CS39192A3 - Electrical connector contact being protected by a polymerized film andprocess for producing thereof - Google Patents

Description

2 í>° Ó^C- — TO 03 X. < r~ w < m tŮ N ro -< S»

Kontakt elektrického konektoru chráněný polymerovýmfilmem a způsob jeho výroby

f ^blast,vynálezu 1 1

Tento vynález se týká kontaktu elektrického konektoru,který je použitelný v mnoha oblastech jako v oboru zpra-cování dat, letectví, telekomunikace a implantace zařízenído lidského těla,.

Specifičtěji se vynález týká ochrany kontaktů protikorozi,

Dosafradní stav techniky

Obecně se kontakty elektrických konektorů vyrábějí zevzácných kovů jako je zlato, majících požadovanou kvalituk získáni nízkého elektrického stykového odporu kontak-tu a dobrých třecích a korozních vlastností, Zlato seobecně nanáší na spodní vrstvu z niklu, která slouží ja-ko difuzní bariéra. Bohužel cena zlata výrazně zvyšujeceny výrobků. Výzkum je proto zaměřen na náhradu zlata jinými ma- "-M.·: — ~~teriály· a-občas'se používá slitin"ólovo-cín nebo slitinpalladium-nikl. Bohužel tato řešení nejsou zcela uspoko-jivá.

Tento vynález se týká elektrického konektoru za po-užití původních materiálu, nahrazujícího.· zlato na kon-taktech·. -2-

Podstata vynálezu

Podle tohoto vynálezu je použitým materiálem velmitenký organický polymer, který je normálně elektrickým izo-lantem, ale který se postupem podle vynálezu modifikujepříslušným zpracováním tak, aby měl vhodnou elektrickouvodivost k zajištění požadované hodnoty stykového odporukontaktu.

Elektrický kontakt, získaný postupem podle vynálezumá stykový odpor kontaktu nejvýše 10 ohmů. a obsahuje zák^ladový kov potažený homogenní adhezivní vrstvou organic-kého polymeru o tloušťce 5 až 500 nanometrů. Výhodně jestykový odpor kontaktu 5 až 20 miliohmů. Výhodně je mezi základový kov kontaktu a polymerovýfilm zařazena kovová mezivrstva o tlouštce 2 až 10 mikro-metrů tvořená kovy, například palladiem, železem, kobal-tem; a výhodně niklem. Tělesa kontaktů konektorů se obecně vyrábějí z kovůna bázi mědi, například z mědi, slitin, mědi, obsahujícíchnejméně 50 % mědi jako je mosaz bronz a mědinikl a slitinymědi s malými přísadami.

Tento základ, například kovová měá, může být nejprvepotažen tvárnou niklovou mezivrstvou, na která se. vyloučí v velmi tenký film. organického polymeru /tlouštky 5 až 500nanometrů/ vytvořený z elektricky izolujícího materiálu,který se učiní vodivým příslušným zpracováním.

Použít lze ty organické polymery, které lze tepelnýmzpracováním nebo ozářením převést na polymery, majícícyklickou a/nebo nenasycenou strukturu. Příklady těchtopolymerů jsou' polyakrylonitrily polyvinylpyridin-a poly-pent afluors tyren.

Kontakty pro elektrické konektory podle vynálezu jsouproto velmi výhodné, protože umožňují vyhnout se použitídrahých zlatých potahů jejich nahrazením ultratenkýmifilmy z organického polymeru, které zajiŠÍují požadovanouochranu při současné rezistenci vůči tření povrchů kon-taktu.

