DE68919536T2

DE68919536T2 - Vakuumschalterkontakte und Verfahren zur Herstellung derselben.

Info

Publication number: DE68919536T2
Application number: DE68919536T
Authority: DE
Inventors: Seishi Chiba; Hajime Fujita; Mitsutaka Honma; Masami Idehara; Tsutomu Okutomi; Kazuo Suzuki; Seikichi Takashima
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: DE68919536D1; JPH01298617A; EP0343663B1; US5109145A; KR900018407A; EP0343663A3; EP0343663A2; KR910007948B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumschalterkontakt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Vakuumschalterkontakts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Ein Vakuumschalterkontakt dieser Art ist aus der GB-A-2 056 177 bekannt.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Vakuumunterbrechers < auch Vakuumschalter oder Vakuumventil genannt). Der Vakuumunterbrecher weist ein im wesentlichen zylindrisches isolierendes Gefäß 20 und ein Vakuumgefäß auf, das aus Endplatten 23, 24 aus Metall aufgebaut ist, die über dichtende Verbindungsteile 21, 22 an den beiden Stirnflächen des Gefäßes 20 montiert sind. Innerhalb des Vakuumgefäßes ist eine Abschirmkammer 25 mit einem Vakuum ausgebildet.
Innerhalb der Abschirmkammer 25 sind ein erster elektrisch leitender Stab 26, der fest montiert ist und sich durch die Endplatte 23 erstreckt, und ein zweiter elektrisch leitender Stab 27 angeordnet, der in der Axialrichtung bewegbar montiert ist und sich durch die Enplatte 24 erstreckt. An den entsprechenden sich einander gegenüberliegenden Enden dieses ersten bzw. zweiten elektrisch leitenden Stabs 26, 27 sind eine bewegliche Elektrode 29 mit einem Kontakt 28 und eine bewegliche Elektrode 31 mit einem Kontakt 30 derart angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen.
Zwischen dem zweiten elektrisch leitenden Stab 27 und der Endplatte 24 ist ein Balg 34 zum Aufrechterhalten der Luftdichtheit montiert. Außerhalb des Balgs ist eine Balgabdeckung 35 zum Schutz des Balgs 34 vor Lichtbogendampf montiert, der zwischen den zwei Kontakten 28, 30 erzeugt wird. Weiterhin ist innerhalb des Vakuumgefäßes eine Lichtbogenabschirmung 36 zum Schützen des isolierenden Gefäßes 20 vor dem Lichtbogendampf vorgesehen. Der Vakuumunterbrecher ist dafür eingerichtet, gemäß einem Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) über den vorangehend genannten elektrisch leitenden Stab 27 geöffnet und geschlossen zu werden.
Als nächstes wird eine Beschreibung bezüglich Fig. 7 gegeben. An dem elektrisch leitenden Stab 27 ist eine bewegliche Elektrode über einen Lötabschnitt 32 montiert. Auf der beweglichen Elektrode 31 ist ein Kontakt über den Lötabschnitt 33 montiert. Nachdem der Kontakt zu einer vorbestimmten Form bearbeitet worden ist, wird er in die Abschirmkammer eingebaut, zum Beispiel durch Löten auf die Elektrode oder den elektrisch leitenden Stab. Wenn nötig, wird eine Konditionierbehandlung (conditioning treatment) durchgeführt, um die Oberfläche zu reinigen und feinzubearbeiten. Als ähnliche Materialien für den Kontakt wurden auch Legierungen wie Cu-Bi-Legierungen, Cu- Te-Legierungen, Cu-W-Legierungen, Cu-WC-Legierungen, Cu-Cr- Legierungen, Cu-Ti-Legierungen usw. verschiedentlich in geeigneter Weise je nach Zweck verwendet.
Für diese Art eines Vakuumunterbrecher-Kontakts wird jedoch gefordert, daß seine Oberfläche nicht mit einer Oxidschicht usw. kontaminiert ist. Das Kontaktmaterial weist jedoch das Problem auf, daß die Oberflächenoxidation im Zeitverlauf vom Bearbeiten bis zum Einbauen in den Vakuumunterbrecher fortschreitet. Daneben treten, je nach den Gegebenheiten der Handhabung während dieser Zeit, die folgenden Probleme mit Hinblick darauf auf, daß der Kontaminationszustand nicht konstant ist und die Qualität nicht stabilisiert ist.
Zum einen kann eine solche Kontamination auch nicht durch die Konditionierbehandlung ohne weiteres entfernt werden und daher tritt das Problem auf, daß die Kontaktwiderstandseigenschaften als Kontakt instabil werden.
Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, wurde praktiziert, eine Metallschicht, zum Beispiel Cu, an der Oberfläche des Kontaktsubstrats anzubringen, wodurch der Einfluß von der Atmosphäre verringert wurde. Bei dieser Gegenmaßnahme war es zum Stabilisieren des Kontaktwiderstandes erforderlich, daß die Metallbeschichtung hinreichend dick ausgebildet wurde. Wenn sie jedoch zu dick ist, wird nicht nur eine Verringerung des Schweißwiderstands bei dem Kontakt herbeigeführt, sondern es wird auch die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Kontaktsubstrat verringert, was zu einem Abschälen Anlaß gibt, wodurch außerdem das Problem auftritt, daß eine Verringerung der Durchschlagsfestigkeitseigenschaften herbeigeführt werden kann.
