DE3028115A1

DE3028115A1 - Schalterkontaktstueck und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3028115A1
Application number: DE19803028115
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Hazemeijer BV
Current assignee: Hazemeijer BV
Priority date: 1979-07-24
Filing date: 1980-07-24
Publication date: 1981-02-12
Also published as: DE3028115C2; FR2462011B1; IT1128960B; JPS5618326A; US4323590A; NL7905720A; CH652526A5; GB2056177A; FR2462011A1; GB2056177B; IT8068176A0

Description

«L-PA 79.05720 14.JuIi 1980

AT 24. Juli 1979 10836 Dr.ν.Β/Ε

BO 27.337 JW/IvL

HAZEMEIJER B.V. Tuindorpstraat 61, Hengelo (0), Niederlande

Schalterkontaktstück und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktstück für einen elektrischen Schalter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Schalterkontaktstücken und elektrische Schalter, die solche Kontaktstücke enthalten.

An die Kontaktstücke von elektrischen Schaltern, insbesondere von Vakuumschaltern, werden oft einander widersprechende Anforderungen gestellt. Z.B. sollen die Kontaktstücke einerseits völlig wartungsfrei sein und andererseits eine hohe Lebensdauer haben. Die Kontaktstücke eines Schalters müssen oft hohe Schaltfrequenzen und extrem kurze Schaltzeiten aus-

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halten, während andererseits der Abreißstrom oder das ,Zerhacker-Niveau 4Chopping level) möglichst niedrig sein sollen. Vor allem die Kontaktsfcücke von Vakuumschaltern sollen auch bei der Unterbrechung hoher Ströme möglichst wenig Gas emittieren.

Aus diesen Forderungen ergeben sich bestimmte

Eigenschaften der Schalterkontakte und diese Eigenschaften werden ihrerseits durch die verwendeten Metalle, die Struktur und die Herstellungsverfahren bestimmt. Da viele der Forderungen nicht generell erfüllbar sind, bestehen Schalterkontaktstücke im allgemeinen aus mehreren Materialien, wie Cu,W, Mo, Ag, Cr, Be usw.

Bisher wurde die Zusammensetzung aus den erforderlichen Materialien durch Legieren, Sintern, Galvanisieren oder Plattieren hergestellt. Diese Verfahren haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Z.B. hängen die möglichen Verhältnisse der Bestandteile einer Legierung stark von der betreffenden Legierung ab und man kann nicht jede gewünschte Zusammensetzung herstellen. Grenzen sind hierbei z.B. durch die chemische Löslichkeit der Materialien ineinander bestimmt, die wieder von der Temperatur abhängt und manche Verhältnisse sind durch chemische Reaktionen der Materialien miteinander ausgeschlossen. Beim Sintern und Galvanisieren bzw. Plattieren treten ähnliche Probleme auf und außerdem ist häufig ein mechanisches Nacharbeiten der Werkstücke erforderlich.

Alle bis heute entwickelten Kontaktwerkstoffe, einschließlich binärer und ternärer Legierungen auf Kupferbasis' oder gesinterter binärer und ternärer Legierungszusammensetzungen auf Kupferbasis haben ferner den Wachteil, daß ihre elektrische Leitfähigkeit wesentlich niedriger ist als die von reinem Kupfer. Außerdem haben die meisten Kontaktstücke, die derzeit benutzt werden, eine Konfiguration, die eine Ma-

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terialdicke von mindestens einigen Millimetern erfordert.

Einer der Hauptgründe dafür, daß trotzdem Legierungen verwendet werden, beruht auf der Forderung, den Einfluß des sogenannten Zerhackens oder "Choppens" des Stromes unter Kontrolle zu bringen. Bei Verwendung von niedrig legierten Kupferlegierungen (1 bis 2 Gewichtsprozent Legierungszusätze) ist der Einfluß der Legierungszusätze auf den Abreißstrom im allgemeinen niedrig. Erst bei höher legierten Kupfer- · legierungen (mit Legierungszusatz-Anteilen von 10 Gewichtsprozent und darüber) läßt sich ein Einfluß auf den Abreißstrom d.h. das Zerhackungs- oder Chopping-Niveau deutlich erkennen.

Ein Nachteil dieser höher legierten Kupferlegierungen ist jedoch, wie erwähnt, die im Vergleich zu Kupfer wesentlich herabgesetzte elektrische Leitfähigkeit. Beispielsweise ist die elektrische Leitfähigkeit von BeCu mit 0,8 Gewichtsprozent Be um 50% niedriger als die elektrische Leitfähigkeit von Reinkupfer.

