CN104507673A - 用于电触头元件的层、层系统和用于生产层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电触头元件(1)的层(10,3)。电触头元件通常被涂覆，且与对立触头元件(7)机械和电接触，从而经过长时间之后，或强或弱的机械压力(9)被施加到触头元件(1)的层(10,3)。通常，该层(10,3)在没有对立的触头元件(7)的情况下经受内部机械应力(9)。这些压力负载，特别是当使用锡时，可能导致从层(10,3)的被称为须晶的发丝状结构的生长，这可能导致短路。先前的解决方法通常对触头元件的其他性能有不利的影响。本发明的一个目的在于提供一种用于电触头元件(1)的层(10,3)，该层机械稳定、耐磨蚀且高度导电，并且该层同时防止被称为须晶的发丝状结构的生长。根据本发明，这通过包含铋且无锡的层(10,3)来实现。

Description

用于电触头元件的层、层系统和用于生产层的方法

技术领域

本发明涉及一种用于电触头元件的层。

背景技术

电触头元件用于借助于接触产生电连接。触头元件与对立的(counter)触头元件机械接触且电接触。从而通常或强或弱的机械压力施加在触头元件上，并且尤其是施加在触头元件的表面上。由于触头元件通常长时间地连接至对立的触头元件，所以该压力在大多数情况下存在很长的时间。例如，压力触头可长时间地倚靠在相对元件中，并且持久地承受高机械应力。与弹性力加固的触头在触头表面上的接触导致更长期的负载。

为了改善连接的性能，并且为了保证多个连接周期的稳固连接，触头元件通常是涂覆有涂层的。这样的涂层可例如降低过渡电阻，具有增加的磨损耐受性，或延迟或防止化学变化，例如位于该层下方的基部的氧化。由于该层和基部的晶体结构相对彼此偏离或多或少的程度，所以层单独存在能够导致层中的内部机械张力。取决于涂覆的方法，具有不同性能(例如不同的结晶形式或定向)的层材料的不同尺寸的区域可进一步产生，这导致层中的内部张力的增加。即使没有外部机械压力，层可能已经承受内部机械应力。对于层具有同样的材料，特别是锡，在大多数情况中这或多或少的程度上导致从层显著生长出针状结构或发丝状结构。随着时间以及与其他电成分的接触，这些结构可能变得非常长，导致短路的发生，或在其他位置处中断且发生短路。

为了防止这样的结构的生长，锡作为主材料和作为合金组分的使用期望被省去。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于电触头元件的层，该层机械稳定、耐磨蚀且高度导电，并且该层同时防止被称为须晶的发丝状结构的生长。

根据本发明，这是通过层包含铋且无锡而实现的。

当使用铋时，该层具有良好的电导率和低的接触过渡电阻。同时，铋仅轻微地与周围环境以及与任意其他的层成分起反应，并且从而在多年内稳定。由于该层是无锡的，防止了须晶的生长。术语“无锡”意图被理解为，锡至多以很少的量被包含，例如作为杂质。然而，存在的锡特别地不期望是对层的性能有影响的大量的存在。

下面描述本发明的有利发展例，这些有利发展例可与彼此自由地组合。

层可包含多于10％，特别地多于50％，尤其多于90％的铋。百分数在每种情况下涉及质量。取决于层的其余成分的数量，可能需要增加铋的比例。特别地，铋还可能是更加成本有效的，其更易于获得和/或加工。铋的物理和/或化学性能相比于其余成分可能更适合于相应的应用，使得高比例的铋是有利的。

除了不可避免的杂质之外，如果层仅仅包括铋，该层可特别易于生产和/或处理。在这样的层的生产中，额外的混合或合金步骤是多余的。

在另一有利实施例中，该层不包含铅。铅对人体是有毒的，并且可在身体里积聚。此外，铅可导致环境损害。因此，完全去除铅是有优势的。特别地，铅的使用受制于法律规定。然而，可能必须或期望在层中具有铅成分。

该层可能具有其他成分，特别地这些材料可能是元素。例如，铅、锌、铟、锑、铜、镍、银、金、钯和/或钌是适合于此的，这些材料的每一种具有特定的物理和/或化学性能，使得根据将实现的层的性能，这些材料的一种或多种可以是层的不同比例的成分。例如通过添加银和/或金，可获得特别好的导电性能。然而，这通常与降低的机械稳定性联系在一起。其他材料可带来增强的机械性能，特别地还带来层的耐磨性。由于其他材料的添加，相比于利用相应尺寸的纯线性插值而预期得到的，多种材料的组合可具有更好的性能。例如，由于电效应而得到的电导率可比层的每种单独材料的电导率更高。

