KR20010050139A - 내부에 내마모 입자들을 갖는 전기 증착된 귀금속 피니시 - Google Patents

Abstract

전기 커넥터는 금속 베이스 및 이 베이스 상에 표면 피니시 층을 갖는 커넥터 접촉부를 포함하며, 이 표면 피니시 층은 전기도금된 귀금속 조성물 및 그 안에 소산된 내마모 입자들로 이루어진 복합체다. 바람직한 실시예에서, 귀금속 층은 PdCo 합금이고, 내마모 입자들은 서브-미크론 크기의 윤할 입자들, 예컨대 폴리테트라플루오르화에틸렌 입자들이며, 금의 플래시 코트가 복합층 위에 제공된다.

Description

내부에 내마모 입자들을 갖는 전기 증착된 귀금속 피니시{ELECTRODEPOSITED PRECIOUS METAL FINISHES HAVING WEAR RESISTANT PARTICLES THEREIN}

본 발명은 그 안에 내마모 입자들을 갖는 귀금속 및 합성 도금된 제조물을 포함하는 다층도금을 증착하는 전기증착 프로세스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 높은 신뢰도를 갖는 전자 커넥터(connector)용 표면 피니시에 매우 유용하며 그 안에 내마모 입자들을 갖는 전기도금된 표면 피니시에 관한 것이다.

현재 전자 기술의 추세는 보다 작게하고 그리고 접촉 소자들의 수를 증가시키기 위해서 전자 커넥터들, 예컨대 인쇠 회로 기판에 대한 집적 회로 장치용 커넥터로 관심이 쏠리고 있다. 결과적으로, 접촉부들을 메이팅(mating)시킬 시 진입 압력은 스프링력이 감소되지 않는 경우 증가한다. 이것은, 예컨대 마모 주기 함수로서의 마찰력 또는 접촉 저항에 의해 측정되는 것으로서 긍극적으로 원하지 않는 접촉부 마모를 증가시킬 수 있다.

여러 가지 유형의 다층도금된 코팅들이 도금 분야 및 다른 분야에서 공지된다. 예를 들면, Henry 등이 발표한 미국 특허 번호 4,830,889 및 Feldstein이 발표한 미국 특허 번호 5,721,055는 무전해 니켈 도금 바스(bath)로부터 불화 폴리에틸렌(fluorinated polyethylent) 및 니켈을 상호 증착시키는 것에 관해 기술한다. 역사적으로, 무전해 또는 자동 촉매 도금은 전기도금 기술과는 별개의 상이한 기술로서 취급되왔으며, 후자는 증착용 전류가 발생할 것을 요구한다. Feldstein이 기술한 도금된 제조물들은 직물 방적 기계 부품들이다. Henry 등은 이러한 상호 증착에 대한 일반적인 여러 개의 활용들을 발표한다. Henry 등은 "불화 탄소가 전기도금 프로세스에서 기판 표면 상에 직접 상호 증착된다"고 진술하지만, 그러나 증착되는 프로세스 또는 금속에 대한 어떤 설명도 주어지지 않았다. Itoh 등이 발표한 미국 특허 번호 5,103,637은 그 안에 소산된 세라믹 산화물 입자들과 같은 내열 입자들을 갖는 니켈 또는 구리 합금 등의 금속 매트릭스를 포함하는 표면을 갖는 로켓 엔진 연소실에 관한 것이다. 이 표면은 전기도금에 의해 형성된다. 또한, Tsuchiya 등이 발표한 미국 특허 번호 5,124,007은 피스톤 링 상에서 이용하기 위해 그안에 소산된 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 텅스텐 탄화물 등의 입자들을 갖는 복합 전기도금된 니켈을 기술한다.

귀금속을 윤할 입자들과 함께 다층 도금하는 귀금속 전기도금 바스 및 다층 도금하는 프로세스가 기술된다.

