DE1180466B - Elektrischer Kontakt - Google Patents

Elektrischer Kontakt

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DE1180466B DEW32922A DEW0032922A DE1180466B DE 1180466 B DE1180466 B DE 1180466B DE W32922 A DEW32922 A DE W32922A DE W0032922 A DEW0032922 A DE W0032922A DE 1180466 B DE1180466 B DE 1180466B
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Sidney Marston Arnold
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. KL: HOIb
Deutsche Kl.: 21g-32
Nummer: 1180466
Aktenzeichen: W 32922 VIII c / 21 j
Anmeldetag: 8. September 1962
Auslegetag: 29. Oktober 1964
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kontakte für elektrische Schaltungen und Bauteile und ist auf einen elektrischen Kontakt aus einer Unterlage und einer kontaktgebenden Oberflächenschicht, die im wesentlichen aus Zinn besteht, gerichtet.
Bei elektrischen Bauteilen, die eine Oberflächenschicht aus Zinn zur Verbesserung der Lötarbeit oder als Korrosionsschutz aufweisen, hat es öfter beträchtliche Schwierigkeiten gegeben. Diese Schwierigkeiten sind weitgehend der spontanen Bildung fadenförmiger Kristalle an der Zinnoberfläche zuzuschreiben, die allgemein »whisker« genannt werden und die oft Kurzschlüsse und schlechtes Arbeiten der Einrichtung verursachen.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, das Auftreten fadenförmigen Kristallwachstums an einem Kontakt der eingangs beschriebenen Art zu beseitigen. Dies wird bei Kontakten der eingangs genannten Art in einfacher Weise dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß — zur Vermeidung der Ausbildung von fadenförmigen Kristallen auf der Kontaktoberfläche — zwischen der Kontaktschicht und der Unterlage eine Zwischenschicht aus Gold, Blei, Kupfer oder Wismut vorgesehen ist, die in inniger Berührung mit der Unterlage und der Oberflächenschicht steht.
Diese Kontakte zeigen im Unterschied zu den bekannten, ohne Zwischenschicht aufgebauten Kontakten, selbst unter erhöhten Alterungsbedingungen überhaupt kein fadenförmiges Kristallwachstum.
Zweckmäßig beträgt die Minimaldicke der Zwischenschicht 1000 ÄE.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Kontaktes der Erfindung besteht darin, daß die Zwischenschicht und Oberflächenschicht aufeinanderfolgend im Vakuum auf die Unterlage aufgedampft werden.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt
F i g. 1 eine Ansicht einer Apparatur, die zur Herstellung eines Metallfilms durch Aufdampfen im Vakuum geeignet ist, und
F i g. 2 eine Teilansicht im Schnitt eines Schaltelementes mit erfindungsgemäß ausgebildeten Kontaktflächen.
In F i g. 2 ist ein Relaisfederkontaktsatz dargestellt, der mit elektrischen Kontakten 22 der Erfindung versehen ist. Die an den Relaisfedern 21 angebrachten Kontakte 22 bestehen im wesentlichen aus einer äußeren Zinnschicht 23 und einer darunterliegenden Kupferzwischenschicht 24, wobei beide Elektrischer Kontakt
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Als Erfinder benannt:
Sidney Marston Arnold, Chatham, N. J.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Oktober 1961
(149 096)
Schichten 23 und 24 im Vakuum aufgedampft worden sind.
Die Erfindung soll nachstehend der Einfachheit halber an Hand im Vakuum aufgedampfter Kontakte beschrieben werden, wenngleich die erfindungsgemäß vorgesehenen Schichten auch auf andere Weise, z. B. durch galvanische Abscheidung, auf die Unterlage aufgebracht werden können.
In F i g. 1 ist eine Vakuum-Aufdampfapparatur dargestellt, mit der die Kontakte hergestellt werden können. Die Apparatur weist eine Vakuumkammer 11, einen Heizfaden 12 und einen Tisch 13 auf, der als Auflagestütze für eine Kontaktunterlage 14 dient. Eine Maske 15 dient zur Begrenzung der Filmaufdampfung auf das gewünschte Gebiet. Die Enden des' Glühfadens 12 sind mit elektrischen Zuleitungen 16 versehen, die zu einer nicht gezeigten Stromquelle führen.
