CN103781940A - 电接触涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于导电基体(20)的电接触涂层(10)，特别地用于电动或混合动力汽车中的高温应用的，优选的由铜、铜基合金制成的基体(20)或镀铜的基体(20)，具有能施加在基体(20)上的涂层配置(10)，其具有两层(110，130)，其中一层(110)包括过渡金属，另一层(130)包括贵金属，中间层(120)设置在涂层配置(10)的两层(110，130)之间，所述中间层包括铜，同时两层(110，130)之一为外层(110，130)。进一步地，本发明涉及用于高温应用的特别是用于高压或汽车领域的电气或机电接触元件(2)；涉及电气、电子和/或电子光学连接器(1)，特别是用于高温应用的特别是用于高压和/或高电流领域的插接器(1)或连接装置(1)；涉及铜或含铜层用于的涂层(10)的使用，特别是电接触涂层(10)，优选用于高温应用。

Description

电接触涂层
技术领域
本发明涉及一种用于导电基体的电接触涂层，特别是用于电动或混合动力机动车中的高温应用的，优选由铜、铜基合金制成的基体或镀铜基体。进一步地，本发明涉及一种特别地用于高电压或汽车领域的用于高温应用的电气或机电接触装置。此外，本发明涉及一种电气、电子和/或电-光学连接器，特别地一种特别地在高电压和/或高电流领域的用于高温应用的插入连接器或连接装置。此外，本发明涉及将铜或含铜层用于涂层的使用，特别地电接触涂层，优选用于高温应用。
背景技术
在电气工程和电子领域，大量的电插座(socket)和/或插销(pin)连接器-在以下称为电(插入)连接器，配合(插入)连接器或(配合)连接装置-已知以最大可能范围的电流、电压、频率和/或数据速率传输电流、电压和/或信号。特别地在汽车领域和高电压或高电流领域，这些连接器必须保证在短时间和/或永久地在温暖的、有可能是热的、被污染的、潮湿的和/或化学腐蚀性的环境中非常令人满意地传输电力、信号和/或数据。由于这些连接器的广泛使用，已知有大量特别配置的插座连接器和/或插销连接器。
这种电连接器或它们的壳体可设置在电线、电缆、电缆束或电气装置上，比如在壳体上/中或者电气或电子装置的印刷电路板上；在后面的情况下，通常使用术语“(配合)连接装置”。如果连接器置于电线或电缆上，通常使用术语“浮动(插入)连接器(flying(plug-in)connector)”或“插接件”或“耦接件”；如果其置于电气/电子装置上/中，通常使用术语“集成插接件”或“(集成)套管(bush)”。进一步地，配合连接器也经常被成为插接孔，特别是当配合连接器具有支撑颈圈时，该支撑颈圈用来确保插入连接器和配合连接器即插接孔之间的更稳固的连接。在高电压和高电流技术领域，在相关的连接件领域，通常使用术语“电缆接头(cable fitting)”和“阳电缆连接器”。
因此，给电池供应电流的连接器或耦接头是需要的，例如用于充电站和/或在电动或混合动力机动车中的向前电接触。因此，需要例如用于供电设备的电连接器，例如车库中、停车场或壁面上的暗线箱，或用于电力和混合动力机动车的充电桩，借助它们可以将机动车辆的电池充满电。为此，电连接器，其可能被机械地加压在其接触装置的区域中，再次必需能够永久和牢固地连接，以及在升高的温度下必需确保非常令人满意地传输充电电流和其它用于控制电池的充电工作的电气或电子信号。
由于数据传输的高需求是实际上每个工业分支的重要组成部分，例如计算机业或汽车工业，因此数据传输变得越来越重要。在此，除了电连接器之外，广泛的产品范围的电-光学连接器是需要的，其必需确保甚至在相对高和高温下的高的数据传输率。因此，例如在机动车辆中娱乐和资讯信息通过电还可能经由光学总线进行交换。对于这些和其他的电和/或光学数据传输技术，连接器或连接装置是需要，其在电气上和/或光学上永久且牢固地耦接或连接电和/或光电子元件在一起。
