CN209397269U - 具有锡基层的多层系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多层系统，其尤其用于电接触元件。以成本低廉的方式改善摩擦腐蚀抗性的目的如此解决，即，使得多层系统(1,1‘，1“)具有至少部分交替的、并且包括至少三个层的层系列(4,4‘，4“)，该层系列一方面具有至少两个锡基层(6,8,10)，另一方面具有一个或者多个另外的金属隔离层(5,7,9)。此外，本实用新型还涉及一种电接触元件，一种尤其可松解的电插拔连接件和一种用于生产电接触元件的方法。

Description

具有锡基层的多层系统

技术领域

本实用新型根据不同的方面涉及一种多层系统，其尤其用于电接触元件；一种电接触元件；一种尤其可松解的电插拔连接件和一种用于生产点接触元件的方法。

背景技术

在可松解的电连接技术领域，插拔连接器和其它电接触件的接触表面通常设置有表面保护层。这里，对于电插拔连接器的要求决定所需的表面特性。这里，锡对于插拔连接器和电接触件来说是最常用的表面材料。

在使用这种经过镀层的插拔连接器时，首先通过在接触时质软的锡的塑性变形而通常产生气密性的接触点。当锡与空气一接触，锡就与氧气反应并且立刻形成硬质的、约1.5nm厚的氧化层，该氧化层由(二价)锡的氧化物(SnO)和(四价)锡的氧化物(SnO₂)构成。随着时间的推移，该层的生长速度呈指数型下降，因为随着厚度的增加，越来越少的氧原子向着游离的锡离子扩散。氧化层的增长迅速变慢并且根据不同条件，在大约10nm至30nm时达到饱和。这种首先形成的薄的氧化层在接触时由于接触法向力而裂开，由此允许电流通过。

但通过这种行为，这种锡基表面保护层具有非常强烈的摩擦腐蚀趋势。这意味着，例如电接触件之间的微小运动会在接触区域中导致非常强烈的氧化并且由此导致电连接的中断。其原因在于，例如通过振动、震动或者不同的热膨胀系数而产生的微小运动使得接触区域彼此相对移动。在接触对的每次微小运动中，位于非贵金属表面上的保护性氧化层断开并且位于其下的金属被氧化。这种过程在每次运动周期中都会重复并且导致在表面上形成厚的、高电阻的氧化层并且最后导致接触阻力的强烈上升。出于这些原因，锡是容易被摩擦腐蚀的，这在经受周期性运动的接触件中、在几百次的低周期数之后就会体现。

对于无法排除相对运动的情况来讲可能的是，通过使用如银或者金的贵金属来降低易摩擦腐蚀性。因此，在对使用寿命、可靠性和可操作性方面有高要求的应用中，通常使用银表面或者金表面。这种表面不会形成氧化层，由此不会产生摩擦腐蚀。当贵金属层被磨损时才会出现基底材料或扩散屏障层的氧化。由此这种层系统达到了几万次周期的使用寿命。但由于贵金属的高价格，这种方法所承担的成本非常高。

德国公开文件DE 19747756A1例如说明了一种端子材料，其在载体材料上具有多层系统。这里设置有锡表面层。额外可在锡表面层和载体材料之间设置镍层和/或铜层。同样地，替代锡表面层也可以设置金表面层。

进一步改善摩擦磨损特性和摩擦腐蚀特性的可能性在于，在金表面层中设置纳米颗粒。但是却显示出，这些优点不能直接转移到锡表面上，因为很难将纳米颗粒嵌入锡层中。仅在近基底材料(基板) 处有纳米颗粒。但随着锡层厚度的增加，纳米颗粒的份额急剧下降。

实用新型内容

从该现有技术出发，本实用新型的目的在于，给出一种多层系统、一种电接触元件、一种电插拔连接器和一种用于生产电接触元件的方法，其中，可以以成本低廉的方式改善摩擦腐蚀抗性。

根据本实用新型的第一个方面，该目的通过一种多层系统实现，其尤其用于电接触元件，其中多层系统具有至少部分交替的、并且包括至少三个层的层系列，该层系列一方面具有至少两个锡基层，另一方面具有一个或者多个另外的金属隔离层。

