DE60204198T2

DE60204198T2 - Sprühbeschichtung von elektrischen Kontakten auf leitende Substrate

Info

Publication number: DE60204198T2
Application number: DE60204198T
Authority: DE
Inventors: Thomas H. Van Steenkiste; George A. Drew; Daniel W. Gorgiewicz; Bryan A. Gillispie
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2002-09-23
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: US7001671B2; DE60204198D1; EP1303007B1; US20040072008A1; EP1303007A2; US6685988B2; EP1303007A3; US20030077952A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf elektrische Kontakte, die einen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 10 Milliohm aufweisen und beabstandete Partikel umfassen, die in die Oberfläche von Leitern eingebettet sind, wobei die Partikel mit hinreichend Energie auf die Leiter kinetisch aufgespritzt wurden, um direkte mechanische Bindungen zwischen den Partikeln und den Leitern an einem vorausgewählten Ort und mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte zu bilden, was einen hohen Oberflächen-Oberflächenkontakt und einen reduzierten Kontaktwiderstand zwischen den Leitern begünstigt. Das Verfahren zum Herstellen solcher elektrischer Verbindungen ist ebenfalls vorgesehen.
Hintergrund der Erfindung
Die meisten elektrischen Kontakte sind Kupferleiter mit einer verzinnten Oberflächenschicht. Die Zinnoberflächenschicht ist eine durchgehende Schicht, die direkt an ein sauberes nicht oxidiertes Kupfersubstrat gebunden ist, um eine maximale Leitfähigkeit zwischen den Leitern zu begünstigen, während der Widerstand von der metallischen Zinn-Kupferbindung begrenzt wird. Zinn wird als Oberflächenschicht verwendet, da es wesentlich weicher ist als Kupfer und immer wieder abgetragen werden kann, um eine frische desoxidierte Oberfläche für eine Metall-Metallverbindung zwischen Leitern vorzusehen.
Elektrische Kontakte wurden herkömmlich durch Elektroplattieren einer Zinnschicht auf Kupfersubstrate, gefolgt von Ausstanzen einzelner Leiter, hergestellt. Die Kupfersubstrate müssen vor dem Einbringen in das Elekt roplattierbad gereinigt werden, um jegliche oxidierten Oberflächenschichten zu entfernen, die sonst einen zusätzlichen elektrischen Widerstand erzeugen können. Die Substrate sind bis zu einer Dicke von etwa 3 bis 5 Mikrometer mit Zinn beschichtet.
Da die meisten elektrischen Kontakte wiederholten Verbindungen und Wiederverbindungen ausgesetzt sind, korreliert ein Erhöhen der Dicke der Zinnoberflächenschicht gut mit der Langlebigkeit und Haltbarkeit des Kontakts. Jedoch liegt die Schwellendicke für ein Elektroplattieren von Zinn auf Kupfer aufgrund von Fertigungsbeschränkungen bei etwa 5 Mikrometer.
Während es möglich wäre, andere verfügbare Beschichtungsverfahren zu verwenden, um die Beschichtungsdicke zu erhöhen, sind Verfahren, die auf Schmelzen und/oder Abscheiden des Zinns in einem geschmolzenen Zustand beruhen, nicht wünschenswert, da sie, wenn sie nicht in der Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt werden, eine erhebliche Oxidation in der Zinnoberflächenschicht einführen. Solche Verfahren sind auch aufgrund von den erhöhten Anwendungskosten nicht zweckmäßig.
Eines der Hauptprobleme bei den vorliegenden elektrischen Kontakten ist ein Aufbau von Ablagerungen aufgrund von Reiben auf der Kontaktoberfläche. Bei jeder Verbindung und Wiederverbindung wird ein kleiner Teil der oxidierten Oberflächenschicht abgerieben, um eine frische elektrische Verbindungsoberfläche darzulegen. Der Teil, der abgerieben wird, blättert für gewöhnlich nicht ab, sondern bleibt stattdessen benachbart des Kontaktpunkts zurück und beginnt, einen Aufbau von oxidierten Ablagerungen zu erzeugen. Es ist weithin bekannt, dass aus diesen oxidierten Ablagerungen eine Quelle für einen zusätzlichen Widerstand und eine Verschlechterung der Leitfähigkeit des Kontakts wird.