Teno vynález se také týká způsobu ochrany povrchukontaktů elektrického konektoru vůči korozi, který zahrnujenásledující postupné stupněJ a/ vyloučení tenkého filmu organického polymeru na uve-deném povrchu elektropolymerací při katodické polari-zaci a b/ podrobení uvedeného polymerového filmu tepelnému zpra-cování nebo ozáření působícímu elektrickou vodivOst. takaby stykový odpor kontaktu elektrického konektoru ne-převýšil 10 ohmů. Výhodně postup obsahuje jako předcházející stupeňnanesení 2 až 10 mikrometrů tlusté kovové mezivrstvy, např.z niklu, na povrch kontaktu. Výhodně se uvedená vrstva vylučuje elektrochemicky,protože tento postup nanesení poskytuje mezivrstvu odobrých vlastnostech, zejména v případě niklu. Navíc elek-trolytické vylučovací postupy se v širokém rozsahu použí-vají v průmyslovém měřítku. V prvním stupni postupu podle vynálezu se bučí přímona povrch kontaktu nebo na střední kovovou mezivrstvu vy-loučí tenký film. organického polymeru pomocí elektropoly-mersce: při katodické polarizaci za použití kontaktu jakokatody. Obecně se připraví roztok monomeru např. akrylo- -4- nitrilu;, ve vhodném organickém rozpouštědle, které neroz-pouští vytvořený polymer a obsahuje nosný elektrolyt např«tetraalkylamoniumperchlorát. Koncentrace monomerů může.kolísat v širokém rozmezí např. od 10"^ do 10 mol/l. Kon-centrace nosného elektrolytu může také kolísat v širokémrozmezí, ačkoliv zůstává nižší než koncentrace monomeru. K provedení elektropolymerace se na katodu vloží vhodnýpotenciál, který je závislý zvláště na monomeru určenémk elektropolymeraci. V případě vylučování akrylonitrilu nanikl musí být tento potenciál negativnější nebo roven-2,4 V · Elektropolymerační postup vhodný pro po- užití podle vynálezu je popsán zejména v EP-A-38244. Vy-loučeným polymerem, v uvedeném prvním, stupni mohou být zejména polyakrylonitr.il, polyvinylpyridin nebo polypen-tyfluorstyren. . Ve druhém stupni postupu b/, polymerový film vylou-čený elektropolymeraci, se podrobí příslušnému zpracování,které umožní zvýšení elektrické vodivosti bez jakéhokolivzhoršení jeho ochranných vlastností vůči korozi a odol-nosti vůči otěru.

Toto zpracování může zahrnovat tepelné zpracování neboozáření., umožňující modifikovat vyloučený tenký polymerovýfilm jeho převedním na derivát, mající cyklickou nebo nena-sycenou strukturu. Tepelné zpracování může být provedenonapříklad při 200 až 300 °C. Ozáření lze provést pomocíultrafialového záření nebo pomocí bílého synehrotronovéhozáření. V případě tepelných zpracování, teplota a doba zpra-cování se zvolí v závislosti na vlastnostech zpracovávané.-ho polymeru tak, aby se docílilo požadované elektrické ,vodivosti. V případě zpracování ozařováním ultrafialovými paprs-ky může jít o zpracování ve vzduchu nebo v inertní atmo-sféře např. v argonu, přičemž podmínky zpracování jakodoba zpracování, atmosféra při ozařování se zvolí v zá-vislosti- na zpracovávaném polymeru tak, aby se docílilopožadované vodivosti. 7 případě ozařování s.ynchrotřenovým/ bílým zářenímse doba zpracování volí rovněž v závislosti na zpracová-vaném polymeru tak, aby se docílilo požadovaného výsledku.

Je třeba uvést, že bílé synchrotronové záření je zá-ření. ze synchrotronu před monochromatmzací. Toto zářenízahrnujme záření totožné s viditelným zářením, obohacené -o měkké rentgenové záření a ultrafialové záření, jejichž vlnové délky jsou v rozmezí mezi 2 až několik tisíc Aig-stomů.

Vynález je podrobněji popsán dále pomocí jeho pro-vedení, která však vynález neomezuji, a připojených obráz-ků, které znázorňují: obr.l schematicky elektronický konektor, obr.2 a 3 infračervená spektra polyakrylonitrilových fil-mů zpracovaných při 200 °C ve vzduchu po dobu 2 ho-din /obr.2/ a po dobu 24 hodin./obr.3/ obr.4-způsob měření koeficientu otěru filmu podle přikla-du 2. obr. 5 až 8 - infračervená spektra polyakrylonitrilovýchfilmů vystavených ozáření ultrafialovými paprsky podobu 2 minut /obr.5/, 4 minut /obr.6/, 8 minut/obr.7/ a 16 minut /obr.8/. obr.9 až..-11 - infračervená spektra polyakrylonitrilovýchfilmů ozářených ultrafialovými paprsky v argonu podobu. 2 minut /obr.9/, 8 minut /obr.10/ a 16 minut/obr.11/, -6-

Obr.12 - infračervené spektrum, znázorňující vývoj struk-tury polyakrylonitrilového filmu, který byl zpra-cován ultrafialovým zářením po dobu 2 minut apak udržován v mlžné solné atmosféře· při 35 °C podobu 221 hodin.

