FR2529022A1 - Procede de fabrication d'un organe de contact electrique, contact et connecteur electriques obtenus par ce procede et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FABRICATION D'ORGANES DE CONTACT ELECTRIQUES. CE PROCEDE EST CARACTERISE EN CE QUE L'ON DEPOSE, AU MOINS SUR LES ZONES DE CONTACT DE CET ORGANE SOUMISES A DES CONTRAINTES MECANIQUES, AU MOINS UNE COUCHE MINCE DE MATERIAU A HAUTE RESISTANCE A L'USURE, TELLE QUE PAR EXEMPLE DES BORURES, DES CARBURES, DES NITRURES OU DES OXYDES METALLIQUES. A TITRE D'EXEMPLE NON LIMITATIF, ON A REALISE DES CONNECTEURS SEMI-PERMANENTS, DONT LES ELEMENTS DE CONTACT SONT REVETUS D'UNE COUCHE DE NITRURE DE TITANE DEPOSEE PAR PULVERISATION CATHODIQUE.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN ORGANE DE CONTACT ELECTRIQUE,
CONTACT ET CONNECTEUR ELECTRIQUES OBTENUS PAR CE PROCEDE,
ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un organe de contact électrique, comportant un support métallique dont la surface est traitée pour résister à la corrosion.

Elle concerne également un contact électrique obtenu par ce procédé, ainsi qu'un connecteur électrique comportant au moins un contact électrique obtenu par ce procédé.

Elle concerne enfin un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé.

Jusqu'à ces dernières années, les techniques traditionnelles, utilisées pour la fabrication des éléments de contact électrique , se sont appli quéesârecouvrir les contacts d'une couche de métal précieux tel que par exemple l'or ou l'argent. Ces métaux, fortement électropositifs, ne se recouvrent pas d'oxyde susceptible de former, entre les surfaces de contact, des couches isolantes s'opposant au passage du courant. Certains types de connecteurs, par exemple les connecteurs de cartes imprimées, étaient à l'origine recouverts d'une couche d'or déposée par voie galvanique, dont l'épaisseur pouvait atteindre 5 à 10 ym, destinée à assurer une faible résistance de contact.Cette faible résistance de contact était due d'une part aux excellentes propriétés conductrices de la couche de métal noble, et d'autre part à sa résistance à l'oxydation et à la corrosion, empêchant la formation de couches superficielles électriquement mauvaises conductrices.

Toutefois, l'augmentation du prix des métaux précieux a amené petit à petit les constructeurs à diminuer l'épaisseur des couches d'or, qui n'atteint actuellement plus que des valeurs de l'ordre de 0,2 à 0,5)lm.

Pour résoudre les problèmes engendrés par la diminution de l'épaisseur de la couche superficielle de métal noble,onaproposé d'interposer, entre le support métallique et cette couche, une-sous-couche épaisse et nivelante de protection, notamment en nickel. Parallèlement, on a cherché à remplacer les Frotections des zones de contact par des dépôts de métaux dont les oxydes sont conducteurs comme l'étain et les alliages étain/ plomb.

Ces différents procédés de fabrication des éléments de contact électrique présentent cependant d'importants inconvénients. Les contacts électriques sont habituellement soumis à un ensemble de contraintes mécaniques, notamment des contraintes de frottement imposées soit par le mode de fonctionnement de l'élément de contact, soit par l!environnement mécanique et en particulier par les vibrations. Dans le cas des zones de contact à couche d'or, les phénomènes mécaniques de frottement en traient très rapidement l'élimination des faibles épaisseurs de métal précieux, et permettent une oxydation des sous-couches pouvant aller jusqu'à la rupture du contact électrique.Dans le cas des zones de contact revêtues par des dépôts de métaux mous tels que l'étain ou les alliages d'étain et de plomb, les frottements aboutissent très rapidement à une dégradation de la couche protectrice.

La présente invention se propose de pallier les inconvénients susmentionnés en développant un procédé de fabrication d'un organe de contact électrique, pour lequel les risques d'oxydation, résultant des phénomènes mécaniques de frottement, sont quasiment supprimés.

Dans ce but, le procédé de fabrication d'un organe de contact électrique selon l'invention est caractérisé en ce que l'on dépose, au moins sur les parties de cet organe soumises à des frottements mécaniques, au moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure.

