EP0788124A2

EP0788124A2 - Elektrisches Schichtkontaktelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP0788124A2
Application number: EP96111280A
Authority: EP
Inventors: Marc De Vogelaere; Günther Henning; Ursula Michelsen-Mohammadein; Josef Dr. Weiser
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1996-07-12
Publication date: 1997-08-06
Also published as: EP0788124A3; JPH09120730A; DE19530512C1; US5846655A

Abstract

Auf einem Basismetall, vorzugsweise in Form einer Drahtes, werden galvanisch eine erste Schicht (2) aus einem Silber-Metalloxid in einer Dicke von 20 bis 70 µm, danach eine zweite Schicht (3) aus Gold oder einer Goldlegierung in einer Dicke von 1 bis 3 µm und schließlich eine dritte Schicht (4) aus Rhodium oder Ruthenium in einer Schichtdicke von weniger als 1 µm erzeugt. Durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300° und 900° C wird die Goldlegierung teilweise in die Silber-Metalloxid-Schicht hineindiffundiert.
Auf diese Weise erhält man eine niederohmige und abbrandfeste Kontaktbeschichtung, vorzugsweise für die Anwendung in Schwachstromrelais.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schichtkontaktelement mit einem Basismetall, auf dem aufeinanderfolgend eine aus einem silberhaltigen Material bestehende erste Schicht und eine galvanisch aus Gold oder einer Goldlegierung erzeugte zweite Schicht liegen, wobei die zweite Schicht zumindest teilweise in die erste Schicht diffundiert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kontaktelementes.
Grundsätzlich ist eine derartige Schichtfolge von Silberlegierung und Goldlegierung bekannt. Beispielsweise ist in der EP 160 290 A2 ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes beschrieben, bei dem eine Kontaktschicht aus Silber oder einer Silberlegierung bzw. aus Palladium oder einer Palladiumlegierung galvanisch mit einer Goldschicht als Korrosionsschutz belegt und danach getempert wird. Die Goldschicht ist mit einer Dicke von weniger als 1 µm relativ gering; außerdem sind die dortigen Schichten für verschiedene Anwendungszwecke nicht ausreichend abbrandfest. Soweit Palladium verwendet wird, sind auch die Kosten für den Kontakt relativ hoch.
In der DE 43 17 950 A1 ist weiterhin ein Kontaktprofil mit einer Palladiumlegierung und einer darüber liegenden Goldlegierung beschrieben. Auch hierfür gilt, daß reine Palladiumschichten aus Kostengrunden vermieden werden sollten und daß die bekannten Legierungen mit Palladium die gewunschte Abbrandfestigkeit nicht erreichen. Überdies konnte Palladium wegen seiner guten Katalysatoreigenschaften die Polymerisation von Kunststoffdämpfen im Kontaktbereich begünstigen und dadurch die unerwünschte Bildung von Isolationsschichten auf den Kontaktoberflächen fördern ("Brown-Powder"-Effekt).
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schichtkontakt für Relais oder ähnliche Schaltgeräte zu schaffen, der eine hohe Abbrandfestigkeit aufweist und der eine kostengünstige und umweltfreundliche Herstellung und Entsorgung ermöglicht.
Mit einem Schichtkontaktelement der eingangs genannten Art wird dieses Ziel erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die erste Schicht eine galvanisch erzeugte Silber-Metalloxid-Schicht mit einem Anteil des Metalloxids von 2 bis 16 Gew.% und einer Schichtdicke von 20 bis 70 µm ist.
Durch die galvanische Herstellung der Silber-Metalloxid-Schicht erhält diese im Unterschied zu den herkömmlichen, pulvermetallurgisch hergestellten Silber-Dispersionsschichten eine Stengelstruktur, die dem Kontakt eine hohe Abbrandfestigkeit verleiht. Durch die an sich bekannte Diffusion der Goldlegierung in die Silber-Dispersionsschicht wird der Werkstoff in die Tiefe niederohmig gemacht.
Die Goldlegierungsschicht besitzt in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Schichtdicke von 1 bis 3 µm vorzugsweise von etwa 2 µm. Außerdem wird vorzugsweise auf der Goldlegierungsschicht eine Deckschicht aus Rhodium oder Ruthenium erzeugt, deren Schichtdicke weniger als 1 µm vorzugsweise etwa 0,1 µm, beträgt. Mit dieser Deckschicht wird beim Schalten geringer Ströme das Kontaktkleben verhindert. Als Dispersanten kommen verschiedene Metalloxide, beispielsweise Zinnoxid, Titanoxid oder Eisenoxid, in Betracht. Auch andere Metalle konnten grundsätzlich verwendet werden, beispielsweise Cadmiumoxid, das aber wegen seiner Giftigkeit weniger erwünscht ist.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schichtkontaktelementes besteht darin, daß auf ein Basismetall zunächst eine erste Schicht von 20 bis 70 µm Dicke aus Silber-Metalloxid, danach eine zweite Schicht von 1 bis 3 µm Dicke aus Gold oder einer Goldlegierung und schließlich eine dritte Schicht von weniger als 1 µm aus Rhodium oder Ruthenium erzeugt werden, wobei alle Schichten galvanisch hergestellt werden, und daß dann die Kontaktschichten einer Warmebehandlung bei einer Temperatur von 300 bis 900° C, vorzugsweise von 350° bis 550° C, unterzogen werden.
In der einzigen Figur ist der erfindungsgemäße Schichtaufbau skizziert, wobei das Verhaltnis der Schichtdicken in der Zeichnung nicht ganz der Wirklichkeit entspricht.
Auf einem Träger 1, der beispielsweise ein Nickel-Draht von etwa 0,4 mm Breite sein kann, wird galvanisch eine Silber-Dispersionsschicht 2 von 20 bis 70 µm Dicke aufgebracht. Dabei werden in die Silbermatrix 2 bis 12 Gew.% Dispersanten, z. B. Zinnoxid oder Eisenoxid, eingebaut, um eine abbrandfeste Schicht zu erhalten. Über der Silber-Dispersionsschicht wird eine Gold-Legierungsschicht 3, beispielsweise AuAg8, AuCo 0,4 oder reines Au, ebenfalls galvanisch aufgebracht; darüber wird schließlich mit der gleichen Methode eine Deckschicht 4 aus Ruthenium oder Rhodium als Schutz gegen das Kontaktkleben erzeugt.
Der gesamte Schichtkontakt wird schließlich einer Temperaturbehandlung unterzogen, wodurch ein Teil des Goldes bzw. der Goldlegierung 3, wie mit den Pfeilen 5 angedeutet, in die Silber-Dispersionsschicht diffundiert. Auf diese Weise wird diese Dispersionsschicht in die Tiefe niederohmig. Die Dauer der Wärmeeinwirkung kann im Einzelfall auch unter Berücksichtigung der Schichtdicken optimiert werden. Bei Temperaturen zwischen 300° C und 900° C ist eine Einwirkdauer zwischen einer Minute und fünf Stunden möglich, wobei bei höheren Temperaturen eine kürzere Einwirkdauer in Betracht kommt.
Auf die beschriebene Weise erhält man für Anwendungen in Schwachstromrelais eine reproduzierbare niederohmige, abbrandfeste und gegen das Kaltverschweißen beständige Kontaktbeschichtung. Wie erwähnt, wird diese Beschichtung vorzugsweise auf einem Draht erzeugt, der als Halbzeug ein Kontaktprofil darstellt. Für die einzelnen Relaiskontakte werden dann von dem Draht die einzelnen Kontaktstücke abgetrennt und auf den Kontaktträger, beispielsweise einen Blechstreifen aus einer Kupferlegierung, aufgeschweißt.

