CN108468030B - 一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，包括将铜触点基底材料进行机械抛光、清洗烘干；放入真空腔体中离子清洗后利用磁控溅射原理在铜触点基底表面直接沉积银膜，最后进行退火处理。此方法得到的银膜与基底结合良好，膜层厚度均匀，具有纳米级别的晶粒尺寸，沉积速率快，表面粗糙度低，具有良好的接触电阻，提高了耐烧蚀性和使用寿命。相较于传统电镀方法，本发明方法工序少、效率高、绿色环保、镀层结合力好，设备简单操作方便，具有良好的工业化应用前景。

Description

一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法

技术领域

本发明涉及一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，使用磁控溅射技术在铜触点表面直接沉积银膜，银膜与基底结合良好，具有纳米级别的晶粒尺寸，可以得到较低的表面粗糙度，显著改善电触点表面接触电阻，提高耐烧蚀性，提高寿命，属于材料表面处理和改性技术领域。

背景技术

在低压电器及开关领域，铜金属由于具有高电导率、易加工性及成本低的特点，广泛被用作电接触触点材料，但空气中铜在反复的接通、断开过程中由于电弧的作用会形成氧化铜，极大的降低接触电阻和使用寿命。相比铜，银具有更好的电导率和接触电阻，以及润滑性、耐磨性、焊接性，而且其在开断过程中形成的氧化银不稳定，极易分解再次形成金属银，因此很适合用在空气中的电接触材料中。但是银金属成本较高，因此往往在铜触点的表面镀银来实现对铜触点性能的提升。

目前最常见的镀银方法主要是电镀银，采用氰化液挂镀的方式，例如湖北三江航天红林探控有限公司的“一种铅黄铜镀银工艺”(专利号：CN 104562112 A)提出先使用汞齐化方法在铜表面覆盖一层铜和汞的合金，再通过使用含有氰化液的电镀在其表面形成银层，再使用铬酸钾进行阴极钝化处理。该方法主要存在以下问题：电镀银是在氰化电镀液中进行的，氰化物有剧毒，易对人体造成伤害、对环境造成严重污染。作为全球三大污染工业之一，电镀行业面临着越来越重的环保压力，因此需要使用绿色环保的镀膜工艺；受工艺及前处理的限制，镀层结合力不可靠，在摩擦过程中容易脱落。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铜触点表面镀银的磁控溅射工艺及方法。该方法通过绿色环保的磁控溅射技术在经过离子清洗的铜触点基底表面直接沉积银膜，银膜与基底结合良好，膜层厚度均匀，沉积速率快，工序少，具有纳米级别的晶粒尺寸，表面粗糙度低，显著改善了电触点表面接触电阻，提高耐烧蚀性，提高使用寿命。相较于传统电镀方法，本发明方法工序少、效率高、绿色环保、镀层结合力好，能满足工业化生产的需要。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，包括如下步骤：

1)将铜触点基体表面经机械抛光后，超声波清洗烘干；

2)将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至指定本底真空度；同时在溅射腔体中装入一块或多块银靶，调节各个靶的倾斜角度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度；

3)向交换腔体中通入氩气并调节气压，在一定功率下用射频电源辉光清洗触点表面；

4)将经射频电源辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压，启动样品盘自转并以5～15度每秒匀速旋转；调节偏压，调节银靶直流电源功率至指定值后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银膜；当薄膜达到一定厚度后关闭银靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；

5)将得到的银镀层在惰性气体保护中退火，随炉冷却，待至温度低于80℃以下取出样品，最终即得触点表面的银镀层。

进一步，所述步骤1)中，所选取的铜触点材料其致密度在98％以上，将铜触点基底表面经机械抛光至表面粗糙度Ra小于0.5μm后，放入到酒精溶液中超声5～10min，然后置于丙酮溶液中超声5～10min后，用氮气吹干。