Wenn die Ursache dafür, daß der Kontaktwiderstand erhöht wird, in der Bildung einer Oxidschicht auf einem aktiven Metall, wie Al, Ti, Cr usw., liegt, kann man daran denken, die Oxidschicht mechanisch durch Beschießen mit starren Teilchen zu entfernen. In diesem Fall können jedoch die daraufgeschossenen starren Teilchen in die Matrix eindringen und darin zurückbleiben und außerdem setzt sich das Aufrauhen der Oberfläche fort, wodurch das Problem auftritt, daß kein notwendigerweise ausreichender Wert hinsichtlich der Durschlagsfestigkeitseigenschaften erreicht werden kann. Außerdem-werden bei einer thermisch stabilen Schicht, wie dem Oxid von Al, Ti oder Cr, Zeit und Kosten verbraucht, um eine Verringerung mit einer Wasserstoff- oder Spannungs/Strom-Konditionierbehandlung herbeizuführen, was unpraktisch ist, ohne daß man in vielen Fällen einen ausreichenden Effekt erhält.
Das nächste Problem besteht darin, daß, wenn der Vakuumunterbrecherkontakt im allgemeinen durch Löten an einer Elektrode in einer wasserstoffverringernden Atmosphäre, einer Stickstoffatmosphäre oder in Vakuum befestigt wird, die Festigkeit des angelöteten Abschnitts durch die Kontaminierung der Oxidschicht des Vakuumunterbrecherkonktakts beeinträchtigt wird und, je nach dem Zustand einer solchen Kontaminierung, die Festigkeit bei dem angelöteten Abschnitt äußerst gering werden kann. Bei einem Kontaktmaterial, welches ein aktives Metall, wie Al, Ti oder Cr enthält, tritt das Problem auf, daß insbesondere die Bildung einer Oxidschicht einen Einfluß auf die Festigkeit des angelöteten Abschnitts ausübt.
Die GB-A-2 056 177 beschreibt einen Vakuumschalterkontakt, bei dem eine Metallbeschichtung durch Ionenimplantationen mit Hilfe von Legierungsmaterialien, wie Cr, Fe, Ni usw., gebildet wird. Die Eindringtiefe der Ionen in die Kontaktoberfläche kann zwischen 0,1 um und 10 um variieren.
Die EP-A-0 175 349 offenbart einen Vakuumschalter, bei dem eine Metallschicht auf der Elektrodenoberfläche des Kontakts durch Verdampfen von Co, Ni, Cu, Ag usw. gebildet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die vorangehend beschriebenen Probleme, die der Stand der Technik aufweist, zu beseitigen und einen Vakuumunterbrecherkontakt mit einer großen Festigkeit bei dem angelöteten Abschnitt und ein Verfahren zum Herstellen desselben zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Vakuumschalterkontakt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren zum Herstellen eines Vakuumschalterkontakts mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen sind:
Fig. 1 ein Längsschnitt, welcher den Zustand vor dem Diffusionsschritt bei dem Vakuumunterbrecherkontakt der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 ein Längsschnitt, welcher den Zustand nach dem Diffusionsschritt bei dem Vakuumunterbrecherkontakt der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 3 u. Fig. 4 jeweils Längsschnitte, welche den Vakuumunterbrecherkontakt der vorliegenden Erfindung zeigen,
Fig. 5 ein Längsschnitt, welcher ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6 ein Längsschnitt, welcher den Vakuumunterbrecherkontakt nach dem Stand der Technik zeigt, und
Fig. 7 ein Längsschnitt des Elektrodenabschnitts des Vakuumunterbrechers, der in Fig. 6 gezeigt ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Oberfläche des Vakuumunterbrecherkontakts ist einer Kontamination von der Atmosphäre unterworfen. Auch wenn die Zeit von der Kontaktbearbeitung bis zum Zusammenbau des Schalters verkürzt werden kann, gibt es eine inhärente Grenze für das Verhindern der Kontamination. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine metallische Beschichtungsschicht auf dem Kontaktsubstrat gebildet und dennoch ist an der Grenzfläche zwischen dem Kontaktsubstrat und der metallischen Beschichtungsschicht die metallische Beschichtungsschicht so beschaffen, daß sie bis zu einer vorbestimmten Dicke in das Kontaktsubstrat eindiffundiert. In diesem Fall kann dadurch, daß die metallische Beschichtungsschicht in dem nicht diffundierten Bereich, der auf dem Kontaktsubstrat vorhanden ist, zu 10 um oder weniger gemacht wird, der Kontakt selbst hervorragend hinsichtlich seiner Schweißeigenschaften gemacht werden. Weiterhin tritt selbst dann, wenn er einem mechanischen oder thermischen Stoß während des Öffnens oder Schließens des Kontakts oder während einer Abschirmungs-Betätigung unterworfen wird, da die Änderung so beschaffen ist, daß sie im Zusammenhang mit der Änderung auftritt, die von dem Kontakt empfangen wird, kein Abschälen wegen des Diffusionseffekts in dem vorangehend genannten Diffusionsbereich auf.
