DE102011104091B4

DE102011104091B4 - Elektrischer Kontaktaufbau und Verwendung eines elektrischen Kontaktaufbaus

Info

Publication number: DE102011104091B4
Application number: DE102011104091.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Kaulfuß; Gregor Englberger; Otmar Zimmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: DE102011104091A1

Abstract

Elektrischer Kontaktaufbau für elektrisch leitende Verbindungen zur Übertragung hoher elektrischer Ströme, wobei auf einem Substrat oder einer Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, eine die elektrisch leitende Verbindung zu einem weiteren elektrisch leitenden Element für einen elektrischen Anschluss ausgebildete elektrische Kontaktschicht, die aus Titan-Silicium-Nitrid gebildet ist, vorhanden ist und in der Kontaktschicht Silicium mit einem Anteil im Bereich 1 at-% bis 10 at-% enthalten ist und der Kontaktaufbau eine Schichtdicke von 0,5 μm bis 100 μm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontaktaufbau, bei dem auf einem elektrisch leitenden Substrat oder einer elektrisch leitenden Schicht eine elektrisch leitende Verbindung zu einem weiteren elektrisch leitenden Element oder für einen elektrischen Anschluss ausgebildete elektrische Kontaktschicht vorhanden ist. Sie soll dabei insbesondere für hohe elektrische Ströme eingesetzt werden können.
Solche elektrischen Kontakte werden üblicherweise zum alternierenden Öffnen und Schließen elektrischer Stromkreise, als Schalter, in Schaltschützen, für Schleifkontakte (z. B. für Motore) oder für Relais eingesetzt. Dabei sollen sie auch bei elektrischen Stromstärken oberhalb von 100 A und bei elektrischen Stromdichten oberhalb 100 A/cm² betrieben werden können.
Es sind dabei neben der hohen elektrischen Leitfähigkeit weiterhin auch folgende Anforderungen zu erfüllen:

– hohe Korrosionsbeständigkeit, ohne Neigung zur Bildung von dielektrischen Passivierungsschichten an der Oberfläche, wie dies z. B. Oxidschichten wären;
– geringe Neigung zur Funkenbildung beim Trennen einer elektrisch leitenden Verbindung bzw. beim Schliefen eines elektrischen Kontaktes;
– mechanische Beständigkeit (Abrasionsfestigkeit);
– keine bzw. eine geringe Neigung zu Elektromigration und
– eine kostengünstige Herstellung mit einer hohen Lebensdauer.

