CN100511852C - 电接触器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种电接触器，包括了一个由基于铜的合金或不锈钢构成的主体和由基于金的合金构成的接触层。接触层的厚度至少为0.3μm，并由含有重量百分比为0.5%到15%的一种或多种铂族金属的金构成，且在主体和接触层之间提供了一个由银或基于银的合金或镍构成的中间层。接触层最好通过PVD过程敷设到主体上。

Description

电接触器

技术领域

本发明涉及一种电接触器。

背景技术

这种类型的电接触器用于插入式接触器，例如汽车和电信应用中的插入式连接器。现在，要求汽车工业中使用的插入式连接器适用于外界温度高达150℃的环境下，而连接器的弹性特性在汽车的一般使用期内不会降低到削弱它的接合可靠性。这些应用中的已知的电接触器包括一个主体，该主体由能够提供所需的导电性和弹性特性的基于铜的合金，还包括一个硬质金层，通过电沉积方法敷设到主体上，该层由包含少于1％重量百分比的钴成分的金构成。另外，还已知设置在主体之上作为接触层的是银层而不是硬质金层。还经常使用含有锡的接触层，可在主体上镀锡获得。迄今为止给出了所需的边际条件，通过这种方法获得的电接触器能够得到足够的耐磨度和足够低的接触电阻。但是这样的插入式接触器已经不再满足需求了，例如根据美国汽车标准，要求能够满足在设想的使用期内改变温度条件，温度增加到200℃的需求。这些更严格的要求是因为需要从电子或电气上对持续增加的引擎功能进行监测和控制而产生的，因此为此目的，要求在引擎的特定位置上或是在排气系统中使用电子系统和插入式接触器。

迄今为止使用的金-钴接触层不适用于增加的温度需求，因为钴在150℃以上的温度下就会从合金中分离出来，结果钴被氧化，从而增加了接触电阻。镀锡接触器也不能用在200℃的温度下，因为这个温度接近锡的熔点，也就是232℃，这样锡就会软化并且流动。铜中加入的锡的加速扩散也会很快导致金属间相的形成，反之亦然，金属间相的氧化也会引起高接触电阻。在银接触层的情况下，在温度大约为160℃时发生不可还原的软化。

电信应用中需要非常高的插入循环，经常高达10000。现在，使用含有PdNi或PdCo涂层作为接触层的插入式接触器来满足这些要求。然而，急速上涨的钯的价格使得这种涂层非常昂贵。

发明内容

现在，本发明的目的是实现一种低成本接触结构，它非常好地满足了更高的要求(外界温度为200℃，42V电压)，且特别适用于汽车和电信应用中的插入式接触器。

具有本发明所述特征的插入式接触器能够达到该目的，其中，电接触器包括一个主体、一个接触层、以及在所述主体和接触层之间提供的中间层，所述主体由基于铜的合金或不锈钢构成，所述接触层由基于金的合金构成，其中接触层的厚度至少为0.3μm，并含有重量百分比为0.5％到15％的一种或多种铂族金属成分，并且所述中间层由银或基于银的合金构成。

在另一种替代方案中，电接触器包括一个主体、一个接触层、以及在所述主体和接触层之间提供的中间层，并且所述中间层由镍构成，其中接触层的厚度至少为0.3μm，并含有重量百分比为0.5％到15％的一种或多种铂族金属成分。

根据本发明，电接触器包含一个由基于铜的合金制成的主体，以及最小厚度为0.3μm的金接触层，它含有一种或多种铂族金属元素成分，占重量的0.5％到15％，除了钯以外在接触层中最高只占重量的8％最合适，如果需要，在主体和接触层之间还包括一个含有银或银合金、或者镍的中间层。术语“铂族金属”一般用于对钌，铑，钯，锇，铱和铂这族金属进行总体描述。术语“银合金”意指主要成分是银的合金。

