DD254082A1

DD254082A1 - CONTACT MATERIAL

Info

Publication number: DD254082A1
Application number: DD29684486A
Authority: DD
Inventors: Guenther Hecht; Hartmut Kupfer; Wolfgang Degner; Eckehardt Ackermann
Original assignee: Kontaktbauelemente U Spezialma
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1988-02-10

Abstract

Der Kontaktwerkstoff in Form eines Mikrolaminats, aufgebracht auf herkoemmliche Grundmaterialien, dient der Verbesserung der Kontakteigenschaften von Kontaktsystemen und ist vorwiegend in der Elektrotechnik/Elektronik eingesetzt fuer ruhende, gleitende und schaltende Kontakte sowie fuer Tasten und Schalter. Erfindungsgemaess besteht der Kontaktwerkstoff auf einem Grundmaterial aus einem Mikrolaminat mit mindestens 5 Einzellagen von zwei oder mehr Materialien in beliebiger und/oder geordneter Reihenfolge, wobei als Material fuer die Einzellagen die Elemente der 3. bis 6. Periode sowie Legierungen, Hartstoffe sowie i-Kohlenstoff und Kohlenstoff-Metall-Composite verwendet werden. Fig. 2The contact material in the form of a microlaminate, applied to conventional base materials, serves to improve the contact properties of contact systems and is predominantly used in electrical engineering / electronics for stationary, sliding and switching contacts and for keys and switches. According to the invention, the contact material on a base material consists of a microlaminate with at least 5 individual layers of two or more materials in any order and / or ordered order, as the material for the individual layers, the elements of the 3rd to 6th period and alloys, hard materials and i-carbon and carbon-metal composite can be used. Fig. 2

Description

Durch den laminierten Schichtaufbau wird die Kombination wichtiger Eigenschaften der verschiedenen Einzellagen gewährleistet, so daß der mikroskopisch heterogene Schichtaufbau hinsichtlich seiner funktionellen Eigenschaften als homogene Beschichtung in Erscheinung tritt. Durch die Anzahl der Einzallagen und deren Variation kann eine Optimierung der elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften erzielt werden.The laminated layer construction ensures the combination of important properties of the various individual layers, so that the microscopically heterogeneous layer structure appears in terms of its functional properties as a homogeneous coating. Due to the number of individual layers and their variation, an optimization of the electrical, mechanical and chemical properties can be achieved.

Auch bei größeren Schichtdicken (> 10/xm) ist eine sehr gute Haftfestigkeit des Mikrolaminats auf der Unterlage gewährleistet. Als Haft- bzw. Diffusionssperrschicht zum Grundmaterial können z. B. NiCr, Edelstahl, Ni, Al zum Einsatz kommen. Mit diesem laminierten Kontaktwerkstoff ist es möglich, bei KNOOP-Härten von MHK > 5 · 10³Nmm~² und einem Reibungskoeffizient von μ < 0,5 ein stabiles elektrisches Kontaktverhalten auch bei erhöhter mechanischer Beanspruchung zu garantieren, was den Anforderungen an Steckverbinder, Schalter und Tasten zur Übertragung sowohl kleiner als auch hoher Strom- und Spannungspegel genügt.Even with larger layer thicknesses (> 10 / xm) a very good adhesion of the microlaminate is guaranteed on the substrate. As an adhesion or diffusion barrier layer to the base material z. As NiCr, stainless steel, Ni, Al are used. This laminated contact material, it is possible in Knoop hardness of MIC> 5 · 10 ³ Nmm ~ ² and a friction coefficient of μ <0.5 to guarantee a stable electrical contact behavior even at high mechanical stress, which the requirements for connectors, switches and keys to transmit both low and high current and voltage levels is sufficient.

Der Vorteil des Kontaktwerkstoffes besteht darin, daß bei Verwendung vorhandener Beschichtungstechnologien durch die gezielte Kombination der zu laminierenden Materialien verbesserte Kontakteigenschaften erzeugt werden. Das Aufbringen der Mikrolaminate erfolgt vorwiegend mittels physikalischer oder chemischer Abscheideverfahren in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Beschichtungsprozessen und kann auf beliebigen Grundmaterialien der Elektrotechnik/Elektronik vorgenommen werden.The advantage of the contact material is that when using existing coating technologies by the targeted combination of the materials to be laminated improved contact properties are generated. The microlaminates are applied predominantly by means of physical or chemical deposition processes in one or more successive coating processes and can be carried out on any basic materials of electrical engineering / electronics.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Es zeigen Fig. 1 den Kontaktwiderstand Rk in Abhängigkeit von der Kontaktkraft F_Kund Fig. 2 den Reibungskoeffizienten μ und den Kontaktwiderstand R_K in Abhängigkeit von der Anzahl der Übergießungen N an einer Feder-Stift-Kontaktmodellanordnung.1 shows the contact resistance Rk as a function of the contact force F _K, and FIG. 2 shows the friction coefficient μ and the contact resistance R _K as a function of the number of overflows N on a spring-pin contact model arrangement.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Feder-und Stiftkontakt, bestehend aus CuSn 6, mit einem Mikrolaminat, das mittels Piasmatronzerstäubung abgeschieden wurde, versehen. Das Mikrolaminat setzt sich aus 270 Einzellagen zusammen (Gesamtschichtdicke des Mikrolaminats beträgt 4μ,η-ι).In the exemplary embodiment, a spring and pin contact, consisting of CuSn 6, with a microlaminate, which was deposited by Piasmatronzerstäubung provided. The microlaminate is composed of 270 individual layers (total layer thickness of the microlaminate is 4μ, η-1).