Obr.13 - infračervené spektrum polyakrylonitrilového.filmu,který nebyl podroben zpracovávání ozářením ultra-fialovými 'pop arsky, ale který byl vystaven.podmín-kám mlžné solné atmosféry po dobu 221 při 35 °Cjako v příkladu 12.

Obr.14 - infračervené spektrum polyakrylonitrilového filmu,který byl ozářen ultrafialovými paprsky po dobu2 mátnut a pak byl udržován 28 dní při 40 °C v atmo-sféře o relativní vlhkosti 93 %·

Obr.15 - infračervené spektrum polyakrylonitrilového1filmu,který nebyl podroben, zpracování ozářením a byludržován 28 dní při 40 °C v prostředí o relativnívlhkosti atmosféry 93 % stejně jako v případěfilmu z obr.14.

Obr. .1 chematicky znázorňuje elektronický konektor, ve-kterém zástrčkový Člen £ je opatřen několika kovovými, např.měděnými, kontakty 3. 3 spojovacími body 4. ^ento konektorobsahuje· zásuvkový člen 2, který má několik kovových, na-příklad měděných," kontaktů 7· Podle tohoto vynálezu jsoupovrchy kontaktů a/nebo povrchy kontaktů 2» chráněny po-lymerovým filmem, umožňujícím docílit stykový odpor' kon-taktu nejvýše 10 ohmů. Příklady provedeni vynálezu <···· , *' » t.. Příklad' 1,

Tento příklad znázorňuje použití chránícího potahusloženého z niklové mezivrstvy a polyakrylonitrilovéhofilmu, podrobeného tepelnému zpracováni. V tomto příkladu povrch kontaktu určený k potažení tvoří mosaz, na kterébyla nejprve elektrolyticky vyloučena niklová mezivrstvao tlouštce 2 /tun. Pak byl na niklové mezivrstvě vytvořenelektropolymerací 30 -nm silný pol.yakrylonitrilový film.

Roztok elektrolytu pro vytvoření filmu je tvořen rozto-kem acetonitrilu, obsahujícím 2,5 mol/litr akrylonitrilu, 5.10 mol/litr tetraethylamoniumperchlorátu a méně než 5.10 mol/litr vody. .Aby došlo k vytvoření filmu, katoda se udržuji na. po-tenciálu asi. -2,4 V vzhledem: k 4g/^+ elektrodě po dobu 2sekunď. To poskytne polyakrylonitrilový film o síle 30 nm,který se tepelně zpracuje při 200 °C ve vzduchu po dobu2 hodin.

Obr.2 znázorňuje infračervené spektrum filmu- získané-ho po tomto zpracování. Je možné pozorovat tvorbu a/nebovzrůst píků při. 1670 cm"1 a kolem: 1600 cm"1. Přiklaď 2

Tento příklad rovněž uvádí mosazný elektronický koněk -tor, chráněný tepelně zpracovaným polyakrylonitrilovým fil-mem:. Ke chránění povrchu kontaktu niklovou mezivrstvou.^a .po- ”Ίγakrylonitrilovým filmem se použije stejný pracovní postupjako v příkladu 1, ale tepelné zpracování se provede 24hodin ve vzduchu při 200 °C.