Im folgenden sollen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen konkrete Ausführungsformen des Vakuumunterbrecherkontakts und des Verfahrens zum Herstellen desselben nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Zuerst soll der Schritt des Bildens einer metallischen Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite des Kontaktsubstrats beschrieben werden. Der Beschichtungsschritt, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, stellt ein Kontaktsubstrat 10 mit einer Dicke Xa her und bildet eine metallische Beschichtungsschicht 11 auf der Kontaktoberflächenseite zum Verhindern der Kontamination mit einer Dicke Xb auf der Kontaktoberfläche 10a des Kontaktsubstrats 10 nach dem Ionenbeschichtungsverfahren.
Hierbei können als Kontaktsubstrat zum Beispiel Cu-Bi-Legierungen, Cu-Te-Legierungen, Cu-W-Legierungen, Cu-WC-Legierungen, Ag-W-Legierungen, Ag-WC-Legierungen, Cu-Cr-Legierungen, Cu-Ti-Legierungen usw. in verschiedener Weise, je nach dem Zweck, verwendet werden. Als metallische Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite 11 kann zumindest ein Metall, welches aus Cu, Ag, Ni, Sn, In und Fe oder Legierungen hiervon ausgewählt ist, verwendet werden.
Als nächstes wird bei den Diffusionsschritt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die gebildete metallische Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite 11 auf der Kontaktoberfläche 10a des Kontaktsubstrats 10 diffundiert. Als das für eine solche Diffusion zu verwendende Mittel gibt es Mittel wie (1) die Diffusion als getrennter Schritt nach dem Abschließen des Beschichtungsschritts, (2) die gleichzeitige Diffusion in der Nähe der Grenzfläche während des Fortschreitens des Beschichtungsschritts, (3) die Diffusion durch Heizen während des Verlötens des Kontaktsubstrats 10, das die metallische Beschichtungsschicht 11 auf der Kontaktoberflächenseite aufweist, mit der Elektrode, (4) die Diffusion der beiden Fälle (1) und (2) als Kombination usw. Bei dem Diffusionsschritt wird die Diffusion von dem Kontaktsubstrat 10 zu der metallischen Beschichtungsschicht 11 auf der Kontaktoberfläche ebenfalls zur selben Zeit bewirkt.
Die Diffusionstiefe Xc muß mindestens 20% der anfänglichen Dicke Xb der metallischen Beschichtungsschicht 11 auf der Kontaktoberflächenseite betragen. Dies liegt daran, daß bei weniger als 20% die Festigkeit der Haftung an dem Kontaktsubstrat 10 geringer wird, wodurch die metallische Beschichtungsschicht 11 auf der Kontaktoberflächeriseite abgeschält wird, was zu einer Varianz in dem Wert des Kontaktwiderstands Anlaß gibt. Weiterhin muß die Dicke Xb-Xc der metallischen Beschichtungsschicht, die bei dem nicht diffundierten Bereich zurückbleibt, insbesondere bei dem Bereich in der Nähe der Kontaktoberfläche 10 um oder weniger sein, vorzugsweise 5 um oder weniger. Dies liegt daran, daß der Schweißwiderstand verringert wird, wenn die Restdicke der metallischen Beschichtungsschicht Xb-Xc 10 um überschreitet.
Zum Bilden der metallischen Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite 11 auf dem vorangehend genannten Kontaktsubstrat 10 ist es vorzuziehen, das Ionenbeschichtungsverfahren zu verwenden. Das elektrochemische Beschichtungsverfahren nach dem Stand der Technik ist nicht erstrebenswert, weil eine Korrosion mit der Beschichtungslösung an dem Kontakt auftritt, und das Vakuumabscheideverfahren ist wegen der geringen Haftfestigkeit nicht erstrebenswert. Nach dem Ionenbeschichtungsverfahren können diese Nachteile hinreichend aufgehoben werden und es kann die höchste Klasse eines Vakuumunterbrecherkontakts liefern.
