DE3874492T2 - Elektrische leistungsverbinder. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Verbinder oder Kontakte und insbesondere elektrische Verbinder, die verwendet werden zum Führen von beträchtlichen Strömen mit Spannungen über ungefähr 10 Volt, entsprechend dem ersten Teil der Ansprüche 1 oder 9 und wie aus GB-A-2203450 bekannt.
• In der Elektronik, insbesondere in der Computertechnologie, ist die Verwendung von elektronischen Kontakten aus reinem Gold bekannt, um den Kontaktwiderstand von passenden, im allgemeinen unter Federbelastung stehenden Flächen auf den irreduziblen Minimalwert zu reduzieren. Solche Kontaktflächen, die Kontaktwiderstände von weniger als einem Milliohm haben, wenn sie gegen eine leicht belastete, polierte Goldsonde geprüft werden, sind im allgemeinen nicht für häufiges Öffnen und Schließen ausgebildet. Somit sind dünne, reine Goldkontaktflächen auf Schaltplatten und ihre dazugehörigen Bestandteile die Standardmittel zur Herstellung von elektrischen Stromkreisen in elektronischen Vorrichtungen und Computervorrichtungen, die häufig bei Spannungen bis nur 100 mV und mit extrem niederen Stromstärken arbeiten. Solche Kontakte sind gegen korrodierende Medien und Oxidation sehr beständig. Wenn jedoch Gold auf bestimmten Metallbasen, z. B. Kupfer oder Silber, ohne eine Zwischenschicht aus Nickel verwendet wird, neigen die elektronischen Kontakte zur Verschlechterung, wenn sie Temperaturen über 25ºC ausgesetzt werden, auch bei Temperaturen von nur 100ºC.
• Allmählich wandern Kupfer- und Silberatome zur Goldoberfläche. Durch das wandernde Kupfer wird die Kontaktfläche Sulfidierung und Oxidation ausgesetzt, während das wandernde Silber besonders nachteilig ist, wenn die Kontaktfläche in sulfidierenden Atmosphären, so mild wie gewöhnliche Raumluft, verwendet wird. Es ist daher übliche Praxis, eine Schicht aus Nickel (oder vielleicht Kobalt oder eine nickel- oder kobaltreiche Legierung) zwischen einer Basis aus Kupfer oder Silber oder einer Legierung auf Kupfer- oder Silberbasis und dem Gold zu verwenden, um die Wanderung von Kupfer oder Silber zu verhindern und um weiters eine ausgesetzte Fläche aus Metall zu schaffen, welches relativ beständig gegen Anlaufen ist, überall wo Risse in der darüberliegenden Goldschicht auftreten können. Eine gute Beschreibung von elektronischen Kontaktmaterialien ist im Artikel "Properties of Inlay Clad Wrought Gold Alloys", Robert J. Russel, Solid State Technology, 10 Seiten (8/76) enthalten.
• Es besteht Bedarf an elektrischen Kontaktmaterialien mit geringem Kontaktwiderstand, jedoch nicht unbedingt mit den extrem niederen Kontaktwiderständen, welche die Elektronikindustrie erfordert, und mit ausreichender Abriebbeständigkeit, um das häufige Schließen und Öffnen zu überleben.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, solche elektrischen Kontakte zu schaffen, die geeignet sind, ziemlich hohe Stromstärken bei Spannungen über ungefähr 10 Volt zu führen.
• Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein elektrisches Kontaktmaterial zu schaffen, das bei den erfindungsgemäßen elektrischen Kontakten verwendet werden kann.
• Die vorliegende Erfindung sieht einen elektrischen Leitungsverbinder zur Herstellung eines unterbrechbaren Leitungsweges für elektrischen Strom vor (z. B. Strom mit mindestens ungefähr 0,1 Ampere), umfassend mindestens zwei miteinander in Oberflächenkontakt bringbare Bestandteile. Mindestens einer der Bestandteile hat eine passende Kontaktoberfläche aus einer Legierung von Gold und Nickel. Auf der passenden Kontaktoberfläche enthält die Legierung ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gew.