern.

High voltage connectors with silver (Ag) contact finishes find themselves confronted with increasing demands regarding temperature resistance when applied in electric mobility. Higher temperatures arise from vehicles with hybrid drive – combustion engines increase ambient temperatures – and heat development because of the current load. As electric current can – on a microscopic scale – only pass through limited contact spots within the contact interface, heat will be generated due to the given contact resistance. This work focuses on the use of electroplated Ag finishes, which are a few micrometers (μm) in thickness, for electrical connector components. To improve adhesion, the regarded Ag layers are deposited on a copper (Cu) undercoat. Copper-based alloys are used as base materials. Considered are systems with and without an additional layer of nickel (Ni) between the Cu undercoat and the Ag finish, serving as a diffusion barrier, which prevents the migration of atoms from the bulk to the surface and vice versa. Currently temperatures above 180°C are considered critical for Ag finishes, although one can find varying data in literature. The causes of degradation are assigned to: (i) grain coarsening and thus softening of the Ag finish due to recrystallisation, (ii) heat development because of increased contact resistance – if there is no Ni diffusion barrier, atoms of the base material migrate towards the surface and form an insulating oxide layer, lifting the contact resistance values, (iii) loss of adhesion as a consequence of oxidation within the coating – triggered by oxygen (O) diffusion towards the Cu underplate or the Ni diffusion barrier, respectively. This work examines the aging behaviour of Ag contact finishes with methods applied in materials science. Thereby it should be derived up to what temperatures Ag contact finishes can be operated safely in high voltage applications, such as electric vehicles and their chargers. In particular, the reactions at the interfaces Ag/Ni and Ag/Cu are of interest and if – since thin electroplated layers can be permeable and are therefore prone to diffusion – a diffusion barrier layer is necessary to prevent failure of Ag-finished electrical connectors.