DE2038929A1

DE2038929A1 - Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2038929A1
Application number: DE19702038929
Authority: DE
Inventors: Boer Douwe Mindert De; Anthony Steinmetz
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-08-29
Filing date: 1970-08-05
Publication date: 1971-03-11
Also published as: SE355893B; GB1254249A; ES383065A1; CH521662A; BE755409A; FR2059741A1; US3663777A; AT306839B; FR2059741B1; DE2038929B2; CA939712A; JPS509338B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eino Schaltvorrichtung mit beweglichen Kontakten«

Derartige Vorrichtungen mit Zungenkontakten finden in don letzton Jahren in einer vakuumdicht verschlossenen UmhÜllung in miniaturisierter Ausführung vielfach in modernen Fernsprechanlagen, Rochenanlagen und Datenübertragungsaystempii Anwendung. In diosen Schaltvorrichtungen befinden sich dlo Kontaktgliodor, dlo meistens an den Enden der federnden Leiter angebracht sind, zusammen in einem verschlossenen, mit einem SchutzgaH ausgefüllten Raum. Die Leiter bestehen aus einem magnetischen Werkstoff, wodurch mit Hilfe ausserhalb dor Umhüllung angeordneter Spulen oder Dauermagnete der Kontakt .geftffnot odor geschlossen werden kann«

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BAD OFHGINAL

PHN. ^279.

AnderG Ausführungen von Schaltvorrichtungen rait -gegebenenfalls umhüllten - Kontakten sind Relais oder Koordinatenschalter .

An alle diese Vorrichtungen werden besonders strenge Anforderungen.in bezug auf die Lebensdauer sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand gestellt, während der übergangswiderstand während der ganzen Lebensdauer der Vorrichtung niedrig und konstant sein muss. Bei bekannten Vorrichtungen konnten bisher die gestellten Anforderungen nicht völlig erfüllt werden.

Es ist u.a. aus der USA Patentschrift 2.600.175 bekannt, für die Aussenoberflache von Kontakten ein Edelmetall, z.B. Ruthenium, zu verwenden·

Mikroskopische Untersuchungen dieser Kontaktoberflächen beim Schalten haben ergeben, dass sie punkt- und kraterförmige Kontakterosion aufweisen, wobei ausserdem oft ein "Kleben" der Kontakte auftritt.

Nach der Erfindung enthält eine Schaltvorrichtung bewegliche Kontakte, von denen wenigstens die Kontaktoberfläche mit einem Kontaktüberzug versehen ist, der aus mindestens zwei Schichten besteht, von denen die äussere aus Metall besteht und eine Dicke von 0,1-5 /Um aufweist, während sich gegebenenfalls unmittelbar unterhalb dieser Schicht eine gegebononfulls unterbrochene Schicht befindet, die mindestens 1 Vol.# Nichtmetall enthält.

Eine günstige» Auaführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in dom Gobildo von Schichten die ein Nicht-

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metall enthaltende Schicht völlig aus Kohlenstoff, Graphit, Phosphor, Schwefel, Silicium, oder Metalloxyd besteht und eine Dicke von 0,001 - 1 /um aufweist, während die äussere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Nichtmetall in feinverteilter Form in einem Metall mit einem Schmelzpunkt unterhalb 1500° C mit einer Schichtdicke von mindestens 0,1 /um vorhanden ist, und dass die äussere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht.

Es wurde gefunden, dass bei Verwendung des erfindungsgemässen Kontaktüberzuges statt einer punkt- und kraterfSrmigen Erosion eine flache Kontakterosion auftritt. Dadurch, dass auf diese Weise nahezu die ganze Kontaktoberfläche benutzt wird, während dagegen bei der punkt- und kraterförmigen Erosion nur ein geringer Teil dieser Oberfläche benutzt wird, wird eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer um einen Faktor in der Grössenordnung von 100 erhalten. Es ist wesentlich, dass auch beim Schalten im unbelasteten Zustand eine sehr lange Lebensdauer erhalten wird. Eine Anzahl Schalt·»

vorgänge von 10 lässt sich ohne merkliche Erhöhung des Übergangswiderstandes erzielen.

Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform, bei der Metall in feinverteilter Form ein Nichtmetall enthält, besteht darin, dass die Kontakte beim Schalten nur in geringem Masse prellen.

Mit nicht verunreinigtem Gold überzogene Kontakte

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prellen etwa 20 Male, während mit Woli'ram überzogene Kontakte sogar bis zu 30 Malen beim Schliessen prellen. Einige Metall-Nichtmetallschichtgebilde nach der Erfindung beschränken das Prellen auf nur ein-- bis viermal. Auch dadurch wird naturgemäss die Lebensdauer der Kontakte erheblich verlängert.