Tabelle 1 zeigt die Auswertung der Kontaktwiderstandseigenschaften und der Schweißeigenschaften der Vakuumunterbrecherkontakte für Experimente bei Verwendung von Cu-50Cr-Legierungen. In der Tabelle zeigt Rc den Kontaktwiderstand. Tabelle 1 Kontaktsubstrat Metallische Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite (um) Verhältnis der Diffusionstiefe in Kontakt Xc zu Anfangsdicke Xb Kontaktwiderstand Schweißeigenschaft Bemerkungen Verhältnis von Xc zu Xb Bemerkungen Gew.-% Material Dicke Xb Dicke der Diffusion in Kontakt Xc Verhältnis von 100u oder weniger (%) Verhältnis von 100u oder mehr (%) Schweiß-Ziehkraft (kg) Vergleichsbeispiel Beispiel Rc: groß Re: große Varianz Tabelle 1 (Forts.) Kontaktsubstrat Metall. Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite Verhältnis der Diffusionstiefe in Kontakt Xc zu Anfangsdicke Xb Kontaktwiderstand Schweißeigenschaft Bemerkungen Verhältnis Xc/Xb Bemerkungen Gew.-% Material Dicke Xb Dicke der Diffusion in Kontakt Xc Verhältnis von 100u oder weniger (%) Verhältnis von 100u oder mehr (%) Schweißziehkraft (kg) Beispiel Vergleichsbeispiel Beispiel Tabelle 1 (Forts.) Kontaktsubstrat Metall. Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite (um) Verhältnis der Diffusionstiefe in Kontakt Xc zu Anfangsdicke Xb Kontaktwiderstand Schweißeigenschaft Bemerkungen Verhältnis Xc/Xb Bemerkungen Gew.-% Material Dicke Xb Dicke der Diffusion in Kontakt Xc Verhältnis von 100u oder weniger (%) Verhältnis von 100u oder mehr (%) Schweiß-Ziehkraft (kg) Beispiel Tabelle 1 Kontaktsubstrat Metall. Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite (um) Verhältnis der Diffusionstiefe in Kontakt Xc zu Anfangsdicke Xb Kontaktwiderstand Schweißeigenschaft Bemerkungen Verhältnis Xc/Xb Bemerkungen Gew.-% Material Dicke Xb Dicke der Diffusion in Kontakt Xc Verhältnis von 100u oder weniger (%) Verhältnis von 100u oder mehr (%) Schweiß-Ziehkraft (kg) Vergleichsbeispiel *1 Vakuumabscheidung *2 Galvanisieren
In Tabelle 1 wird ein Vergleich zwischen dem Fall, daß eine Schicht aus Cu jeweils auf die Kontaktoberfläche des Kontaktsubstrats 10 und die verlötete Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite mit Hilfe einer Ionenbeschichtungsvorrichtung aufgebracht wurde (Beispiele 1 - 4, Vergleichsbeispiele 1 - 2),
dem Fall, in dem eine Ag-Schicht aufgebracht wurde (Beispiel 5, Vergleichsbeispiel 3),
dem Fall, in dem eine Ni-Schicht aufgebracht wurde (Beispiel 6),
dem Fall, in dem eine Sn-Schicht aufgebracht wurde (Beispiel 7),
dem Fall, in dem eine In-Schicht aufgebracht wurde (Beispiel 8),
dies jeweils auf der Kontaktoberfläche des Kontaktsubstrats 10 und der verlöteten Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite mit Hilfe einer Ionenbeschichtungsvorrichtung, und weiterhin dem Fall, in dem keine Schicht auf die Kontaktoberfläche des Kontaktsubstrats 10 und die verlötete Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite aufgebracht wurde (Vergleichsbeispiel 7), angestellt.
Hierbei wird die Ionenbeschichtung durch das Anlegen einer Spannung von 2000 V unter einem Vakuum von 4 10&supmin;&sup5; mm Hg nach dem Heizen des Kontaktsubstrats 10 unter einer Evakuierung von 10&supmin;&sup5; mm Hg als Vorbehandlung durchgeführt. Die Dicke Xb der metallischen Beschichtungsschicht 11 auf der Kontaktoberflächenseite wird mit Hilfe von anderen Teststreifen, die nicht für verschiedene Versuche wie vorangehend beschrieben verwendet werden, gemessen, indem ein Schichtdickenmeßgerät und ein Ionenmikroanalysator in Kombination verwendet werden. Weiterhin wird die Diffusionstiefe Xc in das Kontaktsubstrat 10 durch mikroskopische Beobachtung des Querschnitts des Teststreifens und einen Röntgen-Mikroanalysator gemessen. Weiterhin ist bekannt, daß die Diffusion in das Kontaktsubstrat 10 während der Ionenbeschichtung in der Nähe der Grenzfläche und auch bei dem Vorgang der Lötbehandlung zwischen dem Kontakt und der Elektrode vonstatten geht, und daher wird die vorangehend genannte Diffusionstiefe Xc nach dem Durchführen der Lötbehandlung gemessen.
Der Kontakt, der mit der metallischen Beschichtungsschicht 11 versehen wurde, wird in einem isolierenden Gefäß eines Vakuumunterbrechers eingebaut und nachdem in dem isolierenden Gefäß ein Vakuum von mm Hg hergestellt wurde, wird es auf 600ºC aufgeheizt, um die Backbehandlung durchzuführen, welche weiterhin durch das Anlegen einer Spannung von ungefähr 80 kV gefolgt wird, um die Konditionierbehandlung zu bewirken. Der Kontaktwiderstand und die Schweißstärke des auf diese Weise erzielten Vakuumunterbrecherkontakts sind in Tabelle 1 gezeigt.