特别地，层的另一成分还可构成层的大的比例，特别是质量比例。另一材料可例如构成层的质量的多于50％。然而，添加的材料通常更贵，使得相应的比例期望尽可能低。典型地，其他成分将构成质量的约1％到10％。通常，非常小比例的其他材料也已经足够实现积极的效果。掺杂，即1％或更少的添加也可能例如已经足够。

如果铋与其他材料一起形成该层，则铋成为主成分是有优势的，也就是说，当铋的质量百分数的比例是所有比例中最高的是有优势的。从而，如果除了铋之外，例如使用进一步的十种额外的元素，每种为9％的质量百分数，10％的比例的铋可已经是主成分。这特别地保证了层的性能主要地由铋比例的性能而确定。

用于电触头元件的层的厚度可从原子延伸到约1mm厚的相对厚的层。典型地，用于电触头元件的层的厚度约为2微米。然而，特别地，当保证层是机械稳定且耐磨蚀的时，1微米以及更低的厚度的层也可以是足够的。

该层可施加到铜基底上。铜是广泛使用的且是对于触头元件来说成本有效的材料。此外，铜具有足够好的机械、热和电性能。

在基底(例如，铜基底)和根据本发明的层之间，可设置有其他的层。例如，称为镍的预涂层的镍层可被设置在铜基底和根据本发明的层之间。该镍层可承担例如屏障的功能，并且防止铜原子扩散进该层中。这种扩散可能对层的性能具有负面影响。

特别地，该层可直接施加到铜基底上。特别地，当使用高比例的铋时，特别是使用纯铋层时，预期是没有由于与该层直接接触的铜而导致的对层的负面影响。从而该另外的常规镍屏障层可被省去。

由于铋是高度反磁性的，包含铋的层可进一步具有额外的、积极的电性能和/或磁性能。例如，其可用于电磁屏蔽或用作波导。特别地，当该层完全地环绕或几乎完全环绕触头元件时，产生对屏蔽效果或传输效果的选择性影响。

根据本发明的层还可以是包括多个层的层系统的一部分。特别地，这种层可以是最外层，特别地也为接触层，其与环境和/或相对元件接触。然而，其也可用作中间层。

根据本发明的层或根据本发明的系统可借助于电镀而生产。特别地，仅仅层的一部分或层系统的一部分也可借助于电镀而生产。该方法是广泛使用的涂覆方法，因此在这方面存在对设备和操作方式的广泛的知识基础。在大多数情况下，电镀也是容易且成本有效的。由此生产的层具有通常的有利性能，例如产生的域的合适的尺寸、良好的表面结构和均一的分布。电镀方法可持续地实施或在分批生产中实施。

特别对于非常薄的层或层系统，层或层系统可借助于物理气相沉积而生产。在该方法中，更大范围的合金组分是可能的。此外，该方法允许具有非常宽范围的混合比的情况下多种层成分的顺序和/或同时施加，或允许非常纯的层的生产。

根据本发明的层可用作插接类型的连接器触头的触头层。特别地，其可用作插接类型的连接器触头的连接区域、和/或按压区域和/或插入区域的接触层。有利地，该层是纯铋层，使得铋用作插接类型的连接器触头的连接区域、和/或按压区域和/或插入区域的接触层。

附图说明

本发明下面参考示例性实施例而说明。这里阐述的实施例和特征取决于其对相应的应用的有利程度而可与彼此自由地组合。在图中：

图1是根据本发明的层在基底上的示意性截面图；

图2是根据本发明的层与中间层和基底一起的示意性截面图；

图3是具有根据本发明的层的触头元件的示意性截面图；

图4是具有根据本发明的层系统的触头元件与对立的触头元件一起的示意性截面图；

图5是具有根据本发明的接触层的压触头元件的示意性截面图；

图6是根据本发明的层系统的示意性截面图；

图7是电化学生产的铋层的EDX(能量分散X射线谱)分析的示意图。

具体实施方式

图1示出了触头元件1，其包括基底2和施加到基底2的根据本发明的接触层3。接触层3位于基底2和环境4之间，使得其将环境4和基底2从彼此屏蔽。接触层3用于与对立的触头元件(未示出)产生接触。

在该情况中示出的接触层3借助于电镀施加到基底2。在该情况中，接触层3从基底的表面2a在生长方向G上向外生长直到其已经到达厚度DK。涂覆操作从而被中断。这种接触层3的典型的厚度在1μm和10μm之间。然而，为了获得更稳定的层，该厚度可选择为更大。特别地，选择的涂覆方法还可仅允许更厚的层的生产。在另一方面，更薄的层也通常是足够的。例如，具有小于10μm的厚度的层，特别地还小于1μm的厚度的层，可能已经足够。