Es sei bemerkt, dass in den schweizerischen Patentschriften 229.890 und 237.872 Kontaktmaterialien beschrieben werden, die aus einer gepressten und gesinterten Masse bestehen, die aus einem pulverförmigen Edelmetall mit einem Zusatz von u.a. Graphit, Silicium, Cadmiuraoxyd oder ßleioxyd erhalten wird. Schichtdicken von einigen Mikrons lassen sich bei Sintertechniken schwer genau einstellen, was insbesondere für Mikrokontakte wesentlich ist. Obgleich Schichten dieser Art, wenn sie in geringer Dicke angebracht werden, an sich flache Kontakterosion aufweisen, fehlt eine Oberflächenschicht aus Metall wie nach der Erfindung. Dadurch weisen die Kontakte beim Schalten im unbelasteten Zustand infolge eines nichtstabilen Pegels des "Widerstandes, insbesondere nach andauerndem Schalten, keine günstigen Eigenschafton auf, und dio Kontakte haben eine starke Neigung zum "Kleben".

Die Techniken, durch die die Sehiehtgebi 1 tie nach der Erfindung angebracht werden können, sind: Kathodenzerstäubung, Aufdampfen, galvanisches Nioderschlagen, Elektrophorese oder eine Kombination der beiden letzteren Techniken, wie das gleichzeitige Niederschlagen eines Metalls und eines Nichtmetalls, wobei das Nichtmetall in feinvertei1 tor Form in den Metallniederschlag eingeschlossen wird.

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PHN.

Auch gibt es noch eine Ausführungsform der Schaltvorrichtung nach der Erfindung, bei der das Nichtmetall in Coinvertoil tor Form oder in geschichteter Form in Gold vorhanden ist, das durrh Erhitzung in einem Schutzgas oder im Vakuum- zu einem wesentlichen Teil in das aus einer magnetischen Fe-Ni-Legierung bestehende Material eindiffundiert ist.

Nachstehend werden einige Beispiele beschrieben, wobei die Aufbringungstechniken näher erläutert werden· Beispiel ί.

Kontaktzungen, von denen der in die Umhüllung einzuschmelzende Teil eine Länge von etwa 7 nun und eine Breite von 0,3 mm hat und die aus magnetischem Nickel-Eisen bestehen, werden in einer konventionollen Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit einer Schicht aus Au mit 2 Gew.$ Kohlenstoff mit einer Dicko von ') ,um überzogen. Zu diesem Zweck wird eine Kathode vorwendet, die aus den zusammengesinterten pulverformigen Material ion im gleichen Gewichtsverhältnis bestehen· Dor Argondruck während der Zerstäubung beträgt 10 mm Quecksilbersäule, die Spannung 2000 V und der Strom 0,5 A.

Die so überzogenen Zungen werden gleichfalls durch Kathodenzerstäubung mit einer Ruthcmiumschicht mit einor Dicko von ο,5 /um überzogen*

Dann worden die Kontaktzungen paarweise in eine Glasumhül 1 ung <■ J iigoHchmol zon und bei ninor Holastung mit StrfSmeri bin /u 1Ou HiA und Spannungen bis zu 100 V und im unbelasteten Zustand nach fobensdauor geprüft. Xn all dioson

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Fällen werden Lebensdauerwerte, in Anzahlen von Schaltvor— gangen ausgedrückt, von 1 bis 100 . 10 festgestellt. Beispiel 2.

Konlaktzungon mit den gleichen Abmessungen und aus dem gleichen Material wie im Beispiel 1 werden durch Ka thoilonzc rs täubung mit einer Schicht überzogen. Die Kathode besteht aus Au mit 5 Gew,^ Ni. Die Zerstäubung erfolgt in einer Atmosphäre aus Argon mit 10 $ Propan unter einem Druck

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von 10 mm Quecksilbersäule. Die Spannung beträgt 2000 V und der Strom 1,5 A. Die Dicke der erhaltenen Schicht beträgt 3 /um. Dann wird gleichfalls durch Zerstäubung eine Rutheniumschicht aufgebracht. Die erhaltenen Kontakte haben ähnliche Eigenschaften wie die Kontakte nach Beispiel 1. Beispiel 3.

Koiitaktzungen, von denen der in die Umhüllung einzuschmelzende Teil eine Länge von etwa 7 nun und eine Breite von 0,.5 mm hat und die ims magnetischem Nickel-Eisen bestehen, werden in einer konvtmtionellen Kathodenzerstäubungsvorrichtung mit einer Ru-Schicht mit einer Dicke von 3 /um überzogen.

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Der Argondruck während der Zerstäubung beträgt 10 mm Quecksilbersäule, die Spannung 2000 V und der Zerstäubungsstrom 1 A.

Die auf diese Woise überzogenen Zungen worden dann unter den gleichen Bedingungen durch Kathodenzerstäubung mit einer Kohl ens toffschicht mit einer Dicke von etwa 010.5 /um überzogon.