Le contact électrique obtenu par ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte, au moins sur ses parties soumises à des frottements mécaniques, moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure.

Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déposer, au moins sur les parties des organes de contact électrique soumises à des frottements mécaniques, au moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure.

La démarche effectuée dans le cadre de la présente invention a consisté à considérer un contact électrique comme composé de deux surfaces métalliques conductrices séparées par une fine couche isolante, la valeur définissant le contact électrique ou la résistance de constriction étant fonction de la résistivité propre de l'isolant et de son épaisseur.

Cette approche a permis d'envisager de recouvrir les contacts électriques d'un matériau autre que ceux couramment utilisés à ce jour, à condition que la résistivité propre et l'épaisseur de ces matériaux permettent de maintenir la résistance de contact en-dessous d'une valeur prédéterminée et à condition que ces matériaux présentent des propriétés de résistance chimique et de résistance à l'usure intéressantes.

Parmi les composés métalliques à dureté très élevée et à haute résistance à l'usure, on connaît les borures, les carbures, les nitrures et les oxydes. Certains de ces composants ont des résistivités importantes, d'autres plus faibles, mais la plupart ont des propriétés tribologiques très élevées et des résistances à l'usure très supérieures à celles des matériaux traditionnels utilisés pour fabriquer les éléments de contact électriques. Pour ces raisons, l'une des caractéristiques du procédé selon l'invention consiste à choisir les matériaux à haute résistance à l'usure, destinés à former la couche mince dont est revêtu l'organe de contact électrique parmi les borures, les carbures, les nitrures et les oxydes métalliques.

Une des applications avantageuses de la présente invention consiste à réaliser un connecteur électrique, comprenant au moins un organe de contact comportant, sur au moins ses parties soumises à des frottements mécaniques, une couche d'un matériau à haute résistance à l'usure, et notamment d'un nitrure, par exemple, ou de tout autre métal approprié,idis- posée par exemple par pulvérisation cathodique.

Afin de respecter les conditions énoncées ci-dessus, la couche mince de matériau à haute résistance à l'usure a une épaisseur moyenne comprise entre 100 et 50'000 angströms, et de préférence une valeur au moins approximativement égale à 1'000 angstroms.

Le dépôt de ladite couche mince de matériau à haute résistance à l'usure peut se faire, à titre d'exemple non limitatif, par l'application de pro cédés classiques de pulvérisation cathodique, d'évaporation sous vide en milieu réactif ou non ou de dépôt galvanique suivi d'une réaction chimique de boruration, de carburation, de nitruration ou d'oxydation.

A cet effet, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déposer, au moins sur les parties des organes de contact électriques soumises à des frottements mécaniques, au moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure.

Ces moyens comportent, par exemple, une installation de pulvérisation cathodique ou une installation d'évaporation sous vide,
ou une installation de déposition galvanique couplée avec une installation susceptible d'effectuer une réaction chimique de bor4ra- tion, de carburation ou d'oxydation.

La présente invention, ainsi que ses caractéristiques essentielles, seront mieux comprises en référence à la description de quelques exemples non limitatifs illustrant le procédé, le produit issu de ce procédé et le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

Des essais de fabrication ont permis de réaliser des connecteurs semipermanents, dont les éléments de contact électriques sont revêtus de couches minces de nitrure de titane déposées par pulvérisation cathodique.

D'une manière générale, on appelle connecteur semi-permanent des connecteurs destinés àaccoupler ou à désaccoupler des circuits électriques qui ne sont pas sous tension ou pour lesquels la tension est suffisamment faible pour qu'il ne se produise pas d'arc électrique au moment de la rupture. Les connecteurs de ce type peuvent être soumis à des manipulations d'accouplement et de désaccouplement nombreuses ou à des vibrations, de sorte que les problèmes évoqués précédemment les concernent directement.

Les essais ont été effectués dans les conditions suivantes : la pulvérisation réactive s'est faite par un magnétron diode en radiofréquence à partir d'une cible en titane. La pression des gaz a été de 5 millitorrs, la composition de l'atmosphère a été de 40 Ó d'azote et 60 Ó d'argon, la puissance appliquée à la cible a été de 4 W/cm2, la vitesse de dépôt a été de 200 A/minute.

