JP3032020B2 - 電気接点の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車や産業機器な
どの電気配線用端子、リレー、スイッチ等の電気接点の
製造方法に関し、特に長期間の使用において経時変化が
問題になる電気接点および使用環境温度の上昇が予想さ
れる分野で用いられる電気接点の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】電気
接点は、接触抵抗が低いこと、溶融温度が高いこと、耐
溶着性がよいこと等の種々の特性を備えなければならな
い。また、長期間使用されるものや使用温度が上昇され
るもの、あるいは高信頼性が要求されるものは、耐食
性、耐摩耗性および耐熱性等に優れていなければならな
い。電気接点は、使用環境および電流容量に応じて、こ
れらの特性の中で重要な特性を満足させるため、様々な
材料によって製造される。これらの材料は、用途に応じ
て使い分けられる。

【０００３】 従来、自動車および産業機器等に用いら
れる端子金具には、黄銅、燐青銅等のような銅合金、場
合によってはステンレス鋼の電気接点ならびに銅合金ま
たは銅等の表面に、ＳｎまたはＮｉ等をメッキした電気
接点が用いられてきた。また、瞬断等が問題となり、微
弱電流が流れるコンピュータ制御回路などには、母材に
Ａｕメッキ加工が施されることにより電気接点が形成さ
れている。

【０００４】銅合金の電気接点は、比較的安価に製造す
ることができる。しかし、銅合金は耐酸化性に劣るた
め、長期間使用により酸化されて接触抵抗が高くなるた
め、耐酸化性を向上させる必要があった。

【０００５】銅および銅合金等の表面に、ＳｎまたはＮ
ｉなどをメッキした電気接点は、耐酸化性が銅合金のも
のより向上させられているが、接触抵抗値が相対的に高
く、化学薬品等に対する耐食性も劣るため、これらの特
性を高める必要がある。

【０００６】一方、Ａｕメッキが施された電気接点は、
耐酸化性および耐食性に優れ、接触抵抗も室温では低く
安定している。しかし、純Ａｕメッキは９０℃以上の温
度に置かれると、粘着性および凝着性が高くなるので、
接触される他方の導体によって摩耗されやすくなる。ま
た、不純物によって硬質化されたＡｕメッキの場合で
も、１００℃程度で不純物が粒界から表面に析出して接
触抵抗を増大させる。このように、Ａｕメッキ接点は耐
熱性に関して劣っている。さらに、Ａｕメッキ接点の製
造はコストが高くつく。

【０００７】このような背景から、電気接点に優れた耐
酸化性、耐食性および耐熱性を付与することができる接
点材料を選択し、比較的安価に高信頼性の電気接点を製
造する必要が生じてきた。

【０００８】本発明者らは、上記特性を付与する材料と
して導電性セラミックスを見出し、これを母材上に薄膜
として形成する方法を検討してきた。薄膜を形成する方
法には、スパッタリング、真空蒸着、イオンプテーティ
ングおよびＣＶＤ等、従来の気相薄膜形成法を利用する
ことが考えられた。しかしながら、導電性セラミックス
の薄膜を、高信頼性を有する電気接点として最適なもの
にするための製造方法を見出すことは容易ではなかっ
た。得られた電気接点の接触抵抗値を低く抑え、かつ薄
膜と母材金属との密着性を優れたものとすることが、電
気接点の製造に際し要求された。セラミックスの硬度
は、母材金属に比べ極端に高い（１０００〜３０００Ｈ
ｖ）ため、薄膜に物理的な衝撃が加えられたり、薄膜が
形成された母材が変形を受けたりした場合、薄膜にクラ
ックが生じたり、薄膜が剥離させられるおそれがあっ
た。したがって、クラックおよび剥離を防止するため
に、特にセラミックス薄膜と母材金属との密着性を向上
させることが必要であった。

【０００９】この発明の目的は、電気接点に優れた耐酸
化性、耐食性および耐熱性を付与することができる材料
として導電性セラミックスを使用し、かつ導電性セラミ
ックスと母材との密着性が優れた高信頼性を有する電気
接点を製造することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、１対の導体
の少なくとも一方の導体に電気接点を形成するための電
気接点の製造方法であって、減圧状態にされた第１の反
応室内で導体の表面をスパッタエッチングする工程と、
第１の反応室に連通孔を介してつながり、かつ第１の反
応室より気圧の低い状態にされた第２の反応室へ、スパ
ッタエッチングされた導体を第１の反応室から連通孔を
通して移動させる工程と、第２の反応室内において、ス
パッタエッチングされた導体の表面に、気相薄膜形成法
により高融点金属または高融点金属の合金からなる金属
層を形成する工程と、第２の反応室と連通孔を介してつ
ながり、かつ第２の反応室より気圧の低い状態にされた
第３の反応室へ、金属層が形成された導体を第２の反応
室から連通孔を通して移動させる工程と、第３の反応室
において、高融点金属の窒化物、炭化物および硼化物か
らなる群から選択された少なくとも１種の材料からなる
セラミックス層を金属層に連続して形成する工程とを備
えている。