进一步，所述步骤2)中，所述真空腔体本底真空度在1×10^-5Pa～1×10^-3Pa。

进一步，所述步骤3)中，所述射频辉光清洗的功率为150W～200W，气压为1～2Pa，时间为30～60min。

进一步，所述步骤4)中，所述氩气气压为0.2～0.5Pa。

进一步，所述步骤4)中，所述偏压范围为-50～-150V；银靶直流电源功率为200W。

进一步，所述步骤5)中，所述惰性气体为氮气或氩气，退火温度在200～400℃，退火时间为1～5h。

以上所述的银层电阻率不大于5×10^-8Ω·m，硬度不小于1.5Gpa，表面粗糙度在60nm以下。

本发明方法利用磁控溅射方法在离子清洗后的铜触点基底表面上所制备的银镀层，具有纳米级晶粒尺寸，可以形成均匀稳定的纳米级烧蚀区来引导电弧对基体的烧蚀，提高电弧烧蚀寿命；通过调节辉光等离子清洗过程中的工艺条件和后续退火条件，可以改善铜触点的表面活性状态和互扩散能力，实现基底与银镀层在纳米级别的冶金结合，提高结合力；同时银镀层还可以降低表面粗糙度至纳米级别，改善电触头材料在使用过程中由于表面凹凸不平而造成的异常烧蚀现象，进而稳定使用寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1、本发明所得到的银镀层具有均匀分布的纳米级晶粒尺寸，以形成均匀稳定的纳米级烧蚀区来引导电弧对基体的烧蚀，降低烧蚀坑深度，提高电弧烧蚀寿命；并且具有低的表面粗糙度；

2、本发明通过调节离子清洗过程工艺参数以及后续的退火工艺，可以改变铜基底的表面活性状态，实现基底与银镀层在纳米级别的冶金结合，并在一定的退火过程中提高互扩散程度，进而提高膜基结合力；

3、本发明采用的物理气相沉积技术中的磁控溅射技术配合退火工艺，简单可控、设备操作方便、效率高、可靠性高、成本低，无需后续机加工，适合规模化连续生产，具有良好的工业化应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的铜触点表面镀银的磁控溅射方法，包括下述步骤：

1)选取的铜触点材料其致密度在98％以上，将铜触点基底表面经机械抛光至表面粗糙度Ra小于0.5μm后，放入到酒精溶液中超声5～10min，然后置于丙酮溶液中超声5～10min后，用氮气吹干。

2)将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至指定本底真空度1×10^-5Pa～1×10^-3Pa；同时在溅射腔体中装入一块或多块银靶，调节各个靶的倾斜角度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度1×10^-5Pa～1×10^-3Pa；

3)向交换腔体中通入氩气并调节气压为1～2Pa，在功率为150W～200W下用射频电源辉光清洗触点表面30～60min；

4)将经射频电源辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压0.2～0.5Pa，启动样品盘自转并以5～15度每秒匀速旋转；调节偏压为-50～-150V，调节银靶直流电源功率至200W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银膜；一定时间后关闭银靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；

5)将得到的银镀层在惰性气体保护中退火温度在200～400℃，退火时间为1～5h，随炉冷却，待至温度低于80℃以下取出样品，最终即得触点表面的银镀层。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

选取致密度为99.5％的纯铜触点作为基底材料，将该铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，依次浸入丙酮、无水乙醇中分别超声波清洗10min后、去离子水洗涤取出，用干燥氮气吹干待用；将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至1×10^-3Pa；同时在溅射腔体中装入四块银靶，调节各个靶的倾斜角度至30度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度达到5×10^-4Pa；向交换腔体中通入氩气并调节气压至2Pa，接入射频电源并调节其功率至150W辉光清洗触点表面60min；将辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压至0.2Pa，启动样品盘自转并以5度每秒匀速旋转；调节偏压至-100V，调节四个银靶直流电源功率至200W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银膜；沉积1h后关闭各个靶电源及设备，取出样品；随后在氮气气氛下对得到的样品进行退火1h，退火温度为200℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的触点表面的银镀层的厚度约为20μm，镀层电阻率为3.5×10^-8Ω·m，硬度为2.2GPa，整个镀层均匀致密，无明显缺陷，表面粗糙度为30nm。