对于电压高于1kV的电缆附件而言，在高温下的高耐久力是必须的。因此，在特别地不是SF6气体绝缘的电缆连接件或电缆接头的情况下，必须注意电接触区域的电性能不能随时间发生改变或仅发生轻微改变，同时必须在连接装置之间建立随着岁月推移永久可靠的高效电连接。用于中压和高压应用的电缆接头，例如屏蔽(直角)插接件和(插入)连接器接头，在接头体中，通常具有形成为螺纹销或接触销的电接触装置，该装置与高压电缆的导体连接件电接触及机械接触。
为了连接器和与之配合的配合连接器之间好的电过渡，所述连接器和/或配合连接器通常涂覆有接触元件。这种接触涂层通常由外层的银(由于其优异的导电性)做成并且在它下面具有镍层。在相对较高或较高的温度下，可能超过180-200℃，所述接触元件的接触涂层在一段时间后会有分层的趋势。这是由于大气中的氧扩散穿过银层到达镍层而发生的，使得镍层的氧化，导致分层，即银层从镍层上分离。这就是对于电气或混合动力机动车的连接器在例如约180℃下仅在200小时后现有层厚度的情形。
US2009/0017327A1披露了一种用于电接触集成电路的引线框以及一种铜构成的用于点接触的机电接触元件。为了防止铜腐蚀，引线框和接触元件在每种情况下都具有外部的锡防腐保护层，并提供一镍阻挡层以阻止铜基体和锡层之间的相互扩散。为了防止引线框上的锡起毛，在铜基体和锡层之间提供一银层。为了防止接触元件的接触腐蚀，在镍阻挡层上提供一铜牺牲层，以及在此为氧化层，其中氧化层可包括氧化银。
发明内容
本发明的目的是要设计一种改进的电接触涂层、一种改进的电气或机电接触元件，以及由此用于高温下应用，特别是在高电压和/或高电流领域，尤其是用于电力或混合动力机动车的改进的电气、电子和/或电光学连接器。这样做，电接触涂层的分层可以有效、永久地被避免，即使是在较高或相对较高的至少150到超过200℃的温度下。这样做，接触涂层可以被简单、快速和经济地提供到连接器的接触元件上。进一步地，本发明的目的是要设计一种将铜或含铜层用于涂层，特别地用于高温应用的电涂层。
本发明的目的是这样实现的：通过根据权利要求1所述的用于导电基体的特别是电动或混合动力机动车中的高温应用的电接触涂层；通过根据权利要求7所述的用于高温应用的电气或机电接触元件；通过根据权利要求9所述的电气、电子和/或电光学连接器，特别是在高电压和/或高电流领域的插入连接器或连接装置；以及通过根据权利要求11所述的将铜或含铜层用于涂层，特别是用于电接触涂层。本发明的发展前景、附加特征和/或优点在所附的权利要求书和以下的说明中将变得显而易见。
根据本发明所述的电接触涂层或根据本发明所述的复合材料具有能施加在基体上的层状配置，该配置包括至少两层，一层为过渡金属，另一层为贵金属。在层状配置的两层之间提供一第三层，其称为中间层，其根据本发明包括铜。在这种情况下，两层之一优选为可电接触外层，其可接近配合连接器的接触元件。根据本发明的电气或机电接触元件包括一外层和一内层，外层包括贵金属而内层包括过渡金属。根据本发明，在层状配置的外层和内层之间提供中间层，其中中间层包括铜。
根据本发明所述的电、电子和/或电光学连接器具有根据本发明的设置在连接器的基体上的电接触涂层和/或根据本发明的电气或机电接触元件。在这种情况下，连接器可设计为例如用于汽车领域的插入连接件的插座连接器、插销连接器或混合连接器、或为用于中压和/或高压电缆或电线的电缆接头或阳电缆连接器。进一步地，连接器可设计为电气或机电接触元件，作为衬垫、凸片或印刷电路板的至少部分的印刷导体。-当使用本发明的铜或含铜层时，其被用作直接衬底或用于层的特别是外层的直接衬层，该外层包括贵金属或贵金属层。
根据本发明，过渡金属层设计为阻挡层，贵金属层设计为电接触层和/或中间层设计为抗扩散层。在这种情况下，过渡金属层为电接触涂层的内层而贵金属层为外层。过渡金属优选包括镍，但也可包括钴、铁、锰、铬和/或钼或它们的合金。贵金属优选包括银，但也可包括金和/或铂。也就是说，根据本发明，内层特别地包括镍或镍基合金，而外层特别地包括银或银基合金。