【００１１】この明細書中の「高融点金属」は、半導体
プロセスの分野等で呼ばれている高融点金属と同等のも
のを指し、融点が多結晶Ｓｉと同等またはそれ以上の金
属を多く含む。高融点金属は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ
およびＲｈを含んでいる。この発明の一態様として、こ
れらの金属の中よりＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗおよび
Ｍｏからなる群を抽出し、この群から少なくとも１種の
金属を用いることにより、この発明の目的をより容易に
達成することができる。

【００１２】この発明に従うセラミックス層は、導体上
に形成された金属層を窒化、炭化または硼化することに
より形成することができる。また、上記セラミックス層
は、高融点金属の窒化物、炭化物および硼化物からなる
群から選択された少なくとも１種の材料を、気相薄膜形
成法により上記金属層の表面に堆積することによって形
成することもできる。金属層を形成する高融点金属は、
セラミックス層を形成する高融点金属と必ずしも同一で
ある必要はないが、同一であることがより好ましい。

【００１３】この発明に従う気相薄膜形成法には、たと
えば、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティン
グおよびＣＶＤが含まれる。また、気相薄膜形成法とし
て、より好ましくはスパッタリングを用いることができ
る。

【００１４】

【作用】この発明に従って、減圧状態にされた第１の反
応室内で、導体の表面をスパッタエッチングすることに
より、導体表面の自然酸化膜が除去される。この除去工
程によって、その後導体表面に金属層を形成するに際
し、金属が導体に拡散しやすくなるとともに、導体から
の金属中への拡散も起こりやすくなる。このように拡散
が促進される結果、金属層が導体上に密着する中間層が
形成されやすくなる。

【００１５】第１の反応室と金属層を形成するための第
２の反応室は、連通孔によってつながっており、しかも
第２の反応室は第１の反応室よりも気圧の低い状態にさ
れている。この連通孔を通して、スパッタエッチングさ
れた導体を第１の反応室から第２の反応室へ移動させる
ことにより、導体の表面を再び酸化させることなく、金
属層を形成する工程に導体を供することができる。

【００１６】次に減圧状態にされた第２の反応室内にお
いて、スパッタエッチングされた導体の表面に、気相薄
膜形成法により高融点金属またはその合金からなる金属
層が形成される。なお、第２の反応室は第１の反応室よ
り気圧が低いので、第２の反応室内で金属層のために形
成された原子または分子は、第１の反応室へ拡散してい
くことがない。

【００１７】金属層形成後、導体は第２の反応室から第
３の反応室へ移動させられる。第３の反応室は第２の反
応室と連通孔によりつながっており、しかも第２の反応
室よりも気圧が低い状態にされている。この連通孔を通
して、金属層が形成された導体は、減圧状態のまま第３
の反応室へ移動させられ、金属層が酸化されることな
く、セラミックス層形成工程へと移される。

【００１８】第３の反応室では、金属層に連続して高融
点金属の窒化物、炭化物および硼化物からなる群から選
択された少なくとも１種の材料からなるセラミックス層
が形成される。第３の反応室は第２の反応室よりも気圧
が低いため、セラミックス層を形成させる反応性ガスの
第２の反応室への進入は食止められる。したがって、、
第２の反応室での金属層形成が反応性ガスによって妨げ
られることはない。さらに、金属層とセラミックス層を
形成する高融点金属を同一にすれば（たとえば、Ｔｉと
ＴｉＮ、ＴａとＴａＣ等の組合わせ）、第３の反応室の
気圧を第２の反応室の気圧より低くすることによって、
第２の反応室内の金属粒子が第３の反応室へと移行し、
セラミックス層について高融点金属の含有率がより高い
ものから、反応ガス成分がより高いものへと連続的に組
成が変えられた層を堆積していくことができる。

【００１９】以上のようにして、導体の上に金属層を密
着させた後、金属層に連続してセラミックス層を形成さ
せていくと、セラミックス層は導体上に金属層によって
密着させられる。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明に従う電気接点の製造方法
を実施するために作製された装置の一具体例を示す模式
図である。図１を参照しながらこの発明の一具体例につ
いて以下に説明していく。