实施例2

选取致密度为99.5％的纯铜触点作为基底材料，将该铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，依次浸入丙酮、无水乙醇中分别超声波清洗5min后、去离子水洗涤取出，用干燥氮气吹干待用；将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至1×10^-4Pa；同时在溅射腔体中装入四块银靶，调节各个靶的倾斜角度至45度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度达到1×10^-5Pa；向交换腔体中通入氩气并调节气压至1Pa，接入射频电源并调节其功率至200W辉光清洗触点表面30min；将辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压至0.5Pa，启动样品盘自转并以10度每秒匀速旋转；调节偏压至-50V，调节四个银靶直流电源功率至200W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银膜；沉积2h后关闭各个靶电源及设备，取出样品；随后在氮气气氛下对得到的样品进行退火2h，退火温度为500℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的触点表面的银镀层的厚度约为50μm，镀层电阻率为4.2×10^-8Ω·m，硬度为1.8GPa，整个镀层均匀致密，无明显缺陷，表面粗糙度为45nm。

实施例3

选取致密度为99.5％的纯铜触点作为基底材料，将该铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度约为0.5μm后，依次浸入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声波清洗10min后取出，用干燥氮气吹干待用；将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至1×10^-4Pa；同时在溅射腔体中装入四块银靶，调节各个靶的倾斜角度至45度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度达到1×10^-5Pa；向交换腔体中通入氩气并调节气压至1Pa，接入射频电源并调节其功率至180W辉光清洗触点表面40min；将辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压至0.3Pa，启动样品盘自转并以15度每秒匀速旋转；调节偏压至-150V，调节四个银靶直流电源功率至200W后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银膜；沉积2h后关闭各个靶电源及设备，取出样品；随后在氮气气氛下对得到的样品进行退火5h，退火温度为300℃，随炉升温并且随炉降温至室温后取出样品。最终得到的触点表面的银镀层的厚度约为40μm，镀层电阻率为3.0×10^-8Ω·m，硬度为2.4GPa，整个镀层均匀致密，无明显缺陷，表面粗糙度为35nm。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)将铜触点基体表面经机械抛光后，超声波清洗烘干；

2)将铜触点基体材料置于专用的夹具上，基体表面向上放入交换腔体中并对腔体抽真空至指定本底真空度；同时在溅射腔体中装入一块或多块银靶，调节各个靶的倾斜角度；并对溅射腔体抽真空，至指定本底真空度；

3)向交换腔体中通入氩气并调节气压，在一定功率下用射频电源辉光清洗触点表面；

4)将经射频电源辉光清洗后的触点表面向下传送进溅射腔体后，通入氩气并调节气压，启动样品盘自转并以5～15度每秒匀速旋转；调节偏压，调节银靶直流电源功率至指定值后打开样品台挡板，开始在铜触点基体上沉积银膜；当薄膜达到一定厚度后关闭银靶，关闭偏压，关闭样品台挡板；

5)将得到的银镀层在惰性气体保护中退火，退火温度在200～400℃，退火时间为1～5h，随炉冷却，待至温度低于80℃以下取出样品，最终即得触点表面的银镀层；

所述偏压范围为-50～-150V；银靶直流电源功率为200W；

所述银镀层 电阻率不大于5×10^-8Ω·m，硬度不小于1.5GPa ，表面粗糙度在60nm以下。

2.根据权利要求1所述的一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤1)中，所选取的铜触点材料其致密度在98％以上，将铜触点基体表面经机械抛光至表面粗糙度Ra小于0.5μm后，放入到酒精溶液中超声5～10min，然后置于丙酮溶液中超声5～10min后，用氮气吹干。

3.根据权利要求1所述的一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤2)中，真空腔体本底真空度在1×10^-5Pa～1×10^-3Pa。

4.根据权利要求1所述的一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤3)中，射频辉光清洗的功率为150W～200W，气压为1～2Pa，时间为30～60min。

5.根据权利要求1所述的一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤4)中，氩气气压为0.2～0.5Pa。

6.根据权利要求1所述的一种铜触点表面镀银的磁控溅射方法，其特征在于，所述步骤5)中，惰性气体为氮气或氩气。