Vor der vorliegenden Erfindung war ein Entfernen dieser Ablagerungen unpraktisch. Bei dem Stand der Technik bestand die Lösung darin, Beschichtungen mit durchgehenden Schichten vorzusehen, von denen geglaubt wurde, dass sie zu einem maximalen Oberflächenbereich für die Leitfähigkeit führen.
In einem Artikel von T. H. Van Steenkiste et al., der mit "Kinetic Spray Coatings" betitelt ist und in Surface and Coatings Technology, Bd. 111, Seiten 62–71, 10. Januar 1999 veröffentlich wurde, wurde kürzlich von einer neuen Technik zum Fertigen von Beschichtungen durch kinetisches Aufspritzen oder dynamisches Kaltgasaufspritzen berichtet. Der Artikel diskutiert das Fertigen von Beschichtungen mit durchgehenden Schichten, die eine niedrige Porosität, eine hohe Adhäsion, einen niedrigen Oxidgehalt und eine niedrige thermische Spannung aufweisen. Der Artikel beschreibt Beschichtungen, die durch Zumischen von Metallpulver in einem beschleunigten Luftstrom und dessen Schleudern gegen ein Zielsubstrat gefertigt werden. Es wurde herausgefunden, dass die Partikel, die die Beschichtung bildeten, vor dem Aufprall auf das Substrat nicht schmolzen oder thermisch erweichten.
Diese Arbeit baute auf einer früheren Arbeit von Alkimov et al., wie sie in dem US Patent Nr. 5,302,414, veröffentlicht am 12. April 1994, offenbart wurde, auf. Alkimov et al. offenbarte eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fertigen von dichten Beschichtungen mit durchgehenden Schichten mit Pulverpartikeln, die eine Partikelgröße von 1 bis 50 Mikrometer aufweisen, wobei ein Ultraschallspritzen, das bei niedrigen Temperaturen und Drücken betrieben wird, verwendet wird.
Der Van Steenkiste-Artikel berichtete von einer Arbeit zum Verbessern des früheren Verfahrens und der früheren Vorrichtung von Alkimov, welche von dem National Center for Manufacturing Sciences (NCMS) durchgeführt wurde. Van Steenkiste et al. demonstrierte, dass die Vorrichtung und das Verfahren von Alkimov modifiziert werden konnten, um kinetisch aufgespritzte Beschichtungen unter Verwendung von Partikelgrößen von größer als 50 Mikrometer und bis zu etwa 106 Mikrometer zu fertigen.
Dieses modifizierte Verfahren und diese modifizierte Vorrichtung zum Fertigen solcher Beschichtungen mit kinetisch aufgespritzten durchgehenden Schichten von größerer Partikelgröße ist in dem US Patent Nr. 6,139,913, Van Steenkiste et al., das am 31. Oktober 2000 veröffentlicht wurde, offenbart. Das Verfahren und die Vorrichtung sehen ein Erhitzen einer Hochdruckluftströmung auf etwa 650°C und deren Beschleunigen mit zugemischten Partikeln durch eine Düse vom Laval-Typ auf eine Austrittsgeschwindigkeit von zwischen etwa 300 m/s (Meter pro Sekunde) bis etwa 1000 m/s vor. Die derart beschleunigten Partikel sind auf ein Zielsubstrat gerichtet und treffen auf dieses mit hinreichend kinetischer Energie auf, so dass die Partikel auf die Oberfläche des Substrats aufprallen. Die verwendeten Temperaturen und Drücke sind hinreichend niedriger als die, die notwendig sind, um ein Partikelschmelzen oder thermisches Erweichen des ausgewählten Partikels zu verursachen, so dass in den Partikeln vor dem Aufprall kein Phasenübergang auftritt.
In dem US Patent Nr. 3,697,389 ist ein elektrischer Kontakt offenbart, der alle Hauptmerkmale des Oberbegriffes von Anspruch 1 umfasst.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf elektrische Kontakte, die durch kinetisches Aufspritzen von elektrisch leitenden Materialien auf leitende Substrate hergestellt werden. Genauer richtet sich die vorliegende Erfindung auf elektrische Kontakte, die beabstandete elektrisch leitende Partikelumfassen, welche in die Oberfläche von Leitern eingebettet sind, wobei die Partikel mit hinreichend Energie auf die Leiter kinetisch aufgespritzt wurden, um direkte mechanische Bindungen zwischen den Partikeln und den Leitern an einem vorausgewählten Ort und mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte zu bilden, was einen hohen Oberflächen-Oberflächenkontakt und einen reduzierten Kontaktwiderstand zwischen den Leitern begünstigt. Die Partikelanzahldichte, wie sie hierin verwendet wird, definiert die Quantität von beabstandeten Partikeln, die an einem ausgewählten Ort abgelagert werden.