본 발명은 또한 귀금속 및 제조물 표면 내부에 소산된 윤할 입자들을 포함하는 전기도금된 귀금속 복합체를 갖는 제조물을 포함한다.

본 발명은 특히 접촉 도전율을 많이 잃지 않고도 개선된 마모 특성을 갖는 커넥터를 제공하기 위해서 도전 베이스(base) 금속 및 합성 전자 커넥터를 갖는 전기 커넥터의 표면을 코팅하는 방법 및 도금에 관한 것이다.

특히, 바람직한 프로세스는 애노드(anode)와 캐소드(cathode)를 가지며 팔라듐 이온 수용액 및 그 안에 소산된 윤할 플루오르폴리머(fluoropolymer)를 갖는 코발트 이온들을 포함하는 전기도금 바스를 이용하는 것을 포함한다. 전자 커넥터와 같은 도금될 제조물은 자체로 이루어지거나 바스의 캐소드와 전기적으로 접촉하고 그리고 도금 바스에 잠기는 도전 베이스 금속을 포함한다. 도금은 바스가 흔들리는 동안 전류를 바스를 통해 통하게 함으로써 시작된다. 합성 증착은 그안에 소산된 플루오르폴리머를 갖는 PdCo 합금이다.

도 1은 높은 신뢰도를 갖는 전기 커넥터에 유용하며 슬라이딩 마모를 측정하기 위한 전기증착된 층 구조에 대한 구성도,

도 2는 표면상의 마모 및 마찰력을 측정하는데 유용한 장치에 대한 구성도,

도 3은 슬라이딩(sliding) 마모 테스트에 의해 측정되는 것으로서, 마모 주기 수의 함수로서 다수의 귀금속 피니시의 마찰 계수에 대한 도표,

도 4는 도 3에 도시된 도표에 대한 그래픽적인 표현도.

일반적으로, 높은 신뢰도를 지닌 커넥터를 요구하는 현재의 전자 상호접속은 산화 또는 다른 화학적 열화에 대해 낮은 전기 저항 및 저항을 제공하기 위해서 귀금속 피니시를 사용한다. 진입력(entry force)은 스프링력을 감소시키는 대신에, 메이팅 부품들 간의 마찰, 스프링력을 낮춤으로써 감소될 수 있는 경우, 접속 신뢰도가 유지될 수 있다. 그러나, 이것은 접촉 저항을 많이 증가시키지 않고 수행되어야 한다. 이와 달리, 그안에 소산된 단단한 입자들을 제공하여 귀금속 코팅의 마모 저항을 증가시킴으로써, 접촉 신뢰도가 유지될 수 있다.

전기 증착된 귀금속 층을 갖는 불화 폴리에틸렌과 같은 윤활 입자들을 상호 증착시킴으로써, 진입 마찰력은 접촉 저항의 많은 이득 없이 그리고 전기 커넥터의 증가된 마모 저항으로 상당히 감소될 수 있다. 유사하게, 귀금속 층 보다 훨씬 단단한 입자들을 상호 증착하는 경우, 접촉 마모 저항을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 이러한 애플리케이션을 위해, 용어 "내마모 입자들"은 마찰 계수를 줄이는 윤할 입자들 및 귀금속 층의 마찰 마모를 방지하거나 줄이는 단단한 입자들을 포함할 것이다.

