Многослойное эрозионно-стойкое покрытие электрических контактов
Полезная модель относится к области покрытий электрических контактов, например, магнитоуправляемых контактов (герконов), микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов и переключателей, электромагнитных реле и может быть использована для улучшения эксплуатационных и потребительских свойств данных устройств в частности снижения контактного сопротивления и повышения ресурса работы. Существующие многослойные контактные покрытия не обеспечивают условие минимизации межслоевых термомеханических напряжений, что является причиной отслоения контактного покрытия и выхода прибора из строя. Одной из возможностей стойкости к отслоению является введение дополнительных функциональных слоев металлов и сплавов с такими толщинами, коэффициентами термического расширения и теплопроводностями при которых обеспечивается существенное снижение внутренних напряжений. Сущность полезной модели заключается в создании эрозионно-стойкого покрытия со структурой W-Ti-Cu, с толщинами слоев вольфрама - 80-100 нм, титана 30-40 нм, меди - 500-2000 нм обеспечивающего минимальные внутренние термомеханические напряжения, высокую эрозионную стойкость покрытия и стойкость к отслоению.
Полезная модель относится к области покрытий электрических контактов, например, магнитоуправлемых контактов (герконов), микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов и переключателей, электромагнитных реле и может быть использована для улучшения эксплуатационных и потребительских свойств данных устройств в частности снижения контактного сопротивления и повышения ресурса работы.
Коммутация электрического тока в приборах на основе сухого контакта основана на прямом механическом контакте двух проводников. В процессе коммутации в области контакта выделяется энергия (микродуги, омический нагрев) вызывающая эрозию контактной поверхности и увеличение контактного сопротивления, что вызывает выход прибора из строя. Срок службы приборов на основе сухого контакта определяется, прежде всего, эрозионной стойкостью электродов. Для обеспечения работоспособности, долговечности контактов и снижения поверхностной эрозии используются покрытия на основе материалов, устойчивых к электроэрозии - рутений, родий, сплавы золота [1-3]. В ряде случаев, особенно при большой плотности тока, причиной выхода контактов из строя, кроме поверхностной эрозии, является также деламинация (отслоение) покрытия от материала подложки. Основной причиной деламинации являются значительные термомеханические напряжения на границе подложка-покрытие.
Однако, в большинстве случаев использованием однослойного покрытия не удается достичь необходимых параметров электрического контакта, требуемой эрозионной стойкости, срока службы и надежности работы. Поэтому возникает необходимость в разработке композиций покрытий и многослойных покрытий, обеспечивающих максимальную эрозионную стойкость. Для разработки покрытий, стойких к отслоению, необходима минимизация термомеханических напряжений между различными слоями покрытия.
Одной из возможностей уменьшения термомеханических напряжений является введение дополнительных функциональных слоев металлов и сплавов с такими толщинами, коэффициентами термического расширения и теплопроводностями при которых обеспечивается существенное снижение внутренних напряжений.
Хорошо известно трехслойное контактное покрытие магнитоуправляемых контактов [4] состоящее из трех слоев - слоя титана толщиной 0,37-370 мкм наносимого непосредственно на пермаллоевой контакт, слоя молибдена толщиной 0,37-370 мкм и слоя контактной поверхности на основе рутения или металла платиновой группы 125-500 нм. В данном покрытии титан выполняет роль выравнивающего покрытия снижающего шероховатость контактной поверхности. Слой молибдена обеспечивает стойкость покрытия к оплавлению и механической деформации, т.к. он обладает высокими твердостью и температурой плавления. Слой рутения обеспечивает стойкость покрытия к химической эрозии. К недостаткам данного покрытия относятся высокая стоимость (т.к. используется дорогостоящий рутений) и высокое суммарное тепловое сопротивление, что приводит к существенному разогреву поверхности контакта. Аналогичное решение предложено в [5] где контактное покрытие состоит из выравнивающего слоя 1-20 мкм на основе Ti, Zr, Hf, Nb, Tl и контактного слоя рутения.
Известен способ снижения контактного сопротивления [6] основанный на использовании композитного покрытия на основе тугоплавкого металла (Mo, Zr, Nb, Hf, Та, W) в матрицу которого инкапсулированы частицы щелочных и щелочноземельных металлов (Li, К, Се, Cs, Ва, Sr, Са, Na, Y, La, Sc, Th, Rb) в процентом соотношении 0,1-5% по массе. Инкапсулированные наночастицы играют основную роль в токопрохождении образуя токовые мостики с низким контактным сопротивлением. К числу недостатков метода относятся технологическая сложность изготовления такого композитного покрытия и существенное снижение электрической прочности контакта за счет наличия высокоэмиссионных центров на поверхности инициирующих развитие электрического пробоя.