接触层保证了足够低的接触电阻和足够的耐磨度，尤其是抗磨损，以及在接点间定位焊接的充分的安全性。如果在主体和接触层之间有一个银的或银合金的中间层，如银和百分之几的添加物，例如熔融在银中的镍或钯，又如纹理细密的银，如带有0.15％的镍的银，即使接触层的厚度不超过5μm，也能在200℃下达到3000小时的所需的低接触电阻。这种中间层能够阻挡主体的任何基本元素扩散到接触层表面中并氧化。纯银尤其适用于作为中间层。镍作为中间层时也可以阻止主体的任何基本元素扩散到接触层表面，但只适用于没有要求特定的延展性的情况下，因为镍太易碎了，以至于在插入式接触器工作时遇到的一般的很小的弯曲半径都会使它产生破裂。相反，银具有较高的延展性，且银中的合金元素(如果有的话)的类型和数量应该满足插入式接触器的预期应用中所要求的延展性，这样就可保持扩散阻碍层的效果。与此相比，银的优点在于可以以适中的成本达到10μm的厚度。中间层的厚度适宜在0.2μm到10μm，大约1μm到2μm更为适当。在预先确定了使用的条件和次数下，接触层的厚度最好仅为0.5μm到2μm就足够保证很低的接触电阻。银中间层表现出了这种与薄接触层相关的特别价值，一方面因为它阻挡了主体的任何基本元素扩散到接触层中，另一方面因为它可以作为牺牲层(sacrificlal layer)，能够平衡接触层材料的任何损耗。

接触层的厚度适宜于不超过10μm。超过10μm厚的接触层不再能提供任何进一步的技术改进。接触层的厚度不超过5μm更佳。

上述最适合与金形成合金的铂族元素金属的就是铂。加入比例很小的铂，只要加入的重量百分比小于8％就是合适的。在按照权利要求中所述的合成物中，金铂合金和金钯合金显示出了很好的氧化稳定性，而且在工作中有足够的延展性，不会损坏接触层。与钯相比，铂的优点是较为便宜。成本是一个必须考虑的重要标准，尤其是在汽车工业和电信应用中的大规模生产中。金铂合金与金钯合金的区别还特别在于具有高的腐蚀稳定性，并且由于催化过程而形成有机覆盖层的可能性较小。

接触层由含有重量百分比为0.5％到15％的一种或多种铂族元素金属的金构成。如果成分小于重量的0.5％，存在过大的冷焊可能性。超过15％，接触层变得太脆，从而可能会断裂，就不再能够形成插入式接触器。

接触层由含有重量百分比为1.5％到5％的铂元素的金构成，其厚度在0.5μm到2μm之间，特别是由含有重量百分比为3％的铂元素、厚度在0.5μm到2μm之间的金层尤其适宜，如果还使用了上述的银中间层的话，在给定使用条件下考虑成本、性能以及稳定性，认为是最适宜的方案。

通常，用作接触层的以金为基础的合金也可以包括除了铂和钯之外的其他铂族金属，特别是与铂和钯相结合使用，例如加入钌，尽管这样也不能提供任何额外的显著优点。最后，以金为基础的合金也可以包含铂族金属之外的银。

中间层的厚度最好在1μm到15μm之间。小于1μm，中间层的阻止扩散的效果会很低，以至于必须增加接触层的厚度来补偿阻止扩散降低的效果，这是不经济的。另一方面，技术上也不要求中间层的厚度超过15μm，因为这也不经济。银中间层在大约1μm到2μm之间认为是最佳厚度。

根据本发明，电插入式接触器一般由经过冲压、弯曲及模压过程后的半精加工的带状材料制成。由银或基于银的合金、或者镍构成的中间层敷设在具有所需弹性特性的带状的铜或基于铜的合金或不锈钢之上，然后由基于金的合金构成的接触层涂覆在上层。中间层和接触层最好用使用喷镀方法来敷设。该方法被认为是对于预期的微小层厚度，尤其对于接触层，是最经济的过程，而且还不需要任何外来掺杂物就能额外得到足够的密度和可延展的层。中间层和接触层可在一个单项镀层过程中连续生成。但电沉积方法也是一个可选的方法，尤其适于中间层。

制成中间层的材料不仅可涂覆在也敷设了接触层的主体正面，也可涂覆在主体的背面。尤其在高温下，使用根据本发明的接触器得到的额外的优点是，比起主体背面没有这种镀层时能够成倍地减少接触电阻。

