DD251230A1 - Kontaktwerkstoff - Google Patents
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Abstract
Der Kontaktwerkstoff in Form eines Kontaktschichtsystems auf herkoemmlichen Grundmaterialien dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften dieser Grundmaterialien und ist vorwiegend in der Schwachstromverbindungstechnik sowie fuer Schalter und Tasten im Bereich der Schwachstromtechnik anwendbar. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist ein Kontaktwerkstoff, der mit bekannten Technologien hergestellt ist und alle Forderungen an elektrische Kontakte, insbesondere geringen Kontaktwiderstand, gute Korrosionseigenschaften und niedrigen Verschleiss, erfuellt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem das Kontaktschichtsystem aus einer Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht der Dicke 0,2 m bis 5,0 m mit einer KNOOP-Haerte oberhalb 1104 N mm 2 und einer Zinn- oder Zinnlegierungsschicht der Dicke 0,05 m bis 4 m mit einer KNOOP-Haerte von 100 N mm 2 bis 300 N mm 2 besteht.
Description
Dazu 1 Seite Zeichnung
Der Kontaktwerkstoff in Form eines Kontaktschichtsystems auf herkömmlichen Grundmaterialien dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften dieser Grundmaterialien und ist vorwiegend in der Schwachstromverbindungstechnik sowie für Schalter und Tasten im Bereich der Schwachstromtechnik anwendbar.
Für Kontaktwerkstoffe in der Schwachstromtechnik, an die hohe Zuverlässigkeitsforderungen gestellt werden, werden üblicherweise Edelmetall- oder edelmetallhaltige Auflagen verwendet.
Für bestimmte Einsatzfälle werden die Edelmetalle durch Zinn oder Zinnlegierungen ersetzt.
Die Nachteile ergeben sich aus dem vergrößerten konstruktiven Aufwand sowie hohem Verschleiß und hohen Kontaktkräften.
Bei Verwendung harter Zinn-Legierungen, z. B. SnTiAI kann die Steckzyklenzahl gegenüber Zinn-Blei etwas erhöht werden, es bleiben aber die Nachteile gegenüber den Edelmetallen, insbesondere auch die geringe Korrosionsbeständigkeit.
Des weiteren hat man versucht, die Edelmetalle durch sehr harte Kohlenstoff-Metall-Composite zu ersetzen, die zwar einen geringen Verschleiß gewährleisten, aber hohe Kontaktwiderstände gegenüber der Metalloberfläche durch die geringe Kontaktfläche verursachen.
Aus diesen genannten Nachteilen ging man zu Schichtsystemen über.
In der Literatur werden bisher nur Schichtsysteme beschrieben, in denen als diffusionssperrende Zwischenschicht Ni oder seltener NiSn (Davis, P.E., Duffen, E.F., Electronic Pockaging and Production 49 [1975] 7,86-94) oder NiB bzw. NiP (Zakrysek, L., Plating and Surface Finishing 68 [1981] 9,72-76) Anwendung finden. Um eine entsprechende Wirkung zu erzielen, sind Schichtdicken >2μ.ιη einzuhalten. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke 3-5μηη. Während der Einsatzzeit von Ni/Sn-Beschichtungen kann es zwischen Zwischenschicht und Überzug zur Bildung von intermetallischen Ni-Sn-Verbindungen kommen, die das Kontaktverhalten nachteilig beeinflussen können.
Bei den für unedle Kontaktschichten geforderten Kontaktkräften S= 15OcN ist bei mechanischer Beanspruchung (Steckhäufigkeit von Kontakten) ein schneller Durchrieb der Sn- oder Sn-Legierungsschicht, die eine Dicke von 5;u,m bis 8μιη aufweisen, auf die Ni-oderNi-Legierungszwischenschichtzu erwarten. So wurde bei einer SnPb40-Beschichtung, Dicke 10μηι und einer Kontaktlast von 5OcN bereits nach 50 Übergießungen Durchrieb auf die Zwischenschicht festgestellt (Waine, CA., Sollars,
P. M.A., Proc. 24. Holm. Seminar on Electrical Contacts [1978] 159-171). Das Kontaktverhalten der Zwischenschicht spielt somit eine wesentliche Rolle im Gesamtverhalten des Schichtsystems.
Die Nachteile der Ni-Zwischenschicht sind:
— Schichtdefekte im Zinn-Überzug führen in korrosiven Umgebungen zu Porenkorrosion;
— freigelegtes Ni ist einem starken korrosiven Angriff ausgesetzt (Kulpa, S. H., Frankenthal, R. P., J. Electrochem. Soc, New York 124 [1977] 10, S. 1588-1592; Pinnel, M. R., Bradford, K. F., IEEE Transact. CHMT 3 [1980] 1,159) (Oxid-, Sulfid-, Sulfatbildung), sobald eine mechanische Beanspruchung der Kontaktflächen ausbleibt;
— schlechte Reibeigenschaften, d.h., das Erreichen der Ni-Zwischenschicht infolge Durchrieb führt zu einer Erhöhung der Reibkräfte.
Es ist das Ziel der Erfindung, einen Kontaktwerkstoff mit bekannten Technologien preisgünstig herzustellen, der alle Forderungen an elektrische Kontakte erfüllt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kontaktwerkstoff bereitzustellen, der bei Verwendung von Unedelmetall einen geringen Kontaktwiderstand, gute Korrosionseigenschaften und geringen Verschleiß aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem das Kontaktschichtsystem aus einer Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht der Dicke 0,2μντ\ bis 5,0/xm'mit einer KNOOP-Härte oberhalb 104Nmm~2 und einer Zinn- oder Zinnlegierungsschicht der Dicke 0,05/Ltm bis 4μηη mit einer KNOOP-Härte von 100Nmm~2 bis 300 NmrrT2 besteht.