Hierbei wird der Kontaktwiderstand für zehn Vakuumunterbrecher durch das Hindurchleiten eines Gleichstroms von 10 A nach dem Kontaktieren von zehn Stellen für jeden Schalter gemessen, wobei der Elektrodenkontakt unter einer Kontaktlast von 20 kg steht. Der Kontaktwiderstand ist ausgedrückt durch das Verhältnis des Kontaktwiderstandswerts von weniger als 100 uΩ zu dem von 100 uΩ gezeigt. Die Schweißstärke wird in Einheiten der Ziehkraft (withdrawing force) des Kontakts nach dem Schweißen des Elektrodenkontakts unter den Bedingungen einer Kontaktlast von 50 kg, eines Stromflusses von 40 kA und einer Stromflußzeit von 10 ms gemessen.
Wie ebenfalls aus Tabelle 1 hervorgeht, kann man erkennen, daß bei einer Dicke Xb - Xc der auf der Kontaktoberflächenseite des Kontakts zurückbleibenden metallischen Beschichtungsschicht 11 von 5 um oder weniger, z.B. Beispiele 1 - 4, der Kontaktwiderstand bei weniger als 100 uΩ stabilisiert wird, daß jedoch im Fall einer Dicke von 5 um oder mehr, z.B. Vergleichsbeispiel 2, der Kontaktwiderstand 100 uΩ oder mehr werden kann, was zu einer instabilen Situation führt. Dies liegt daran, daß Risse oder Einbrüche auf der metallischen Beschichtungsschicht 11 als Ergebnis des Stoßes durch das Öffnen und Schließen des Kontaktes auftreten, wo Fremdmaterialien eindringen oder anhaften können, oder daß den Kontakt bildende Materialelemente, die von dem aufgeschichteten Metall verschieden sind, von der Basis zu der Oberfläche wandern können, wodurch der Kontaktwiderstand erhöht wird. Selbst wenn die Dicke Xb - Xc der verbleibenden metallischen Beschichtungsschicht 11 innerhalb eines bevorzugten Bereiches liegen kann, wenn es keine Diffusion zwischen der metallischen Beschichtungsschicht und dem Kontaktsubstrat gibt und trotzdem ein Festigkeitsproblem auftritt (z.B. Vergleichsbeispiel 1), kann man erkennen, daß der Kontaktwiderstand durch die Freilegung des Kontaktsubstrats aufgrund des Abschälens oder Abfallens der metallischen Beschichtungsschicht von dem Kontaktsubstrat instabil wird.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann dadurch, daß man die Dicke Xb - Xc der metallischen Beschichtungsschicht 11, welche auf der Kontaktoberflächenseite des Kontakts 5 zurückbleibt, zu 5 um oder weniger und dennoch das Verhältnis der Diffusionstiefe Xc zu der Dicke der metallischen Beschichtungsschicht Xb 20% oder mehr macht, ein Vakuumunterbrecher mit einem stabilen Kontaktwiderstand erzielt werden.
Dasselbe gilt auch, wenn die Materialzusammensetzung der metallischen Beschichtungsschicht 11 aus Ag besteht. Das heißt, daß im Fall einer Dicke Xb-Xc der metallischen Beschichtungsschicht 11 von 10 um (z. B. Vergleichsbeispiel 3) die Schwankung in den Kontaktwiderstand als unvorteilhaft erkannt wird, daß man jedoch in dem Fall, daß die Dicke Xb-Xc der metallischen Beschichtungsschicht 11 3 um und dennoch das Verhältnis der Diffusionstiefe Xc zu der Dicke der metallischen Beschichtungsschicht Xb 63% ist (z.B. Beispiel 5), erkennen kann, daß der Kontaktwiderstand stabil ist.
Man kann ebenfalls erkennen, daß die Dicke Xb-Xc ebenfalls einen Einfluß auf die Schweißeigenschaf ten hat. Wenn zum Beispiel die Dicke Xb-Xc 15 mm beträgt (z.B. Vergleichsbeispiel 2), kann man erkennen, daß die Schweiß-Ziehkraft (welding withdrawing force) groß ist und trotzdem eine große Varianzbreite aufweist. Dieser Umstand ist offensichtlich, wenn man mit dem Fall des Cu-Cr-Kontakts ohne eine metallische Beschichtungsschicht vergleicht (z.B. Vergleichsbeispiel 7).
Weiter kann man erkennen, daß das Abschälen der metallischen Beschichtungsschicht 11 leicht geschehen kann, wenn die metallische Beschichtungsschicht durch das Vakuumdampfabscheidungsverfahren oder das Galvanisierverfahren gebildet wird (z.B. Vergleichsbeispiele 8 - 9). Hieraus kann man die Überlegenheit des Ionenbeschichtungsverfahrens ersehen.
Die Auswirkungen und die Tendenz, wie sie vorangehend beschrieben wurden, sind dieselben, auch wenn das Kontaktmaterial vom Typ Cu-Bi, Cu-Pb, Cu-Te, Cu-Sb sein kann (z.B. Beispiele 9 -12) und dieser Umstand ist auch offensichtlich, wenn man mit dem Fall des Typs Cu-Te ohne die metallische Beschichtungsschicht vergleicht (z.B. Vergleichsbeispiel 4). Die vorangehend beschriebenen Auswirkungen und die vorangehend beschriebene Tendenz sind auch dieselben bei den anderen Kontaktmaterialien, dem Cu-W-Sb-Typ, dem Cu-Mo-Typ, dem Cu-Ti- Typ, dem Ag-Wc-Co-Typ, dem Cu-MoC-Typ, dem Cu-TiC-Typ, dem Cu- Cr&sub3;C&sub2;-Typ (z.B. Beispiele 13 - 19), und dieser Umstand ist auch offensichtlich, wenn man mit dem Fall des Cu-Ti-, Cu-TiC-, Cu-Cr-Kontakts ohne die metallische Beschichtungsschicht vergleicht (z.B. Vergleichsbeispiel 5 - 7).