Unter Verwendung der Vorrichtung, die in US Patent Nr. 6,139,913, dessen Lehren hierin durch Bezugnahme mit einbezogen sind, offenbart ist, wurde erkannt, dass bei der Fertigung von elektrischen Kontakten dicke Beschichtungen mit durchgehenden Schichten auf leitenden Substraten gefertigt werden konnten. Solche dicken Beschichtungen sind aufgrund der mechanischen Bindungen, die durch das Auftreffen der Partikel mit einem Aufprall auf das Substrat gebildet werden, praktisch. Diese dickeren Beschichtungen mit durchgehenden Schichten sind für das Fertigen von elektrischen Kontakten günstig, da sie Beschichtungen mit niedriger Porosität, wenig Oxid und niedriger Restspannung vorsehen, die zu elektrischen Kontakten mit einer höheren Langlebigkeit und Haltbarkeit führen.
In einer weiteren Entwicklung solcher Beschichtungen mit durchgehenden Schichten für elektrische Kontakte wurde entdeckt, dass es, wenn die Zuführrate der Partikel in den Gasstrom reduziert wurde, schwierig wurde, einen einheitlichen Ausgang von Partikeln zu erhalten, was notwendig ist, um eine durchgehende Schicht zu bilden. Die Fertigung einer durchgehenden Schicht von Partikeln war sogar noch problematischer, wenn das Substrat über der Düse bewegt wurde oder umgekehrt.
Die Erfinder erkannten, dass, während die Ablagerung einer unterbrochenen Schicht von Partikeln durch kinetisches Aufspritzen für die Beschichtungsanwendungen des Stands der Technik, wie es in dem US Patent Nr. 6,139,913 und in dem US Patent Nr. 5,302,414 offenbart ist, von geringem Nutzen war, solch eine unterbrochene Schicht für die Fertigung von elektrischen Kontakten besonders nützlich wäre.
Es wurde erörtert, dass die große Anzahl an beabstandeten Partikeln, die in die Oberfläche der Leiter eingebettet ist, eine Struktur, die eine Vielzahl an Erhöhungen und Vertiefungen aufweist, vorsehen würde. Jedes eingebettete Partikel würde eine Erhöhung definieren und der Abstand zwischen Partikeln würde eine Vertiefung definieren. Die Erhöhungen würden mehrere Kontaktpunkte für eine Leitfähigkeit vorsehen, während die Abstände mehrere Wege für das Entfernen von Ablagerungen, die durch wiederholtes Reiben erzeugt werden, vorsehen würden.
Zusätzlich sieht die vorliegende Erfindung das Mittel zum Steuern des Ablagerungsorts der kinetisch aufgespritzten Partikel und der Partikelanzahldichte, die an diesem Ort auf dem leitenden Substrat abgelagert wird durch einfaches Steuern der Zufuhrrate der Partikel in den Gasstrom und die Vorschubgeschwindigkeit des Substrats gegenüber der Vorrichtung und/oder der Düse vor. Dadurch kann das Aufspritzen von leitenden Materialien gesteuert werden, so dass die Partikel nur an diesen Teilen, die als Leiter ausgestanzt werden sollen, in der gewünschten Dichte abgelagert werden.
Dies bietet einen enormen Vorteil bei der Fertigung, da ein Abfall an leitenden Partikeln wesentlich reduziert wird, und die Wiederverwendung von Substratmaterialien unterstützt wird. Des weiteren gibt es, da das Verfahren umweltfreundlich ist, keine Abfallprodukte des Plattierungsbads oder zugehörige Entsorgungskosten.
Darüber hinaus wurde erörtert, dass aufgrund des Auftreffens der kinetisch aufgespritzten Partikel auf den Substraten, ein Vorreinigen nicht mehr notwendig wäre, da der Mechanismus des Auftreffens kräftig genug war, um jegliche Oxidschichten auf der Oberfläche des Substrats zu brechen. Als ein Ergebnis wurde zusammengefasst, dass elektrische Kontakte, die durch kinetisches Aufspritzen beabstandeter elektrisch leitender Partikel auf die Oberfläche von Leitern gefertigt werden, besonders nützlich wären.