Bisher werden solche elektrischen Hochstromkontakte aus verschiedenen Metallen (Au, Cu, Ag, Ti, Ni, u. a.), Metalllegierungen oder auch Graphit hergestellt. Dabei können diese Metalle oder das Graphit auch als Beschichtung auf einem bevorzugt elektrisch leitfähigen Träger/Substrat aufgetragen sein. Außerdem sind für diesen Einsatz auch TiN als Beschichtung oder auch AgSnO als elektrisch leitfähiges Oxid bekannt. Insbesondere das letztgenannte Nitrid oder das Oxid weisen dabei eine geringe elektrische Leitfähigkeit mit entsprechend hohem spezifischem elektrischen Widerstand auf.
Bei Einsatz von Gold ist zwar der spezifische elektrische Widerstand vorteilhaft und auch die Korrosionsbeständigkeit erfüllt die Anforderungen. Die Kosten und die mechanische Verschleißbeständigkeit beeinträchtigen aber den Einsatz nachteilig.
Graphit ist zwar unter dem Kostenaspekt günstig und ist auch gegenüber Funkenbildung bei Schleifkontakten relativ resistent, weist aber eine geringe Lebensdauer und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand im Vergleich zu Metallen auf.
TiN ist ebenfalls verschleißfest und weist eine gute Langzeitkorrosionsbeständigkeit auf. Nachteilig ist aber ebenfalls der hohe spezifische elektrische Widerstand.
Außerdem ist es aus US 5,536,947 A bekannt, elektrisch leitende Schichten aus Titannitrid mit darin enthaltenem Silicium bei elektronischen Speicherelementen einzusetzen.
US 5,352,523 A betrifft Schutzschichten für Graphitelektroden, die aus mindestens zwei Metallen und Stickstoff hergestellt werden.
Elektrisch leitende Nitridschichten, mit antistatischer Wirkung für den Einsatz bei Kathodenstrahlröhren sind aus US 2002/0022134 A1 bekannt.
WO 2008/015201 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten, elektrisch leitfähigen Oberflächen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für elektrisch leitende Kontaktaufbauten anzugeben, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit, mechanische Beständigkeit gegenüber Verschleiß, eine gute Korrosionsbeständigkeit, eine geringe Neigung zur Funkenbildung und eine geringe oder keine Elektromigration auch bei erhöhten Temperaturen aufweisen sowie kostengünstig herstellbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem elektrischen Kontaktaufbau gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktaufbau ist auf einem Substrat oder einer auf einem Substrat ausgebildeten Schicht eine elektrisch leitende Verbindung zu einem weiteren elektrisch leitenden Element oder für einen elektrischen Anschluss ausgebildete elektrische Kontaktschicht vorhanden, die aus Titan-Silicium-Nitrid gebildet ist. In der elektrischen Kontaktschicht ist Silicium mit einem Anteil im Bereich 1 at-% bis 10 at-% enthalten. Durch diesen relativ kleinen Anteil an Silicium kann eine günstige Gefügestruktur mit entsprechend kleinen Körnern erreicht werden, was sich positiv auf die elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität und Homogenität der Schicht auswirkt.
Das Substrat oder die darauf ausgebildete Schicht sind bevorzugt elektrisch leitend.
Die elektrische Kontaktschicht kann aber auch auf dielektrischen Substraten oder dielektrischen Schichten ausgebildet werden. Diese können aus Polymeren oder Keramiken bestehen. Die elektrische Kontaktschicht kann dabei einen elektrisch leitfähigen Bereich bilden und zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung, z. B. als elektrischer Schalter, genutzt werden, wie dies beispielsweise bei an sich bekannten Tastaturen von Telefonen oder bei Folientastaturen üblich ist.
Stickstoff sollte mit einem Anteil im Bereich 40 at-% bis 60 at-% in der elektrischen Kontaktschicht enthalten sein und der Rest zumindest im Wesentlichen aus Titan bestehen.
Die Herstellung bzw. Ausbildung einer solchen elektrischen Kontaktschicht auf einem elektrisch leitenden Substrat oder einer elektrisch leitenden Schicht kann reaktiv durch ein Verdampfungsverfahren erfolgen, worauf nachfolgend noch erklärend zurück zu kommen sein wird.
Die elektrische Kontaktschicht soll eine Schichtdicke von 0,5 μm bis 100 μm aufweisen. Sie kann auf verschiedenen Substraten oder elektrisch leitenden Schichten, die dann auf Substraten ausgebildet sind, aufgebracht werden. Die Auswahl der Werkstoffe hierfür kann unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen erfolgen. Dies betrifft die Umgebungsbedingungen, die jeweiligen elektrischen Ströme und auch die Betriebstemperaturen.
Das bei der Erfindung eingesetzte Titan-Silicium-Nitrid ist bis zu Temperaturen von 800°C ohne wesentliche Nachteile einsetzbar und der spezifische elektrische Widerstand erhöht sich mit steigender Temperatur nur geringfügig. Außerdem werden keine Oberflächenschichten gebildet, die einen elektrischen Übergangswiderstand darstellen.
Durch die erreichbare hohe Härte von mehr als 2800 HV ist auch eine gute mechanische Verschleißbeständigkeit gegeben. Der spezifische elektrische Widerstand liegt im Bereich von 5 μΩcm bis zu 10 μΩcm und entspricht dem von gut elektrisch leitfähigen Metallen, wie z. B. Zinn. Der erfindungsgemäße Kontaktaufbau ist daher besser geeignet als Graphit oder reines Titannitrid ohne darin enthaltenes Silicium. Dadurch kann die erforderliche Fläche für einen elektrischen Kontakt entsprechend klein gehalten werden und die hohe elektrische Stromdichte, die ein erfindungsgemäßer Kontaktaufbau ermöglicht für eine Miniaturisierung ausgenutzt werden.
Bevorzugt ist kein weiteres chemisches Element außer Titan, Silicium und Stickstoff in der elektrischen Kontaktschicht enthalten.