根据本发明，铜层阻止了空气中的氧气扩散到内层，其优选包括镍，电接触涂层的金属间性能得到提高。这样，根据本发明能有效永久地阻止接触涂层分层，即使是在至少150到200℃的高温或相对高温下。这也意味着当本发明应用于插入连接器时，插入连接器的拔取力可永久基本保持不变，这是由于拔取力未因接触层的分层而增加。当使用润滑剂时，这意味着插/拔力可以在一特定范围内永久保持。进一步地，接触涂层的附加层可在外层设置在连接器的接触元件之前的时间内简单、快捷和经济地设置在内层上。
根据本发明，中间层可直接附在接触涂层的外层和/或直接在内层上，并任选的在每种情况下与其电连接。进一步地，根据本发明，电接触涂层的层状配置可有一第四层，其配置在基体和内层之间。在此情况下，所述第四层特别设计为一底层或粘结层，其优选包括铜或铜基合金。也就是说，进一步地，除了可选择存在的底层外，层状配置优选地包括恰好三个层。在此情况下，根据本发明，外层的按重量或体积的占主要比例的是贵金属。内层的按重量或体积的占主要比例的在此情况下是过渡金属，特别地为镍，而底层和/或中间层的按重量或体积的占主要比例的是铜。
根据本发明的优选实施例，中间层和/或底层是铜闪镀层(copper flash)或铜冲击镀层(copper strike)。在此情况下，基体本身含铜或铜基合金或为镀铜基体。不过，其他材料，特别是导电性材料，也可以适用于基体。在此情况下，基体本身可以自己提供接触，或者甚至可再次设置在衬底上，例如在元件上。根据本发明，层状配置可施加于表面和/或选择性地施加于基体。特别地，层状配置可提供在电接触元件或电连接器的电接触区域上/内。在这种情况下，基体为接触元件或连接器的至少一区域。
附图说明
通过参考附图利用实施例的例子更详细地解释本发明。附图中的两个非常抽象且不按比例的图，表示：
图1是根据本发明的在电、电子和/或电-光学连接器的导电基体上的电接触涂层的第一实施例的截面侧视图；和
图2是根据本发明的第二实施例的与图1类似的视图，基体在电气或电子元件上设置有电接触涂层。
具体实施方式
最初通常参考电气、电子和/或电光学连接器1，将在下面更详细地描述本发明，附图被保持是相应地示意性的。在此情况下，连接器1可设计为插入连接器1或连接装置1，优选用于高电压/高电流(插入)连接器。在此情况下，连接器1可设计为插座连接器1、插销连接器1或混合连接器1，用于汽车领域中的插入连接，特别地用于电动或混合动力机动车、电气工程领域和/或中压或高压电缆领域，或例如作为衬垫1、凸片1或印刷电路板50的印刷导体1的一部分(见图2)或作为引线框1。
这样的连接器1设计为例如插座连接器1和/或插销连接器1、(浮动)耦接器1、(集成)插接件1、(集成)套管1、插座插孔1和/或插接孔1、接头1、接口1、接触插入件1、触头支架1、电缆接头1、阳电缆连接器1、底座连接器/插接件1、耦接连接器/插接件1、衬套1、电缆连接插接件1、(屏蔽式)(直角)插接件1、适配器(插入)连接器1、(电缆)密封端1等等。
在此情况下，连接器1具有一电气或机电接触元件2。所述接触元件2在此情况下用于电接触和/或信号接触，所述接触元件2可以设计为例如：(高电流/高电压)接触装置2、插座接触装置2、插销接触装置2、连接件2、连接插销2、衬垫2、凸片2、印刷导体2、栅极2、电触头2、信号/数据触头2、螺纹销2、接触销2、压接触头2、阴阳同体连接器2、刀片触头2、叉状触头2、绝缘位移触头2、弹簧触头2、弹簧夹持装置2、插入插座2、快速连接插座2、插舌2、插入销2、导体2、扁平导体2、电磁屏蔽件2等等。
至少在接触元件2或连接器1的一个电接触区域5中，接触元件2在基体20上具有根据本发明所述的电接触涂层10，其可顺序布置在衬底(backing)50(见图2)上。接触区域5可通过配合连接器的电接触元件被电接触在它的外部电接触表面132上。