Des résultats satisfaisants ont été obtenus pour des temps de pulvérisation allant de deux à cinq minutes. Les résistances de contact mesurées sont inférieures à 15millishms. La résistance à l'usure par enfichage et désenfichage de ces connecteurs est largement supérieure à celle des connecteurs identiques de fabrication traditionnelle. Les efforts d'enfichage et de désenfichage restent pratiquement constants. Des essais ont démontré que le connecteur supporte sans dommages les vibrations prolongées, sans que l'on ne remarque les effets de corrosion habituels des connecteurs réalisés au moyen des techniques antérieures.

Des résultats similaires sont obtenus lorsqu'on remplace le nitrure de titane par du nitrure de chrome. Les conditions expérimentales sont les suivantes : on effectue une pulvérisation réactive en triode Dc; la pression des gaz, dans l'enceinte de traitement, est de 10 millitorrs; l'atmosphère dans l'enceinte se compose de 50 Ó d'azote et de 50 Ó d'argon; la cible est en chrome; la puissance sur la cible est de 4 W/cm2; la tension à l'anode est de 160 W; la distance entre la cible et le substrat traité est de 7 cm.

D'autres essais ont été effectués sur des éléments de contact du type glissant, tels que par exemple les contacts d'un potentiomètre. Certains de ces contacts ont été revêtus d'une couche de nitrure de titane et d'autres d'une couche de nitrure de chrome, et d'autres encore d'une couche de nitrure d'aluminium . La résistance à l'usure des surfaces ainsi protégées est considérablement améliorée, sans pour autant que les caractéristiques du potentiomètre soient modifiées. L'absence de déchets provoqués par l'usure mécanique des contacts a pour effet de supprimer les irrégularités de fonctionnement dues aux variations de résistances de contact et les crachements qui en résultent.

Enfin, d'autres essais similaires ont été effectués sur des contacts battants et des contacts frottants, qui sont respectivement des contacts électriques pour lesquels les deux surfaces de contact s'écartent alors que les circuits correspondants sont sous tension, et-des contacts électriques pour lesquels les surfaces de contact se déplacent tangentiellement l'une par rapport à l'autre. L'épaisseur et la nature du dépôt sont choisies en fonction de la protection contre l'usure et la corro sion à assurer, ainsi que de la résistance de contact à obtenir.

Dans tous les cas, les résultats ont été supérieurs à ceux que l'on obtient avec les méthodes traditionnelles. Grâce au revêtement des surfaces de contact par une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure, la résistance de contact reste sensiblement inchangée, même après un nombre très important de manipulations.

Claims (10)

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un organe de contact électrique comportant un support métallique, dont la surface est traitée pour résister à la corrosion, caractérisé en ce que l'on dépose, au moins sur les zones de contact soumises à des frottements mécaniques, au moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matériaux à haute résistance à l'usure sont choisis parmi les borures, les carbures, les nitrures et les oxydes métalliques.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche mince de matériau à haute résistance à l'usure a une épaisseur moyenne comprise entre 100 et 50'000 angströms, et a de préférence une valeur au moins approximativement égale à l'OûO angströms.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la couche mince de matériau à haute résistance à l'usure s'effectue par : pulvérisation cathodique, évaporation sous vide en milieu réactif ou non, dépôt galvanique d'un métal suivi d'une réaction chimique de boruration, de carburation, de nitruration ou d'oxydation.

5. Contact électrique obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un support métallique dont la surface est traitée pour résister à la corrosion, caractérisé en ce qu'il comporte, au moins sur ses zones de contact soumises à des frottement mécaniques, au moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure. '

6. Connecteur électrique comportant au moins un contact électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les zones de ce contact électrique, soumises à des frottements mécaniques, sont revêtues d'une couche mince de nitrure, de borure ou d'oxyde métallique.

7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déposer, au moins sur les zones de contact des organes de contact électri que soumises à des frottements mécaniques, au moins une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure.

8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépôt de la couche mince de matériau à haute résistance à l'usure comportent une installation de pulvérisation cathodique.

9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépôt de la couche mince de matériau à haute résistance à l'usure comportent une installation d'évaporation sous vide en atmosphère contrôlée.

10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de dépôt d'une couche mince de matériau à haute résistance à l'usure comportent une installation de déposition galvanique et une installation pour effectuer une réaction chimique de boruration, de carburation, de nitruration ou d'oxydation sur le dépôt galvanique.