Claims

Elektrisches Schichtkontaktelement mit einem Basismetall (1), auf dem aufeinanderfolgend eine aus einem silberhaltigen Material bestehende erste Schicht (2) und eine galvanisch aus Gold oder einer Goldlegierung erzeugte zweite Schicht (3) liegen, wobei die zweite Schicht zumindest teilweise in die erste Schicht diffundiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (2) eine galvanisch erzeugte Silber-Metalloxid-Schicht mit einem Anteil des Metalloxids von 2 bis 12 Gew.% und einer Schichtdicke von 20 bis 70 µm ist.
Schichtkontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, aus Gold oder einer Goldlegierung bestehende Schicht (3) eine Schichtdicke von 1 bis 3 µm vorzugsweise etwa 2 µm, besitzt.
Schichtkontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Schicht (3) eine Deckschicht (4) aus Rhodium oder Ruthenium mit einer Schichtdicke von weniger als 1 µm, vorzugsweise etwa 0,1 µm, liegt.
Schichtkontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Silbermatrix der ersten Schicht (2) Zinnoxid als Dispersant enthalten ist.
Schichtkontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Silbermatrix der ersten Schicht (2) Eisenoxid als Dispersant enthalten ist.
Schichtkontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form eines beschichteten Drahtes (1) als Halbzeug für Schweißkontakte gestaltet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Schichtkontaktelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Basismetall (1) zunächst eine erste Schicht (2) von 20 bis 70 µm Dicke aus Silber-Metalloxid, danach eine zweite Schicht (3) von 1 bis 3 µm Dicke aus Gold oder einer Goldlegierung und schließlich eine dritte Schicht (4) von weniger als 1 µm Dicke aus Rhodium oder Ruthenium erzeugt werden, wobei alle Schichten galvanisch hergestellt werden, und daß dann die Kontaktschichten einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300° und 900° C unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 350° und 550° C erfolgt.