% Nickel. Die Nickelmenge im Gold nimmt im allgemeinen mit der Tiefe von der passenden Kontaktoberfläche zu einer darunterliegenden, metallurgisch gebundenen Schicht, vorzugsweise im wesentlichen aus reinem Nickel, zu. Die Legierung, welche durch Diffusion von Nickel aus einer darunterliegenden Schicht in eine darüberliegende Goldschicht entsteht, zeigt im allgemeinen eine besondere Struktur, wenn sie mit Hilfe der Sputtering und Auger-Analyse untersucht wird. Die unmittelbare Oberfläche, vielleicht 150 Angström dick, zeigt einen relativ hohen Nickelgehalt. Unmittelbar unter dieser Oberfläche nimmt der Nickelgehalt etwas ab und bleibt relativ konstant über ungefähr bis zu zwei Drittel der Dicke der Goldschicht, welche im Bereich von 0,3 bis 2 Mikrometern liegt. In der verbleibenden Dicke der goldhältigen Schicht steigt der Nickelgehalt rasch auf den Nickelgehalt des darunterliegenden Metalls. Der Fachmann wird erkennen, daß diese Art von Augeranalyse manchmal zu Ergebnissen an der Oberfläche eines untersuchten Gegenstandes führt, die Oberflächenausbildungen wiedergeben und nicht den Eigenschaften des Materials entsprechen oder für diese charakteristisch sind. Es sollte daher gesagt werden, daß in der Goldschicht der erfindungsgemäßen Kontaktstruktur der Nickelgehalt nahe der Außenfläche relativ gering ist. Dieser niedere Gehalt bleibt bestehen bis ab einem Punkt, der von der Oberfläche entfernt liegt, der Nickelgehalt des Goldes rasch zunimmt.
• Der elektrische Leitungsverbinder kann jede herkömmliche Kontaktform darstellen, wie z. B. Steck- und Aufnahmeteile, Stifte, Gewindeteile und ähnliches. Vorteilhaft sind die Verbinder so, daß sie aus zusammengesetztem elektrischem Kontaktmaterial in Streifenform hergestellt werden können. Solches Kontaktmaterial, welches auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, umfaßt eine streifenförmige Basis aus elektrisch leitendem Material, z. B. Metall mit mindestens einer Hauptfläche aus Nickel oder nickelreicher Legierung, welche unter einer Goldschicht liegt, die ungefähr 0,1 bis 2 Mikrometer dick ist und mit dem Nickel oder der nickelreichen Legierung metallurgisch verbunden ist. Diese Diffusion ist so, daß ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gew.% Nickel an der äußeren Hauptfläche enthalten sind. In diesem Zusammenhang bedeutet "nickelreiche Legierung" eine Legierung enthaltend mindestens ungefähr 90% Nickel, vorteilhaft mindestens 95% oder 99% Nickel, und enthält handelsüblich reines Nickel und Nickel-Kobaltlegierungen.
• Spezifische Beispiele für erfindungsgemäße Kontaktmaterialien sind Kupfer, Legierungen auf Kupferbasis, wie z. B. Messing, Kupfer-Nickel, Berylliumkupfer, Kupfer-Nickel-Zinnlegierung und Kupfer-Nickel-Aluminiumlegierung, Nickel, Kobalt oder Nickel-Kobaltlegierung, insbesondere in Streifenform. Im Falle von Kupfer, Legierungen auf Kupferbasis und Kobalt weist das Grundmetall eine galvanisch aufgebrachte Nickelschicht mit einer Dicke von ungefähr 3 bis 10 Mikrometern an mindestens einer Hauptfläche auf. Der äußere Bereich zumindest dieser einen Hauptfläche umfaßt eine Schicht aus elektroplattiertem Gold oder einer Goldlegierung enthaltend bis zu ungefähr insgesamt 1% Nickel und/oder Kobalt mit einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 2 Mikrometern, wobei die Schicht aus elektroplattiertem Gold oder Goldlegierung durch Wärme an das Nickel gebunden wird, so daß eine Diffusion von Nickel zur Goldoberfläche in einer Menge entsteht, die an oder nahe der Oberfläche insgesamt ungefähr 1% bis ungefähr 10% Nickel beträgt. Der Streifen kann auf allen Flächen oder auf den zwei Hauptflächen, nämlich an der oberen und unteren Fläche, oder an einer Hauptfläche mit Gold beschichtet sein.