Eine naheliegende Lösung dieses Problems besteht darin, die hochlegierte Kupferlegierung nur in einer extrem dünnen Schicht, mit einer Dicke von z.B. einigen Zehntel eines Mikrons, z.B. durch Galvanisieren, Aufdampfen und dergleichen aufzubringen. Ein Nachteil dieser Lösung betsteht darin, daß die Haftung einer solchen aufgebrachten Schicht auf Kontaktstücken aus Reinkupfer sehr oft zu wünschen übrig läßt und daß auch die gegenseitige Haftung der Teilchen der aufgebrachten Schicht sehr schlecht sein kann. Es können dann lose Metallteilch'en entstehen, die insbesondere in einem Vakuumschalter die elektrische Isolation bei geöffneten Kontakten verheerend verschlechtern können.

Zusammenfassend gesagt weisen die bekannten Schalterkontaktstücke und Verfahren zu ihrer Herstellung die

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folgenden Nachteile auf: Die sich für Kontaktwerkstoffe am besten geeigneten Legierungszusammensetzungen lassen sich nicht immer herstellen; Kupferlegierungen haben eine niedrige elektrische Leitfähigkeit; die Haftung von aufgebrachten dünnen Legierungsschichten ist schlecht bis ungenügend und Kupfer ergibt unter bestimmten Bedingungen eine ungenügende Isolationsfestigkeit und ein hohes Zerhackungs-Niveau.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, Schalterkontaktstücke anzugeben, die den an sie gestellten Forderungen besser genügen als die bisher verfügbaren Schalterkontaktstücke, sowie Verfahren zum Herstellen solcher verbesserter Schalterkontaktstücke.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schalterkontaktstück mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen eine besonders

vorteilhafte Anwendung für solche Kontaktstücke sowie neue und vorteilhafte Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Schalterkontaktstücke.

Die Schalterkontaktstück^e gemäß der Erfindung enthalten also zumindest in einem Oberflächenbereich, an dem bei einem Schaltvorgang eine Entladung auftreten kann, mindestens ein ionenimplantiertes Material, z.B. eines der oben erwähnten Legierungsmaterialien, zur Verbesserung der Kontakteigenschaften .

Durch das Verfahren gernäß der Erfindung läßt sich eine extrem dünne Schicht herstellen, die insbesondere bei Verwendung im Vakuum besonders vorteilhafte Kontakt- und Schalteigenschaften ergibt. Vermutlich können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren infolge der hohen Stoßenergien lokal derart hohe Temperaturen erreicht werden, daß eine Art von

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oberflächlicher Legierung stattfindet, bei der Atome des ursprünglichen Kontaktwerkstoffes durch die implantierten Ionen ersetzt werden. Hierdurch können Eigenschaften erreicht werden, die sich mit den klassischen metallurgischen Verfahren nicht erzielen lassen. Die aufgebrachten bzw. durch die Implantierung erzeugten Schichten sind extrem dünn, so daß die elektrische Leitfähigkeit des Basiswerkstoffes praktisch nicht beeinflußt wird; die dünne Schicht kann jedoch das Verhalten über eine wesentlich größere Tiefe beeinflussen als die resultierende Ein-, dringtiefe. Auch hinsichtlich der Wahl der Verhältnisse der Legierungsbestandteile bestehen praktisch keine Grenzen. Gasförmige Verunreinigungen können extrem genau dotiert werden. Es lassen sich binäre, ternäre und sogar auch noch komplexere Oberflächenlegierungen herstellen. Eine mechanische Nachbearbeitung der Schalterkontaktstücke kann im allgemeinen vollständig entfallen.

Die Ionenimplantation ist ein Verfahren, das

schon seit einigen Jahren bekannt ist und u.a. . eine quantitativ genau steuerbare Dotierung von Halbleitern mit extrem niedrigen Dotierungsstoffkonzentrationen ermöglicht. Es ist auch schon bekannt, die mechanischen Eigenschaften durch Ionenimplantation zu verbessern, z.B. von Bohrern, Ziehdüsen und Zahnrädern durch Implantierung von Stickstoffionen, wodurch sich eine höhere Abrieb-, Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit ergibt.

