一種銅基電接插件及其制備方法
【專利摘要】一種銅基電接插件及其制備方法，其屬于電接觸元件【技術領域】。該銅基電接插件，包括銅基電接插件基體，銅基電接插件基體上依次沉積有金屬薄膜和金屬復合導電層，金屬薄膜為銅基電接插件基體和金屬復合導電層的連接層，金屬復合導電層為碳鉻薄膜，其制備方法主要包括采用真空離子鍍方法在銅基電接插件上依次沉積金屬薄膜和金屬導電復合層的制備方法。該表面改性銅基電接插件具有導電、耐蝕、耐磨和疏水等復合性能，其接觸電阻在0.8Mpa壓緊力下小于等于15mΩ·cm2，抗標準鹽霧實驗270小時以上，表面顯微硬度Hv≧6GPa，水接觸角≧90°。該銅基電接插件用綠色環(huán)保方法制造，降低了制作成本，解決了銅合金表面容易被腐蝕和鈍化而導致電阻增大的問題。
【專利說明】一種銅基電接插件及其制備方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電接觸元件【技術領域】，特別涉及一種電接插件，另外還涉及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在電氣、電子領域，電接觸材料主要用作電觸點、導電刷、集電環(huán)、換向片、整流片和接插件等，是電通斷環(huán)節(jié)中重要的功能性元件。采用電接觸元件的電機、電氣開關、繼電器、接插件等作為基礎件在信息工程、家用電子電器、汽車工程等領域大量使用。這些電接觸元件的性能直接影響所應用產品及整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精度及使用壽命。同時，隨著各類產品向高精度和微型化發(fā)展，對電接觸元件的性能提出了更高的要求:具有優(yōu)良的導電性、小而穩(wěn)定的接觸電阻、高的化學穩(wěn)定性、耐磨性和抗電弧燒損能力。電接觸元件必須在電阻率、接觸電阻、密度、硬度、化學成分、抗熔焊性、抗腐蝕性、可焊性等方面可靠地滿足應用的要求。電接觸材料大都是由含80%~90%(質量百分數)白銀的復合材料制成的，世界上銀的產量25%左右是用于制造電工和電子儀器所需的電觸頭元件。銀作為貴金屬，產量有限且價格昂貴，為了節(jié)銀，全世界在開展降低電接觸材料中銀含量的研究的同時，也在進行以廉價金屬替代銀基材料的研究工作，在這一研究領域中代替銀的最合適的元素是銅，因為它在性質上與銀最相近。與銀基電插接件相比，銅基電插接件的最大弱點在于其表面容易氧化，形成絕緣或半導體導電性的氧化膜，使接觸電阻升高。
[0003]合金化可以提高銅基材料的抗氧化和耐腐蝕性能，最常見的是在銅基材料中添加金屬元素，如鎘、銦、鉿、碲和鋯等元素。但是直接將該類元素與銅進行合金化很難達到環(huán)保要求,且其成本也相對較高。由于這類金屬元素的毒性較大，當含量過高時(>2.0%)，對環(huán)境的污染較為嚴重，并且隨著社會對環(huán)保要求越來越嚴格，對該類金屬元素的控制要求越來越高。因此直接將該類元素與銅進行合金化很難達到環(huán)保要求。
[0004]采用電鍍的方法在其表面電鍍一層貴金屬，如銀、金等材料，可在一定程度上提升材料的表面電接觸性能及材料穩(wěn)定性，但電鍍技術所帶來的對環(huán)境方面的負面影響一直備受世界各界人士的關注，因此，隨著我國環(huán)境保護意識的不斷增強電鍍技術民用空間的階段性取代將是必然。并且，以電鍍方式雖然從一定程度上降低了成本，但對于貴金屬的消耗其成本對于工業(yè)應用來說還是相對較高的。因此尋求一種環(huán)保低成本制造插接件材料的方法迫在眉睫。