• Streifen aus Nickel oder nickelreichen Legierungen können mit Hilfe von herkömmlicher metallurgischer Schmelztechnologie hergestellt werden, wobei eine Metallcharge geschmolzen, dann gegossen und dann mit Hilfe von Heiß- und/oder Kaltbearbeitung zu Streifen geformt wird. Eine besonders vorteilhafte Methode zur Herstellung von Streifen aus Nickel, Kobalt oder nickelreichen Legierungen umfaßt Pressen des Metallpulvers durch Walzen, Binden mit Hilfe von Sintern und Diffundieren des durch Walzen gepreßten Metallpulvers und darauffolgendes oder gleichzeitiges Walzen des gebundenen Pulverproduktes zu Streifenform und gewünschter Dicke.
• Streifen aus anderen Metallen als Nickel oder nickelreichen Legierungen, die das strukturelle Hauptelement der erfindungsgemäßen Verbinder bilden können, werden im allgemeinen auf herkömmliche Art hergestellt, und es gibt viele Handelsquellen, bei denen sie erhältlich sind. Die vorliegende Erfindung sieht die Verwendung von im Handel erhältlichen Streifen aus Kupfer, Messing, Aluminiumbronze, Kupfernickel, Berylliumkupfer, Kupfer-Nickel-Zinnlegierung und aus allen anderen Metallen oder anderen elektrisch leitenden Materialien vor, die auf dem Gebiet der elektrischen Kontakte verwendbar sind. Der Streifen wird gründlich mit Hilfe von herkömmlichen Mitteln gereinigt, wie z. B. alkalischen Reinigungsbädern, Entfetten durch Lösemittel und Dampf usw., und dann elektroplattiert, um eine Schicht aus Nickel mit einer Dicke von ungefähr 5 bis ungefähr 10 Mikrometern herzustellen. Ein Elektroplattierbad beschrieben in Electroplating Engineering Handbook, 3. Auflage, A. Kenneth Graham, Van Nostrand Reinhold Company, Copyright, 1971, Seite 247 kann zum Elektroplattieren von Nickel verwendet werden.
• Gold wird entweder über dem Nickelstreifen oder dem plattierten Nickel aus einem Cyanidbad, Citratbad oder aus einer anderen Badart galvanisch ausgeschieden, um einen weichen galvanischen Goldniederschlag zu erhalten. Der Streifen wird dann über einen Zeitraum im Bereich von 2 Stunden bis 10 Sekunden auf ungefähr 350ºC bis 600ºC erhitzt, um das Nickel in das Gold einzudiffundieren, so daß ein Gehalt von 1 bis 10% Nickel an der Goldaußenfläche entsteht.
• Die erfindungsgemäßen elektrischen Verbindermaterialien und die daraus hergestellten elektrischen Kontakte sind vorteilhaft für Kontakte aus unedlen Metallen, da sie im wesentlichen frei von Korrosionsprodukten sind und so während ihrer Nutzlebensdauer bleiben und somit verläßliche, stabile Kontakte liefern. Im Vergleich zu Kontaktoberflächen aus reinem Gold, wenn hohe Ströme (z. B. größer als 0,1 Ampere) durch einen elektrischen Stromkreis geführt werden, sind die erfindungsgemäßen Kontakte und Kontaktmaterialien vorteilhaft, wenn die Kontakte regelmäßig geöffnet werden müssen. In solchen Fällen wird eine reine Goldoberfläche abgerieben oder aufgerauht, Gold-Gold-Kontaktflächen neigen zum Sintern oder Zusammenschmelzen, und der Kontakt kann nicht ohne weiteres getrennt werden. Umgekehrt beruht die vorliegende Erfindung auf der Entdeckung, daß, wenn Kontaktoberflächen aus Gold 1 bis 10% Nickel enthalten, solche Kontakte aus modifiziertem Gold auf modifiziertem Gold nicht die Schmelz- oder Sintereigenschaften von reinem Gold aufweisen und die Kontakte somit immer ohne weiteres geöffnet werden können, vorausgesetzt natürlich, daß der Stromkreis, der die Kontakte enthält, nicht über die vorgesehene Kapazität hinaus belastet wurde.
• Bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Kontaktmaterialien weiß der Durchschnittsfachmann der Metallurgie, daß die Zeit der Wärmebehandlung normalerweise mit der Temperatur variiert, so daß längere Zeiten bei niedrigeren Temperaturen und umgekehrt bei einer bestimmten Golddicke verwendet werden. Niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten bei einer bestimmten Temperatur werden eher bei dünneren Goldschichten als bei dickeren Goldschichten verwendet. Wie in GB-A-2 203 450 beschrieben, kann das Diffundieren von Nickel in das Gold gleichzeitig mit der Ausscheidungshärtung eines ausscheidungshärtbaren Substrats durchgeführt werden. Normalerweise erfolgt diese Ausscheidungshärtung z. B. von Legierungen auf Kupferbasis, z. B. von Berylliumkupfer oder einer Kupfer-Nickel-Zinnlegierung oder einer Kupfer-Nickel-Aluminiumlegierung, nachdem das Kontaktmaterial in seine endgültige Form als elektrischer Kontakt gebracht wurde. Z.B. wird die Streifenform aus Berylliumkupfer geschnitten und in die Kontaktform gebracht. Die so geformten Kontakte werden dann nacheinander mit Nickel und Gold elektroplattiert und dann bei einer Kombination von Temperatur und Zeit behandelt, die in Hinblick auf die Dicke des elektroplattierten Goldes ausgewählt wurde, so daß sowohl eine Ausscheidungshärtung des Substrats als auch gleichzeitig eine geeignete Diffusion zwischen Gold und Nickel erreicht wird. Als Alternative können Kontakte aus zusammengesetzten Gold- Nickel-Kupferberylliumstreifen ausgestanzt, geformt und dann wärmebehandelt werden.
• Die Wärmebehandlung mit Hilfe von Glühen, welche eine Diffusion von Nickel und Gold bewirkt, kann gleichzeitig mit dem wiederholten Warmwalzen von plattiertem Streifenmaterial erfolgen. Z.B. können Nickelstreifen, die hergestellt werden durch Pressen und darauffolgendes Sintern und Walzen von Nickelpulver, mit Gold elektroplattiert und dann bei einer Temperatur im Bereich von 350ºC bis 500ºC erneut gewalzt werden, um die metallurgische Bindung zwischen Nickel und Gold zu verbessern und die Diffusion des Nickels zu bewirken. Als Alternative kann die metallurgische Bindung und Diffusion mit Hilfe von Glüh-Wärmebehandlung erfolgen, wie vorher beschrieben, und der Verbundstoff kann entweder vor oder nach dem Glühen kaltgewalzt werden, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
• Um dem Fachmann ein besseres Verständnis der Vorteile der Erfindung zu ermöglichen, wird das folgende Beispiel gegeben:
• Ein Nickelstreifen hergestellt aus durch Walzen gepreßtem und gesintertem Nickelpulver mit einer Dicke von ungefähr 0,5 mm, einer Breite von ungefähr 30 mm und einer Länge von ungefähr 70 Metern wird gründliche gereinigt, mild geätzt und mit Gold aus einem Elektroplattierbad auf Citratbasis elektroplattiert, um einen einheitlichen, reinen Goldniederschlag mit einer Dicke von ungefähr 0,5 Mikrometern herzustellen. Der plattierte Streifen wird gründlich gespült, um jede Elektrolytspur zu entfernen, getrocknet und dann wärmebehandelt, indem er durch einen Ofen geführt wird. Der Ofen wird auf 480ºC gehalten und enthält eine Atmosphäre von 10 Vol.% Wasserstoff, wobei der Rest Stickstoff ist. Der kühle Streifen wird dem Ofen zugeführt und bewegt sich durch diesen mit einer Verweilzeit von sechs Minuten. Beim Austritt aus dem Ofen wird der Streifen unter den gleichen reduzierenden Bedingungen gekühlt und dann gewickelt.
• Das so hergestellte zusammengesetzte Kontaktmaterial aus Nickel-Gold liefert ausgezeichnete Ergebnisse bei der Verwendung von elektrischen Kontakten zwischen zusammengesetztem Material und zusammengesetztem Material. Die Kontakte zeigen im wesentlichen keine Verschlechterung der Eigenschaften im Laufe der Zeit, wenn sie in üblicher Weise verwendet werden. Die Kontakte korrodieren nicht, werden durch die Verwendung nicht abgerieben oder schadhaft und können ohne Schwierigkeit hunderte Male gelöst werden, auch wenn sie Temperaturen bis zu ungefähr 200ºC ausgesetzt werden.
• Es werden hier spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert und beschrieben, der Fachmann wird jedoch sehen, daß bei der Erfindung Änderungen erfolgen können, die von den Ansprüchen gedeckt sind, und daß bestimmte Merkmale der Erfindung vorteilhaft Verwendung finden können, ohne daß eine entsprechende Verwendung der anderen Merkmale erfolgt.