这里示出的接触层3包含铋，而没有锡。其可以是纯铋层。然而，该层还可包含其他的元素，使得铋的比例降低。在一些情况下，大于10％的铋的比例可能足够排除不期望的须晶的形成。优选地，层包括大于50％的铋，特别地包括大于90％的铋。在每种情况下，如在本文的剩余部分中的，该百分数涉及质量。在更高的铋的比例的情况下，层的性能可主要由铋确定。晶体结构、形态性能、电性能、物理性能和/或化学性能仅借由示例的方式而提及。在接触层中，电导率和耐磨性是最重要的。

在该情况下示出的接触层3的示例直接布置在基底2上。因此，特别地，在基底2和接触层3之间没有中间层。基底可特别地为铜。根据本发明的接触层3可直接施加至铜，铜将不可能与其他的层，例如与锡层接触，因为可能发生铜原子扩散到锡层中，从而将对接触层3的性能有负面影响。在根据本发明的接触层的情况下，这样的中间层或屏障层可以被省去。然而，在该情况下，这样的镍层也可存在。

基底2在表面区域至少完全地被接触层3覆盖，接触层3由于铋的反磁性能而能够产生屏蔽效果。图1仅示出了切口。触头元件1例如可以是具有方形横截面的销触头。接触层3可完全地围绕截面延伸，使得接触层3以类似管道的方式环绕基底2。由于铋的反磁性能，可从而生产以几乎无损耗的方式传导特定频率或特定频率范围的波导。

图2是根据本发明的接触层3的第二实施例的示意性截面图。接触层3是层系统5的一部分，该层系统5除了接触层3之外，还包括中间层6并且布置在基底2上。这样的中间层6可例如以期望的方式影响基底2和中间层6之间的过渡电阻。特别地，中间层6可降低该过渡电阻，使得整个系统的电导率较低。

例如当在没有中间层的情况下接触层3不可能在基底2上生长时，中间层6还可用作中间层6b。这样的中间层6b从而能够良好地连接至基底2并且良好地连接至接触层3。该中间层6b可能在单个原子之间具有晶格常数，该晶格常数在基底的晶格常数和接触层的晶格常数的值之间。从而可防止在接触层直接施加到基底2的情况下将会发生的增加的缺陷的发生和/或内部机械压力或张力。

中间层6还可仅仅是屏障层6c，该屏障层防止基底2的成分扩散进接触层3中或相反情况。

中间层6的厚度DZ和接触层3的厚度DK可取决于应用而选择为不同的尺寸。例如，中间层6可具有仅仅小的厚度DZ，而接触层3的厚度DK相对较大。在另一方面，接触层3的厚度DK可以是小的，并且中间层6的厚度DZ可以是较大的。

特别地，中间层6还可以是包括基底2和接触层3的成分的合金层。这可能有意地产生或偶然地发生。

至于其他的实施例，在该例中示出的接触层3除了铋之外，还可包含其他的材料，特别是其他的元素材料。特别地，其可包括锌、铟、锑、铜、镍、银、金、钯和/或钌。取决于应用和将要获得的期望的性能，这可以变化。因此，铋仍然是性能的决定性因素，其必须特别地是主成分，也就是说，铋的比例比任意其他元素单独的比例都要大。铅也可被添加，但是对于接触层3来说不包含铅是有利的，因为铅对人体有毒并且可能损害环境。

由于该层不包含锡，防止了不期望的须晶的生长。在图3中，根据本发明的层10再次为接触层3。这次，基底2的表面2a不线性地延伸，而是以弯曲的方式延伸，并且位于其上的接触层3环绕基底2。在该例中示出的接触层3的示例在生长方向G上具有保持恒定的厚度DK。触头元件1可以是例如与平坦表面接触的销状触头元件1a。这样的接触层3可例如借助于浸渍涂覆的方法而生产。

图4示出了根据本发明的层10的另一实施例。该层10这次不形成接触层3，而是替代地由单独的接触层3a覆盖。在层10和基底2之间，还具有另一中间层6，例如中间层6，如已经在图2中描述的。在生长方向G上施加到层10上的接触层3可例如用于降低过渡电阻。还可能需要防止层10焊接或纤焊到相对元件7。此外，单独的接触层3a还可防止层10与相对元件7或环境4的化学作用，诸如在空气中氧化。