【００２１】この装置は、チャンバ１内に置かれた導体
の母材８を図に向かって左から右へと移動させていくも
のである。チャンバ１は、外から気体が入ってこないよ
う密閉することができる。チャンバ１の内部は、２つの
隔壁９および１０によって、３つの部屋に分割されてい
る。これらの部屋は、図に向かって左からエッチング室
４、金属層形成室５およびセラミックス層形成室６であ
る。隔壁９および１０には、それぞれ母材８を通過させ
るための連通孔９ａおよび１０ａが形成されている。し
たがって、これらの３つの部屋はこれらの連通孔によっ
てつながっている。３つの部屋のそれぞれには、バルブ
を有するＡｒガスを導入するためのガス供給管２ａ、２
ｂ、２ｃが設けられている。また３つの部屋のそれぞれ
には、バルブを有する排気管３ａ、３ｂおよび３ｃが設
けられている。これらのバルブの開閉は、図示しない制
御装置によって自動的に制御される。

【００２２】エッチング室４の上下壁には、電極４ａお
よび４ｂがそれぞれ設けられている。これらの電極間
で、直流電源４ｃによって直流放電が行なわれる。金属
層形成室５の上下壁には、高融点金属からなるターゲッ
ト５ａおよび５ｂがそれぞれ設けられている。ターゲッ
ト５ａと５ｂの間では、電源５ｃによって放電が行なわ
れる。電源５ｃは、直流および高周波のいずれかを金属
層を形成するための材料に応じて選択することができ
る。同様に、セラミックス層形成室６の上下壁にも、高
融点金属からなるターゲット６ａおよび６ｂがそれぞれ
設けられ、電極間で、直流または高周波の電源６ｃによ
って放電が行なわれる。さらにセラミックス層形成室６
には、バルブを有するＮ₂ ガス導入管２ｄが接続されて
いる。

【００２３】このように構成される装置内で電気接点が
製造される工程について以下に説明する。

【００２４】まず、エッチング室４、金属層形成室５お
よびセラミックス層形成室６のそれぞれは、互いに独立
して行なわれる排気およびＡｒガスの導入によって、適
当な気圧にされる。気圧は、セラミックス層形成室６が
最も低く、次いで金属層形成室５、スパッタリング室４
の順に低い。そして、母材８はエッチング室４の電極４
ａ、４ｂの間を通過させられ、形成されたアルゴンイオ
ンによってスパッタエッチングが施される。スパッタエ
ッチングによって母材８表面の自然酸化膜が除去され
る。

【００２５】次に母材８は連通孔９ａを通されて金属層
形成室５へ運ばれる。スパッタエッチングされた母材８
は、ターゲット５ａ、５ｂの間を通過させられて、スパ
ッタ堆積が施される。スパッタ堆積では、ターゲット５
ａまたは５ｂに放電中のアルゴンイオンをあてることに
より、射出された高融点金属の粒子が、母材８上に堆積
される。金属層が堆積された母材８は、連通孔１０ａを
通じてセラミックス層形成室６へと運ばれる。

【００２６】セラミックス層形成室６は、金属層形成室
よりも低い圧力にされていると同時にＮ₂ ガスが導入さ
れている。セラミックス層形成室６内に運ばれた母材８
は、ターゲット６ａ、６ｂの間を通過させられる。この
間、ターゲット６ａまたは６ｂに放電中のアルゴンイオ
ンが衝突することにより射出された高融点金属の窒化物
が母材８の金属層上に連続して堆積される。

【００２７】このようにして、自然酸化膜の除去、金属
層の形成およびセラミックス層の形成が連続的に行なわ
れた結果、接触抵抗値が低く、かつ金属層によってセラ
ミックス層と母材との密着性が向上させられた電気接点
を得ることができる。

【００２８】上述した装置において、母材を厚さ０．２
ｍｍの黄銅板とし、高融点金属としてＴｉを用いて黄銅
板上に金属層およびセラミックス層を形成させていっ
た。エッチング室の気圧は２０ｍｍＴｏｒｒ、金属層形
成室は１０ｍｍＴｏｒｒ、セラミックス層形成室は５ｍ
ｍＴｏｒｒに設定した。黄銅板をスパッタエッチングし
た後、厚さ約１００ｎｍのＴｉ層を形成し、さらにその
上に厚さ約２００ｎｍのＴｉＮ層を形成した。得られた
電気接点は耐熱性に優れ、接触抵抗が低いものであっ
た。このようにして２つの層を形成した黄銅板に対し
て、半径４ｍｍの突き曲げ加工を行なったが、セラミッ
クス層の剥離は認められなかった。このようにしてセラ
ミックス層の強固な密着性が確かめられた。