Claims (14)

1. Elektrischer Leitungsverbinder zur Herstellung eines unterbrechbaren Leitungsweges für elektrischen Strom, umfassend mindestens zwei miteinander in Oberflächenkontakt bringbare Bestandteile, wobei mindestens einer der genannten Bestandteile eine passende Kontaktoberfläche aus einer Legierung von Gold und Nickel aufweist, und die genannte Legierung ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gew.% Nickel nahe der genannten passenden Kontaktoberfläche enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Nickelgehalt über eine Tiefe von der Oberfläche im wesentlichen konstant bleibt und dann ab einem Punkt unterhalb der genannten passenden Kontaktoberfläche mit der Tiefe von der genannten passenden Kontaktoberfläche zur Grenzfläche aus goldhältigem Metall mit einer darunterliegenden, metallurgisch gebundenen Schicht aus Metall aus der Gruppe umfassend Nickel und nickelreiche Legierungen zunimmt.

2. Elektrischer Leitungsverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte darunterliegende, metallurgisch gebundene Schicht eine Schicht aus im wesentlichen reinem Nickel ist.

3. Elektrischer Leitungsverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schicht aus im wesentlichen reinem Nickel das Hauptbauelement des genannten Verbinders ist.

4. Elektrischer Leitungsverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte darunterliegende, metallurgisch gebundene Schicht ein galvanischer Niederschlag mit einer Dicke von ungefähr 3 bis ungefähr 10 Mikrometern auf einem elektrisch leitenden Substrat ist.

5. Elektrischer Leitungsverbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte elektrisch leitende Substrat ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend Kupfer, Messing, Aluminiumbronze, Kupfer-Nickel-Aluminiumlegierung, Kupfernickel, Berylliumkupfer und Kupfer-Nickel-Zinnlegierung.

6. Elektrischer Leitungsverbinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte elektrisch leitende Substrat ausgewählt wird aus der Gruppe von ausscheidungsgehärteten Legierungen auf Kupferbasis.

7. Elektrischer Leitungsverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Bestandteile des genannten Verbinders passende Oberflächen aus der genannten Legierung aus Gold und Nickel aufweisen.

8. Elektrischer Leitungsverbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zusammenpassenden Steckund Aufnahmeteilen.

9. Material für einen elektrischen Leitungsverbinder umfassend eine elektrisch leitende Basis mit mindestens einer Oberfläche aus einem Metall aus der Gruppe umfassend Nickel und nickelreiche Legierungen, und eine darüberliegende und metallurgisch daran gebundene Schicht aus Gold mit einer Dicke von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2 Mikrometern, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Goldschicht nahe ihrer Außenfläche ungefähr 1 bis 10 Gew.% Nickel enthält, wobei der Nickelgehalt über eine Tiefe unterhalb der genannten Außenfläche im wesentlichen konstant bleibt und ab einem Punkt, der von der genannten Außenfläche entfernt liegt, zunimmt und mit zunehmender Tiefe von der genannten Außenfläche weiter steigt.

10. Material für einen elektrischen Leitungsverbinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das darunterliegende Metall Nickel ist.

11. Material für einen elektrischen Leitungsverbinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Nickel ein galvanischer Niederschlag auf einer elektrisch leitenden Basis ist.

12. Material für einen elektrischen Leitungsverbinder nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektrisch leitende Basis ein Metall aus der Gruppe umfassend Kupfer, Messing, Aluminiumbronze, Kupfer-Nickel-Aluminium, Kupfernickel, Berylliumkupfer und Kupfer-Nickel- Zinnlegierung ist.

13. Material für einen elektrischen Leitungsverbinder nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte elektrisch leitende Substrat eine ausscheidungsgehärtete Legierung auf Kupferbasis ist.

14. Material für einen elektrischen Leitungsverbinder nach einem der Ansprüche 9 bis 13 in Streifenform.