An Schalterkontaktstücke, insbesondere solche von Vakuumschaltern, werden jedoch andere Anforderungen gestellt, während die Reibungsfestigkeit keine Rolle spielt. Eine Reibung zwischen Kontaktstücken muß im allgemeinen völlig vermieden werden, insbesondere bei Vakuumschaltern, wo es völlig unmöglich ist, ein Material mit Schmiermitteleigenschaften zu verwenden. An Schalterkontakten treten beim Schalten im allgemeinen Entladungen auf, insbesondere bei Leistungs-

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schaltern, und es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die äußerst dünnen Implantationsschichten eine ausgezeichnete Lösung für die verschiedensten Probleme darstellen.

Entladungen im Vakuum lassen sich in zwei Typen unterteilen, nämlich diffuse Entladungen und konzentrierte Entladungen.

Eine diffuse Entladung besteht aus einer Anzahl von konisch geformten Plasmasäulen, die sich über den Kathodenbrennflecken befinden, wo Elektronen, Neutralteilchen und Ionen emittiert werden. Im Falle von Kupfer gilt, daß bis zu einer Stromstärke von etwa 100 Ampere ein Brennfleck entsteht. Beim übersteigen dieses Stromwertes teilt sich der Brennfleck auf, so daß bei einem nominalen Stromwert von beispielsweise 5000 Ampere im Mittel etwa 50 Kathodenbrennflecke auftreten. Die Erhöhung der Anzahl der Kathodenbrennflecke in Abhängigkeit vom Wert des Stromes ist jedoch nicht unbegrenzt. Je nach dem Kontaktstückdurchmesser, dem Kontaktabstand und dem Kontaktmaterial tritt bei etwa 10 kÄ eine konzentrierte Entladung auf, bei der sich eine große Anzahl von Kathodenbrennflecken in einer Lichtbogensäule vereinigen. Eine solche Lichtbogensäule hat eine wesentlich höhere Lichtintensität und Energiedichte als eine diffuse Entladung und die Lichtbogenspannung, die im Falle der diffusen Entladung etwa 20 Volt beträgt, kann bis etwa 180 Volt ansteigen. Eine solche konzentrierte Entladung kann eine starke örtliche Kontakterosion verursachen.

Durch geeignete Maßnahmen, z.B. die Erzeugung

eines axialen Magnetfeldes geeigneter Größe, läßt sich die diffuse Entladung in einem wesentlich größeren Strombereich aufrechterhalten, z.B. bis etwa 30 kA, und man kann gleichzeitig durch Verwendung geeigneter Schalterkontaktstücke, die nach den oben erläuterten bekannten Verfahren hergestellt sind,, eine

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niedxige Lichtbogenspannung und Kontakterosion aufrecht erhalten.

Durch Verwendung der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Schalterkontaktstücke läßt sich nun nicht nur die Kontakterosion weiter herabsetzen, sondern auch die anderen oben erwähnten Eigenschaften erheblich verbessern. Dies ergibt eine wesentlich höhere Lebensdauer von Vakuumschaltern, die für höhere Nennströme und/oder höheres Schaltvermögen ausgelegt werden können, gleichzeitig läßt sich eine höhere Spannungsfestigkeit und ein niedrigerer Abreißstrom, d.h. ein niedrigeres Zerhackungs- oder Chopping-Niveau erreichen.

Die Ionenimplantation wird vorteilhafterweise

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in einem Hochvakuum von 10 bis 10 mbar durchgeführt, indem Ionen einer bestimmten Atomart erzeugt und dann je nach dem speziellen Verwendungszweck auf Energien zwischen etwa 20 und 600 keV beschleunigt werden. Bei diesen Energien werden die Ionen in die Kontaktstückoberfläche hineingeschossen. Die Eindringtiefe hängt von der Ionensorte, der Ionenenergie und dem Target- oder Basismaterial, d.h. dem reinen ursprünglichen Kontaktmaterial, ab und kann .vorteilhafterweise zwischen etwa 0,1 und 1,0 Mikrometer liegen.

Als Basismaterial für die Schalterkontaktstücke wird vorteilhafterweise reines Kupfer verwendet. Für die Ionenimplantation gemäß dem vorliegenden Verfahren werden vorteilhafterweise bekannte Kontaktlegierungsmaterialien verwendet, wie Chrom, Eisen, Zirkonium, Titan, Vanadium, Beryllium, -Kobalt, Silicium, Nickel, Tantal, Wolfram, Molybdän und gegebenenfalls Kombinationen dieser Elemente. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist jedoch nicht auf diese üblichen Legierungsmaterialien beschränkt.

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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand eines speziellen Ausführungsbeispieles näher er-

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läutert, bei dem Cr in Cu implantiert wird.