在此情况下，衬底50可为电气或电子元件50、印刷电路板50、印制板50等。当然，将基体20用作接触涂层10(见图1)的最终支撑件也是可以的。这尤其是传统的插座接触装置2和插销接触装置2的情形。在此情况下，基体20本身也依序具有层状结构。
基体20优选由导电性材料构成，例如铜，特别是OF/OFHC铜(OF：无氧，OFHC：无氧高导电性)。当然，其他导电性材料，特别是金属或金属合金也可以用于取代铜，在此情况下，优选使用底层100。也就是说在本发明的优选实施例中，层100，优选地形成为粘结层100或底层100，其特别地包括铜或铜基合金，被用作接触涂层10的最底层100。在此情况下，优选铜闪镀层或铜冲击镀层(copper strike)。
根据本发明的电接触涂层10的层状配置10，除底层100外，优选为正好三层110、120、130，即内层110、中间层120和外层130。在此情况下，内层110设计为阻挡层110、中间层110或过渡金属层110。中间层120是衬层，形成为用于层状配置10的外层130的防扩散层120或阻挡层120。最后，外层130设计为电接触层130或贵金属层130。
内层110优选包含镍或镍基合金，但也可包括例如钴、铁、锰、铬、钼或基于它们的合金。中间层120包含铜或铜基合金，而且其再次特别地设计为铜闪镀层或铜冲击镀层。外层130优选包含金属银或金属银合金，但也包含例如金属金或金属铂。进一步地，外层130可以为金属铂/镍/金层，特别地，为铂/镍闪镀层/金涂层。
在此情况下，金属氧化物层，特别是贵金属氧化物层，可以理解其并不是含有所述金属的层；这样的层仅包含金属氧化物，其特性大不相同。基。也就是说，例如氧化银和银是完全不同的物质，那么氧化银并不包含任何银原子。
当然，本发明并不局限于上述的连接器1或接触元件2的例子，而是可以用于涂层，特别是接触涂层易于分层的任何地方，其会是特别地在较高温度情况下例如在超过20-80℃的温度下的情形。在此情况下，然后传统的涂层，根据本发明的涂层可被提供，或根据本发明的铜层可提供在贵金属/镍层顺序之间。
底层100、内层110、中间层120和/或外层130可用电镀的方式电镀沉积。其还可进一步地，使用蒸气沉积(vapour-deposited)、溅射或外延生长的方式提供。除了电镀之外，优选方法为化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子支持化学气相沉积(PECVD：等离子增强化学气相沉积，PACVD：等离子辅助化学气相沉积)、金属溅射镀(金属溅射)、非电解沉积，例如浸镀，或化学沉积的无电镀。
底层100、内层110、中间层120和/或外层130的层厚一般在0.01μm到超过200μm的范围内，取决于应用领域。在此情况下，优选底层100和中间层120设计为相对薄的层100和120，这些层优选地能够设计为铜闪镀层或铜冲击镀层。在此，层厚度优选为0.05-2μm，特别是0.2-1μm。当然也可以用其他方法任选地特别将铜层120设计为阻挡层或抗扩散层120，层厚度优选范围为3-20μm，特别地2-15μm，更优选地1-10μm。
在将本发明应用到机电接触元件例如用于电动或混合动力机动车的高电压和/或高电流连接器1时，外层130，优选主要由银构成，具有层厚度为2-15μm，特别地为1-10μm，优选地为0.5-5μm，以及特别优选地为0.8-2.5μm。在此情况下，银层130可由明亮的纯银或硬银构成。当将金用作外层130时，优选的层厚为0.7-0.9μm±0.1μm。被设计为阻挡层110的底层110，在此情况下优选具有层厚0.02-5μm，特别地0.05-2μm。其他厚度当然也可以使用，取决于连接器1的电气或机电接触元件2的相关电接触区域5的需求。

Claims (11)

1.用于导电基体(20)的电接触涂层，特别是用于电动或混合动力机动车中的高温应用的，优选由铜、铜基合金制成的基体(20)或镀铜基体(20)，所述电接触涂层具有：
