JP2006527305A - 電気接点用の接点表面および形成方法 - Google Patents

Abstract

電気接点のための接点表面を形成する方法が紹介され，その場合に銅ベースの基板上に金属が電気化学的方法で析出される。上記金属は，上記金属から容易に溶かし出すことのできるスペースホルダ材料と共に上記基板上に析出され，次に，上記スペースホルダ材料が上記金属層から溶かし出されて，残った多孔質の金属泡に潤滑剤が含浸される。

Description

本発明は，独立請求項の上位概念に記載された，電気接点用の改良された接点表面とそれを形成する方法に関する。

ブッシュ，接点およびブレード（ピン）を有する電気的な差込みコネクタにおいては，典型的に，良好な導電性をもたらす銅ベースの合金からなる基板が使用される。電気的コネクタが，たとえば自動車のボンネットの下などのように運転中に高温となる場所にさらされる場合には，基板は高い剛性と高い応力緩和抵抗とを有する銅ベースの合金から形成される。

差込み力，摩耗，酸化を減少させ，電気的機能を保証し，温度が高くなった場合に生じる銅ベースの基板の変色を減少させ，かつ半田付けを改良するために，しばしば基板上にカバー層が塗布される。典型的なカバー層は，銀，金，ニッケル，パラジウム／ニッケル合金，スズまたはスズ合金からなる。コストを最小限に抑えるために，スズが使用されることが多く，その場合に大体において，数μｍの領域の厚みを有する，溶融スズめっきされた，あるいは電気化学的に析出された層である。この場合に，スズは，その伸度およびその良好な導電性を特徴としている。このスズカバー層の欠点は，摩擦腐食が生じやすいこと，可塑変形，粘着傾向およびわずかな摩耗抵抗にある。

通常，基板は，たとえば，ＣｕＳｎブロンズ，ＣｕＮｉＳｉ等の，しばしば電気的な差込み接触のための基礎材料として用いられる銅ベース合金からなる。温度が上昇した場合に，銅が基板から拡散して，Ｃｕ_６Ｓｎ_５とＣｕ_３Ｓｎのような金属間化合物を形成しながら，スズと合体する可能性がある。この金属間化合物の形成が，表面の未反応なあるいは遊離したスズの量を減少させる。これが，電気的特徴，腐食特徴および他の性能特徴を悪化させる。

サーモスズとして，熱沈殿により生じる「スズ層」が知られており，それは１００％金属間相からなる。さらに，しばしば，ニッケル下地を有するＡｕＣｏ合金や，部分的に銅下地またはニッケル下地を有するＡｇ表面が使用される。

しかし，サーモスズは，これまですべての試験条件（たとえば化学的テストまたは研磨負荷）の元で，成功した解決策として明らかになることはなく，従って無視できるほど小さい市場割合しか持たない。

さらに，スズ合金は，その小さな硬度や小さい摩耗抵抗のために，頻繁な差込みまたは車両やエンジンに起因する振動によって，酸化が促進され（摩擦腐食），摩耗する傾向があることが知られている。この摩耗や摩擦腐食は，コンポーネント（センサ，制御装置，電気的コンポーネント一般）の故障をもたらす可能性がある。

さらに，差込み力は，高い粘着傾向と可塑変形に基づいて，多くの使用状況において極めて高くなる。特にスズと銀とがベースの表面は，粘着により冷間溶接する傾向があり，セルフペアリングにおいて高い摩擦係数を特徴としている（摩擦係数μ≒１）。

従来の銀層または金層においても，粘着性の悪さにより層の摩耗や層の剥離が生じた場合に，基礎材料または中間層（しばしばＣｕまたはＮｉ）の酸化摩耗プロセスをもたらす可能性がある。

廃車指針ＥＧ２０００／５３に基づいて，鉛を含むスズ層を使用することは，禁止されている。鉛は，電気化学的な表面コーティングにおけるウィスカー形成（ウィスカーは，極細な毛髪状の結晶である）を阻止するので，電気化学的な純スズの場合にはウィスカー成長を促進し，そのために短絡をもたらす可能性がある。

