DD251230A1

DD251230A1 - CONTACT MATERIAL

Info

Publication number: DD251230A1
Application number: DD29262386A
Authority: DD
Inventors: Hartmut Kupfer; Wolfgang Degner; Eckehardt Ackermann
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1987-11-04

Abstract

Der Kontaktwerkstoff in Form eines Kontaktschichtsystems auf herkoemmlichen Grundmaterialien dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften dieser Grundmaterialien und ist vorwiegend in der Schwachstromverbindungstechnik sowie fuer Schalter und Tasten im Bereich der Schwachstromtechnik anwendbar. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist ein Kontaktwerkstoff, der mit bekannten Technologien hergestellt ist und alle Forderungen an elektrische Kontakte, insbesondere geringen Kontaktwiderstand, gute Korrosionseigenschaften und niedrigen Verschleiss, erfuellt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem das Kontaktschichtsystem aus einer Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht der Dicke 0,2 m bis 5,0 m mit einer KNOOP-Haerte oberhalb 1104 N mm 2 und einer Zinn- oder Zinnlegierungsschicht der Dicke 0,05 m bis 4 m mit einer KNOOP-Haerte von 100 N mm 2 bis 300 N mm 2 besteht.The contact material in the form of a contact layer system on conventional base materials serves to improve the contact properties of these base materials and is mainly applicable in the low-current connection technology and for switches and buttons in the field of low power technology. The object and the object of the invention is a contact material which is produced using known technologies and fulfills all requirements for electrical contacts, in particular low contact resistance, good corrosion properties and low wear. According to the invention, the object is achieved by providing the contact layer system of a carbon-metal composite layer of thickness 0.2 m to 5.0 m with a KNOOP hardness above 1104 N mm 2 and a tin or tin alloy layer of thickness 0.05 m up to 4 m with a KNOOP hardness of 100 N mm 2 to 300 N mm 2.

Description

Dazu 1 Seite ZeichnungIn addition 1 page drawing

Field of application of the invention

Der Kontaktwerkstoff in Form eines Kontaktschichtsystems auf herkömmlichen Grundmaterialien dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften dieser Grundmaterialien und ist vorwiegend in der Schwachstromverbindungstechnik sowie für Schalter und Tasten im Bereich der Schwachstromtechnik anwendbar.The contact material in the form of a contact layer system on conventional base materials serves to improve the contact properties of these base materials and is mainly applicable in the low-current connection technology as well as switches and buttons in the field of low power technology.

Characteristic of the known technical solutions

Für Kontaktwerkstoffe in der Schwachstromtechnik, an die hohe Zuverlässigkeitsforderungen gestellt werden, werden üblicherweise Edelmetall- oder edelmetallhaltige Auflagen verwendet.For contact materials in low-voltage technology, to which high reliability demands are made, precious metal or precious metal-containing coatings are usually used.

Für bestimmte Einsatzfälle werden die Edelmetalle durch Zinn oder Zinnlegierungen ersetzt.For certain applications, the precious metals are replaced by tin or tin alloys.

Die Nachteile ergeben sich aus dem vergrößerten konstruktiven Aufwand sowie hohem Verschleiß und hohen Kontaktkräften.The disadvantages arise from the increased design complexity and high wear and high contact forces.

Bei Verwendung harter Zinn-Legierungen, z. B. SnTiAI kann die Steckzyklenzahl gegenüber Zinn-Blei etwas erhöht werden, es bleiben aber die Nachteile gegenüber den Edelmetallen, insbesondere auch die geringe Korrosionsbeständigkeit.When using hard tin alloys, eg. B. SnTiAI, the mating number can be slightly increased compared to tin-lead, but there are the disadvantages compared to the precious metals, especially the low corrosion resistance.

Des weiteren hat man versucht, die Edelmetalle durch sehr harte Kohlenstoff-Metall-Composite zu ersetzen, die zwar einen geringen Verschleiß gewährleisten, aber hohe Kontaktwiderstände gegenüber der Metalloberfläche durch die geringe Kontaktfläche verursachen.Furthermore, attempts have been made to replace the precious metals with very hard carbon-metal composites which, while ensuring low wear, cause high contact resistances to the metal surface due to the small contact area.

Aus diesen genannten Nachteilen ging man zu Schichtsystemen über.From these mentioned disadvantages one went over to layer systems.