[0005]采用真空離子鍍方法在銅基插接件表面鍍膜，獲得的插接件表面膜中的金屬元素為零價金屬，綠色環(huán)保；并且增強銅基電接插件的抗氧化性，能改善其表面膜結構和導通性，這必然將成為這一領域必須深入研究的內容之一。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種銅基電接插件及采用真空離子鍍方法分別沉積金屬薄膜和金屬復合導電層來制備電接插件的方法，以解決一般銅基電接插件基體與導電層結合力較差、耐磨性能差、且表面容易被氧化的問題，以降低接觸電阻。
[0007]本發(fā)明為實現上述目的所采用的技術方案是:一種銅基電接插件，包括銅基電接插件基體，所述銅基電接插件基體上依次沉積有金屬薄膜和金屬復合導電層。
[0008]所述銅基電接插件基體為銅基金手指、銅基鎖緊螺母、銅基簧片、銅同軸線接口、銅插頭或銅接線柱等；
[0009]所述金屬復合導電層是厚度為0.Ιμπι — 5μηι的碳鉻薄膜；
[0010]所述碳鉻薄膜是在非晶碳基體上分布晶粒尺度為5nm-100nm的金屬態(tài)零價鉻晶體的納米復合薄膜；
[0011]所述金屬薄膜為銅基電接插件基體和金屬復合導電層的連接層，為
0.05 μ m-0.5 μ m的零價金屬態(tài)的鉻薄膜。
[0012]一種銅基電接插件的制備方法，包括以下步驟:
[0013](I)將銅基電接插件基體經過去毛刺、表面清污工序后，用超聲波機進行清洗完畢后烘干；
[0014](2)將銅基電接插件基體隨鍍膜卡具一同裝入增強過濾電弧離子鍍設備的真空鍍膜室中，在設備陰極弧源位置上的不同位置分別安裝金屬純鉻靶材和純石墨靶材；關閉真空室艙門，依次開啟初抽泵及分子泵進行真空獲得，直至真空到達5X 10_3Pa后，通入惰性氣體氬氣，使真空達到0.3-5Pa，啟動脈沖偏壓電源，電壓設置在500V-1000V，占空比為40%-80%，頻率為20KHz-40KHz，持續(xù)引發(fā)氬氣輝光等離子體對銅基電接插件基體表面進行離子濺射清洗l_20min ；
[0015](3)降低脈沖偏壓幅值至100-500V，占空比為30%_60%，頻率為20KHz_40KHz，調整工作氣壓，使得真空達到0.4-lPa，開啟鉻陰極弧，使得鉻靶材弧電流在60-150A，持續(xù)沉積制備金屬薄膜連接層1-1Omin ；
[0016](4)在不關閉鉻陰極弧的條件下，開啟碳陰極弧，同時調整碳靶弧電流與鉻靶弧電流比值在1/4-2/1,持續(xù)沉積制備金屬復合導電層10-60min ；
[0017](5)依次進行停陰極弧、偏壓、工作氣體，維持真空爐冷卻30min后，開啟真空室取出銅基電接插件。
[0018]上述方法中增強過濾電弧離子鍍設備屬于大連理工常州研究院有限公司的專利產品，該設備的專利號為ZL2006100457205。
[0019]本發(fā)明的銅基電接插件具有導電、耐蝕、耐磨和疏水等復合性能，其接觸電阻在0.8Mpa壓緊力下小于等于15ηιΩ.cm2,抗標準鹽霧實驗270小時以上，表面顯微硬度Hv ^ 6GPa，水接觸角蘭90。。
[0020]本發(fā)明方法的有益效果是:可以通過該方法在該銅基電接插件基體表面依次沉積得到結合力較強的金屬薄膜和金屬復合導電層，兩層之間由于過渡型結構的連接，增加了層間的結合力，增強了整個電接插件的耐磨性能，提高了其使用壽命。該銅基電接插件用綠色環(huán)保方法制造，且降低了制作成本，解決了銅表面容易被腐蝕鈍化的問題，并且將接觸電阻降低到了 15m Ω.cm2以下。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。[0022]圖1是一種銅基電接插件的結構示意圖。