令人惊奇地显示出，通过设置至少部分地在锡基层和一个或多个另外的金属隔离层之间交替的层系列可以提高摩擦磨损抗性。在此，尤其令人惊奇的尤其是，可以看到，通过根据本实用新型的多层系统，即使其例如不含纳米颗粒，也具有没有预料到的高摩擦腐蚀抗性。可以认为，高的摩擦腐蚀抗性的原因在于，锡基层和另外的金属隔离层的交替接触干扰了锡氧化层的成长动力学，由此锡基层的摩擦腐蚀得以延迟。同时，锡基层的存在又保证了保护另外的金属隔离层的表面不受腐蚀。由于在该多层系统中此外不需要使用如金或银等金属，可以非常经济地生产该多层系统。最终，由此实现了用于形成有效表面保护层的、成本低廉的多层系统。

锡基层的意思尤其是，该层由锡或锡合金构成。这里，该一个多个另外的金属隔离层尤其不是由锡或锡合金制成的层，而是由其它金属或者其它合金制成的层。该层系列优选仅具有两种不同的层。这意味着金属隔离层优选由相同的金属(尤其是铜或者铜合金)制成。但是设置由不同的金属制成的隔离层也是可行的。

通过使得该层系列至少部分地是交替的，通过一个或者多个另外的金属隔离层将锡基层彼此分隔开。因为该至少部分地交替的层系列包括至少三个层，其中至少两个锡基层和至少一个另外的金属隔离层，该层系列至少具有这样的顺序：锡基层-另外的金属层-锡基层。

层系列至少部分地交替的意思尤其是，除交替区域外还可以存在不交替的区域。此外，除了至少部分地交替的层系列之外，该多层系统还可以包括其它的层。同样可行的是，在锡基层和该一个或者多个的其它金属层之间存在层。该多层系统也可以仅由至少部分地交替的层系列构成。

该层系列例如具有相同数量的锡基层和另外的金属隔离层。

该层系列例如包括比另外的金属隔离层更多的锡基层。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，该至少部分地交替的层系列具有至少三个锡基层。如果将锡基层的数量升高到至少三个，可以提高锡基层的总厚度并且由此达到进一步提高的摩擦腐蚀抗性。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，该至少部分地交替的层系列具有至少两个，优选至少三个另外的金属隔离层。通过金属隔离层数量的增大可以相应地设置多个锡基层并且可以干扰锡氧化层的成长动力学，由此延迟了锡基层的摩擦腐蚀。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，该一个或多个另外的金属隔离层以铜为基。通过铜基的金属隔离层可以达到高的摩擦腐蚀抗性，因为铜基金属隔离层本身具有比锡基层更小的摩擦腐蚀倾向。

铜基隔离层的意思尤其是由铜或者铜合金(例如黄铜)构成的隔离层。

如果设置多于一个的金属隔离层，这些层至少部分地，优选全部基于铜。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，该至少部分地交替的层系列为严格交替的层系列。可以看到，由此可以高效且成本低廉地提高抗腐蚀性。严格交替的层系列的意思尤其是总是将一个锡基层和一个另外的金属隔离层设置为彼此直接接触和更替的。虽然如此，多层系统在交替的层系列之上或之下包括其它的层也是可能的。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，该多层系统包括至少一个尤其基于镍的中间层。该中间层尤其安置在至少部分地交替的层系列和基板之间。该中间层尤其具有镍或镍合金。基于镍的中间层可以形成可阻止或减缓金属间相形成的扩散屏障。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，该至少部分地交替的层系列包括至少四个，优选至少五个，更加优选至少六个层。如果在交替的层系列中设置四个层(分别交替的、总共两个锡基层和两个金属隔离层)，可以达到对于大多数应用来说都足够的摩擦腐蚀抗性。可以看到，尤其可利用最多十个层(总共彼此更替的五个锡基层和五个金属隔离层)来经济地达到有利的摩擦腐蚀抗性。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，锡基层分别具有至少0.1μm和/或最高5μm的层厚。在该层厚范围内达到了足够的表面保护，并且该多层系统不需要太多空间和材料。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，一个或多个的另外的金属隔离层分别具有至少0.1μm和/或最高5μm的层厚。如已经说明的，在该层厚范围内达到了足够的表面保护，并且该多层系统不需要太多空间和材料。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，多层系统的层的至少一部分具有放入的纳米颗粒，其中该纳米颗粒优选包括陶瓷和/或金属的纳米颗粒。纳米颗粒的意思尤其是粒径在1至 200nm范围内的颗粒。优选该至少部分地交替的层系列的所有层或者多层系统的所有层都具有相应的纳米颗粒。可以看到，通过所引入的纳米颗粒，根据颗粒种类的不同，可以达到耐磨损性和/或电气特性的改善，也就是说尤其可以达到更好的电连接或更好的表面保护。