In der Literatur werden bisher nur Schichtsysteme beschrieben, in denen als diffusionssperrende Zwischenschicht Ni oder seltener NiSn (Davis, P.E., Duffen, E.F., Electronic Pockaging and Production 49 [1975] 7,86-94) oder NiB bzw. NiP (Zakrysek, L., Plating and Surface Finishing 68 [1981] 9,72-76) Anwendung finden. Um eine entsprechende Wirkung zu erzielen, sind Schichtdicken >2μ.ιη einzuhalten. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke 3-5μηη. Während der Einsatzzeit von Ni/Sn-Beschichtungen kann es zwischen Zwischenschicht und Überzug zur Bildung von intermetallischen Ni-Sn-Verbindungen kommen, die das Kontaktverhalten nachteilig beeinflussen können.In the literature so far only layer systems are described in which as diffusion-blocking intermediate layer Ni or more rarely NiSn (Davis, PE, Duffen, EF, Electronic Pockaging and Production 49 [1975] 7,86-94) or NiB or NiP (Zakrysek, L ., Plating and Surface Finishing 68 [1981] 9,72-76) find application. To achieve a corresponding effect, layer thicknesses> 2μ.ιη be observed. Preferably, the layer thickness is 3-5μηη. During the period of use of Ni / Sn coatings, intermetallic Ni-Sn intermetallic compounds may form, which may adversely affect contact performance.

Bei den für unedle Kontaktschichten geforderten Kontaktkräften S= 15OcN ist bei mechanischer Beanspruchung (Steckhäufigkeit von Kontakten) ein schneller Durchrieb der Sn- oder Sn-Legierungsschicht, die eine Dicke von 5;u,m bis 8μιη aufweisen, auf die Ni-oderNi-Legierungszwischenschichtzu erwarten. So wurde bei einer SnPb40-Beschichtung, Dicke 10μηι und einer Kontaktlast von 5OcN bereits nach 50 Übergießungen Durchrieb auf die Zwischenschicht festgestellt (Waine, CA., Sollars,In the case of contact forces S = 15OcN required for base contact layers, a rapid penetration of the Sn or Sn alloy layer, which has a thickness of 5 μm to 8 μm, on the Ni or Ni alloy interlayer is possible under mechanical stress (plugging frequency of contacts) expect. For example, in the case of an SnPb40 coating, thickness 10 μm, and a contact load of 5OcN, abrasion to the intermediate layer was already determined after 50 passes of pouring (Waine, CA, Sollars,

P. M.A., Proc. 24. Holm. Seminar on Electrical Contacts [1978] 159-171). Das Kontaktverhalten der Zwischenschicht spielt somit eine wesentliche Rolle im Gesamtverhalten des Schichtsystems.P.M.A., Proc. 24. spar. Seminar on Electrical Contacts [1978] 159-171). The contact behavior of the intermediate layer thus plays an essential role in the overall behavior of the layer system.

Die Nachteile der Ni-Zwischenschicht sind:The disadvantages of the Ni intermediate layer are:

— Schichtdefekte im Zinn-Überzug führen in korrosiven Umgebungen zu Porenkorrosion;- Layer defects in the tin coating lead to pore corrosion in corrosive environments;

— freigelegtes Ni ist einem starken korrosiven Angriff ausgesetzt (Kulpa, S. H., Frankenthal, R. P., J. Electrochem. Soc, New York 124 [1977] 10, S. 1588-1592; Pinnel, M. R., Bradford, K. F., IEEE Transact. CHMT 3 [1980] 1,159) (Oxid-, Sulfid-, Sulfatbildung), sobald eine mechanische Beanspruchung der Kontaktflächen ausbleibt;Exposed Ni is subject to strong corrosive attack (Kulpa, SH, Frankenthal, RP, J. Electrochem.Soc, New York 124 [1977] 10, pp. 1588-1592; Pinnel, MR, Bradford, KF, IEEE Transact. CHMT 3 [1980] 1,159) (oxide, sulphide, sulphate formation) as soon as mechanical stress on the contact surfaces is absent;

— schlechte Reibeigenschaften, d.h., das Erreichen der Ni-Zwischenschicht infolge Durchrieb führt zu einer Erhöhung der Reibkräfte.- poor frictional properties, that is, the achievement of the Ni interlayer due to abrasion leads to an increase in the frictional forces.