본 발명이 전자 커넥터용 표면 피니시 이용에 대한 바람직한 실시예의 견지에서 기술되는 동안, 본 발명이 그것으로 제한되서는 안된다. 따라서, 바람직한 실시예에서 제안된 것들 대신에 다른 귀금속 전기도금 바스 및/또는 다른 상호 증착된 입자들로 대체할 수 있다. 예를 들면, 여기에 기술된 PdCo 도금 바스 대신에 다른 공지된 전기도금 바스, 예컨대 상업적으로 이용 가능한 Pd, Au, Pt 또는 PdNi 또는 다른 귀금속 합금 바스로 대체할 수 있다. 유사하게, 소정의 귀금속 바스들에서 바람직한 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 입자들 대신에 흑연, 붕소 질화물(BN) 또는 벅민스터풀레런스(buckminsterfullerence)(C₆₀) 또는 다른 마모 향상 입자들과 같은 윤할 입자들로 대체할 수 있다. 부가적으로, 도금된 표면의 접촉 저항을 많이 증가시키지 않는 한, 마모 저항을 제공하기 위해서 BN 또는 AlN 등의 질화물 또는 SiC, WC 등과 같은 탄화물 및 다이아몬드를 사용할 수 있다. 또한, 합성 제조물은 비도전 입자들을 사용할 시 복합 피니시 접촉 저항을 충분히 증가시키지 못하기 때문에 주로 이용하는 것이지만, 전자 커넥터들로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 도금 바스는 약 35 내지 약 45g/l의 Pd, 약 6 내지 10 g/l의 Co 및 약 2 내지 약 5 ml/l의 Dupont PTFE(30)를 포함하는 황산염 바스이며, 플루오르 소산은 물속에 총 무게의 약 60%의 농도이며 직경이 약 0.05 내지 0.5㎛인 폴리테트라플루로르에틸렌(PTFE) 입작들을 갖는다. 바스 성분들의 다른 농도는 마찬가지로 사용될 수 있으며, 본 발명은 전술된 조성물을 갖는 바스를 이용하는 것으로 제한되는 것은 아니다.

통상의 바람직한 바스의 도금 조건은 약 0.25 내지 약 3m/sec로 흔들리면서 약 50 내지 약 700ASF의 전류 밀도, 약 7 내지 약 7.5 pH에서 약 45℃ 내지 약 60℃의 바스 온도를 포함한다. 합성 증착은 그 안에 균일하게 소산된 PTFE 입자들을 갖는 20-30wt.% 의 Co를 포함하는 PdCo 합금을 포함한다. 그러나, 5-35wt.% Co를 포함하는 PdCo 합금이 적당하다. 통상, 전자 커넥터의 경우에, 도금이 일어나는 기판은 바람직하게는 그 위에 증착된 Ni 층을 갖는 벌크(bulk) Cu 다. Ni 층에 대한 적당한 두께는 2-3㎛ 대 이지만, 그 이상 또는 이하일 수 있다. 그러나, 기판은 구리일 필요는 없지만, 소정의 다른 도전 물질일 수 있다. 니켈 위에 놓이는 전기도금된 귀금속 혼합물의 두께는, 그것이 존재할 시 및 존재하는 경우, 통상 약 1㎛ 대이지만, 이 두께 이상 또는 이하일 수 있다. 바람직하게는, 전기증착 다음에, 두께가 0.1㎛대인 금으로 이루어진 얇은 플래시(flash) 코팅이 PdCo 합금 - 플루오르폴리머 혼합층 - 위에 제공된다.

그 안에 비도전 윤할 입자들을 갖는 코팅은 이러한 입자들이 없는 코팅과 비교할 시에 표면 마찰을 줄이고, 이러한 입자들의 존재로 인해 양적으로 마찰을 상당히 감소시킬 수 있음을 기대할 수 있는 반면, 또한 전기 커넥터에 이용하는데 부적합하게 하는 표면 접촉 저항을 상당히 증가시킬 것이다. 이것은 그러한 경우가 아님을 알았다.

인용참조로서 여기에 통합되는 1999년 2월 발표된 Connector Specifier의 페이지 12의 "Palladium-Cobalt Makes a Superior Finish"의 최근 논문에서, (윤할 상호 증착이 없는)PdCo 시스템을 기술하며, 이 시스템을 PdNi 및 Hard-Au와 비교한다. 표면 커넥터 접촉에 대한 장기간의 성능 특성을 측정하기 위해서, 슬라이딩 마모로 불리는 중요한 매개변수가 존재한다. 슬라이딩 마모 테스트는 전기도금된 피니시의 경도 및 감마력을 측정한다. 이들은 접촉 저항과 함께, 높은 신뢰도를 갖는 전자 커넥터를 설계할 시 고려되어야 할 중요한 인자들이다.