Durch die vorliegende Erfindung wird jetzt erkannt, dass Partikel mit hinreichend Energie auf Leiter kinetisch aufgespritzt werden können, um direkte mechanische Bindungen zwischen den Partikeln und den Leitern an einem vorausgewählten Ort und mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte auszubilden, was einen hohen Oberflächen-Oberflächenkontakt zwischen den Leitern mit reduziertem Kontaktwiderstand begünstigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird jetzt beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Rasterelektronenmikroskopbild eines elektrischen Kontakts der vorliegenden Erfindung ist, das einen Kupferleiter mit kinetisch aufgespritzten Zinnpartikeln umfasst, die einen ursprünglichen Partikeldurchmesser von etwa 45 bis 65 Mikrometer aufweisen und auf seiner Oberfläche eingebettet sind;
2 ein Schaubild ist, das den Kontaktwiderstand als eine Funktion von Reibungszyklen eines elektroplattierten elektrischen Zinnkontakts nach dem Stand der Technik zeigt; und
3 ein Schaubild ist, das den Kontaktwiderstand als eine Funktion von Reibungszyklen eines elektrischen Zinn-Kupferkontakts zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Ein elektrischer Kontakt der vorliegenden Erfindung weist einen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 10 Milliohm und vorzugsweise weniger als 2 Milliohm auf. Der elektrische Kontakt umfasst erste und zweite gekoppelte Leiter. Während mehr als zwei Leiter verwendet werden können, um einen elektrischen Kontakt zu bilden, sind zwei bevorzugt. Die Leiter werden aus leitenden Substraten ausgestanzt, die aus jedem geeigneten leitenden Material hergestellt sind, das Kupfer, Aluminium, Messing, rostfreien Stahl und Wolfram umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Substrat aus Kupfer hergestellt ist.
In jedem Kontakt der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens einer der Leiter eine Vielzahl an beabstandeten Partikeln, die in die Oberfläche des Leiters an einen vorausgewählten Ort und mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte eingebettet wurden. Wie betrachtet werden die beabstandeten Partikel unter Verwendung des kinetischen Aufspritzverfahrens in die Oberfläche eingebettet und gebunden, wie es hierin beschrieben ist und des weiteren im Allgemeinen in dem US Patent Nr. 6,139,913 und dem Van Steenkiste et al. Artikel ("Kinetic Spray Coatings", veröffentlicht in Surface and Coatings Technology, Bd. III, Seiten 62–71, 10. Januar 1999), beschrieben ist.
Die Partikel können aus jeglichem elektrisch leitenden Partikel ausgewählt werden. Es wurde herausgefunden, dass es durch das Auftreffen der Partikel auf dem Substrat nicht mehr notwendig ist, die Partikel aus einem Material auszuwählen, das weicher ist als das Material, das für die Leiter ausgewählt wird. Während jegliche elektrisch leitenden Partikel, einschließlich Mischungen aus ihnen, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind leitende Partikel, die aus Zinn, Silber, Gold, Platin, oder einer Mischung aus diesen ausgewählt werden, bevorzugt. Zinn oder Mischungen mit Zinn werden am meisten bevorzugt. Partikel, die hierin verwendet werden, weisen einen Nenndurchmesser von etwa 25 Mikrometer bis etwa 106 Mikrometer und vorzugsweise etwa 45 Mikrometer bis etwa 90 Mikrometer auf.
Jedes eingebettete Partikel flacht aufgrund der kinetischen Auftreffkraft in eine knotenähnliche Struktur mit einem Geometrieverhältnis von etwa 5 zu 1 ab, wobei seine Höhe auf etwa ein Drittel seines ursprünglichen Durchmessers reduziert wird. Die Knoten, die aus den ursprünglichen Partikeln von etwa 45 bis etwa 90 Mikrometer gebildet werden, flachen auf eine Höhe von etwa 15 bis 30 Mikrometer ab.
Die Knoten definieren Erhöhungen für die Leitfähigkeit, wenn die Leiter gekoppelt werden, und die Abstände zwischen den Knoten definieren Vertiefungen für das Entfernen von Ablagerungen, die durch das Abschleifen oder "Reiben" erzeugt werden, das durch mehrfache Wiederverbindungen und Trennungen auftritt.