Es ist das Ziel der Erfindung, einen Kontaktwerkstoff mit bekannten Technologien preisgünstig herzustellen, der alle Forderungen an elektrische Kontakte erfüllt.It is the object of the invention to inexpensively produce a contact material with known technologies, which meets all requirements for electrical contacts.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kontaktwerkstoff bereitzustellen, der bei Verwendung von Unedelmetall einen geringen Kontaktwiderstand, gute Korrosionseigenschaften und geringen Verschleiß aufweist.The object of the invention is to provide a contact material which has a low contact resistance, good corrosion properties and low wear when using base metal.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem das Kontaktschichtsystem aus einer Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht der Dicke 0,2μντ\ bis 5,0/xm'mit einer KNOOP-Härte oberhalb 10⁴Nmm~² und einer Zinn- oder Zinnlegierungsschicht der Dicke 0,05/Ltm bis 4μηη mit einer KNOOP-Härte von 100Nmm~² bis 300 NmrrT² besteht. According to the invention the object is achieved by the contact layer system of a carbon-metal composite layer of thickness 0.2μντ \ to 5.0 / xm'mit a KNOOP hardness above 10 ⁴ Nmm ~ ² and a tin or tin alloy layer of thickness 0.05 / Ltm to 4μηη with a KNOOP hardness of 100Nmm ~ ² to 300 NmrrT ² consists.

Die harte und äußerst verschleißbeständige Kohlenstoff-Metall-Composit-Schicht verhindert während der mechanischen Betätigungsphase von Steckverbindungen den Durchrieb auf das Grundmaterial. Gleichzeitig gewährleistet diese Beschichtung, daß kein Grundmaterial (z.B. durch Diffusionsprozesse) an die Kontaktoberfläche gelangen und dortwiederstandserhöhende Korrosionsprodukte bilden kann. Da ein direkter atmosphärischer Korrosionsangriff sowohl des Kohlenstoff-Metall-Composits als auch der passivierten Sn- oder Sn-Legierungsschichtoberfläche nicht erfolgt, erfüllt das beschriebene Schichtsystem auch die Forderung an elektronische Bauelemente nach einer hohen Lebensdauer in nichtklimatisierten Umgebungen.The hard and extremely wear-resistant carbon-metal composite layer prevents the abrasion of the base material during the mechanical actuation phase of connectors. At the same time, this coating ensures that no base material (e.g., by diffusion processes) can reach the contact surface and form corrosion-enhancing products there. Since a direct atmospheric corrosion attack of both the carbon-metal composite and the passivated Sn or Sn alloy layer surface does not occur, the layer system described also meets the demand for electronic components for a long life in non-air-conditioned environments.

Bei Relatiwerschiebung der Kontaktpartner (Stecken/Ziehen) ist mit Anwendung des weichen Sn- oder Sn-Legierungsüberzugs ebenfalls eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Kontakteigenschaften verbunden. Bis zu hohen Steckzyklenzahlen hin bleibt die kontaktwiderstandserniedrigende Wirkung des Sn- oder Sn-Legierungsüberzuges erhalten.Relatiwerschiebung the contact partners (plugging / pulling) is also associated with the application of the soft Sn or Sn alloy coating a significant improvement in the electrical contact properties. Up to high mating numbers, the contact resistance-lowering effect of the Sn or Sn alloy coating is maintained.

Der beschleunigte Korrosionstest (H₂S/SO2-Mischatmosphäre bei erhöhter Feuchte und erhöhter Temperatur) zur Beurteilung der Wirksamkeit von Kohlenstoff-Metall-Compositen als Diffusionssperre gegenüber Cu zeigte, daß kein korrosiver Angriff bzw. keine Dekoration von Schichtdefekten erfolgt. Die Verstärkung von Passivdeckschichten auf dem Sn- oder Sn-Legierungsüberzug ist unkritisch, da bei den genannten Härtewerten dieses Überzugs und mit den für die genannten Anwendungen in Frage kommenden Kontaktkräften der Deckschichtdurchbruch aufgrund der plastischen Deformation der Sn- oder Sn-Legierungsschicht gewährleistet ist.The accelerated corrosion test (H ₂ S / SO ₂ mixed atmosphere at elevated humidity and elevated temperature) to evaluate the effectiveness of carbon-metal composites as a diffusion barrier to Cu showed that no corrosive attack or no decoration of layer defects occurs. The reinforcement of passive cover layers on the Sn or Sn alloy coating is not critical, since the above hardness values of this coating and the contact forces for the applications mentioned make it possible to ensure the top layer breakdown due to the plastic deformation of the Sn or Sn alloy layer.

