DE10138204B4

DE10138204B4 - Elektrischer Kontakt

Info

Publication number: DE10138204B4
Application number: DE10138204A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Ganz; Isabell Dr. Buresch; Franz Dr. Kaspar
Original assignee: AMI Doduco GmbH; Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG; Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: ATE345586T1; PT1421651E; CN1559094A; WO2003015217A3; EP1421651A2; CN100511852C; ES2275942T3; DE50208722D1; DE10138204A1; JP4636453B2; EP1421651B1; US7015406B2; JP2004538369A; WO2003015217A2; KR20040043170A; US20040238338A1

Abstract

Elektrischer Kontakt, welcher einen Grundkörper aus einer Kupferbasislegierung oder Edelstahl und eine Kontaktschicht aus einer Goldbasislegierung hat, wobei die Kontaktschicht wenigstens 0,3 μm dick ist und aus Gold mit 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-% eines oder mehrerer Platinmetalle besteht, und daß zwischen dem Grundkörper und der Kontaktschicht eine Zwischenschicht aus Silber oder aus einer Silberbasislegierung oder aus Nickel vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Kontakt mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Derartige elektrische Kontakte werden als Steckkontakte beispielsweise in Steckverbindern für Automobile und in der Telekommunikationstechnik eingesetzt. Gegenwärtig wird gefordert, daß Steckverbinder im Automotivebereich für Umgebungstemperaturen bis 150°C geeignet sein müssen und daß ihre Federeigenschaften über die übliche Lebensdauer von Automobilen nicht so stark abnimmt, daß dadurch die Zuverlässigkeit der Kontaktgabe beeinträchtigt wird. Die bekannten elektrischen Kontakte für diesen Verwendungszweck bestehen aus einem Grundkörper aus einer Kupferbasislegierung, welche die erforderliche elektrische Leitfähigkeit und Federeigenschaft. zur Verfügung stellt, und aus einer auf den Grundkörper galvanisch aufgebrachten Hartgoldschicht, bei welcher es sich um Gold mit weniger als 1 Gew.-% Kobalt handelt. Es ist ferner bekannt, anstelle einer Hartgoldschicht auf dem Grundkörper eine Silberschicht als Kontaktschicht vorzusehen. Häufig werden auch Kontaktschichten aus Zinn eingesetzt, welche durch Feuerverzinnung des Grundkörpers aufgebracht werden. Damit lassen sich unter den bisher geforderten Randbedingungen eine hinreichende Beständigkeit gegen Verschleiß der elektrischen Kontakte und ein hinreichend niedriger Kontaktübergangswiderstand erreichen. Das trifft jedoch nicht mehr für Steckkontakte zu, welche erhöhten Temperaturanforderungen bis 200°C unter anderem nach der US-Car-Specification im Temperaturwechsel über die vorgesehene Lebensdauer genügen müssen. Diese schärferen Forderungen rühren daher, daß immer mehr Motorfunktionen elektrisch oder elektronisch kontrolliert und gesteuert werden sollen, was den Einsatz der Elektronik und damit von Steckkontakten vor Ort am Motor oder im Abgassystem erfordert.

Die bisher verwendeten Kontaktschichten aus Gold-Kobalt eignen sich für die erhöhten Temperaturanforderungen nicht, weil Kobalt oberhalb von 150°C aus der Legierung segregiert. Die Folge ist, daß das Kobalt dann oxidieren kann und den Kontaktübergangswiderstand erhöht. Feuerverzinnte Kontakte können bei 200°C aber auch nicht mehr eingesetzt werden, weil man sich dann bereits nahe bei dem Schmelzpunkt des Zinns von 232°C befindet und das Zinn erweicht und kriecht. Die beschleunigte Diffusion von Sn in Cu und umgekehrt führt sehr schnell zur Bildung von intermetallischen Phasen, welche oxidieren und zu hohen Kontaktübergangswiderständen führen. Bei Ag-Beschichtungen findet ab ca. 160°C eine irreversible Erweichung statt.