【００２９】この装置において、セラミックス層を形成
するための窒素ガスをメタンなどの炭化水素ガスに置換
えれば、高融点金属の炭化物からなるセラミックス層を
形成することができる。

【００３０】さらに、金属層形成室５とセラミックス層
形成室６の間の連通孔１０ａを大きくすれば、セラミッ
クス層形成室内のターゲット６ａ、６ｂの下で、金属層
形成室５に近い側では、形成される層において高融点金
属の含有率が高くなるとともにセラミックスの割合が低
くなる一方、金属層形成室５に遠ざかるにつれ、セラミ
ックスの割合が高い層が形成される。このようにすれ
ば、セラミックス層形成室６内で形成される層は、高融
点金属の含有率が高い層からセラミックスのみで構成さ
れる層へと連続的に組成が変化した層の堆積物となって
いる。このように組成が変化された堆積物では、金属層
とセラミックス層の間に明確な界面が存在しないため、
セラミックス層は母材上に強固に密着させられる。この
ようにして得られた構造物は、機械的な衝撃を受けやす
い電気接点材料として非常に適している。

【００３１】

【発明の効果】上述したように、この発明に従えば、導
体上にセラミックス層を形成する電気接点の製造方法に
おいて、導体とセラミックス層の間に金属層を形成させ
ることによってセラミックス層の密着性が向上させられ
た電気接点を製造することができる。この発明に従って
得られた電気接点は、優れた耐酸化性、耐食性、耐熱性
および高信頼性を有する。しかも、この発明に従えば物
理的衝撃もしくは変形または加熱−冷却の繰返しを受け
てもセラミックス層にクラックおよび剥離が発生しにく
い電気接点が得られる。このため、この発明は自動車お
よび産業機器などの電気配線用端子、リレーおよびスイ
ッチ等の電気接点において、長期間使用後の変質が問題
となるもの、および使用温度の上昇が予想される分野に
用いられる電気接点製造に有用であるほか、コンピュー
タ制御回路などに用いられる高信頼性を有する電気接点
の製造に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従って、電気接点を製造する装置の
一具体例を示す模式図である。

【符号の説明】

１ チャンバ ２ａ、２ｂおよび２ｃ ガス供給管 ３ａ、３ｂおよび３ｃ 排気管 ４ａおよび４ｂ 電極 ５ａ、５ｂ、６ａおよび６ｂターゲット ８ 母材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥川 功 三重県鈴鹿市中旭が町３−４−３ さく ら棟011−27号 (56)参考文献 特開 昭63−108684（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−308533（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01R 43/16 H01H 11/04 H01R 13/03

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １対の導体の少なくとも一方の導体に電
   気接点を形成するための電気接点の製造方法であって、
   減圧状態にされた第１の反応室内で前記導体の表面をス
   パッタエッチングする工程と、前記第１の反応室に連通
   孔を介してつながり、かつ前記第１の反応室より気圧の
   低い状態にされた第２の反応室へ、前記スパッタエッチ
   ングされた導体を前記第１の反応室から前記連通孔を通
   して移動させる工程と、前記第２の反応室内において、
   前記スパッタエッチングされた導体の表面に、気相薄膜
   形成法により、高融点金属または前記高融点金属の合金
   からなる金属層を形成する工程と、前記第２の反応室と
   連通孔を介してつながり、かつ前記第２の反応室より気
   圧の低い状態にされた第３の反応室へ、前記金属層が形
   成された導体を前記第２の反応室から前記連通孔を通し
   て移動させる工程と、前記第３の反応室において、前記
   高融点金属の窒化物、炭化物および硼化物からなる群か
   ら選択された少なくとも１種の材料からなるセラミック
   ス層を前記金属層に連続して形成する工程とを備える、
   電気接点の製造方法。
2. 【請求項２】 前記金属層を窒化、炭化または硼化する
   ことにより前記セラミックス層を形成する、請求項１に
   記載の電気接点の製造方法。
3. 【請求項３】 前記金属層の表面に、前記高融点金属の
   窒化物、炭化物および硼化物からなる群から選択された
   少なくとも１種の材料からなるセラミックス層を前記気
   相薄膜形成法により形成する、請求項１に記載の電気接
   点の製造方法。
4. 【請求項４】 前記気相薄膜形成法がスパッタリング法
   である、請求項１に記載の電気接点の製造方法。
5. 【請求項５】 前記高融点金属が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
   Ｔａ、ＷおよびＭｏからなる群から選択された少なくと
   も１種の金属である、請求項１に記載の電気接点の製造
   方法。