对立的触头元件7在接触方向C上压在触头元件1上，使得层系统5处于从相对触头元件的顶端7a延伸出的机械压力9下。机械压力9特别地在相对触头元件7的顶端7a附近具有平行于接触方向C的分量9a。距顶端7a的距离越远，相对于接触方向C垂直延伸且平行于该层的分量9b变得越大。该机械压力9通常增加形成锡须晶的趋势，该锡须晶例如从层10在生长方向G上生长。然而，在根据本发明的层10的情况下，由于层包含铋并且以无锡的方式生产，所以须晶生长的情况不会发生。额外的单独的接触层3a还可进一步防止这种须晶的增长，但是并不必须包含铋。

中间层6的厚度DZ、层10的厚度DS和接触层3的厚度DK可适应于相应的应用。特别地，单个厚度可能比其他厚度大得多或小得多。

在该示例中，仅仅示出了单个单独的接触层3a。还可存在在朝向层10的生长方向上的其它层。

图5示出了根据本发明的层10，该层10用作接触层3并且绕基底2延伸。图5示出了叉状销1b，该叉状销用作触头元件1，并且被压在相对触头元件7(例如，涂覆的镀孔)中。在具有不根据本发明的接触层3的普通的触头元件1的情况下，随着时间这可能导致从接触层3生长的金属发丝，其中该发丝可能断裂和/或导致电短路。在示于该例中的根据本发明的用作接触层3的层10中，由于其包含铋，因此该现象不会发生。

图6示出了根据本发明的呈接触层3形式的另一层10。然而，在该例中示出的接触层3b仅在基底的部分区域2b和中间层6的部分区域6f上延伸。这样的空间选择可例如在层10或中间层6的电化学生产中通过覆盖基底而实现。通过例如机械加工或通过蚀刻移除实际生产加工后的层的不期望的部分区域也导致这样的构造。

图7示出了电化学生产的样品的EDX光谱(能量分散X射线谱)。基底是铜合金。铋层是通过无添加物的铋的电解液而被直接施加到铜基底上，也就是说，没有中间层。

附图标记列表

1    触头元件

1a   销状触头元件

1b   销

2    基底

2a   基底表面

2b   基底的部分表面

3    接触层

3a   单独的接触层

4    环境

5    层系统

6    中间层

6b   中间层

6c   屏障层

6f   中间层的部分区域

7    对立的触头元件

7a   对立的触头元件的顶端

9    机械压力

9a   在接触方向上的机械压力的分量

9a   垂直于接触方向的机械压力的分量

10   层

C    接触方向

DZ   中间层的厚度

DS   层的厚度

DZ   接触层的厚度

G    生长方向

Claims (15)

1.用于电触头元件(1)的层(10,3)，特别是接触层(3)，其在电接触的操作过程中经受机械压力，其特征在于所述层(10,3)包含铋并且是无锡的。

2.根据权利要求1所述的层(10,3)，其特征在于，所述层(10,3)包含多于10％，特别地多于50％，尤其多于90％的铋。

3.根据权利要求1或2所述的层(10,3)，其特征在于，所述层(10,3)，除了不可避免的杂质外，只包含铋。

4.根据权利要求1到3的任一项所述的层(10,3)，其特征在于，所述层(10,3)包括铅、锌、铟、锑、铜、镍、银、金、钯和/或钌。

5.根据权利要求1到4的任一项所述的层(10,3)，其特征在于，铋是主成分。

6.根据权利要求1到5的任一项所述的层(10,3)，其特征在于，所述层(10,3)直接施加到铜基底(2)。

7.根据权利要求1到5的任一项所述的层(10,3)，其特征在于，所述层(10,3)施加到镍的预涂层。

8.用于电触头元件(1)的层系统(5)，包括多个层(10,3,6)，其特征在于，其包含至少一个根据权利要求1-7的任一项所述的层。

9.用于生产根据权利要求1-7的任一项所述的层(10,3)或根据权利要求8所述的层系统(5)的方法，其特征在于，所述层系统(5)和/或层(10,3)的至少一部分通过电镀而生产。

10.铋在用于电触头元件(1)的层(10,3,6)中的用途，特别地是在操作期间经受机械压力(9)的接触层(3)中的用途。

11.根据权利要求10所述的铋的用途，其特征在于，铋直接施加到铜。

12.根据权利要求10所述的铋的用途，其特征在于，铋直接施加到铜之上的镍层。

13.根据权利要求10到12的任一项所述的铋的用途，其特征在于，铋用作接触层，用于插接类型的连接器触头的插入区域。

14.根据权利要求10到13的任一项所述的铋的用途，其特征在于，铋用作接触层，用于插接类型的连接器触头的连接区域。

15.根据权利要求10到14的任一项所述的铋的用途，其特征在于，铋用作接触层，用于插接类型的连接器触头的按压区域。