Für die Implantation werden eine Beschleunigungskammer mit einem Beschleuniger des Typs HVEE und eine Beschleunigungsspannung von 300 kV verwendet. Es wurde ferner ein Massenseparator mit einem Auflösungsvermögen Μ/Δ Μ = 500 verwendet. Als Ionenquelle diente ein abgewandelter Typ HVEE 911 A. Das verdampfte Material bestand aus gesintertem Chromnitrid (CrN).

Die Implantation wurde in einer Vakuumkammer

mit einer flüssigen Stickstoff enthaltenden Kühlfalle durchgeführt und im System wurde ein Arbeitsdruck gleich oder kleiner als 3 χ 10 mbar aufrechterhalten.

Bei der Bearbeitung eines scheibenförmigen Schalterkontaktstück-Rohlings, dessen Radius 30 mm betrug, wurde der Ionenstrahl durch eine magnetische Ablenkvorrichtung rasterartig über eine Fläche von 70 χ 70 m² abgelenkt.

Die Anzahl der Teilchen wurde mittels eines

Stromintegrators und einer Target-Spannung von +120 V gemessen. Die Teilchen (Ionen) erreichten eine Energie von 340 keV.

Bei einer Eindringtiefe von 0,3 μπι betrug das

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Gesamtvolumen, in dem Teilchen von Cr implantiert wurden,

3 χ 10"⁴ · 2827 mm³ = 0,848 mm³.

Das Verfahren wurde solange durchgeführt, bis die Konzentration der implantierten Teilchen mindestens 10 Gewichtsprozent betrug.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die bei dem obigen Beispiel verwendeten Werte und Einrichtun-

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gen beschränkt. Auch das Basismaterial braucht nicht reines Kupfer zu sein. Man kann insbesondere mit anderen, vor allem höheren Konzentrationen an implantierten Ionen bzw. Fremdstoffen arbeiten. Der Implantationsprozess kann fortgesetzt werden, bis
reicht ist.

17 2 werden, bis eine Dosis von mindestens 1x10 Ionen/cm er-

Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich außergewöhnlich gute Ergebnisse erzielen, da die günstigen Eigenschaften von Legierungen erreicht werden, während die ungünstigen Eigenschaften von Legierungen, wie niedrige Leitfähigkeit und niedrige Spannungsfestigkeit vermieden werden und in dieser Hinsicht die günstigen Eigenschaften vom Basismaterial, insbesondere reinem Kupfer, erhalten bleiben.

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Claims

Patentansprüche

n?) Schalterkontaktstück mit einem Oberflächenbereich, an dem bei einem Schaltvorgang eine elektrische Entladung auftreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß das den Oberflächenbereich bildende Material durch Ionenimplantation dotiert ist.
2. Schalterkontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Teil eines Vakuumschalters bildet.
3. Verfahren zum Herstellen eines Schalterkontaktstücks nach Anspruch 1, insbesondere für einen Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß Ionen

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eines Materials, das die Spannungsfestigkeit erhöht und/oder das Zerhackungs-Niveau herabsetzt und/oder die elektrische Leitfähigkeit erhöht, zumindest in einen Oberflächenbereich des Kontaktstückes implantiert werden, an dem bei einem Schaltvorgang eine Entladung auftreten kann.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch

gekennz eichnet, daß das Material aus einer Legierung oder einer Kombination von Werkstoffen besteht, wie sie für Kontaktstücke bekannt sind.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eines oder mehrere der Elemente Titan, Vanadium, Beryllium, Silicium, Nickel oder Tantal enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4

oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation mittels eines durch einen Beschleuniger auf eine Energie zwischen etwa 20 und 600 keV beschleunigten IonenstrahlS in einer Vakuumkammer erfolgt, in der ein Druck zwischen

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etwa 10 und 10 mbar herrscht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen bis zu einer Tiefe von etwa 0,1 bis 1,0 Mikrometer implantiert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7,

dad.urch gekennzeichnet, daß die Implantation bis zu einer Fremdionenkonzentration von mindestens 10 Gewichtsprozent durchgeführt wird.

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ο _
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Implantation bis zum Erreichen einer Dosis von mindestens 1x10 Ionen/cm durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß das im-

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piantierte Material aus Cr besteht und mittels eines 340-keV-Ionenstrahis bei einem Druck von 3x10 mbar implantiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Implantation verwendete Ionenstrahl bezüglich der bestrahlten Oberfläche abgelenkt wird.

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