通过设置交替的层系列才能将纳米颗粒的正面效应也转移到具有锡基层的多层系统上。如已经说明的，纳米颗粒主要沉积在锡基层的边缘区域中。通过交替的层系列可以在基本上整个多层系统上达到重要的纳米颗粒浓度并且同时达到锡基层足够的总厚度。

如已经说明的，多层系统替代性地也可以设置为不含纳米颗粒的，因为认识到，无需纳米颗粒浓度也已经可以达到近乎相似的高摩擦腐蚀抗性。

根据符合第一个方面的多层系统的一个示例的设计方案，多层系统的层至少部分地通过电镀施加。由此可以将多层系统的层并且尤其层系列的层单独一层一层地施加。此外，可以在较少的材料消耗的情况下实现非常薄的层厚。

根据第二个方面，该目的通过一种电接触元件解决，该电接触元件包括尤其基于铜的基板和安置在该基板上的、根据第一个方面的多层系统。通过该多层系统可以有利地为电接触元件提供表面保护层。该基于铜的基板尤其由铜或者铜合金构成。该电接触元件尤其可以是可松解的电插拔连接器的部件。

根据符合第二个方面的电接触元件的一个示例的设计方案，多层系统远离基板的层为锡基层。多层系统远离基板的层的意思尤其是多层系统的最上层(表面层)。该层例如暴露在环境中和/或首先与配对接触件相接触。但是，另外的金属隔离层中的一个作为多层系统远离基板的层原则上也是可能的。

根据符合第二个方面的电接触元件的一个示例的设计方案，多层系统朝向基板的层为锡基层、另外的金属隔离层或者中间层。多层系统朝向基板的层的意思尤其是直接与基板相接触的层。尤其可根据各个相应的基板来选择朝向基板的层并且为此做出优化。

根据第三个方面，开头所述目的通过一种尤其可松解的电插接连接器解决，该电插拔连接器包括根据第二个方面的电接触元件。通过使用根据第二个方面的接触元件或根据第一个方面的多层系统可以经济地生产该电插拔连接器，并且具有改善的摩擦腐蚀抗性。当该电插拔连接器用在其需要经受规律性的、尤其周期性的运动的环境中时，这是特别有利的。基于周期数，电插拔连接器的使用寿命可以得到显著提高。

根据第四个方面，开头所述的目的通过用于生产电接触元件的方法解决，该电接触元件包括尤其根据第一个方面的多层系统，该方法包括下列步骤：准备基板；将至少部分交替的、并且包括至少三个层的层系列施加到基板上，该层系列一方面具有至少两个锡基层，另一方面具有一个或者多个另外的金属隔离层。

根据符合第四个方面的方法的一个示例的设计方案，该层系列至少部分地通过电镀施加。如已经说明的，由此可以将多层系统的层并且尤其层系列的层单独一层一层地施加。此外，可以在较少的材料消耗的情况下实现非常薄的层厚。

根据符合第四个方面的方法的一个示例的设计方案，在多层系统的层中的至少一部分中引入纳米颗粒。如前所述，通过所引入的纳米颗粒，根据颗粒种类的不同，可以达到耐磨损性和/或电气特性的改善，也就是说尤其在发生氧化时更好的电连接。