In der Telekommunikationstechnik werden sehr hohe Steckzyklen – oft bis zu 10.000 – gefordert. Diese Anforderung wird heute von Steckkontakten mit einer PdNi- oder PdCo-Beschichtung als Kontaktschicht erfüllt. Aufgrund des stark gestiegenen Pd-Preises sind solche Beschichtungen jedoch sehr teuer geworden.

Aus der DE 196 07 138 A1 ist ein elektrischer Kontakt zur Verwendung in Hochtemperaturumgebungen bekannt, bei welchem auf einem Hochtemperatursubstrat, beispielsweise aus Edelstahl, eine Palladiumschicht angeordnet ist.

Aus der DE 40 13 627 A1 ist ein elektrischer Kontakt mit einem Träger aus unedlem Metall bekannt, auf welchem eine Palladium enthaltende Kontaktauflage einer Gesamtdicke von 2 bis 6 μm aufgebracht ist. Diese Kontaktauflage besteht aus einer äußeren Kontaktschicht aus einer Palladiumsilber- oder Palladiumgoldlegierung mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 μm, wobei der Silber- bzw. Goldanteil zwischen 40 Gew.-% und 90 Gew.-% aufweist, sowie einer inneren Schicht mit einer Dicke von 3 bis 5 μm, welche von einer Palladiumlegierung gebildet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die verschärften Anforderungen (200°C Umgebungstemperatur und 42 V Spannung) besonders geeigneten und gleichzeitig kostengünstigen Kontaktaufbau zu finden, welcher sich insbesondere für Steckkontakte in Automobilen und in der Telekommunikationstechnik eignet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Steckkontakt mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße elektrische Kontakt hat einen Grundkörper aus einer Kupferbasislegierung, eine mindestens 0,3 μm dicke Kontaktschicht aus Gold mit 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-% eines oder mehrere Platinmetalle und zwischen dem Grundkörper und der Kontaktschicht eine Zwischenschicht aus Silber oder aus einer Silberbasislegierung oder aus Nickel. Eine Kontaktschicht, die dicker ist als 10 μm, bringt keine technische Verbesserung mehr, vorzugsweise ist die Kontaktschicht nicht dicker als 5 μm.

Die Kontaktschicht gewährleistet einerseits einen hinreichend niedrigen Kontaktübergangswiderstand und eine ausreichende Verschleißfestigkeit sowie eine hinreichende Sicherheit gegen ein Verschweißen von aneinanderliegenden Kontakten. Auch bei einer Dicke der Kontaktschicht von nicht mehr als 5 μm erreicht man den angestrebten niedrigen Kontaktübergangswiderstand über eine Dauer von 3.000 Stunden bei 200°C, wenn zwischen dem Grundkörper und der Kontaktschicht eine Zwischenschicht aus Silber oder einer Silberbasislegierung vorgesehen ist, z.B. Silber mit wenigen Prozent Nickel. Diese Zwischenschicht verhindert, daß unedle Bestandteile aus dem Grundkörper auf die Kontaktoberfläche diffundieren und dort oxidieren. Reines Silber ist für die Zwischenschicht besonders geeignet. Auch Nickel als Zwischenschicht kann eine Diffusion unedler Bestandteile aus dem Grundkörper an die Kontaktoberfläche verhindern, eignet sich aber für den vorliegenden Zweck nur dann, wenn es auf eine besondere Duktilität nicht ankommt, denn Nickel ist so spröde, daß bei den geringen Biegeradien, welche beim Formen von Steckkontakten typischerweise auftreten, Risse auftreten können. Silber ist demgegenüber duktiler und soll vorzugsweise allenfalls solche Legierungsbestandteile in so geringen Mengen enthalten, daß die für den jeweils vorgesehenen Einsatzzweck bei Steckkontakten erforderliche Duktilität ebenso erhalten bleibt wie die Wirksamkeit als Diffusionssperrschicht. Silber hat darüberhinaus den Vorteil, daß es in Schichten bis zu einigen 10 μm Dicke kostengünstig aufgebracht werden kann. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Zwischenschicht 0,2 μm bis 15 μm, am besten ca. 2 μm. Das genügt, um einer Kontaktschicht, welche vorzugsweise nur 0,5 μm bis 2 μm dick ist, unter den vorgegebenen Einsatzbedingungen und Einsatzzeiten einen niedrigen Kontaktübergangswiderstand zu bewahren.