Weiterhin bildet als Material für das Kontaktsubstrat 10 Kupfer keine Einschränkung, sondern Ag kann verwendet werden. Wenn Ag als Material für das Kontaktsubstrat verwendet wird (z.B. Beispiel 16), können die vorangehend beschriebenen Auswirkungen und die vorangehend beschriebene Tendenz ebenfalls erreicht werden.
Als nächstes soll der Schritt des Bildens einer metallischen Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite des Kontaktsubstrats beschrieben werden. Der Beschichtungsschritt, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, stellt ein Kontaktsubstrat 10 her und bildet eine metallische Verbindungs-Beschichtungsschicht 12 auf der Oberflächenseite auf der durch Löten verbundenen Oberfläche, wie einer Elektrode, nach dem Ionenbeschichtungsverfahren her. Hierbei können als Kontaktsubstrat 10 außer dem Cu-Cr-System das Cu-Ti-System, Kontaktmaterialien, welche aktive Metalle wie Cr, Ti, Al umfassen, usw. in verschiedener Weise je nach dem Zweck geeignet verwendet werden. Als metallische Beschichtungsschicht 12 auf der Verbindungsoberflächeseite kann zumindest ein Metall, das aus Cu, Ag und Ni ausgewählt ist, verwendet werden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird auch ein Kontaktsubstrat 10 hergestellt und eine metallische Beschichtungsschicht 12 auf der Verbindungsoberflächenseite wird nach dem Ionenbeschichtungsverfahren auf der Lötverbindungsoberflächenseite, wie einer Elektrode, gebildet. Hierbei werden als das Kontaktsubstrat 10 zusätzlich zu den Kdntaktmaterialien Materialien wie Cu-Bi-Materialien, Cu-Te-Materialien, Cu-W-Materialien, Cu-WC- Materialien, Ag-W-Materialien oder Ag-WC-Materialien in verschiedener Weise so verwendet, daß sie in geeigneter Weise dem Zweck entsprechen. Als Barrierenschicht 13 können Fe, Ni oder beide Metalle verwendet werden und als die metallische Beschichtungsschicht auf der Verbindungsoberflächenseite kann zumindest ein Metall verwendet werden, das aus Cu, Ag und Ni ausgewählt ist.
Wenn der so gebildete Kontakt mit einer Elektrode durch Silberlöten verbunden wird, diffundiert die metallische Beschichtungsschicht 12 oder die Barrierenschicht 13 in das Kontakt substrat 10.
Zum Bilden der metallischen Beschichtungsschicht auf der Verbindungsoberflächenseite 12 oder der Barrierenschicht 13 auf dem vorangehend genannten Kontaktsubstrat 10 ist es bevorzugt, das Ionenbeschichtungsverfahren zu verwenden. Der Grund ist derselbe wie der, der für den Fall des Bildens der metallischen Beschichtungsschicht auf der Kontaktoberflächenseite 11 erläutert wurde.
Bei den Tabellen 2 - 3 wurden Vakuumunterbrecherkontakte für Versuche mit Hilfe von Cu-50Cr gebildet und die Ergebnisse der Auswertung der Zugfestigkeit bei dem Silberlötabschnitt der Kontakte sind gezeigt. Tabelle 2 Metall. Beschichtungsschicht auf der Verbindungsoberfläche Kontaktsubstrat Gew.-% Zugfestigkeit (kgf/mm²) Material Dicke (um) Vergleichsbeispiel Beispiel Tabelle 3 Metall. Beschichtungsschicht auf der Verbindungsoberfläche Barrierenschicht Kontaktsubstrat Gew.-% Zugfestigkeit (kgf/mm²) Material Dicke (um) Beispiel
In den Tabellen 2 - 3 wird ein Vergleich zwischen dem Fall, daß eine Cu-Schicht auf die Verbindungsoberfläche des Kontaktsubstrats 10 mit Hilfe einer Ionenbeschichtungsvorrichtung aufgebracht wurde (Beispiele 20 - 23),
dem Fall, daß eine Ni-Schicht aufgebracht wurde (Beispiele 25 - 27),
dem Fall, daß eine Ni-Schicht als Barrierenschicht 13 aufgebracht wurde (Beispiele 28 - 32),
dem Fall, daß eine Fe-Schicht aufgebracht wurde,
dem Fall, daß eine Schicht aus einer Mischung von jeweils 50% Fe und Ni aufgebracht wurde (Beispiel 35)
und weiterhin dem Fall, daß keine Schicht auf die Verbindungsoberfläche des Kontaktsubstrats 10 aufgebracht wurde (Vergleichsbeispiel 10), angestellt.