Im Wechsel wurden die Materialien SnSb5 (Dicke der Einzellagen =12nm) und i-Kohlenstoff (Dicke der Einzellagen =1,8nm) aufgebracht. Das Mikrolaminat weist eine KNOOP-Härte von MHK = 6· 10³Nmrrr²auf und zeichnet sich durch eine dekorative (metallisch glänzende) Oberfläche aus.In alternation, the materials SnSb5 (thickness of the individual layers = 12 nm) and i-carbon (thickness of the individual layers = 1.8 nm) were applied. The microlaminate has a KNOOP hardness of MIC = 6 · 10 ³ Nmrrr ² and is characterized by a decorative (metallic shiny) surface.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden unter statischen Kontaktbedingungen (halbkugelförmige Meßsonde, Radius im Kontaktbereich 1,5mm) bei Kontaktkräften im Bereich von 20 bis 4OcN Widerstandswerte < 100mn und bei Kontaktkräften von 30OcN Werte zwischen 15 und 20 ήηΩ erzielt.As is apparent from Fig. 1, under static contact conditions (hemispherical probe, radius in the contact area 1.5mm) at contact forces in the range of 20 to 4OcN resistance values <100mn and achieved at contact forces of 30OcN values between 15 and 20 ήηΩ.

Die Ergebnisse zum Kontaktverhalten unter Reibbeanspruchung (Simulation von Steck- und Ziehvorgängen in materialsymmetrischer Kontaktpaarung: Länge der Reibspur 4mm, Kontaktkraft 135cN) faßt Fig.2 zusammen. Selbst nach hoher mechanischer Beanspruchung (N = 500 Übergießungen) liegen die Widerstandswerte bei nur etwa 20 mil, d.h., die Gefahr tribokorrosiv bedingter Kontaktwiderstandserhöhungen ist unter diesen Bedingungen ausgeschlossen. Das günstige Reibverhalten wird durch konstante und vergleichsweise niedrige Reibungskoeffizienten demonstriert.The results on the contact behavior under frictional stress (simulation of plugging and drawing operations in material-symmetrical contact pairing: length of the friction track 4mm, contact force 135cN) summarizes Fig.2. Even after high mechanical stress (N = 500 overflows) the resistance values are only about 20 mils, i.e. the risk of tribocorrosive contact resistance increases is excluded under these conditions. The favorable friction behavior is demonstrated by constant and comparatively low friction coefficients.

Claims

1. Contact material in the form of a layer system, which is mainly applicable in electrical engineering / electronics for static, sliding and switching contacts and buttons and switches, characterized in that a microlaminate on a base material of at least 5 individual layers of two or more materials in any and / or ordered order, wherein as the material for the individual layers of the microlaminate the elements of the 3rd to 6th period and alloys of these elements, hard materials and i-carbon and carbon-metal composite are used.

2. Contact material according to claim 1, characterized in that the layer thicknesses of the individual layers of the microlaminate are preferably <2μΐη and the total layer thickness of the microlaminate is between 100 nm and 20μηη.

3. Contact material according to claim 1 and 2, characterized in that an adhesion-promoting and / or diffusion-inhibiting intermediate layer, such as CrNi, stainless steel, Ni or Al is present between the pad and the microlaminate.

For this 2 pages drawings

field of use

The contact material in the form of a layer system, applied on conventional base materials, serves to improve the contact properties of contact systems and is mainly used in electrical engineering / electronics for stationary, sliding and switching contacts and for buttons and switches.

Characteristic of the known solutions

In recent years, attempts have been made to replace precious metal coatings with precious metal-free contact layers, especially in low-voltage connector technology. For this purpose, tin and tin alloys are mainly used, although certain application criteria are to be considered (Electronic Production, March [1978], 35-40, Plating and Surface Finishing, 68 [1981] 10, 38-39). Disadvantages of these contact coatings produced on the basis of tin are the low layer hardness and abrasion resistance and the resulting increased susceptibility to corrosion of the contact system, but also impairment of the contact behavior due to tribocorrosive processes (Thin Solid Films 105 [1983], 305-318). With the help of suitable contact principles, although highly reliable higher-pole contact connections can also be realized with such conventional tin materials of low hardness (US Pat. No. 3,852,282), however, a high level of design complexity is generally required. Thin soft metallic coatings (eg, tin) on carbon-metal composite layers improve the contact resistance performance of these, but have the disadvantage of an initially high coefficient of friction.

Object of the invention

It is an object of the invention to inexpensively produce a contact material with known coating technologies, which meets all requirements for electrical contacts.

Explanation of the essence of the invention

The object of the invention is to provide a contact material, which has a low contact resistance and low wear and is corrosion resistant and has a long service life. According to the invention the object is achieved by a microlaminate consisting of at least 5 individual layers of two or more materials in any desired and / or ordered order, on a conventional ~ base material is present. The materials used are the elements of the third to sixth periods and alloys of these elements, hard materials (eg carbides, nitrides, borides, oxides) as well as i-carbon, carbon-metal composite. The thickness of a single layer is usually below 2 ^ m and the total layer thickness of the microlaminate preferably between 100nm and 20 / xm.