根据符合第四个方面的方法的一个示例的设计方案，该电接触元件是尤其可松解的电插拔连接器的部件。由此，如果使用该方法以生产电插拔连接器的接触元件时，可以由此经济地生产该电插拔连接器并且具有改善的摩擦腐蚀抗性。如已经说明的，当该电插拔连接器用在其需要经受规律性的、尤其周期性的运动的环境中时，这是特别有利的。

关于不同方面的其它有利的设计方案，尤其参照对第一个方面和其优势的说明。

尤其可通过先前的和之后对不同的方面的设计方案的说明尤其也分别公开了其它方面的有利的设计方案(尤其根据第四个方面的优选实施形式的方法步骤)。

本实用新型不同方面的其它的示例性设计方案在接下来对本实用新型的示例性实施形式的详细说明中给出，尤其结合附图。

但随本申请所附的图示仅用于说明，不用于确定本实用新型的保护范围。所附图示并不按正确比例示出并且仅仅示例性展示本实用新型的整体概念。尤其不应将包含在图中的特征视作本实用新型必要的组成部分。

附图说明

图中：

图1a-1c示出了分别具有根据第一个方面的多层系统的、根据第二个方面的电接触元件的三个实施例；以及

图2示出了根据第四个方面的方法的实施例。

具体实施方式

图1a-1c首先示出了分别具有根据第一个方面的多层系统的、根据第二个方面的电接触元件的三个实施例。

在图1a中，示出了电接触元件的一个实施例的横截面，该接触元件例如可以为根据第三个方面的可松解的电插拔连接器的一个实施例的部件。该电接触元件包括多层系统1和基板2，该基板在此情况下由铜或者某种铜合金构成。将该多层系统1施加在基板2上。该多层系统1具有交替的并且包括至少三个层6,7,8的层系列4，该层系列具有两个锡基层6,8和一个另外的金属隔离层7。该另外的金属隔离层7基于铜，也就是例如由铜或者铜合金组成。由此得到了层系列4，该层系列包括由一方面锡基的层6,8以及另一方面铜基的隔离层7构成的交替的层系列4。这里，多层系统1远离基板2的最上层为锡基层8。多层系统1与基板2直接接触并且朝向该基板2的层为锡基层6。

图1b中示出了电接触元件的第二个实施例的横截面图。图1b 中的电接触元件与图1a中的类似，由此可以参照图1a的说明。但与图1a中所示实例不同的是，图1b所示电接触元件包含具有施加在基板2‘上的另一个层系列4‘的另一个多层系统1‘。在这种情况下，多层系统1‘包括交替的并且含五个层6，7，8，9，10的层系列4 “，其中有三个锡基层6，8，10和两个另外的金属隔离层7,9。在这种情况下，这些另外的金属隔离层同样基于铜。由此获得层系列 4‘，该层系列具有一方面由锡基层6，8，10，另一方面由铜基层7， 9组成的交替的层系列。在这种情况下，多层系统1‘远离基板2的最上层为锡基层10。多层系统1的与基板2‘直接接触的、并且朝向基板2‘的层也为锡基层6。

图1c中示出了电接触元件的第三个实施例的横截面图。图1c 中的电接触元件与图1b中的类似，由此首先可以参照图1b的说明。但与图1b中所示实例不同的是，图1c所示电接触元件包括具有施加在基板2“上的另一层系列4“的另一多层系统1“。在这种情况下，多层系统1‘包括中间层3“和交替的、并且含六个层5， 6,7,8,9,10的层系列4“，其中有三个锡基层6，8，10和三个另外的金属隔离层5，7，9。中间层3“安置在基板2“和交替的层系列4“之间。该中间层3“基于镍，也就是例如由镍或镍合金组成。在这种情况下，这些另外的金属隔离层5，7，9同样基于铜。由此获得层系列4“，该层系列具有一方面由锡基层6，8，10，另一方面由铜基层5，7，9组成的交替的层系列。多层系统1“远离基板22“的最上层同样为锡基层10。多层系统1“的与基板2 “直接接触的、并且朝向基板2“的层在这种情况下为镍基层3 “。