Hierbei wird das Ionenbeschichten durch das Anlegen einer Spannung von 2000 V bei einem Vakuum von 4 10&supmin;&sup5; mm Hg nach dem Heizen des Kontaktsubstrats 10 bei einer Evakuierung von 10&supmin;&sup5; mm Hg als Vorbehandlung durchgeführt. Die Dicken der metallischen Beschichtungsschicht 12 auf der Verbindungsoberflächenseite und der Barrierenschicht 13 wurden mit Hilfe von anderen Teststreifen, die nicht für verschiedene Versuche wie vorangehend beschrieben verwendet wurden, durch die kombinierte Verwendung eines Schichtdickenmeßgeräts und eines Ionen-Mikroanalysators und außerdem durch die mikroskopische Beobachtung des Teststreifen-Querschnitts und einen Röntgen-Mikroanalysator gemessen. Das Messen der Dicke wurde vor der Silberlötbehandlung durchgeführt.
Der solchermaßen erzielte Vakuumunterbrecherkontakt wurde mit Hilfe von Lötmaterialien auf Cu- und Ag-Basis zum Verbinden in einer wasserstoffverringernden Atmosphäre verlötet, um ein Versuchsstück zum Auswerten der Zugfestigkeit zu bauen. Zum Vergleich wurde außerdem das Kontaktsubstrat ohne die metallische Beschichtungsschicht in ähnlicher Weise eingebaut. Die Anzahl der zur Verfügung gestellten Proben betrug 20 für jeden Fall und die Versuchsstücke wurden in einem Zugfestigkeits- Prüfgerät vermessen.
Wie auch aus den Tabellen 2 - 3 hervorgeht, stellte man bei Abwesenheit der metallischen Beschichtungsschicht (Vergleichsbeispiel 10) fest, daß die Zugfestigkeit 2,2 kg/mm² - 3,8 kg/mm² betrug, was das Abbrechen von den verlöteten Teil anzeigt. Im Gegensatz hierzu stellte man fest, daß nach den vorliegenden Beispielen 20 - 35 alle von dem Kontaktsubstratabschnitt abgebrochen wurden und man erkennt, daß die Festigkeit des Lötabschnitts, verglichen mit dem Beispiel nach dem Stand der Technik, im hohen Maße verbessert wurde.
Der vorangehend beschriebene Effekt ist nicht auf den Fall des Materials des Kontaktsubstrats aus einer Cu-Cr-Legierung beschränkt; vielmehr trifft dasselbe auch bei denjenigen zu, welche aktive Metalle wie Cr, Ti, Al usw. enthalten, und der Effekt wird auffällig, wenn ihr Gehalt größer ist, zum Beispiel 20 Gew.-% oder mehr. Auch bei dem Fall, daß keine aktiven Metalle, wie Cr, Ti, Ag usw., enthalten waren, ist, wenn man die Kontamination mit einer Oxidschicht vor dem Zusammenbau des Vakuumunterbrechers betrachtet, das Verfahren der vorliegenden Erfindung unabhängig von den Komponenten des Kontaktsubstrats effizient.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist es außerdem möglich, das vorangehend genannte Lötmaterial auf Cu- oder Ag-Basis 14 zum Verbinden nach dem Ionenbeschichtungsverfahren auf dem Kontaktsubstrat 10 vor dem Verlöten auszubilden. Als Verfahren zum Ausbilden der metallischen Beschichtungsschicht, der Barrierenschicht, des Lötmaterials usw. können, entsprechend der erforderlichen Verbindungsfestigkeit, außer dem Ionenbeschichtungsverfahren auch andere Dünnschichttechniken in Kombination praktiziert werden.
Weiterhin ist die Bildung einer großen Anzahl von geeigneten Beschichtungsschichten, in Abhängigkeit von dem Zweck und der Verwendung, offensichtlich effizient, vorausgesetzt, daß das Prinzip der vorliegenden Erfindung nicht geändert wird. Weiterhin hat bei einer Dicke der metallischen Beschichtungsschicht auf der Verbindungsoberflächenseite eine Barrierenschicht von weniger als 1 um keine ausreichende Wirkung hinsichtlich des Verhinderns der Oberflächenoxidation, während eine Dicke oberhalb von 10 um nicht großtechnisch ist, weil zu viel Zeit für das Bilden der Beschichtungsschicht erforderlich ist, auch wenn der Effekt der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Wie vorangehend beschrieben wurde, ist es gemäß den vorliegenden Beispielen möglich, einen Vakuumunterbrecherkontakt mit hoher Zuverlässigkeit, der keine Stelle mit einem Kontaktwiderstand, der so groß wie 100 uΩ ist, bei geringer Varianz in dem Wert des Kontaktwiderstands zu erzielen, wobei weiterhin der Mittelwert des Kontaktwiderstandswert auf 50 uΩ oder weniger herabgedrückt ist. Weiterhin kann nicht nur eine Verbesserung der Stabilität des Kontaktwiderstands erreicht werden, sondern es kann auch die Schweiß-Ziehkraft klein gehalten werden und weiterhin kann die Verbindungsstärke bei dem Lötabschnitt verbessert werden.
Wie man offensichtlich aus der vorangehenden Beschreibung erkennen kann, kann man gemäß der vorliegenden Erfindung einen Vakuumunterbrecherkontakt mit hoher Zuverlässigkeit bei geringem Kontaktwiderstand und außerdem bei geringer Varianz des Werts des Kontaktwiderstands erreicht, der in der Lage ist, die Schweiß-Ziehkraft klein zu halten und dennoch eine große Verbindungsfestigkeit bei dem Lötabschnitt aufweist.

