DD254082A1

DD254082A1 - Kontaktwerkstoff

Info

Publication number: DD254082A1
Application number: DD29684486A
Authority: DD
Inventors: Guenther Hecht; Hartmut Kupfer; Wolfgang Degner; Eckehardt Ackermann
Original assignee: Kontaktbauelemente U Spezialma
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1988-02-10

Abstract

Der Kontaktwerkstoff in Form eines Mikrolaminats, aufgebracht auf herkoemmliche Grundmaterialien, dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften von Kontaktsystemen und ist vorwiegend in der Elektrotechnik/Elektronik eingesetzt fuer ruhende, gleitende und schaltende Kontakte sowie fuer Tasten und Schalter. Erfindungsgemaess besteht der Kontaktwerkstoff auf einem Grundmaterial aus einem Mikrolaminat mit mindestens 5 Einzellagen von zwei oder mehr Materialien in beliebiger und/oder geordneter Reihenfolge, wobei als Material fuer die Einzellagen die Elemente der 3. bis 6. Periode sowie Legierungen, Hartstoffe sowie i-Kohlenstoff und Kohlenstoff-Metall-Composite verwendet werden. Fig. 2

Description

Durch den laminierten Schichtaufbau wird die Kombination wichtiger Eigenschaften der verschiedenen Einzellagen gewährleistet, so daß der mikroskopisch heterogene Schichtaufbau hinsichtlich seiner funktionellen Eigenschaften als homogene Beschichtung in Erscheinung tritt. Durch die Anzahl der Einzallagen und deren Variation kann eine Optimierung der elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften erzielt werden.

Auch bei größeren Schichtdicken (> 10/xm) ist eine sehr gute Haftfestigkeit des Mikrolaminats auf der Unterlage gewährleistet. Als Haft- bzw. Diffusionssperrschicht zum Grundmaterial können z. B. NiCr, Edelstahl, Ni, Al zum Einsatz kommen. Mit diesem laminierten Kontaktwerkstoff ist es möglich, bei KNOOP-Härten von MHK > 5 · 10³Nmm~² und einem Reibungskoeffizient von μ < 0,5 ein stabiles elektrisches Kontaktverhalten auch bei erhöhter mechanischer Beanspruchung zu garantieren, was den Anforderungen an Steckverbinder, Schalter und Tasten zur Übertragung sowohl kleiner als auch hoher Strom- und Spannungspegel genügt.

Der Vorteil des Kontaktwerkstoffes besteht darin, daß bei Verwendung vorhandener Beschichtungstechnologien durch die gezielte Kombination der zu laminierenden Materialien verbesserte Kontakteigenschaften erzeugt werden. Das Aufbringen der Mikrolaminate erfolgt vorwiegend mittels physikalischer oder chemischer Abscheideverfahren in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Beschichtungsprozessen und kann auf beliebigen Grundmaterialien der Elektrotechnik/Elektronik vorgenommen werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 den Kontaktwiderstand Rk in Abhängigkeit von der Kontaktkraft F_Kund Fig. 2 den Reibungskoeffizienten μ und den Kontaktwiderstand R_K in Abhängigkeit von der Anzahl der Übergießungen N an einer Feder-Stift-Kontaktmodellanordnung.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Feder-und Stiftkontakt, bestehend aus CuSn 6, mit einem Mikrolaminat, das mittels Piasmatronzerstäubung abgeschieden wurde, versehen. Das Mikrolaminat setzt sich aus 270 Einzellagen zusammen (Gesamtschichtdicke des Mikrolaminats beträgt 4μ,η-ι).

Im Wechsel wurden die Materialien SnSb5 (Dicke der Einzellagen =12nm) und i-Kohlenstoff (Dicke der Einzellagen =1,8nm) aufgebracht. Das Mikrolaminat weist eine KNOOP-Härte von MHK = 6· 10³Nmrrr²auf und zeichnet sich durch eine dekorative (metallisch glänzende) Oberfläche aus.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden unter statischen Kontaktbedingungen (halbkugelförmige Meßsonde, Radius im Kontaktbereich 1,5mm) bei Kontaktkräften im Bereich von 20 bis 4OcN Widerstandswerte < 100mn und bei Kontaktkräften von 30OcN Werte zwischen 15 und 20 ήηΩ erzielt.