In 1 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild der Oberfläche eines elektrischen Kontakts der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Klumpen (oder Knoten) sind die Zinnpartikel und das Substrat ist Kupfer. Die ursprüngliche Partikelgröße betrug etwa 45 bis 65 Mikrometer.
Elektrische Kontakte der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung, die in dem US Patent Nr. 6,139,913 offenbart ist, hergestellt. Das verwendete Verfahren wird jedoch gegenüber diesem, das in dem Patent des Stands der Technik offenbart ist, modifiziert, um die unterbrochene Schicht von Partikeln, die in der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, zu erreichen. Die Betriebsparameter werden modifiziert, um eine Austrittsgeschwindigkeit der Partikel aus der Düse vom Laval-Typ von zwischen etwa 300 m/s (Meter pro Sekunde) bis zu weniger als etwa 1000 m/s zu erhalten. Das Substrat wird auch in Beziehung zu der Vorrichtung und/oder der Düse bewegt, um eine Bewegung entlang der Oberfläche des Substrats bei einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 1 m/s bis etwa 10 m/s, und vorzugsweise etwa 2 m/s vorzusehen, die nach Bedarf angepasst wird, um die unterbrochene Partikelschicht der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Die Partikelzuführrate kann auch angepasst werden, um die gewünschte Partikelanzahldichte zu erhalten. Die Temperatur des Gasstroms wird ebenfalls modifiziert, um in dem Bereich von etwa 100°C bis etwa 300°C zu liegen, wobei insbesondere für kinetisches Aufspritzen von Zinn auf Kupfer etwa 200°C die bevorzugte Betriebstemperatur ist.
Es wird von Fachleuten erkannt werden, dass die Temperatur des Gasstroms, abhängig von dem Partikel und dem Substrat beim kinetischen Aufspritzen, variieren wird, aber im Allgemeinen etwa 20% bis etwa 25% unterhalb des Schmelzpunkts des Partikels liegen wird. Da diese Temperaturen wesentlich niedriger sind als der Schmelzpunkt der ursprünglichen Partikel, gibt es selbst beim Auftreffen keine Änderung der festen Phase der ursprünglichen Partikel aufgrund von Übertragung kinetischer und thermischer Energie, und deshalb keine Änderung ihrer ursprünglichen physikalischen Eigenschaften.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der elektrische Kontakt einen Kontaktwiderstand von etwa 1 bis 2 Milliohm auf und umfasst erste und zweite Kopplungskupferleiter. Jeder dieser Kupferleiter umfasst des weiteren eine Vielzahl an beabstandeten Zinnpartikeln, die an einen vorausgewählten Ort und mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte auf die Oberfläche des Leiters kinetisch aufgespritzt werden. Die kinetisch aufgespritzten Partikel weisen einen ursprünglichen Partikelnenndurchmesser von etwa 75 Mikrometer auf und sind in der Oberfläche jedes Leiters eingebettet, wobei sie eine direkte metallische Bindung zwischen dem Zinn und dem Kupfer bilden. Die direkte Bindung wird gebildet, wenn das kinetisch aufgespritzte Partikel auf die Kupferoberfläche auftrifft und die oxidierte Oberflächenschicht bricht und anschließend eine direkte Metall-Metallbindung zwischen dem Zinnpartikel und dem Kupfersubstrat bildet. Jedes eingebettete Zinnpartikel weist eine knotenähnliche Gestalt mit einer Höhe von etwa 25 Mikrometer von der Oberfläche des Kupfersubstrats auf.