Существуют двухслойные контактные покрытия [7] со структурой Ag-(Ru, Ro, Pt). Слой серебра толщиной 0,5-5 мкм выполняет роль теплоотводящего и барьерного слоя, а слоя металла платиновой групп толщиной 0,1-2 мкм - функцию контактирующей поверхности.
Общим недостатком данных типов контактных покрытий являются значительные термомеханические напряжения на границах слоев.
При создании заявляемой полезной модели решается задача минимизации термомеханических напряжений возникающих в структуре контактного покрытия.
Сущность полезной модели заключается в создании эрозионно-стойкого покрытия со структурой W-Ti-Cu, с определенными толщинами слоев обеспечивающего минимальные внутренние термомеханические напряжения и высокую эрозионную стойкость покрытия и стойкость к отслоению.
На фиг. 1 представлена структура покрытия (поперечный разрез).
Решение указанной выше задачи достигается тем, что введение промежуточного слоя титана в эрозионно-стойком покрытии со структурой W-Ti-Cu приводит к существенному (более чем в два раза) уменьшению внутренних термомеханических напряжений между слоями, что приводит к повышению температурной и эрозионной стойкости покрытия. Анализ температурного режима и термомеханических напряжений в покрытии типа W-Ti-Cu показывает, что увеличение толщины слоя вольфрама до уровня 80-100 нм приводит к существенному снижению межслоевых термомеханических напряжений и уменьшению температуры пятна на поверхности покрытия, что обеспечивает увеличение эрозионной стойкости покрытия. Установлено, существует оптимальное значение толщины слоя Ti, при котором обеспечиваются минимальные термомеханические напряжения. Для толщин слоя вольфрама в пределах 80-100 нм и толщинах слоя меди - 0,5-5 мкм оптимальная толщина промежуточного слоя титана составляет 30-40 нм. Введение титана толщиной в пределах 10-50 нм не оказывает существенного влияния на суммарное тепловое сопротивление покрытия.
Сущность обеспечения высокой эрозионной стойкости заключается в том, что под действием локального теплового воздействия на контактную поверхность верхнего слоя вольфрама основная часть теплового потока в области теплового воздействия распространяется в радиальном направлении внутри слоя вольфрама за счет существенно меньшей теплопроводности титана по сравнению с вольфрамом. Далее по мере увеличения площади горячего пятна тепловой поток поступает через слой титана в теплопроводящий слой меди и равномерно распределяется по подожке. Слой титана обеспечивает с одной стороны функцию теплоизоляции, не допуская плавления слоя меди непосредственно в области пятна, с другой стороны - выравнивает и снижает термомеханические напряжения. Слой меди выполняет функцию теплопроводящего слоя. Кроме этого в данной структуре покрытия обеспечивается снижение температуры пятна и уменьшения требований к эрозионной стойкости материала верхнего (контактного) слоя в качестве которого может быть использован вольфрам а не дорогостоящий металл платиновой группы.
Таким образом, предлагаемое контактное покрытие за счет уменьшения возникающих межслоевых термомеханических напряжений и снижения температуры пятна в области термического воздействия обеспечивает высокую эрозионную стойкость контактных покрытий и низкую стоимость и может быть использована для увеличения ресурса коммутационных приборов на основе сухого контакта - магнитоуправляемых контактов, МЭМС-коммутаторов и переключателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Magnetically controlled mems switches with nanoscale contact coatings. Karabanov S.M., Karabanov,A.S., Suvorov D.V., Grappe В., Coutier C, Sibuet H., Sazhin B.N. (2012) IET Conference Publications 2012 (605 CP) PP. 359-361. doi: 1049/cp. 2012. 0675.
2. Nanoscale ruthenium coatings of mems switches contacts. Karabanov S.M., Suvorov D.V., Sazhin B.N., Krutilin A.A., Karabanov A.S., Grappe В., Courier C, Sibuet H. Materials Research Society Symposium Proceedings 2010 MRS Spring Meeting, San Francisco, CA, 2010. P. 277-280.
3. Karabanov S.M.; Maizels R.M.; Shoffa V.N. Magnetically operated contacts (reed switches) and units based thereof; (Publishing house "Intellect": Dolgoprudny, Russia, 2011).
4. Patent US 7564330 B2 - Reed switch contact coating.
5. Patent US 4129765 A - Electrical switching contact.
6. Patent ЕР 0612085 A2 - Encapsulated contact material and process for producing the same.
7. Патент RU 2218627 Контактное покрытие для магнитоуправляемых герметизированных контактов и способ нанесения контактного покрытия.
Покрытие для электрических контактов, в частности для магнитоуправляемых контактов и микроэлектромеханических систем, на основе многослойной металлической структуры W-Cu, наносимой на ферромагнитную подложку, отличающееся тем, что для устранения отслаивания покрытия от подложки и повышения срока службы прибора, между W и Cu наносят слой Ti толщиной 30-40 нм.