Zur Herstellung brauchbarer Kontaktflächen auf einer Unterlage muß diese eine glatte Oberfläche besitzen, die völlig frei von Unebenheiten ist und Temperaturen von 300 bis 4000C widerstehen kann, da solche Temperaturen oft während des Aufdampfvorganges erreicht werden. Als Unterlage sind zahlreiche Materialien geeignet, wobei Stahl für diese Zwecke bevorzugt wird.
Die Vakuum-Aufdampftechnik wird gewöhnlich bei sehr niedrigen Drücken durchgeführt (s. »Vakuum-
409 709/2«
abscheidung dünner Schichten«, L.Holland, S. Wylie and Sons, Inc., New York, 1956). Die Höhe des Vakuums wird vom Dampfdruck des zu verdampfenden Metalls bestimmt. Bei dem üblichen Vakuum-Aufdampfverfahren hält man es für zweckmäßig, daß der Dampfdruck des zu verdampfenden Materials wenigstens zehnmal so groß sein sollte wie der Druck, auf den das ganze System evakuiert wird. Im allgemeinen erhält man Schichten besserer Qualität bei höherem Vakuum. Verwendet man Metalle mit verhältnismäßig hohem Dampfdruck, so ist der zulässige Maximaldruck der, oberhalb dessen das Restgas die Abscheidung eines reinen metallischen Filmes stört. Für die Abscheidung eines Metalls wie Zinn wurde festgestellt, daß ein Druck von etwa 1 · 10 5 mm Hg ausreicht.
Die Unterlage 14 wird zunächst gründlich gesäubert. Die üblichen Reinigungsmittel, z. B. heißes Wasser, dem ein Netzmittel beigegeben ist, sind brauchbar, und die Auswahl eines besonderen Mittels hängt von der Zusammensetzung der Unterlage ab. Wenn beispielsweise die Unterlage aus Kupfer besteht, ist eine vorherige Reinigung mit Säure erforderlich, um Oxydschichten zu entfernen.
Die Unterlage 14 wird dann auf den Tisch 13 gelegt und die Maske 15 darüber angeordnet. Der Tisch 13 und die Maske 15 können aus irgendeinem feuerfesten Material hergestellt sein. Es kann indessen auch zweckmäßig sein, hierfür ein Metall, z. B. Aluminium, zu verwenden. Um einen scharf abgegrenzten Niederschlag zu erhalten, ist es notwendig, daß die Maske 15 gegen die Unterlage 14 unter Druck angepreßt wird.
Das übliche Verfahren zum Verdampfen des aufzudampfenden Metalls besteht darin, daß man es auf oder in der Nähe eines elektrisch heizbaren Drahtes anordnet. Man erreicht dies beispielsweise durch Verwendung einer Wolframdrahtwendel (F ig. 1), in deren Innern das zu verdampfende Metall angeordnet ist. Die erforderliche Temperatur erhält man durch Regelung des Heizstromes. Auch kann man einen Draht, der aus dem zu verdampfenden Metall selbst besteht, in den Fällen verwenden, in denen das Metall unterhalb seines Schmelzpunktes einen genügend hohen Dampfdruck hat.
Die Vakuumkammer 11 wird dann auf den vorgeschriebenen Druck, z. B. auf 1 · 10~5 mm Hg evakuiert, und es wird Strom durch den Wolframdraht 12 zu dessen Erhitzung auf beispielsweise Weißglut geschickt, so daß das (nicht dargestellte) Metall verdampft.
Die minimale Dicke der auf der Unterlage abgeschiedenen Gold-, Kupfer-, Blei- oder Wismutzwischenschicht ist von der Größenordnung 1000 ÄE. Es gibt keine obere Grenze für diese Dicke, obgleich es wenig vorteilhaft ist, über 2000 ÄE hinauszugehen.
Nach der Aufdampfung der Zwischenschicht wird die Unterlage mit einem dünnen Film sehr reinen Zinns bedampft. Die oben besprochenen Erwägungen bezüglich der Dicke der Zwischenschichten gelten auch für den die Oberflächenschicht bildenden Zinnfilm.
Im folgenden werden verschiedene Beispiele im einzelnen beschrieben.
Hierbei sind Proben nach dem vorstehend beschriebenen, im Vakuum erfolgenden Aufdampfverfahren durch Aufdampfen von Zinn mit und ohne vorher aufgedampften Zwischenschichten auf Stahlunterlagen hergestellt worden. Zu Vergleichszwecken wurden Filme auch auf Glasunterlagen aufgedampft.