[0023]圖中:1、銅基電接插件基體，2、金屬薄膜，3、金屬復合導電層。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0025]實施例1
[0026]如圖1所示的一種銅基電接插件，包括銅基電接插件基體1，銅基電接插件基體I上依次沉積有金屬薄膜2和金屬復合導電層3，金屬薄膜2為銅基電接插件基體I和金屬復合導電層3的連接層。
[0027]銅基電接插件基體為銅接線柱，金屬薄膜2為0.3μπι的零價金屬態(tài)的鉻薄膜，金屬復合導電層3為碳鉻薄膜，其厚度為2 μ m。碳鉻薄膜是在非晶碳基體上分布晶粒尺度為40nm的金屬態(tài)零價鉻晶體的納米復合薄膜。
[0028]實施例2
[0029]一種銅接線柱的制備方法，具體步驟如下:
[0030](I)將銅接線柱經過去毛刺、表面清污工序后，用超聲波機進行清洗完畢后烘干；
[0031](2)將銅接線柱隨鍍膜卡具一同裝入真空鍍膜室中，在設備陰極弧源位置上的不同位置分別安裝金屬純鉻靶材和純石墨靶材；關閉真空室艙門，依次開啟初抽泵及分子泵進行真空獲得，直至真空到達5 X 10_3Pa后，通入惰性氣體氬氣，使真空達到5Pa，啟動偏壓電源，電壓設置在1000V，占空比為80%，頻率為40KHz，持續(xù)引發(fā)氬氣輝光等離子體對銅接線柱表面進行離子濺射清洗IOmin ；
[0032](3)降低偏壓至500V，占空比為60%，頻率為20KHz，調整工作氣壓，使得真空達到IPa,開啟鉻陰極弧,使得鉻祀材弧電流在60A,持續(xù)沉積制備金屬薄膜連接層5min ；
[0033](4)在不關閉鉻陰極弧的條件下，開啟碳陰極弧，同時調整碳靶弧電流與鉻靶弧電流比值在1/4,持續(xù)沉積制備金屬復合導電層40min ；
[0034](5)依次進行停陰極弧、偏壓、工作氣體，維持真空爐冷卻30min后，開啟真空室取出銅接線柱。
[0035]在銅接線柱 表面沉積出厚度為3 μ m的鉻碳元素含量隨膜層厚度交替變化的復合導電涂層，使得銅接線柱的接觸電阻=15πιΩ * cm2 (0.8Mpa壓緊力下)，水接觸角3 90°，表面顯微硬度Hk ^ 6GPa，膜/基結合力蘭70N。
[0036]實施例3
[0037]—種銅基插頭的制備方法，具體步驟如下:
[0038](I)將銅基插頭經過去毛刺、表面清污工序后，用超聲波機進行清洗完畢后烘干；
[0039](2)將銅基插頭隨鍍膜卡具一同裝入真空鍍膜室中，在設備陰極弧源位置上的不同位置分別安裝金屬純鉻靶材和純石墨靶材；關閉真空室艙門，依次開啟初抽泵及分子泵進行真空獲得，直至真空到達5 X 10_3Pa后，通入惰性氣體氬氣，使真空達到3Pa，啟動偏壓電源，電壓設置在500V，占空比為40%，頻率為20KHz，持續(xù)引發(fā)氬氣輝光等離子體對銅基插頭表面進行離子濺射清洗20min ；
[0040](3)降低偏壓至100V，占空比為60%，頻率為40KHz，調整工作氣壓，使得真空達到
0.4Pa，開啟鉻陰極弧，使得鉻靶材弧電流在150A，持續(xù)在銅基插頭表面沉積制備金屬薄膜IOmin ；
[0041](4)在不關閉鉻陰極弧的條件下，開啟碳陰極弧，同時調整碳靶弧電流與鉻靶弧電流比值在1/2,持續(xù)在金屬薄膜表面沉積制備金屬復合導電層60min ；