Die Ergebnisse zum Kontaktverhalten unter Reibbeanspruchung (Simulation von Steck- und Ziehvorgängen in materialsymmetrischer Kontaktpaarung: Länge der Reibspur 4mm, Kontaktkraft 135cN) faßt Fig.2 zusammen. Selbst nach hoher mechanischer Beanspruchung (N = 500 Übergießungen) liegen die Widerstandswerte bei nur etwa 20 mil, d.h., die Gefahr tribokorrosiv bedingter Kontaktwiderstandserhöhungen ist unter diesen Bedingungen ausgeschlossen. Das günstige Reibverhalten wird durch konstante und vergleichsweise niedrige Reibungskoeffizienten demonstriert.

Claims

1. Kontaktwerkstoff in Form eines Schichtsystems, der vorwiegend in der Elektrotechnik/Elektronik für ruhende, gleitende und schaltende Kontakte sowie für Tasten und Schalter anwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrolaminat auf einem Grundmaterial aus mindestens 5 Einzellagen von zwei oder mehr Materialien in beliebiger und/oder geordneter Reihenfolge besteht, wobei als Material für die Einzellagen des Mikrolaminates die Elemente der 3. bis 6. Periode sowie Legierungen dieser Elemente, Hartstoffe sowie i-Kohlenstoff und Kohlenstoff-Metall-Composite verwendet werden.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken der Einzellagen des Mikrolaminates vorzugsweise <2μΐη betragen und die Gesamtschichtdicke des Mikrolaminates zwischen 100 nm und 20μηη liegt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterlage und dem Mikrolaminat eine haftvermittelnde und/oder diffusionshemmende Zwischenschicht, beispielsweise CrNi, Edelstahl, Ni oder Al vorhanden ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Der Kontaktwerkstoff in Form eines Schichtsystems, aufgebrachtauf herkömmlichen Grundmaterialien, dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften von Kontaktsystemen und ist vorwiegend in der Elektrotechnik/Elektronik eingesetzt für ruhende, gleitende und schaltende Kontakte sowie für Tasten und Schalter.

Charakteristik der bekannten Lösungen

Vorwiegend in der Schwachstromverbindertechnik wurde in den letzten Jahren versucht, für bestimmte Anwendungsfälle Edelmetallbeschichtungen durch edelmetallfreie Kontaktschichten zu ersetzen. Dafür kommen im wesentlichen Zinn- und Zinnlegierungen zum Einsatz, wobei jedoch bestimmte Einsatzkriterien zu beachten sind (Electronic Produktion, März [1978], 35-40; Plating and Surface Finishing, 68 [1981] 10,38-39). Nachteile dieser auf der Basis von Zinn hergestellten Kontaktbeschichtungen sind die geringe Schichthärte und Abriebfestigkeit sowie die dadurch erhöhte Korrosionsanfälligkeit des Kontaktsystems, aber auch Beeinträchtigung des Kontaktverhaltens infolge tribokorrosiver Prozesse (Thin Solid Films 105 [1983], 305-318). Mit Hilfe geeigneter Kontaktprinzipien können zwar hochzuverlässige höherpolige Kontaktverbindungen auch mit derartigen herkömmlichen Zinnwerkstoffen geringer Härte realisiert werden (US-PS 3853282), jedoch ist dazu in der Regel ein hoher konstruktiver Aufwand erforderlich. Dünne weiche metallische Überzüge (z. B. Zinn) auf Kohlenstoff-Metall-Composit-Schichten verbessern das Kontaktwiderstandsverhalten dieser, besitzen aber den Nachteil eines anfänglich hohen Reibungskoeffizienten.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, mit bekannten Beschichtungstechnologien einen Kontaktwerkstoff kostengünstig herzustellen, der alle Forderungen an elektrische Kontakte erfüllt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kontaktwerkstoff bereitzustellen, der einen geringen Kontaktwiderstand und geringen Verschleiß aufweist sowie korrosionsfest und von hoher Lebensdauer ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein Mikrolaminat, bestehend aus mindestens 5 Einzellagen von zwei oder mehr Materialien in beliebiger und/oder geordneter Reihenfolge, auf einem herkömmliche ~ Grundmaterial vorhanden ist. Als Materialien kommen die Elemente der 3. bis 6. Periode sowie Legierungen dieser Elemente, Hartstoffe (z. B. Carbide, Nitride, Boride, Oxide) sowie i-Kohlenstoff, Kohlenstoff-Metall-Composite zur Anwendung. Die Dicke einer Einzellage liegt dabei im Regelfall unter 2^m und die Gesamtschichtdicke des Mikrolaminats vorzugsweise zwischen 100nm und 20/xm.