Zum Studium der Whisker-Bildung werden dann die fertigen Kontaktflächen in Gegenwart einer Phenolfaser bei 35 0C und einer relativen Feuchtigkeit von 30 bis 95% ausgesetzt. Obwohl Phenolfasern als Beschleuniger des Whisker-Wachstums gelten, sind sie nicht ausschlaggebend. Die Ergebnisse der Whisker-Versuche sind in Tabelle I nachstehend aufgeführt.
Tabelle I
Unterlage Zwischenschicht
2000 ÄE		 Schlußschicht
1000 ÄE		 Temperatur
°C		 Relative Feuchtigkeit Whisker-Wachstum
nach 3 Jahren
Stahl / Zinn 35 30 zahlreich kurz
Glas ( I Zinn
Zinn		 35
35		 95
30		 zahlreich kurz
zahlreich kurz
Stahl j Eisen Zinn
Zinn		 U) U)
Ul Ui		 95
30		 zahlreich kurz
zahlreich kurz
Glas j Eisen
Eisen		 Zinn
Zinn		 U) U)
Ul Ui		 95
30		 zahlreich kurz
zahlreich kurz
Stahl j Eisen
Gold		 Zinn
Zinn		 U) U)
Ui Ui		 95
30		 zahlreich kurz
0
Glas i Gold
Gold		 Zinn
Zinn		 U) U)
Ui Ui		 95
30		 0
0
Gold Zinn 35 95 0
Die in Tabelle I aufgeführten Werte zeigen deutlich an, daß ein Whisker-Wachstum durch die Abscheidung des Zinnfilms auf Goldzwischenschichten wirksam verhindert wird. Das Whisker-Wachstum wurde jedoch unter den angegebenen Bedingungen beobachtet, wenn Zinn auf Stahl, Glas oder Eisen niedergeschlagen wurde.
Um die Anwendbarkeit anderer Metalle für die vorliegende Erfindung zu prüfen, wurden weitere Whisker-Studien an im Vakuum auf Glasunterlagen aufgedampften 1000 ÄE dicken Zwischenschichten, die nachfolgend mit 500 ÄE starken Zinnaußenschichten bedampft wurden, durchgeführt. Nach 2stündigem Erhitzen auf 185° C und einer Alterung
während eines Jahres wurden die Proben geprüft. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle II aufgeführt und zeigen an, daß Kupfer, Gold, Blei und Wismut für den gewünschten Zweck brauchbar sind.
Tabelle II
Zwischenschicht lOOOÄE Schlußschicht 500ÄE Nach Wärmebehandlung Whisker-Wachstum nach 1 Jahr
(D Aluminium Zinn zahlreich kurz zahlreich kurz
(2) Wismut Zinn 0 0
(3) Kobalt Zinn zahlreich kurz zahlreich mittellang
(4) Kupfer Zinn 0 0
(5) Gold Zinn 0 0
(6) Indium Zinn zahlreich mittellang zahlreich mittellang
(7) Eisen Zinn zahlreich kurz zahlreich kurz
(8) Blei Zinn 0 0
(9) Magnesium Zinn zahlreich kurz zahlreich kurz
(10) Nickel Zinn zahlreich kurz zahlreich kurz
(H) Silizium Zinn zahlreich kurz zahlreich kurz
(12) Zink Zinn zahlreich kurz zahlreich kurz
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf Schaltkontakte beschrieben, doch kann sie auch bei der Herstellung anderer elektrischer Bauteile angewandt werden, die eine im wesentlichen aus Zinn bestehende Oberfläche haben.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Elektrischer Kontakt aus einer Unterlage und einer kontaktgebenden Oberflächenschicht, die im wesentlichen aus Zinn besteht, dadurch gekennzeichnet, daß — zur Vermeidung der Ausbildung von fadenförmigen Kristallen auf der Kontaktoberfläche — zwischen der Kontaktschicht und der Unterlage eine Zwischenschicht aus Gold, Blei, Kupfer oder Wismut vorgesehen ist, die in inniger Berührung mit der Unterlage und der Oberflächenschicht steht.
2. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minimaldicke der Zwischenschicht 1000 ÄE beträgt.
3. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Aufdampfen im Vakuum abgeschieden wird, bevor die im wesentlichen aus Zinn bestehende Oberflächenschicht aufgedampft wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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