Claims

1. Vakuumschalterkontakt, welcher umfaßt:

- ein Schalterkontaktsubstrat mit einer vorbestimmten Form und

- eine metallische Beschichtungsschicht, welche zumindest auf einem Teil der Oberfläche der Seite des Schalterkontaktsubstrats ausgebildet ist, wo der gegenüberliegende Schalterkontakt in Kontakt damit ist,

wobei die metallische Beschichtungsschicht zumindest ein Metall umfaßt, welches aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Cu, Ag, Ni, Sn, In, Fe und Legierungen hiervon besteht, und diese metallische Beschichtungsschicht eine Dicke von 10um oder weniger aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Teil der metallischen Beschichtungsschicht zumindest in einen Teil des Kontaktsubstrats diffundiert ist.

2. Vakuumschalterkontakt nach Anspruch 1, bei dem die metallische Beschichtungsschicht eine Dicke von 5um oder weniger aufweist.

3. Vakuumschalterkontakt nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die metallische Beschichtungsschicht auf der Oberfläche der zu verlötenden Seite des Kontaktsubstrats ausgebildet ist.

4. Vakuumschalterkontakt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die metallische Beschichtungsschicht durch das Ionenplattierungsverfahren ausgebildet ist.

5. Vakuumschalterkontakt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Tiefe der Diffusion der metallischen Beschichtungsschicht in das Kontaktsubstrat mindestens 20% der Dicke der metallischen Beschichtungsschicht vor der Diffusion erreicht hat.

6. Vakuumschalterkontakt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Barrierenschicht, welche Fe und/oder Ni umfaßt, zwischen dem Substrat und der metallischen Beschichtungsschicht ausgebildet ist.

7. Vakuumschalterkontakt nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem metallische Beschichtungsschichten sowohl auf der Oberfläche auf der Seite, wo der gegenüberliegende Kontakt des Kontaktsubstrats in Kontakt ist, als auch auf der Oberfläche auf der zu verlötenden Seite ausgebildet sind.

8. Vakuumschalterkontakt nach Anspruch 1, bei dem das Kontaktsubstrat eine Legierung umfaßt, welche 20 Gew.-% bis 80 Gew.-% zumindest eines Materials aus Al, Ti und Cr umfaßt, wobei der Rest Cu und/oder Ag umfaßt.

9. Vakuumschalter, welcher mit dem Kontakt nach Anspruch 1 ausgerüstet ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Vakuumschalterkontakts, welches einen Beschichtungsschritt zum Ausbilden einer metallischen Beschichtungsschicht zumindest auf einem Teil der Oberfläche eines Schalterkontaktsubstrats mit einer vorbestimmten Form bis zu einer Dicke von 10um oder weniger umfaßt, wobei die metallische Beschichtungsschicht zumindest ein Metall umfaßt, das aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Cu, Ag, Ni, Sn, In, Fe und Legierungen hiervon besteht,

gekennzeichnet durch einen Diffusionsschritt zum Diffundieren eines Teils der metallischen Beschichtungsschicht zumindest in einen Teil des Kontaktsubstrats.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in dem Diffusionsschritt die Tiefe der Diffusion der metallischen Beschichtungsschicht in das Kontaktsubstrat zumindest 20% der Dicke der metallischen Beschichtungsschicht vor der Diffusion erreicht.

12. Prozeß nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Diffusionsschritt so ausgeführt wird, daß die Dicke der metallischen Beschichtungsschicht in dem nicht diffundierten Abschnitt, welcher an der Oberfläche des Kontaktsubstrats vorhanden ist, in dem Bereich von 0um bis 5um liegen kann.

13. Prozeß nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem der Beschichtungsschritt gemäß dem Ionenplattierungsverfahren ausgeführt wird.

14. Prozeß nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem der Diffusionsschritt durch Heizen bei einer Temperatur von mindestens 400ºC ausgeführt wird.

15. Prozeß nach einem der Ansprüche 10 bis 14, welcher den Schritt des Ausbildens einer Fe und/oder Ni enthaltenden Barrierenschicht auf der Oberfläche des Substrats vor dem Beschichtungsschritt umfaßt.

16. Prozeß nach einem der Ansprüche 10 bis 15, welcher weiterhin den Schritt des Unterziehens der Oberfläche der metallischen Beschichtungsschicht unter eine Konditionierbehandlung umfaßt.

17. Prozeß nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem das Heizen in dem Diffusionsschritt gleichzeitig mit den Heizen zum Verlöten des Kontakts ausgeführt wird.

18. Prozeß nach Anspruch 15, welcher den Schritt des Verbindens eines Lötmaterials auf Cu- und/oder Ag-Basis mit der Oberfläche der metallischen Beschichtungsschicht umfaßt.

19. Prozeß nach Anspruch 18, bei dem die Schicht des Lötmaterials nach dem Ionenplattierungsverfahren ausgebildet wird.

20. Prozeß nach einem der Ansprüche 10 bis 19, bei dem das Kontaktsubstrat eine Legierung umfaßt, welche 20 Gew.-% bis 80 Gew.-% von mindestens einer Sorte aus Al, Ti und Cr enthält, wobei der Rest Cu und/oder Ag umfaßt.