Infračervené spektrum filmu získaného tímto zpracovánímje znázorněno na obr. 3. Je možné pozorovat vibrační pácCH2 při 1454 cm”1 a nitrilový pás při 2245 cm"1, které sevýrazně snížily. Hlavní absorpce je nyní při 1600 cm“1 a vy-soká absorpce je také při 1700 cm 1. -8-

Vlastnosti takto zpracovaného filmu lze hodnotitstanovením jeho součinitele otěru, jeho struktury pomocíAigerova odrazu a jeho izolačních vlastností. Součinitelotěru se stanoví pomocí kulově-plošné metody znázorněnéna obr. 4. Při tomto postupu se povrch elektrického kon-taktu 8 potažený niklovou mezivrstvou.2. a polymerovýmfilmem 10 umístí pod drsný, pozlacený, kulový díl o prů-měru 2,8 mm, aplikující na povrch kontaktu tlačnou sílu F^.0,8 N. Součinitel tření /tt je definován vzorcem /“ = F^Fj, ve kterém je tangenciální síla nutná k. přemístění povrchukontaktu o 1. mm při rychlosti 0,1 mm/s při aplikaci tlačnésíly Fjj. Součinitel tření’ je 0,14 a zůstává nízký a konstant-ní po 40 cyklech. . , ,

Aigerův o^raz zjistil stopy poškození filmu ale po-lymer je stále zachován.

Stykový odpor konektoru je jen několik ohmů při síle80 gF /tj. přibližně 150 MPa/ a není větší než. 14 miliohmů * při síle 120 gF /tj. asi 200 MPa/. Z.toho vyplývá, že. 1 zpracovaný film. již nemá chování elektrického izolantu. Příklad 3

Tento příklad ilustruje výrobu polyakrylonitrilovéhochránícího potahu modifikovaného ozářením ultrafialovýmipaprsky.

Pro potažení mosazného elektrického kontaktu niklo- vou mezivrstvou a 30 nm silným polyakrylonitrilovým filmem se použije stejný postup zpracování jako v příkladuΊ. Film >3* *»>ιιι<·Γ ^9-. se pak podrobí zpracování ozářením ultrafialovými.paprskyve vzduchu, po dobu 2 minut. Obrázek 5 znázorňuje infračer-vené spektrum, filmu získaného tímto způsobem zpracování. Příklad 4 V tomto příkladu se použije;· stejných pracovních postu-pů jako v příkladu 3, ale ozáření se provede po dobu 4minut. Obrázek 6 znázorňuje infračervené spektrum filmuzískaného za těchto podmínek. Příklad 5 V tomto příkladu se použije stejných pracovních postu-pů jako v příkladu 3, ale ozáření se provede po dobu 8minut. Obrázek. 7 znázorňuje infračervené spektrum pólyakry->lonitrilového filmu zpracovaného za těchto podmínek. Příklad 6 V tomto příkladu se použije? stejných pracovních pod-mínek jako v příkladu 3, ale ozáření se provede po dobu 16 minut. Obrázek 8 znázorňuje infračervené spektrum filmuzpracovaného za těchto podmínek.

Srovnáním spekter obrázků 5 až 8 lze pozorovat, ženitrilový pás při 2245 cm"*^ se náhle snižuje mezi 4 až 8 ' ·'<**- * · ' . KM. —- -V Λ, minutami zoracování a že zcela mizí po 16 minutách. Stej-ný jev je patrný pro pás při 1455 cm L Po 16 minutáchje v podstatě přítomen dublet při 1690 cm a 1740 cm, \který by mohl odpovídat vzniku amidových a ketonových funkčních skupin. Také dochází ke zmenšení CH pásů v ob--1 lasti 2900 cm . Z toho vyplývá, že při ozařování ve vzduchu po dobu 8 minut se objevuje oxidace filmu, tvorba nenasycených va- zeb a nízká hladina cyklizace. -10-