由如下例子进行阐释：铜制的带状主体一面镀有2μm的银层，然后是1μm厚度的AuPt2.5层。测得的接触电阻开始是2mΩ。在200℃的空气中老化300小时后，接触电阻增加到1Ω到10Ω之间。当铜带的背面也镀上2μm厚的银层后，接触电阻在同样的老化条件下仅增加了几个mΩ。当得到这种良好的结果，冲压形成的主体的侧表面与银相互分离。这引起的另一个好处就是可在第一步对带状或片状主体进行喷镀时以及后来通过冲压把它们分离时不会对接触电阻造成不良影响。

下列材料特别适用于作为主体：

(a)CuNiSi或CuNiSiMg：根据ASTM(美国测试与材料协会)标准指定为C7025，C7026的材料

(b)CuFeP：根据ASTM标准指定为C194的材料

(c)CuCrSiTi：根据ASTM标准指定为C18070，C18080，C18090的材料

(d)CuNiSn：根据ASTM标准指定为C72500的材料

(e)CuSnZn：根据ASTM标准指定为C425的材料

(f)CuNiZn：根据ASTM标准指定为C75700，C77000，76400的材料

(g)不锈钢：指定材料

型号为1.4310，根据DIN(德国标准化研究所)17224标准，

型号为1.4311，根据DIN17440标准，

型号为1.4406，根据DIN17440标准，

型号为1.4428，根据DIN17443标准，

型号为1.4429，根据DIN17440标准，

型号为1.4568，根据DIN17224标准，

型号为1.4841，根据DIN17224标准，

型号为1.4318，1.1232，1.1248，1.1269，1.1274，1.5029，根据DIN V 17006-100标准，

上面(a)，(b)，(c)中提到的材料是特别适合的，因为在200℃的要求温度下，它们自身综合了高导电性和弹性特性的高稳定度。

本发明不仅适用于插入式接触器，也适用于开关接触器。

附图说明

唯一的附图表示了根据本发明的电插入式接触器的半精加工的带状材料的横截面。

具体实施方式

如附图所示，该电插入式接触器包括一个由基于铜的合金构成的主体1，如CuCrSiTi，中间层2，包括一个厚度在0.2μm到15μm之间的银层，以及一个接触层3，厚度在0.5μm到2μm之间，由含有重量占1％到5％的铂元素的金构成。中间层2仅在主体的正面4上才有。制成中间层2的材料，或其它适用于阻止扩散的材料也可具有优点地镀在背面5上。

Claims (34)

1.电接触器，包括一个主体、一个接触层、以及在所述主体和接触层之间提供的中间层，所述主体由基于铜的合金或不锈钢构成，所述接触层由基于金的合金构成，其特征在于接触层的厚度至少为0.3μm，并含有重量百分比为0.5％到15％的一种或多种铂族金属成分，并且所述中间层由银或基于银的合金构成。

2.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度不超过10μm。

3.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度不超过5μm。

4.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度为0.5μm到2μm。

5.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度为0.5μm到1μm。

6.如权利要求1至5中任一项所述的电接触器，其特征在于选择铂或钯做为铂族金属。

7.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层由含有重量百分比为1％到5％的一种或多种铂族金属的金构成。

8.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层由含有重量百分比为1％到3％的一种或多种铂族金属的金构成。