此外，在图1c中示出了配对接触件12，该配对接触件通过多层系统接触该电接触元件。

层系列4,4‘，4“分别为严格交替的层系列，在这些层系列中，总是将一个锡基层和另外的一个金属隔离层设置为彼此直接接触和更替的。多层系统1,1‘，1“的各个单独的层3“，5，6，7，8，9，10分别具有0.1μm至5μm之间的层厚。此外，可以在个别的或者所有的层3“，5，6，7，8，9，10中引入(例如为陶瓷的或金属的)纳米颗粒。此外，各个单独层3“，5，6，7，8，9，10有利地通过电镀施加(参见图2)。

尤其通过交替的层系列4,4‘，4“可以有利地提高摩擦磨损抗性，这些层系列的层由一个锡基层和一个或多个另外的金属隔离层交替构成。尤其地，在不添加如银或金的金属或者不额外添加纳米颗粒的情况下已经可以显著提升摩擦磨损抗性。

图2示出了根据第四个方面的方法的一个实施例，利用该方法例如可以生产图1a-1c中所示的电接触元件。为此在图2中示出了流程图100。

首先在选择性的第一个步骤110中将镍基层(例如图1c中的层 3“)施加到基板上。

作为同样选择性的第二步120，施加铜基层(例如图1c的层5)。

然后在步骤130中施加锡基层(例如图1a，1b，1c中的层6)。随后在步骤140中施加铜基层(例如图1a，1b，1c中的层7)。

最后在步骤150中重新施加锡基层(例如图1a，1b，1c中的层 8)。

然后结束层的施加或者再次(为了施加图1b，1c中的层9,10) 或者多次重复步骤140,150以施加其它的层。

优选借助电镀来施加层，以能够一层一层地施加多层系统的各层并且将其实现得非常薄。

Claims (15)

1.多层系统，所述多层系统用于电接触元件，其中所述多层系统(1,1‘，1“)具有至少部分交替的、并且包括至少三个层的层系列(4,4‘，4“)，所述层系列一方面具有至少两个锡基层(6,8,10)，另一方面具有一个或者多个另外的金属隔离层(5,7,9)。

2.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，至少部分交替的所述层系列(4,4‘，4“)具有至少三个锡基层(6，8，10)。

3.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，至少部分交替的所述层系列(4,4‘，4“)具有至少两个，优选至少三个另外的金属隔离层(5，7，9)。

4.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，一个或多个所述另外的金属隔离层(5，7，9)以铜为基。

5.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，至少部分交替的所述层系列(4,4‘，4“)为严格交替的层系列。

6.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，所述多层系统(1,1‘，1“)包括至少一个基于镍的中间层(3“)。

7.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，至少部分交替的所述层系列(4,4‘，4“)包括至少四个，优选至少五个，更加优选至少六个层(5，6，7，8，9，10)。

8.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，所述锡基层(6，8，10)分别具有至少0.1μm和/或最高5μm的层厚。

9.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，一个或多个所述另外的金属隔离层(5，7，9)分别具有至少0.1μm和/或最高5μm的层厚。

10.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，所述多层系统(1,1‘，1“)的层的至少一部分具有引入的纳米颗粒，其中该纳米颗粒包括陶瓷的和/或金属的纳米颗粒。

11.根据权利要求1所述的多层系统，

其中，所述多层系统(1,1‘，1“)的层(3“，5，6，7，8，9，10)至少部分地通过电镀施加。

12.电接触元件，所述电接触元件包括

-基于铜的基板(2，2‘，2“)和

-安置在所述基板(2，2‘，2“)上的、根据权利要求1至11中任意一项所述的多层系统(1,1‘，1“)。

13.根据权利要求书12所述的电接触元件，

其中，所述多层系统(1,1‘，1“)远离所述基板(2，2‘，2“)的层为锡基层(8，10)。

14.根据权利要求书12所述的电接触元件，

其中，所述多层系统(1,1‘，1“)朝向所述基板(2，2‘，2“)的层为锡基层(6，8，10)、另外的金属隔离层(5，7，9)或者中间层(3“)。

15.可松解的电插拔连接器，所述电插拔连接器具有根据权利要求12至14中任意一项所述的电接触元件。