ＵＳ−Ａ−５９１６６９５は，銅ベースの基板を有する電気接点を開示しており，その基板はスズベースのカバー層を備えている。基板からカバー層への銅の拡散とそれに結びついた金属間層の形成を阻止するために，基板とカバー層との間に遮断層が塗布される。この遮断層は，２０から４０重量％のニッケルを含んでおり，好ましくは主として銅（Ｃｕベース）からなる。スズベースのカバー層は，特に，潤滑剤として，ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＣ，グラファイトまたはＭｏＳ_２のような添加物を有することができる。

発明の利点

従来技術に比較して，本発明に基づく接点表面は，さらに良い接点において，より低い差込み力しか必要としないという利点を有している。

さらに，含まれる潤滑剤内の酸化防止剤の含有によって，腐食に対して表面を保護することができる。

他の利点は，潤滑剤が接点の寿命全体にわたって提供され，トライボロジープロセスにおいて遊離できることにある。

本発明の好ましい展開が，従属請求項に挙げられた特徴から明らかにされる。

すなわち，たとえば，付加的に基板上に拡散バリア層が析出されると効果的である。

本発明の実施例を図面に示し，以下で詳細に説明する。唯一の図は，本発明に基づく接点表面の構造を概略的に示している。

本発明の核心は，接触の良さはそのままにして，より低い差込み力しか必要とせず，電気接点の寿命全体にわたって良好な摩擦耐性が達成されることが可能な，電気接点に用いられる銅ベースの基板上に設けられるカバー層の構造である。

図に示すように，まず電気接点の上，すなわち銅ベースの基板１０の上に，電気化学的方法，たとえばバンド設備内の高速析出によって，接触表面１２が形成される。そのためにまず，金属，たとえばスズ，銀または銅が，後の時点で再び金属から容易に溶かし出すことのできる他の物質（以下においては「スペースホルダ材料」と称する）と共に，所望の層厚が達成されるまで析出される。それぞれのアプリケーション，経済的な考慮，および選択されたプロセスに従って，層厚は一般に約０．５μｍと約１０μｍの間にある。スペースホルダ材料は，たとえばポリスチロール球とすることができる。

しかしまた，熱的に良好に分解ないし溶解することのできる，ラテックス球あるいは他のプラスチックも考えられる。ポリウレタン，卑金属，硫黄，リン，硫黄化合物，リン化合物，サイザル，とうもろこし澱粉なども，使用することができる。

物質の溶かし出しは，熱処理および／または，たとえばポリスチロール球をトルエンに溶かすような溶剤処理を用いて行うことができる。熱処理は，容易に分解され気体へと移行する物質の場合に適しており，たとえば，トルエン，アセトン，精製ベンジン，アルコールなどによる溶剤処理は，たとえば熱負荷がかかった場合に，除去が困難な溶融金属が形成される場合，あるいはまたプロセス技術的に容易，迅速または安価に行うことができる場合に効果的である。溶かし出した後には，金属によって形成された高度に多孔質の骨組，いわゆる金属泡１４が残される。その場合に孔は，層全体にわたって形成される。この場合に，孔のパーセント割合が約２０％から約５０％の範囲内になるように，注意しなければならない。そのようにしないと，潤滑剤の浸透が保証されないからである。機械的な安定性に関する問題が発生した場合には，層が機械的にも安定となるように，孔の割合が調整される。

第２のステップにおいて，この金属泡に潤滑剤が含浸される。この潤滑剤は，たとえばグラファイト，ＭｏＳ_２などのような固体潤滑剤でもよく，たとえばオイルまたは溶剤内に溶解された脂肪のような，液体潤滑剤でもよい。

金属泡１４の小さい孔１６（平均の孔の大きさは，０．１〜５μｍの範囲）に基づく極めて大きな毛細管作用によって，潤滑剤が孔１６内へ吸い込まれて，そこにしっかりと留められる。また，固体潤滑剤を溶剤に溶かして，その後染み込ませることも可能である。このようにして，金属泡が，潤滑剤のための支持容積を形成する。従って潤滑剤は，摩耗領域から追い出されることはなく，接点の寿命全体にわたって提供される。