Elektrické s mechanické vlastnosti filmu zpracované-ho UV ozářením ve vzduchu po dobu 16 minut hodnotí součini-tel tření, který se 0,26 a zůstává po 20 cyklech konstantní.Tato hodnota je průměrná a je o něco vyšší než hodnotazískaná při tepelném zpracování. Tento film se netrhá. Jemožné detegovat známky otěru, ale film má lepší odolnostnež v případě filmů tepelně zpracovaných. Film se nechovájako izolant.-Stykový odpor kontaktu Re má hodnotu jennekolk ohmů při 80 gF. Přiklaď. 7 ' - . V tomto příkladu se použije stejného precovního postupu pro potah mosazného elektrického kontaktu niklovoutnezivrštvou jako v příkladu 1 a tvorbu polyakrylonitrilovéhofilmu a síle 30 nm, ale elektropolymerace se provede udržo-váním katody na potenciálu asi -2,4 V proti elektrodě 4g/za použití 10 25 ms sekvencí a vzniklý film se pak podrobíozáření ultrafialovými paprsky v atmosféře argonu po dobu2 minut. Obr.9 znázorňuje infračervené spektrum filmuzpracovaného za těchto podmínek. Příklad 8 V tomto příkladu se použije stajného pracovního postu-pu jako v příkladu 7', ale ozáření se provede po dobu 8minut. Obrázek 9 znázorňuje infračervené spektrum filmuzpracovaného za těchto podmínek. Příklad 9 V tomto příkladu se použije stejného pracovního postu-pu jako v příkladu 7, ale ozáření se provádí po dobu 16minut. Obr.11 znázorňuje infračervené spektrum filmu zpra-covaného za'těchto podmínek.

Srovnámím obrázků 9 až 11 lze vidět, že nitrilový pás při 2247 cm"1 se rovněž snižuje s délkou zpracování, -*1· > * τϊ^Ι—ΠΤ·^' ale nemizí zcela. Vyvíjí se absorpce okolo 2200 cm“1, zatím-co tato absorpce.mizí; při provedení ozařování ve vzduchu.

Nová absorpce při 1683 cm“1 a 1728 cm“1 tvoří dublet po-dobný dubletu pozorovanému při ozařování ve vzduchu, ale s.obrácenými relativními intenzitami, kdy absorpce při 1728cm 1 je slabší, zatímco ve vzduchu je silnější. Z toho vyplývá, že probíhé-li ozařování UV zářenímv argonu, struktury, odpovídající vyšším oxidačním.stup-nům se tvoří Jméně než při zpracování ve vzduchu. Nicménětvorba nenasycených vazeb a cyklizace- je větší než vevzduchu. Připojená tabulka uvádí konečné teploty filmů zpra-covaných vr příkladech 3 až 9. Příklad 10

Tento příklad zkoumá korozní chování polyakrylonitri-lových filmů zpracovaných UV ozařováním po dobu 2 minut vargonu a získaných podle příkladu 7· Srovnání se provedes pólyakrylonitrilovými filmy získanými za stejných podmí-nek, ale které nebyly podrobeny zpracování ozářením. .V. tomto příkladu-kontakty .potažené niklovou mezivrst- . f.......... vou a polyakrylonitrilovým folmem ve zpracované nebo nezpra-cované formě jsou vystaveny mlžné solné atmosféře po dobu221 hodin při teplotě 35 °C.

Obr.12 znázorňuje infračervené spektrum zpracovanéhopolyakrylonitrilového filmu po vystavení mlžné solné at-mosféře. Obrázek 13 znázorňuje infračervené spektrum, ne-zpracovaného polyakrylonitrilového filmu po vystavenítéto atmosféře. '-12-

Porovnáníaí obrázků 12 a 13 ukazuje, že nitrilovýpás při 2247 cm"^ zcela na obr. 12 zmizel, ale je rovněž velmi slabý v infračerveném spektru obr. 13· Nicméně jsoudalší absorpční pásy pro obě spektra prakticky totožné. Ztoho vyplývá, že zpracování UV zářením nemodifikovalo chrá-nící kapacitu polyakrylonitrilového filmu. Navíc nebylapatrná žádná koroze; niklové mezivrstvy. Příklad 11

Tento příklad slouží pro ověření chránících vlast-ností tepelně zpracovaných polyakrylonitrilových filmů,ve zpracované nebo nezpracované formě, získaných, stejným -způsobem jako v příkladu 10 v mlžné solné atmosféře. Vtomto příkladu se zpracované, filmy umístí na dobu 28 dnído komora při teplotě 40 °C a 93# relativní vlhkosti, tj.vlhkosti blízké nasycení a nezpracované filmy do komorypři 70 °C a o 80# relativní vlhkosti. v

Obr.14 znázorňuje infračervené spektrum zpracovaného o filmu po pobytu v komoře. Obr.15 znázorňuje infračervenéspektrum nezpracovaného filmu polyakrylonitrilového popobytu v komoře při 70 °S\

Zessrovnání obrázků 14 a 15 vyplývá, že ve zpracova-.ném filmu zcela zmizel nitrilový pík při 2247 cm 1 a žedošlo k vývoji karbonylové struktury /1731 cm cykli-

ve zpracovaném filmu. Neobjevily se žádné známky korozeniklového základu.