In dem bevorzugten Verfahren der Erfindung zum Herstellen von elektrischen Kontakten werden unter Verwendung der Vorrichtung, die in dem US Patent 6,139,913 offenbart ist, Zinnpartikel in einen gebündelten Luftstrom eingeführt, auf etwa 200°C vorgeheizt und durch eine Düse vom Laval-Typ beschleunigt, um eine Austrittsgeschwindigkeit von etwa 300 m/s (Meter pro Sekunde) bis weniger als etwa 1000 m/s zu erzeugen. Die zugemischten Partikel gewinnen während des Transfers kinetische und thermische Energie. Die Partikel werden durch die Düse beschleunigt, wenn die Oberfläche eines Kupfersubstrats beginnt, sich über die Vorrichtung und/oder die Düse mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 2 m/s an einem vorausgewählten Ort auf dem Substrat zu bewegen, der die Gestalt des Kupferleiters annähert, welcher aus dem Kupfersubstrat ausgestanzt werden soll. Während das Muster der Partikelablagerung zufällig ist, werden der Ort und die Partikelanzahldichte gesteuert. Beim Austreten aus der Düse werden die Partikel kontinuierlich auf das Kupfersubstrat gerichtet und treffen kontinuierlich auf dieses auf, wobei eine Vielzahl an beabstandeten elektrisch leitenden Partikeln gebildet wird. Beim Auftreffen der kinetisch aufgespritzten Partikel übertragen im Wesentlichen alle ihre kinetische und thermische Energie auf das Kupfersubstrat, wobei jegliche Oxidationsschicht auf der Oberfläche des Kupfersubstrats aufgebrochen wird, während die Zinnpartikel auf der Oberfläche gleichzeitig mechanisch verformt werden. Sofort nach dem Brechen werden die Partikel eingebettet und binden das Zinn mechanisch über eine metallische Bindung an das Kupfer. Die daraus resultierenden verformten Partikel weisen eine Knoten-ähnliche Gestalt mit einem Geometrieverhältnis von etwa 5 zu 1 auf.
In 2 und 3 sind Leistungsergebnisse eines elektrischen Kontakts, der gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde, und ein elektroplattierter Standardkontakt dargestellt. 2 zeigt den Kontaktwiderstand als eine Funktion von Reibungszyklen eines elektrischen Kontakts des Stands der Technik, der zwei Kupferleiter, die mit Zinn elektroplattiert sind, aufweist. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kontakt anfangs für die ersten 50 Zyklen einen Widerstand von weniger als etwa 1 Milliohm beibehielt, aber der Widerstand dann begann, sich zu erhöhen, um bei etwa 120 Zyklen etwa 10 Milliohm zu erreichen und bei etwa 1000 Zyklen über 100 Milliohm zu erreichen. 3 zeigt den Kontaktwiderstand als eine Funktion von Reibungszyklen eines elektrischen Zinn-Kupferkontakts, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wobei auf zwei Kupferleiter Zinnpartikel kinetisch aufgespritzt wurden. Das Ergebnis zeigt, dass der Kontakt anfangs für etwa 5000 Zyklen einen Widerstand von weniger als etwa 1 Milliohm beibehielt, bevor der Widerstand begann, sich zu erhöhen. Wie es durch 2 und 3 demonstriert wird, kann die vorliegende Erfindung verbesserte elektrische Kontakte erzielen, die über der Zeit einen niedrigen Widerstand beibehalten.
Die folgende Tabelle zeigt andere repräsentative Ergebnisse von elektrischen Kontakten, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt wurden. Ein Kontaktwiderstand wurde gemäß dem Industriestandard getestet. Die Punkte wurden zufällig ausgewählt und für jeden Punkt ist der Kontaktwiderstand gezeigt (NT = nicht getestet). Die angegebene Temperatur war die Temperatur des vorgeheizten Luftstroms.
Während die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, um es einem Fachmann möglich zu machen, die elektrischen Kontakte der vorliegenden Erfindung in die Praxis umzusetzen, muss verstanden werden, dass Variationen und Modifikationen angewandt werden können, ohne das Konzept und die Absicht der vorliegenden Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert sind, zu verlassen. Die vorhergehende Beschreibung soll exemplarisch sein und sollte nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken. Der Schutzumfang der Erfindung sollte nur anhand der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Elektrischer Kontakt, umfassend erste und zweite gekoppelte Leiter, wobei mindestens einer der Leiter eine Vielzahl an beabstandeten elektrisch leitenden Partikeln umfasst, wobei die Partikel in die Oberfläche von zumindest einem der Leiter an einem vorausgewählten Ort und mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte eingebettet sind, wobei jedes eingebettete Partikel eine direkte mechanische Bindung mit einem desoxidierten Teil von zumindest einem der Leiter bildet, und wobei des weiteren die Partikel durch ein Verfahren in die Oberfläche eingebettet werden, in dem die ursprünglichen Partikel beschleunigt werden und kontinuierlich an einem vorausgewählten Ort mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte auftreffen ohne jegliche Änderung der festen Phase des ursprünglichen Partikels aufgrund von einer Übertragung von kinetischer und thermischer Energie aufgrund des Auftreffens auf die Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt einen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 10 Milliohm aufweist und dadurch, dass jedes eingebettete Partikel eine knotenähnliche Gestalt mit einem Geometrieverhältnis von etwa 5 zu 1 aufweist und die Knoten Erhöhungen für die Leitfähigkeit definieren, wenn die Leiter gekoppelt werden, und die Abstände zwischen den Knoten Vertiefungen für das Entfernen von Ablagerungen, die durch Reiben durch aufeinanderfolgendes Koppeln von Leitern entstehen, definieren, wobei die Geschwindigkeit, auf die die Partikel beschleunigt werden, etwa 300 Meter pro Sekunde bis weniger als etwa 1000 Meter pro Sekunde beträgt, und dadurch, dass die Partikel optional auf eine Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt der ursprünglichen Partikel ist, erwärmt werden, und wobei zudem die ursprünglichen Partikel einen Durchmesser von etwa 25 bis etwa 106 Mikrometer aufweisen.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, wobei die Leiter aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Aluminium, Messing, rostfreiem Stahl und Wolfram besteht.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, wobei die ursprünglichen Partikel aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Zinn, Silber, Gold, Platin und einer Mischung aus diesen besteht.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 3, wobei die ursprünglichen Partikel aus Zinn oder Mischungen mit Zinn sind.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, der einen Kontaktwiderstand von weniger als etwa 2 Milliohm aufweist, wobei die Leiter aus Kupfer und die ursprünglichen Partikel aus Zinn sind.