Für bestimmte Anwendungen und unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen können aber neben Titan, Silicium und Stickstoff in der elektrischen Kontaktschicht auch weitere Metalle (z. B. Kupfer) oder Kohlenstoff mit einem Anteil bis zu 50 at-% enthalten sein. Es können auch Spuren anderer Elemente enthalten sein.
Die elektrische Kontaktschicht kann auf einem elektrisch leitenden Substrat oder einer elektrisch leitenden Schicht aus Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Eisen, Palladium, Chrom oder einer Legierung bzw. Mischung dieser Metalle ausgebildet sein. Die Auswahl kann ebenfalls unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen erfolgen.
Bei der Herstellung kann so vorgegangen werden, dass ein Substrat, das bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Metall oder einer Metalllegierung, oder ein Substrat das mit einer solchen elektrisch leitenden Schicht als elektrischer Leiter versehen worden ist, in einer Vakuumkammer mit der elektrisch leitenden Kontaktschicht beschichtet wird und dabei das Titan-Silicium-Nitrid mit dem gewünschten Stickstoffanteil reaktiv gebildet wird.
Die Herstellung kann mit einem PVD-Verfahren, z. B. einem Bogenverfahren, Sputtertechnologie oder Aufdampfverfahren in einer Vakuumkammer, in der ein Stickstoffpartialdruck im Bereich 0,1 Pa bis 1 Pa, bevorzugt von 0,5 Pa eingehalten wird, erfolgen. Es hat sich als günstig herausgestellt, als Verdampferquelle eine oder mehrere Vakuumbogenverdampfer, einzusetzen. Das Verfahren sollte mit mindestens einer, die Elemente Titan und/oder Silicium enthaltenden Verdampferquelle betrieben werden, um die Beschichtung auf der Substrat- oder Schichtoberfläche auf einem Substrat auszubilden. Dabei kann in einer Verdampferquelle Titan und Silicium im gewünschten Verhältnis für die elektrische Kontaktschicht enthalten sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit zwei Verdampferquellen einzusetzen und das Verfahren so zu steuern, dass in der elektrischen Kontaktschicht der gewünschte Anteil dieser Elemente enthalten ist. Der Anteil an Stickstoff kann über den Stickstoffpartialdruck in der Vakuumkammer und/oder den Ort, die Art und Weise (z. B. Anordnung und Anzahl von Zufuhrdüsen) der Stickstoffzufuhr und den dort zugeführten Volumenstrom beeinflusst werden.
Zumindest während der Ausbildung der Beschichtung sollte an das zu beschichtende Substrat oder eine elektrisch leitfähige Schicht auf einem Substrat eine elektrisch negative BIAS-Spannung von mindestens 50 V. bevorzugt 100 V angelegt werden.
Während der Ausbildung der Beschichtung für die elektrische Kontaktschicht kann/können während der Ausbildung der Beschichtung zumindest einer der folgenden Parameter, nämlich die elektrische BIAS-Spannung, der Stickstoffpartialdruck und/oder die Geschwindigkeit, mit der das Substrat in Bezug zu der/den Verdampferquelle(n) bewegt wird, verändert werden. Durch die sich verändernden Abstände der zu beschichtenden Oberflächenbereiche eines Substrats können die jeweiligen Anteile der chemischen Elemente, mit denen zu diesen Zeitpunkten die Beschichtung ausgebildet wird, variieren.
Eine Veränderung der an das Substrat angelegten elektrischen BIAS-Spannung kann zur Beeinflussung der Kristallitbildung und der Schichteigenspannungen beitragen. Dabei sollten jedoch die für die Bildung der elektrischen Kontaktschicht eingesetzten Ionen Energien bis 100 eV aufweisen.
Eine so hergestellte elektrische Kontaktschicht weist eine Härte von mindestens 2500 HV auf. Es ist eine feinkristalline Struktur mit Korngrößen kleiner 100 nm eingehalten.
Da mit der Erfindung neben bessere Eigenschaften aufweisenden, auch elektrische Kontaktschichten zur Verfügung gestellt werden können, die Schichtdicken deutlich oberhalb 50 μm bis hin zu 100 μm und mehr, aufweisen, besteht auch die Möglichkeit der Durchführung einer Oberflächenbearbeitung unmittelbar im Anschluss an die Herstellung. Dabei kann eine zusätzliche Glättung der Oberfläche erreicht werden, was sich insbesondere vorteilhaft bei Schleifkontakten, die so erfindungsgemäß hergestellt worden sind, auswirkt.
Die erfindungsgemäßen bei einem elektrischen Kontaktaufbau ausgebildeten elektrischen Kontaktschichten können auf unterschiedliche Substrate aus unterschiedlichen Metallen und Legierungen, Keramiken oder auch Polymeren aufgebracht werden. Bei elektrisch nichtleitfähigen Substraten kann vorab eine elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet werden, die einen elektrischen Leiter bildet und auf der dann die elektrische Kontaktschicht abgeschieden wird.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft weiter erläutert werden.
Ein Hochstromkontakt, bestehend aus einem Stahlzylinder als Substrat, ist mit der wirksamen Kontaktfläche an einer Stirnseite mit einer TiSiN- Schicht mit einer Schichtdicke von 3 μm versehen. Die Kontaktschicht besteht zu 3 at-% aus Silizium, der Rest besteht zu jeweils gleichen Teilen aus Titan und Stickstoff. Die Kontaktschicht erreicht eine Härte von 2800 HV und hat einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10 μΩm. Die Schichtstruktur ist feinkristallin mit Kristallgrößen < 100 nm. Die Kontaktschicht ist beständig gegen Oxidation bis zu Temperaturen auch oberhalb 800°C. Die Herstellung der Schicht erfolgt mit Hilfe der Vakuumbogenverdampfung. Dabei wird die Kontaktfläche des Stahlzylinders in einer Beschichtungsanlage im Vakuum beschichtet. Die Beschichtung erfolgt in folgenden Schritten:

1. Reinigung der Stahloberfläche durch Beschuss mit Argonionen (Ionenenergie: ca. 1 keV) bei einem Argonpartialdruck von ca. 0,5 Pa.
2. Beschichtung der Stahloberfläche mit dem Vakuumbogenverfahren unter Verwendung einer Kompositkathode aus Titan mit ca. 10 at-% Siliziumanteil unter Stickstoffatmosphäre (Argonpartialdruck = 0,5 Pa) und bei einer elektrischen Substratvorspannung (BIAS) von 100 V. Die Entladungsstromstärke des Vakuumbogenverdampfers wird dabei auf 100 A stabilisiert. Die Temperatur des Stahlzylinders beträgt während der Beschichtung ca. 250–300°C.
3. Abkühlung des Substrates unter Vakuum bis auf Raumtemperatur.

Der Stahlzylinder mit der auf einer Stirnseite aufgebrachten elektrischen Kontaktschicht eignet sich zum Schalten hoher elektrischer Ströme, wobei mittlere Stromdichten von mindestens 2 A/mm² an der Kontaktstelle zulässig sind.

Claims

Elektrischer Kontaktaufbau für elektrisch leitende Verbindungen zur Übertragung hoher elektrischer Ströme, wobei auf einem Substrat oder einer Schicht, die auf einem Substrat ausgebildet ist, eine die elektrisch leitende Verbindung zu einem weiteren elektrisch leitenden Element für einen elektrischen Anschluss ausgebildete elektrische Kontaktschicht, die aus Titan-Silicium-Nitrid gebildet ist, vorhanden ist und in der Kontaktschicht Silicium mit einem Anteil im Bereich 1 at-% bis 10 at-% enthalten ist und der Kontaktaufbau eine Schichtdicke von 0,5 μm bis 100 μm aufweist.
Kontaktaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff mit einem Anteil im Bereich 40 at-% bis 60 at-% in der elektrischen Kontaktschicht enthalten ist.
Kontaktaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat oder die auf dem Substrat ausgebildete Schicht elektrisch leitfähig ist.
Kontaktaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keine weiteren chemischen Elemente außer Titan, Silicium und Stickstoff in der elektrischen Kontaktschicht enthalten sind.
Kontaktaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben Titan, Silicium und Stickstoff mindestens ein weiteres Metall in der elektrischen Kontaktschicht mit einem Anteil bis zu 50 at-% enthalten ist.
Kontaktaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kupfer, und/oder Kohlenstoff in der elektrischen Kontaktschicht mit einem Anteil bis zu 50 at-% enthalten ist/sind.
Kontaktaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktschicht auf einem elektrisch leitenden Substrat oder einer elektrisch leitenden Schicht aus Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Eisen, Palladium, Chrom oder einer Legierung dieser chemischen Elemente ausgebildet ist.
Verwendung eines elektrischen Kontaktaufbaus nach einem der vorhergehenden Ansprüche für elektrisch leitende Verbindungen zur Übertragung elektrischer Ströme oberhalb 100 A und elektrischer Stromdichten oberhalb 100 A/cm².