AnHchliossernl wird - wieder unter den gleichen

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Bedingungen - eine Gold-Kohlenstoff-Schicht mit einer Dicke von 1 /um und schliesslieh eine Ru-Schicht mit einer Dicke von 0,1 /um aufgebracht«

Die Kontaktzungen werden dann paarweise in eine Glasumhüllung eingeschmolzen und bei einer Belastung mit Strömen bis zu 100 raA mit Spitzenströmen bis zu gut 1 A und Spannungen bis zu 100 V und im unbelasteten Zustand nach Lebensdauer geprüft. In all diesen Fällen werden Lebensdauerwerte , in Anzahlen von Schaltvorgängen ausgedrückt, von 1 -10 χ 10 im belasteten und bis zu 100 . 10 im unbelasteten Zustand festgestellt.
Beispiel k.

Kontaktzungen mit den gleichen Abmessungen und aus dem gleichen Material wie im Beispiel 1 werden auf gleiche Weise mit einer Schicht mit einer Dicke von 3 /um aus Ru und dann mit einer Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 0,05 /um durch Kathodenzerstäubung überzogen. Dann wird eine dünne Goldschicht mit einer Dicke von 0,1 /um gleichfalls durch Zerstäubung aufgebracht. Die erhaltenen Kontakte haben ähnliche Eigenschaften wie die Kontakte nach Beispiel 1. Beispiel 5»

Kontaktzungen aus dem gleichen Material wie im Beispiel 1 werden durch Kathodenzerstäubung nacheinander mit einer 1 /um dicken Rutheniumschicht, ninor O,O"3 /um dickem Kohleschicht, einer 1 <um dicken Rutheniumschicht, einer 0,05 /Um dicken Kohleschicht und einer 1 /um dicken Rutheniumschicht überzogen. Die auf diese Weise erhaltenen Kontakte

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pun. h:i7<).c

haben eine Lebensdauer der gleichen Grössenordnung wie in den vorhergehenden Beispielen, aber die Belastungsströme betragen nun bis zu 1 A.
Beispiel 6.

Kontaktzungon, von denen dor in die Umhüllung einzuschmelzende Teil eine Länge von etwa 7 mm und eine Breite von 0,5 mm hat und die aus einer magnetischen Nickel—Eisen-Legierung der Zusammensetzung 50 Gew.$ Fe und 50 Gew.$ Ni bestehen, werden mit Hilfe eines galvanischen Vergoldungsbades, das pro Liter enthält:

12 g KAu(CN)₂

10 g CoSO.

55 g Zitronensäure

6O g primäres Kaliumphosphat und 15 g Äthylendiamintetraessigsäure,

bei einer Badtemperatur von 20 - 30° C und einer Stromdichte von 1-3 A/dm² mit einem 3 /um dicken Niederschlag tiberzogen. Dann werden die Zungen während 30 Minuten in wasserstoffhaltigem Stickstoff auf eine Temperatur zwischen 600 und 900° C erhitzt.

Nach Abkühlung werden sie mit einer Rutheniumschicht mit einer Dicke von 0,1-1 /um überzogen.

Die Kontaktzungen werden dann paarweise in eine Glasumhüllung eingeschmolzen und bei einer Belastung von 1, 10 und 100 mA und im unbelasteten Zustand nach Lebensdauer geprüft. In all diesen Fällen werden Lebensdauerwerte, in Anzahlen von Schaltvorgängen ausgedrückt, von 1 - 100 . 10 festgestellt. 109811/13 4 2

Claims

PHN.

- 9 PATENTANSPRÜCHE .

ί.) Schaltvorrichtung mit beweglichen Kontakten, von deiion wonigslons die Kontaktoberfläche mit einem Kontaktiiberzüg versehen ist, von dem die äussere Oberfläche aus Metall besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug aus mindestens zwei Schichten besteht, von denen die äussere aus Metall besteht und eine Dicke von 1-5 /um aufweist, während sich gegebenenfalls unmittelbar unterhalb dieser Schicht eine gegebenenfalls unterbrochene, wenigstens 1 Vol.$ Nichtmetall enthaltende Schicht befindet.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das» in dem Schichtgebilde die ein Nichtmetall enthaltende Schicht mit einer Dick« von 0,001 - 1 /um völlig aus Kohlenstoff, Graphit, Phosphor, Schwefel, Silicium oder Metalloxyd besteht, während die äussere Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht·

3« Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichtmetall in feinverteilter Form in einem Metall mit einem Schmelzpunkt unterhalb 1500° C in einer Schichtdicke von mindestens 0,1 /um vorhanden ist, und das» die ausaοro Schicht aus Ruthenium oder Rhodium besteht· km Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichtmetall in feinverteilter oder geschichteter Form in Gold vorhanden ist, das durch Erhitzung in einem Schutzgas oder im Vakuum zu einem wesentlichen Teil in das aus einer magnetischen Fe-Nl-Legierung bestehende Ausgangematerial eindiffundiert ist·

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