Verfahren zum Einbetten einer Vielzahl an beabstandeten Partikeln in ein elektrisch leitendes Substrat in der Fertigung von elektrischen Kontakten, umfassend: a. Auswählen einer Zusammensetzung mit fester Phase, die im Wesentlichen aus elektrisch leitenden Partikeln besteht, die einen Partikeldurchmesser von etwa 25 bis etwa 106 Mikrometer aufweisen, b. Einführen der Zusammensetzung in einen gebündelten Gasstrom, der sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Meter pro Sekunde bis weniger als etwa 1000 Meter pro Sekunde bewegt und wahlweise auf eine Temperatur, die niedriger als die des Schmelzpunkts der Zusammensetzung ist, erwärmt wird, c. Zumischen der Zusammensetzung in den Gasstrom, wobei kinetische und thermische Energie auf die Partikel übertragen wird, d. Beschleunigen der Partikel durch eine Düse auf ein Substrat, während das Substrat im Verhältnis zu der Düse an einem vorausgewählten Ort des Substrats mit einer vorausgewählten Geschwindigkeit entlang der Oberfläche des Substrats bewegt wird, und e. durchgehendes Auftreffen der Partikel auf dem Substrat, um eine Vielzahl an beabstandeten Partikeln an dem vorausgewählten Ort mit einer vorausgewählten Partikelanzahldichte zu bilden, wobei die zugemischten Partikel durch das Auftreffen hinreichend kinetische Energie auf das Substrat übertragen, um nacheinander jede Oxidationsschicht auf dem Substrat aufzubrechen, und die Partikel in das Substrat einzubetten und mechanisch zu binden, wobei die Partikel eine knotenähnliche Gestalt mit einem Geometrieverhältnis von etwa 5 zu 1 aufweisen, und die Knoten Erhöhungen für die Leitfähigkeit defnieren, wenn die Leiter gekoppelt werden, und die Abstände zwischen den Knoten Vertiefungen zum Entfernen von Ablagerungen, die durch Reiben durch aufeinanderfolgendes Koppeln der Leiter entstehen, definieren, wobei die Partikel ihre ursprüngliche feste Phase beibehalten, bis sie in das Substrat eingebettet werden, und wobei das Bewegen des Substrats im Verhältnis zu der Düse an dem vorausgewählten Ort und mit der vorausgewählten Geschwindigkeit eine Vielzahl an beabstandeten Partikeln auf dem Substrat mit der vorausgewählten Partikelanzahldichte bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die elektrisch leitenden Partikel aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus Zinn, Silber, Gold, Platin oder Mischungen aus diesen besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das elektrisch leitende Substrat aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kupfer, Aluminium, Messing, rostfreiem Stahl und Wolfram besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der gebündelte Gasstrom auf eine Temperatur von etwa 100°C bis etwa 300°C vorgewärmt wird und die vorausgewählte Geschwindigkeit etwa 1 Meter pro Sekunde bis etwa 10 Meter pro Sekunde beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Temperatur etwa 200°C beträgt und die Partikel aus Zinn sind und das Substrat aus Kupfer ist.