Die Vorteile des beschriebenen Kontaktwerkstoffes bestehen darin, daß gezielte Kombinationen von Kontakteigenschaften erreichbar sind, herkömmlicher Grundmaterialien der Elektrotechnik/Elektronik, z. B. Zinnbronze, verwendbar sind und die Metall-Kohlenstoff-Composit-Schicht den Durchrieb auf das Grundmaterial und den korrosiven Angriff verhindert sowie als Diffusionssperre für Bestandteile des Grundmaterials dient.The advantages of the contact material described are that targeted combinations of contact properties can be achieved, conventional basic materials of electrical engineering / electronics, z. As tin bronze, are usable and the metal-carbon composite layer prevents abrasion on the base material and the corrosive attack and serves as a diffusion barrier for constituents of the base material.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to two embodiments.

Es zeigt Fig. 1: den Kontaktwiderstand R_K in Abhängigkeit von der Kontaktkraft F«.FIG. 1 shows the contact resistance R _K as a function of the contact force F «.

Im ersten Ausführungsbeispiel ist ein Feder- und Stiftkontakt, der aus Zinnbronze CuSn6 besteht, mit einem Kontaktschichtsystem, das mittels Piasmatronzerstäubung aufgebracht ist, versehen. Es besteht aus einem C-Sn-Composit mit 22at% Sn mit einer KNOOP-Härte von 1 · 10⁴Nmm~² (Dicke 1,5/im) und einerZinnlegierungSnPb82 mit einer KNOOP-Härte von 2- 10²Nmm"² (Dicke 2/xm).In the first embodiment, a spring and pin contact, which consists of tin bronze CuSn6, with a contact layer system, which is applied by Piasmatronzerstäubung provided. It consists of a C-Sn composite with 22AT% Sn having a Knoop hardness of from 1 · 10 ⁴ Nmm ~ ² (thickness 1.5 / in), and einerZinnlegierungSnPb82 having a Knoop hardness of 2- 10 ² Nmm ^"2 ( Thickness 2 / xm).

Im zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich auf dem Grundmaterial Zinnbronze eine Haftvermittlungsschicht der Dicke 0,5μ.ιη aus Nickel. Die Metall-Kohlenstoff-Composit-Schicht weist 6at% Ti auf, hat eine Dicke von 1,2/u.m und eine KNOOP-Härte von 1,2 · 10⁴Nmrrr². Darüber ist eine SnTiAI-Schicht, ebenfalls mittels Piasmatronzerstäubung aufgebracht, mit je 1,2at%Ti und 2,6at% Al der Dicke 1,6^m und der KNOOP-Härte 1 · 10³Nmm"².In the second embodiment is located on the base material tin bronze an adhesive layer of thickness 0.5μ.ιη of nickel. The metal-carbon composite layer has 6at% Ti, a thickness of 1.2 / μm and a KNOOP hardness of 1.2 × 10 ⁴ Nmrrr ² . In addition, a SnTiAI layer, likewise applied by means of Piasmatronzerstäubung, each with 1.2at% Ti and 2.6at% Al of thickness 1.6 ^ m and the KNOOP hardness 1 · 10 ³ Nmm " ² .

Die Wirkung des Sn- bzw. Sn-Legierungsüberzugs auf die Verbesserung des elektrischen Kontaktverhaltens ist in Fig. 1 anhand der Darstellung des Kontaktwiderstandes R_K in Abhängigkeit von der Kontaktkraft F« gezeigt: Kurva 1a — CTi, Kurve 1b — CTi/SNTiAI; Kurve 2a - CSn, Kurve 2b - CSn/SnPb82.The effect of the Sn or Sn alloy coating on the improvement of the electrical contact behavior is shown in FIG. 1 on the basis of the representation of the contact resistance R _K as a function of the contact force F ": Kurva 1a-CTi, curve 1b-CTi / SNTiAI; Curve 2a - CSn, curve 2b - CSn / SnPb82.

Claims

1. Contact material in the form of a contact layer system on conventional base materials, which is mainly applicable in the weak current technology, characterized in that the contact layer system of a carbon-metal composite layer of thickness 0.2μΐη to 5 ^ m with a KNOOP hardness above 10th ⁴ N mm " ² and a tin or tin alloy layer of thickness 0,05μ.ηη to 4μπ \ with a KNOOP hardness of 100 N mm"" ² to 300 N mm" ² consists.

2. Contact material according to claim 1, characterized in that is used as the metal Ti, Sn or Sb.

3. Contact material according to claim 1 and 2, characterized in that the tin alloy layer consists of SnPb40, SnPb82, SnSb5 or SnTi0,4 AI0,6.

4. Contact material according to claim 1 to 3, characterized in that on the base material an adhesion-promoting layer of thickness 30nm to 1 μπι stainless steel, Ni or NiCr is present.

5. Contact material according to claim 1 to 4, characterized in that the base material is tin bronze.