Tabulka Příklad UV ozáření konečná teplota pozorování př.3 2 min/vzduch 58 °C př.4 4 min/vzduch 85' °C 1 /2 režim. př.5 8 min/vzduch 104 °C ohnisko př.6 16 min/vzduch 130 °C př.7 2 min/argon 55' °C př,8 8 min/argon 70 °c 1/2 režim př.9 16 min/argon 70 °c ohnisko

Claims (16)

1. Kontakt pro elektrický konektor, mající stykový 1 odpor kontaktu nejvýše 10 ohmů, obsahující základní kov i potažený 5 sž 500 nanometrů silným, homogenním , adhe- zivním polymerníai filmem.

2. Kontakt podle nároku 1, vyznačující se t í di, že obsahuje kovovou mezivrstvu. o tloušíce. 2 až 10 mikrometrů mezi. základním kovem a polymerovým filmem.

3. Kontakt, podle nároku 1, vyznačující se t í di, že. jeho stykový odpor je 5 sž 20 miliohmů.

4. Kontakt podle nároku í, vyznačující se t í q, že základním kovem je měd nebo slitina mědi, obsahující nejméně 50 % mědi. \

5. Kontakt podle nároku 2, vyznačující se t í m, že mezivrstvou je nikl.

6. Kontakt podle nároku 1, vyznačující se t í di, že film polymeru je tvořen derivátem polymeru,majícím cyklizovanou a/nebo nenasycenou strukturu.

7. Kontakt podle nároku 6, vyznačující se t í di, že derivátem polymeru s cyklizovanou a/nebonenasycenou strukturou/je polyakrylonitrilový derivát. ~ ' 1 ,5

8. Kontakt podle nároku 6, vyznačující se t í m, že derivátem polymeru, s cyklizovanou a/nebo ...... nenasycenou strukturou je derivát pólyvinylpyridinu nebopolypent afluorstyrenu.

9. Elektrický konektor opatřený kontakty podlekteréhokoliv, z nároků 1 až 8..

10. Způsob ochrany povrchu kontaktu pro elektrickýkonektor vůči korozi, vyznačující se tím,že zahrnuje následující postupné stupně: v a/ vyloučení tenkého filmu organického polymeru, o tloušťce5 až 500 nanometrů, na uvedeném povrchu, elektropolyme-rací při katodické polarizaci a b/ podrobení uvedeného polymerního filmu tepelnému zpra-cování nebo ozářeni pro získání elektrické vodivostitak, aby stykový odpor kontaktu elektrického konektorunepřevýšil. 10 ohmů.

11. Způsob podle nároku 10,vyznačujícíse t í m, že zahrnuje předcházející stupen nanesení2 až 10 mikrometrů silné kovové mezivrstvy na povrchkontaktu.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující i m, že? kovovou .mezivrstvou je niklová mezivrstvaa že je vyloučena elektrochemicky.

13*. Způsob podle nároku 10, vyznačujícíse tím, že ve stupni b/ je tepelné zpracování provede^no při teplotě 200 až 300 °C.

14. Způsob podle nároku 10, vyznačujícíse t í m, že ve stupni b/ je ozařování provedeno pomocíultrafialových paprsků. -16-

15· Způsob podle nároku ΊΟ, vyznačujícíse t í m, že ve stupni b/ se ozařování provádí pomocíbílých paprsků s.ynchrotronového záření.

-14- PATENTOVÉ N A*H 0 K Y v v r· >o o < oCJ i *- 2 >m >ό< f--< m N -<

16. Způsob podle nároku 10, vyznačujícíse t í m, že polymerem je pol.y akryloni trii. I