Als Platinmetall, welches dem Gold zulegiert wird, kommt vor allem Platin selbst infrage. Auch Palladium in sehr geringen Gehalten ist gut einsetzbar. Sowohl Gold-Platin als auch Gold-Palladium zeigen eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit und weisen eine hinreichende Duktilität aus, um sie ohne Schaden für die Kontaktschicht verformen zu können. Platin hat gegenüber Palladium den Vorteil, preisgünstiger zu sein. Die Preisgünstigkeit ist ein wichtiges Kriterium, welches insbesondere bei Massenteilen für die Automobilindustrie und für die Kommunikationstechnik beachtet werden muß.

Die Kontaktschicht soll aus Gold mit 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-% eines oder mehrerer Platinmetalle bestehen. Unterhalb eines Gehaltes von 0,5 Gew.-% ist die Neigung zum Kaltverschweißen zu groß. Oberhalb von 15 Gew.-% wird die Kontaktschicht zu spröde und kann nachträglich nicht mehr zur Bildung von Steckkontakten verformt werden, ohne ein Reissen der Kontaktschicht zu riskieren.

Besonders bevorzugt ist eine Kontaktschicht aus Gold mit 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% Platin in einer Dicke von 0,5 μm bis 2 μm, welche über einer Zwischenschicht aus Silber als das Optimum hinsichtlich Kosten, Verarbeitbarkeit und Beständigkeit unter den gegebenen Einsatzbedingungen angesehen wird.

Grundsätzlich könnte die Goldbasislegierung für die Kontaktschicht andere Platinmetalle als Platin und Palladium enthalten, und zwar insbesondere in Kombination mit Platin oder Palladium, z.B. Ruthenium; das bringt allerdings keine weitergehenden signifikanten Vorteile mit sich. Schließlich könnte die Gold-Basis-Legierung zusätzlich zu einem Platinmetall auch Silber enthalten.

Die Zwischenschicht ist vorzugsweise zwischen 1 μm und 15 μm dick. Unterhalb von 1 μm ist die diffusionshemmende Wirkung der Zwischenschicht so gering, daß zum Ausgleich die Dicke der Kontaktschicht erhöht werden müßte, was unwirtschaftlich ist. Andererseits wäre eine Erhöhung der Dicke der Zwischenschicht über 15 μm hinaus technisch unnötig und deshalb unwirtschaftlich. Als optimal wird eine Zwischenschicht aus Silber in einer Dicke von ca. 2 μm angesehen.

Erfindungsgemäße elektrische Steckkontakte werden üblicherweise aus bandförmigem Halbzeug durch Stanz-, Biege- und Prägevorgänge hergestellt. Auf Bänder aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung oder Edelstahl mit der gewünschten Federeigenschaft, wird die Zwischenschicht aus Silber oder aus einer Silberbasislegierung oder aus Nickel und auf dieser die Kontaktschicht aus der Goldbasislegierung aufgebracht. Die Zwischenschicht und die Kontaktschicht werden vorzugsweise aufgesputtert. Für die vorgesehenen geringen Schichtdicken, insbesondere für die Kontaktschicht, wird das als am wirtschaftlichsten angesehen und führt darüberhinaus zu hinreichend dichten und duktilen Schichten ohne Fremdeinschlüsse. Die Zwischenschicht und die Kontaktschicht können mit Vorteil sogar aufeinanderfolgend in einem einzigen Beschichtungsdurchlauf abgeschieden werden. Insbesondere für die Zwischenschicht kommt aber auch eine elektrolytische Abscheidung infrage.