析出される金属は，たとえば，銅，たとえばＢｅなどの金属との銅合金，スズ，Ｓｎ合金，特にＳｎ−Ａｇ，Ａｇ，Ａｇ合金，Ａｕ，およびＡｕ合金とすることができる。その場合にこれらの金属は，Ｎｉ下地のような拡散バリア付きもしくは拡散バリアなしで，かつ，たとえばＡｕ，Ｐｔ，ＲｕあるいはＰｄのような貴金属からなるフラッシュ付きもしくははなしで（好ましくは銅合金上で）析出させることができる。

析出された層の層厚は，一般に，それぞれ適用に応じて，約０．５〜１０μｍの間にある。

約０．１〜５μｍの平均的な孔の大きさにおいて，孔の外形は，球もしくは多面体にすることができる。平均的な孔の大きさは，使用されるスペースホルダ材料の大きさの分布と層厚とに依存し，その場合に，孔の大きさ≦層厚の関係が成立する。孔の外形が球か，もしくは多面体であるかは，使用されるスペースホルダ材料の形態に依存する。その場合に孔の割合は，形成される層の１〜８０体積％の間の値である。

本発明に基づく接点表面は，用いられている潤滑剤に基づき，より小さい差込み力を可能にし，その潤滑剤は好ましくはオイルまたは脂肪であり，あるいはグラファイト，ＭｏＳ_２などの形状の固体潤滑剤であってもよい。（固体）潤滑剤の電気的導通性に基づいて，良好な接触が保証される。潤滑剤内に含まれる酸化防止剤が，表面を腐食から保護し，高い摩耗耐性と高い差込みサイクル数が得られる。本発明に基づく接触面の大きな利点は，多孔性の金属泡が潤滑剤のための支持容積を提供する，という事実において裏付けられている。従って，潤滑剤は摩耗ハブから追い出されることはなく，接点の寿命全体にわたって提供される。

本発明に基づく方法の例として，約１μｍの直径を有する１０ｇ／ｌのポリスチロール球がＡｇと共に電気化学的に析出される。その場合にＡｇ層内へのポリスチロール球の組込みが行われる。続いて，この球がトルエンによって再び溶かし出される。

本発明に基づく接触表面の構造を概略的に示している。

Claims (14)

1. 銅ベースの基板上に電気化学的方法により金属を析出させる，電気接点のための触媒表面を形成する方法であって，
   前記金属が，前記金属から容易に溶かし出すことのできるスペースホルダ材料と共に前記基板上に析出され，
   続いて，前記スペースホルダ材料が前記金属の層から溶かし出され，残った多孔質の金属泡に潤滑剤が含浸されることを特徴とする，電気接点のための接点触表面を形成する方法。
2. 前記金属は，Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ｓｎ，Ｓｎ合金，Ａｇ，Ａｇ合金，Ａｕ，およびＡｕ合金からなる群より選択されることを特徴とする，請求項１に記載の方法。
3. 付加的に，前記基板上に拡散バリア層が析出されることを特徴とする，請求項１または２に記載の方法。
4. 付加的に，貴金属からなるフラッシュが，前記金属，特にＣｕ合金上に析出されることを特徴とする，請求項１または２に記載の方法。
5. 前記スペースホルダ材料は，プラスチック球，ポリエチレン，卑金属，硫黄，リン，硫黄合金，リン合金，サイザル，トウモロコシ澱粉などからなる群より選択される材料であることを特徴とする，請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記スペースホルダ材料は，ポリスチロール球またはラテックス球からなることを特徴とする，請求項５に記載の方法。
7. 析出される前記金属の層の厚さは，０．５〜１０μｍの領域にあることを特徴とする，請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記金属泡の平均的な孔の大きさは，０．１〜５μｍの領域にあることを特徴とする，請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記金属泡の孔の割合が，層の１〜２５体積パーセントの領域にあることを特徴とする，請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記潤滑剤は，グラファイト，ＭｏＳ_２，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），オイルおよび脂肪からなる群より選択されることを特徴とする，請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記スペースホルダ材料の取出しは，熱処理および／または溶剤処理によって行われることを特徴とする，請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 銅ベースの基板と，その上に配置されている多孔質の金属層からなる，複合材料。
13. 前記孔が潤滑剤を含んでいることを特徴とする，請求項１２に記載の複合材料。
14. 電気接点のための接触層としての，請求項１２または１３に記載の複合材料の使用。
    

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