도 2에 도시된 것처럼 라이더(rider) 및 플랫(flat) 장치를 이용하여 슬라이딩 마모를 측정한다. 이 라이더는 반경이 1.75mm인 리벳(river)이며, 이 플랫은 구리로부터 제조되는 직경 25mm의 디스크다. 메이티드된 샘플들은 동일한 표면 피니시로 도금된다. (약 1.0N)100그램의 로드가 라이더에 인가되며, 진폭이 12.5mm인 상반된 움직임이 30 cycles/min(0.5Hz)의 속도로 강요된다.

슬라이딩 마모 테스트에 대한 테스트 샘플의 경우에, 이 샘플들은 본 발명에 따라 만들어진 높은 신뢰도를 갖는 커넥터에서 발견할 수 있는 층들을 묘사하며, 이것은 도 1을 참조하여 도시된다. 도시된 것처럼, 통상 두께가 약 2.5㎛ 인 Ni 층이 구리 기판 상에 전기증착 등에 의해 형성된다. 그 안에 소산된 윤할 입자들을 갖는 새로운 전기증착된 PdCo 합금이 Ni 층 위에 형성된다. PdCo 층은 통상 두께가 약 ㎛이다. 그 다음, 0.1㎛의 금 플래시 층이 바람직하게는 복합 층 위에 형성된다.

슬라이딩 마모 성능은 마찰력 및 접촉 저항을 측정함으로써 검사된다. 마찰력은 스트레인(strain) 계측기에 의해 측정되며, 접촉 저항은 전압 강하를 측정하는 동안 시스템을 통과하는 25㎃의 전류를 사용하여 동시에 측정된다.

슬라이딩 마모 테스트 결과(도 3 및 4)는, 귀금속 피니시의 마찰력이 전기 접촉 저항을 많이 증가시키지 않고 전기도금하는 동안 비도전 윤활 입자들을 피니시 내에 통합함으로써 상당히 감소될 수 있다. 다수의 피니시용 마모 주기들의 함수로서 슬라이딩 마모 테스트에 의해 측정되는 마찰 계수들을 비교하는 것이 도 3에 도시된다. 이 도면으로부터 알 수 있듯이, 새로운 피니시는 테스트되는 주기 범위 내내 가장 낮은 마찰 계수를 갖는다. 또한, 새로운 피니시에 대한 10,000 개의 슬라이딩 마모 주기들 동안 측정된 접촉 저항은 단지 약 3-4mΩ이다.

출원인들은 특히 전기 커넥터들의 접촉 핀들에 대한 표면 피니시로서 이용하기 위해, 그들의 발명이 소정의 전기 분해 방식으로 상호 증착된 귀금속/윤할 또는 마모를 감소시키기 위해 내마모 입자 표면 피니시를 포함하는 것으로 고려할 것이다.

본 발명에 따른 도전 베이스(base) 금속 및 합성 전자 커넥터를 갖는 전기 커넥터의 표면을 코팅하는 방법 및 도금을 제공함으로써, 특히 접촉 도전율을 많이 잃지 않고도 개선된 마모 특성을 갖는 커넥터를 제공한다.