Die harte und äußerst verschleißbeständige Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht verhindert während der mechanischen Betätigungsphase von Steckverbindungen den Durchrieb auf das Grundmaterial. Gleichzeitig gewährleistet diese Beschichtung, daß kein Grundmaterial (z.B. durch Diffusionsprozesse) an die Kontaktoberfläche gelangen und dortwiederstandserhöhende Korrosionsprodukte bilden kann. Da ein direkter atmosphärischer Korrosionsangriff sowohl des Kohlenstoff-Metall-Composits als auch der passivierten Sn- oder Sn-Legierungsschichtoberfläche nicht erfolgt, erfüllt das beschriebene Schichtsystem auch die Forderung an elektronische Bauelemente nach einer hohen Lebensdauer in nichtklimatisierten Umgebungen.
Bei Relatiwerschiebung der Kontaktpartner (Stecken/Ziehen) ist mit Anwendung des weichen Sn- oder Sn-Legierungsüberzugs ebenfalls eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Kontakteigenschaften verbunden. Bis zu hohen Steckzyklenzahlen hin bleibt die kontaktwiderstandserniedrigende Wirkung des Sn- oder Sn-Legierungsüberzuges erhalten.
Der beschleunigte Korrosionstest (H2S/SO2-Mischatmosphäre bei erhöhter Feuchte und erhöhter Temperatur) zur Beurteilung der Wirksamkeit von Kohlenstoff-Metall-Compositen als Diffusionssperre gegenüber Cu zeigte, daß kein korrosiver Angriff bzw. keine Dekoration von Schichtdefekten erfolgt. Die Verstärkung von Passivdeckschichten auf dem Sn- oder Sn-Legierungsüberzug ist unkritisch, da bei den genannten Härtewerten dieses Überzugs und mit den für die genannten Anwendungen in Frage kommenden Kontaktkräften der Deckschichtdurchbruch aufgrund der plastischen Deformation der Sn- oder Sn-Legierungsschicht gewährleistet ist.
Die Vorteile des beschriebenen Kontaktwerkstoffes bestehen darin, daß gezielte Kombinationen von Kontakteigenschaften erreichbar sind, herkömmlicher Grundmaterialien der Elektrotechnik/Elektronik, z. B. Zinnbronze, verwendbar sind und die Metall-Kohlenstoff-Composit-Schicht den Durchrieb auf das Grundmaterial und den korrosiven Angriff verhindert sowie als Diffusionssperre für Bestandteile des Grundmaterials dient.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt Fig. 1: den Kontaktwiderstand RK in Abhängigkeit von der Kontaktkraft F«.
Im ersten Ausführungsbeispiel ist ein Feder- und Stiftkontakt, der aus Zinnbronze CuSn6 besteht, mit einem Kontaktschichtsystem, das mittels Piasmatronzerstäubung aufgebracht ist, versehen. Es besteht aus einem C-Sn-Composit mit 22at% Sn mit einer KNOOP-Härte von 1 · 104Nmm~2 (Dicke 1,5/im) und einerZinnlegierungSnPb82 mit einer KNOOP-Härte von 2- 102Nmm"2 (Dicke 2/xm).
Im zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich auf dem Grundmaterial Zinnbronze eine Haftvermittlungsschicht der Dicke 0,5μ.ιη aus Nickel. Die Metall-Kohlenstoff-Composit-Schicht weist 6at% Ti auf, hat eine Dicke von 1,2/u.m und eine KNOOP-Härte von 1,2 · 104Nmrrr2. Darüber ist eine SnTiAI-Schicht, ebenfalls mittels Piasmatronzerstäubung aufgebracht, mit je 1,2at%Ti und 2,6at% Al der Dicke 1,6^m und der KNOOP-Härte 1 · 103Nmm"2.
Die Wirkung des Sn- bzw. Sn-Legierungsüberzugs auf die Verbesserung des elektrischen Kontaktverhaltens ist in Fig. 1 anhand der Darstellung des Kontaktwiderstandes RK in Abhängigkeit von der Kontaktkraft F« gezeigt: Kurva 1a — CTi, Kurve 1b — CTi/SNTiAI; Kurve 2a - CSn, Kurve 2b - CSn/SnPb82.
Claims (5)
1. Kontaktwerkstoff in Form eines Kontaktschichtsystems auf herkömmlichen Grundmaterialien, der vorwiegend in der Schwachstromtechnik anwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktschichtsystem aus einer Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht der Dicke 0,2μΐη bis 5^m mit einer KNOOP-Härte oberhalb 104N mm"2 und einer Zinn- oder Zinnlegierungsschicht der Dicke 0,05μ.ηη bis 4μπ\ mit einer KNOOP-Härte von 100 N mm""2 bis 300 N mm"2 besteht.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Ti, Sn oder Sb verwendet wird.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnlegierungsschicht aus SnPb40, SnPb82, SnSb5 oder SnTi0,4 AI0,6 besteht.
4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Grundmaterial eine Haftvermittlungsschicht der Dicke 30nm bis 1 μπι aus Edelstahl, Ni oder NiCr vorhanden ist.
5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial Zinnbronze ist.
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