Für den Grundkörper eignen sich besonders die nachfolgenden Werkstoffe:

(a) CuNiSi(Mg): Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen C7025, C7026 nach ASTM
(b) CuFeP: Der Werkstoff mit der Bezeichnung C194 nach ASTM
(c) CuCrSiTi{X): Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen C18070, C18080, C 18090 nach ASTM
(d) CuNiSn: Der Werkstoff mit der Bezeichnung C72500 nach ASTM
(e) CuSnZn: Der Werkstoff mit der Bezeichnung C425 nach ASTM
(f) CuNiZn: Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen C75700, C77000, C76400 nach ASTM
(g) Edelstahl: Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen 1.4310 nach DIN 17224, 1.4311 nach DIN 17440, 1.4406 nach DIN 17440, 1.4428 nach DIN 17443, 1.4429 nach DIN 17440, 1.4568 nach DIN 17224, 1.4841 nach DIN 17224, 1.4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274; 1.5029 nach DIN V 17006-100.

von denen die unter (a), (b) und (c) genannten besonders bevorzugt sind, weil sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einer hohen Stabilität ihrer Federeigenschaften unter der geforderten Einsatztemperatur von 200°C verbinden.

Die Erfindung eignet sich nicht nur für Steckkontakte, sondern auch für schaltende Kontakte.

Ein bandförmiges Halbzeug für einen erfindungsgemäßen elektrischen Steckkontakt hat einen Grundkörper aus einer Kupferbasislegierung, z.B. CuCrSiTi(X), eine Zwischenschicht aus Silber in einer Dicke zwischen 0,2 μm bis 15 μm und eine Kontaktschicht, welche 0,5 μm bis 2 μm dick ist und aus Gold mit 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% Platin besteht.

Claims

Elektrischer Kontakt, welcher einen Grundkörper aus einer Kupferbasislegierung oder Edelstahl und eine Kontaktschicht aus einer Goldbasislegierung hat, wobei die Kontaktschicht wenigstens 0,3 μm dick ist und aus Gold mit 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-% eines oder mehrerer Platinmetalle besteht, und daß zwischen dem Grundkörper und der Kontaktschicht eine Zwischenschicht aus Silber oder aus einer Silberbasislegierung oder aus Nickel vorgesehen ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht nicht dicker als 10 μm ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht nicht dicker als 5 μm ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht 0,5 μm bis 2 μm dick ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Platinmetall Platin oder Palladium gewählt ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht aus Gold mit 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% Platin besteht.
Elektrischer Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht 0,2 μm bis 15 μm dick ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht 0,5 μm bis 10 μm dick ist.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ca. 2 μm dick ist.
Elektrischer Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für den Grundkörper ein Werkstoff aus der nachstehenden Gruppe ausgewählt ist: (a) CuNiSi(Mg): Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen C7025, C7026 nach ASTM (b) CuFeP: Der Werkstoff mit der Bezeichnung C194 nach ASTM (c) CuCrSiTi(X): Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen C18070, C18080, C 18090 nach ASTM (d) CuNiSn; Der Werkstoff mit der Bezeichnung C72500 nach ASTM (e) CuSnZn: Der Werkstoff mit der Bezeichnung C425 nach ASTM (f) CuNiZn: Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen C75700, C77000, C76400 nach ASTM (g) Edelstahl: Die Werkstoffe mit den Bezeichnungen 1.4310 nach DIN 17224, 1.4311 nach DIN 17440, 1.4406 nach DIN 17440, 1.4428 nach DIN 17443, 1.4429 nach DIN 17440, 1.4568 nach DIN 17224, 1.4841 nach DIN 17224, 4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274, 1.5029 nach DIN V 17006-100.
Elektrischer Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht durch Sputtern oder ein anderes PVD-Verfahren gebildet ist.