Claims (24)

1. 커넥터 접촉부들을 포함하는 전기 커넥터에 있어서,

   상기 접촉부들은 금속 베이스 및 상기 베이스 위에 표면 종료 층을 포함하며, 상기 표면 종료 층은 그 안에 소산된 내마모 입자들을 갖는 전기도금된 귀금속 조성물로 이루어진 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 귀금속 조성물은 Pd, Au, Pt 및 이것들의 합금들을 포함하는 그룹 요소로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 내마모 입자들은 윤할 입자들인 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 귀금속 조성물은 PdCo 합금인 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 합금은 약 5 내지 35 wt.%의 Co를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 윤할 입자들은 서브-미크론(sub-micron)의 평균 입자 크기를 갖는 플루오르폴리머(fluoropolymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 베이스 금속 및 상기 전기도금된 복합체 사이에 얇은 Ni 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기도금된 복합체 층 위에 플래시 Au 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 내마모 입자들은 상기 귀금속 조성물 경도보다 훨씬 높은 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
10. 커넥터 접촉부들을 포함하는 전기 커넥터에 있어서,

    상기 접촉부들은 베이스 금속, 그 위에 얇은 니켈 층, 및 상기 니켈 층 위의 내부에 소산된 폴리머 플루오르화탄소 윤할 입자들을 갖는 얇은 PdCo 합금 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 베이스 금속은 구리인 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 PdCo 층 위에 금으로 이루어진 플래시 코트(coat)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 윤할 입자들은 서브-미크론 크기의 폴리테트라플루오르에틸렌 (polytetrafluoroethylene) 입자들인 것을 특징으로 하는 전기 커넥터.
14. 베이스 금속 위에 전기도금된 내마모 표면 피니시를 포함하는 제조물에 있어서,

    상기 표면 피니시는 그 안에 소산되는 내마모 입자들을 갖는 귀금속 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조물.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 귀금속 조성물은 Pd, Au, Pt 및 이것들의 합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제조물.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 귀금속 조성물은 PdCo 합금이며, 상기 입자들은 플루오르화탄소 폴리머들인 것을 특징으로 하는 제조물.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 내마모 입자들은 탄화물, 질화물 및 플루오르화탄소 폴리머들로 이루어진 그룹 중 적어도 하나의 요소를 포함하는 제조물.
18. 제 16 항에 있어서,

    상기 베이스 금속 및 상기 귀금속 조성물 사이에 얇은 니켈층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조물.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 귀금속 조성물 위에 금 플래시 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조물.
20. 수성 황산염 용액 안에 소산된 서브-미크론 크기의 내마모 입자들을 갖는 팔라듐과 코발트로 이루어진 수성 황산염 용액을 포함하는 PdCo 합금 안에 소산되며 내마모 입자들을 갖는 PdCo 합금으로 이루어진 복합층을 증착하는 전기도금 바스.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 바스 내의 팔라듐 이온들의 농도는 약 35 내지 약 45 g/l이며, 상기 바스 내의 코발트 이온들의 농도는 약 6 내지 약 10g/l 이며, 상기 바스의 pH는 약 7 내지 약 7.5인 것을 특징으로 하는 전기 도금 바스.
22. 노출된 금속 표면을 갖는 제조물 상에 내마모 표면을 형성하는 방법에 있어서,

    상기 제조물을 귀금속 수용액 - 상기 용액은 그 안에 소산된 서브-미크론 크기의 내마모 입자들을 갖는다 - 을 포함하는 전기도금 바스 내에 배치시키는 단계,

    상기 귀금속 및 내마모 입자들을 상호 증착시키기 위해서, 상기 제조물의 상기 노출된 금속 표면을 도금 바스 캐소드와 접촉시켜서 상기 바스의 애노드와 상기 캐소드 간에 적절한 전압에서의 전류를 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 노출된 금속 표면을 갖는 제조물 상에 내마모 표면을 형성하는 방법.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 바스는 그 안에 소산된 서브-미크론 크기의 내마모 입자들을 갖는 팔라듐 및 코발트로 이루어진 수성 황산염 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 노출된 금속 표면을 갖는 제조물 상에 내마모 표면을 형성하는 방법.
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 입자들은 폴리테트라플루오르화에틸렌(polytetrafluoroethylene)인 것을 특징으로 하는 노출된 금속 표면을 갖는 제조물 상에 내마모 표면을 형성하는 방법.