9.如权利要求7或8中所述的电接触器，其特征在于接触层仅包含铂族金属中的铂。

10.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于中间层的厚度为0.2μm到15μm。

11.如权利要求10中所述的电接触器，其特征在于中间层的厚度为0.5μm到10μm。

12.如权利要求10中所述的电接触器，其特征在于中间层的厚度为1μm到2μm。

13.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于下列材料中的任一种可被选用为制造主体的材料：

(a)CuNiSi或CuNiSiMg：根据美国测试与材料协会标准指定为C7025，C7026的材料

(b)CuFeP：根据美国测试与材料协会标准指定为C194的材料

(c)CuCrSiTi：根据美国测试与材料协会标准指定为C18070，C18080，C18090的材料

(d)CuNiSn：根据美国测试与材料协会标准指定为C72500的材料

(e)CuSnZn：根据美国测试与材料协会标准指定为C425的材料

(f)CuNiZn：根据美国测试与材料协会标准指定为C75700，C77000，C76400的材料

(g)不锈钢：指定材料

型号为1.4310，根据德国标准化研究所17224标准，

型号为1.4311，根据德国标准化研究所17440标准，

型号为1.4406，根据德国标准化研究所17440标准，

型号为1.4428，根据德国标准化研究所17443标准，

型号为1.4429，根据德国标准化研究所17440标准，

型号为1.4568，根据德国标准化研究所17224标准，

型号为1.4841，根据德国标准化研究所17224标准，

型号为1.4318，1.1232，1.1248，1.1269，1.1274，1.5029，根据德国标准化研究所V 17006-100标准。

14.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于接触层是通过喷镀方法或其它物理气相沉积方法形成的。

15.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于主体有正面和背面，接触层设置在正面上，而构成中间层的材料在主体的正面和背面上都有。

16.如权利要求15中所述的电接触器，其特征在于主体的厚度与它的长、宽相比很小时，主体的正面和背面之间的侧面不含有构成中间层的材料。

17.如权利要求1中所述的电接触器，其特征在于金中加入的铂的重量不能超过8％。

18.电接触器，包括一个主体、一个接触层、以及在所述主体和接触层之间提供的中间层，并且所述中间层由镍构成，其特征在于接触层的厚度至少为0.3μm，并含有重量百分比为0.5％到15％的一种或多种铂族金属成分。

19.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度不超过10μm。

20.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度不超过5μm。

21.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度为0.5μm到2μm。

22.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层的厚度为0.5μm到1μm。

23.如权利要求19至22中任一项所述的电接触器，其特征在于选择铂或钯做为铂族金属。

24.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层由含有重量百分比为1％到5％的一种或多种铂族金属的金构成。

25.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层由含有重量百分比为1％到3％的一种或多种铂族金属的金构成。

26.如权利要求24或25中所述的电接触器，其特征在于接触层仅包含铂族金属中的铂。

27.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于中间层的厚度为0.2μm到15μm。

28.如权利要求27中所述的电接触器，其特征在于中间层的厚度为0.5μm到10μm。

29.如权利要求27中所述的电接触器，其特征在于中间层的厚度为1μm到2μm。

30.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于下列材料中的任一种可被选用为制造主体的材料：

(a)CuNiSi或CuNiSiMg：根据美国测试与材料协会标准指定为C7025，C7026的材料

(b)CuFeP：根据美国测试与材料协会标准指定为C194的材料

(c)CuCrSiTi：根据美国测试与材料协会标准指定为C18070，C18080，C18090的材料

(d)CuNiSn：根据美国测试与材料协会标准指定为C72500的材料

(e)CuSnZn：根据美国测试与材料协会标准指定为C425的材料

(f)CuNiZn：根据美国测试与材料协会标准指定为C75700，C77000，C76400的材料

(g)不锈钢：指定材料

型号为1.4310，根据德国标准化研究所17224标准，

型号为1.4311，根据德国标准化研究所17440标准，

型号为1.4406，根据德国标准化研究所17440标准，

型号为1.4428，根据德国标准化研究所17443标准，

型号为1.4429，根据德国标准化研究所17440标准，

型号为1.4568，根据德国标准化研究所17224标准，

型号为1.4841，根据德国标准化研究所17224标准，

型号为1.4318，1.1232，1.1248，1.1269，1.1274，1.5029，根据德国标准化研究所V17006-100标准。

31.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于接触层是通过喷镀方法或其它物理气相沉积方法形成的。

32.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于主体有正面和背面，接触层设置在正面上，而构成中间层的材料在主体的正面和背面上都有。

33.如权利要求32中所述的电接触器，其特征在于主体的厚度与它的长、宽相比很小时，主体的正面和背面之间的侧面不含有构成中间层的材料。

34.如权利要求18中所述的电接触器，其特征在于金中加入的铂的重量不能超过8％。

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