能够涂覆到所述基体(20)并具有两层(110，130)的层状配置(10)，一层(110)包括过渡金属，另一层(130)为贵金属，其特征在于，
中间层(120)被设置在所述层状配置(10)的两层(110，130)之间，所述中间层包括铜，而所述两层(110，130)中的一层是外层(110，130)。
2.根据前述权利要求所述的电接触涂层，其特征在于，所述一层(110)被设计为阻挡层(110)，所述另一层(130)被设计为电接触层(130)，并且/或者所述中间层(120)被设计为抗扩散层(120)。
3.根据前述权利要求之一所述的电接触涂层，其特征在于，所述过渡金属层(110)是内层(110)，所述贵金属层(130)是外层(130)，
所述过渡金属优选包括镍、钴、铁、锰、铬和/或钼或它们的合金，并且/或者所述贵金属优选包括银、金和/或铂，
所述内层(110)特别是包括镍或镍基合金，所述外层(130)特别是包括银或银合金。
4.根据前述权利要求之一所述的电接触涂层，其特征在于，所述中间层(120)直接位于所述外层(130)上和/或直接位于所述内层(110)上，并任选地在每种情况下与其电连接。
5.根据前述权利要求之一所述的电接触涂层，其特征在于，所述层状配置(10)包括第四层(100)，该第四层设置在所述基体(20)和所述内层(110)之间，所述第四层(100)形成为底层或粘结层(100)，所述底层或粘结层优选包括铜或铜基合金。
6.根据前述权利要求之一所述的电接触涂层，其特征在于：
·所述层状配置(10)，除了所述可以可选择地存在的底层(100)之外，包括正好三层(110，120，130)；
·所述外层(130)的按重量或体积计占主要比例的为贵金属；
·所述内层(110)的按重量或体积计占主要比例的为过渡金属，特别是镍；
·所述底层(100)和/或中间层(120)的按重量或体积计占主要比例的为铜；
·所述中间层(120)和/或所述底层(100)是铜闪镀层或铜冲击镀层；
·所述基体(20)包括铜或铜基合金，或为镀铜基体(20)；
·所述层状配置(10)可施加在所述表面上和/或选择性地施加到所述基体(20)上；
·所述层状配置(10)可设置在所述电连接器(1)或所述电接触元件(2)的电接触区域(5)中；并且/或者
·所述基体(20)是电接触元件(2)或电连接器(1)的至少一区域。
7.电气或机电接触元件，用于高温应用，特别是用于高电压或汽车领域，具有：
外层(130)和内层(110)，所述外层(130)包括贵金属，所述内层(110)包括过渡金属，其特征在于，
包括铜的中间层(120)设置在所述外层(130)和所述内层(110)之间。
8.根据前述权利要求所述的电气或机电接触元件，其特征在于，所述层状配置(10)是根据权利要求1至6之一构造的。
9.电气、电子和/或电光学连接器，特别是用于高温应用的插接式连接器或连接装置，特别是在高电压和/或高电流领域中的，具有：
根据权利要求1-6之一所述的设置在基体(20)上的电接触涂层(10)，和/或根据权利要求7或8所述的电气或机电接触元件(2)。
10.根据前述权利要求所述的电气、电子和/或电光学连接器，其特征在于：
·所述连接器(1)被设计为用于汽车领域中的插接式连接的插座连接器、插销连接器或混合连接器；
·所述连接器(1)或所述电气或机电接触元件(2)被设计为衬垫、凸片或印刷电路板(50)的印刷导体的至少一部分；或
·所述连接器(1)被形成为用于中电压或高电压电缆的电缆配件或阳电缆连接器。
11.铜或含铜层用于涂层(10)的使用，所述涂层(10)特别是电接触涂层(10)，优选用于高温应用，其中
所述铜或含铜层(120)用作用于层(130)特别是外层(130)的直接衬底或直接衬层(120)，所述层(130)包括贵金属或者为贵金属层(130)。
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