[0042](5)依次進行停陰極弧、偏壓、工作氣體，維持真空爐冷卻30min后，開啟真空室取出銅基插頭。
[0043]在銅基插頭表面沉積出厚度為5 μ m的鉻碳元素含量隨膜層厚度交替變化的復合導電涂層，使得銅基插頭接觸電阻≤15mΩ * cm2 (0.8Mpa壓緊力下)，水接觸角≥90°，表面顯微硬度Hk≥6GPa，膜/基結合力≥70N。
[0044]實施例4
[0045]一種銅基鎖緊螺母的制備方法，具體步驟如下:
[0046](1)將銅基鎖緊螺母經過去毛刺、表面清污工序后，用超聲波機進行清洗完畢后烘干;
[0047](2)將銅基鎖緊螺母隨鍍膜卡具一同裝入真空鍍膜室中，在設備陰極弧源位置上的不同位置分別安裝金屬純鉻靶材和純石墨靶材；關閉真空室艙門，依次開啟初抽泵及分子泵進行真空獲得，直至真空到達5 X 1O-3Pa后，通入惰性氣體氬氣，使真空達到0.3Pa，啟動偏壓電源，電壓設置在500V，占空比為40%，頻率為20KHz，持續(xù)引發(fā)氬氣輝光等離子體對銅基鎖緊螺母表面進行離子濺射清洗1min ；
[0048](3)降低偏壓至100V，占空比為30%，頻率為20KHz，調整工作氣壓，使得真空達到1Pa，開啟鉻陰極弧，使得鉻靶材弧電流在120A，持續(xù)沉積制備金屬薄膜Imin ；
[0049](4)在不關閉鉻陰極弧時，開啟碳陰極弧，調整碳靶弧電流與鉻靶弧電流比值在2/1，持續(xù)在金屬薄膜上沉積制備金屬導電復合層1Omin ；
[0050](5)依次進行停陰極弧、偏壓、工作氣體，維持真空爐冷卻30min后，開啟真空室取出銅基鎖緊螺母。
[0051]在銅基鎖緊螺母表面沉積出厚度為0.1 μ m的鉻碳元素含量隨膜層厚度交替變化的復合導電涂層，使得銅基鎖緊螺母的接觸電阻=15mΩ * cm2 (0.SMpa壓緊力下)，水接觸角蘭90°，表面顯微硬度Hk≥6GPa，膜/基結合力≥70N。
【權利要求】
1.一種銅基電接插件，包括銅基電接插件基體(1)，其特征在于:所述銅基電接插件基體(1)上依次沉積有金屬薄膜(2)和金屬復合導電層(3)，所述金屬薄膜(2)為銅基電接插件基體(1)和金屬復合導電層(3 )的連接層。
2.根據權利要求1所述的一種銅基電接插件，其特征在于:所述銅基電接插件基體(1)為銅基金手指、銅基鎖緊螺母、銅基簧片、銅基同軸線接口、銅插頭或銅接線柱。
3.根據權利要求1所述的一種銅基電接插件，其特征在于:所述金屬薄膜(2)為0.05 μ m-0.5 μ m的零價金屬態(tài)的鉻薄膜。
4.根據權利要求1所述的一種銅基電接插件，其特征在于:所述金屬復合導電層(3)為碳鉻薄膜，其厚度為0.1 μ m — 5 μ m。
5.根據權利要求4所述的一種銅基電接插件，其特征在于:所述碳鉻薄膜為在非晶碳基體上分布晶粒尺度為5nm-100nm的金屬態(tài)零價鉻晶體的納米復合薄膜。
6.一種銅基電接插件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)前處理: 將銅基電插接件基體經過去毛刺、表面清污工序后，用超聲波機進行清洗完畢后烘干 (2)裝料: 將步驟(1)處理后的銅基電插接件基體隨鍍膜卡具一同裝入增強過濾電弧離子鍍設備的真空鍍膜室中，在設備陰極弧源位置上的不同位置分別安裝金屬純鉻靶材和純石墨靶材； (3)離子濺射清洗: 關閉真空室艙門,抽真空至5 X KT3Pa后，通入惰性氣體氬氣，啟動脈沖偏壓電源，持續(xù)引發(fā)氬氣輝光等離子體對銅基電接插件基體表面進行離子濺射清洗； (4)制備金屬薄膜連接層: 降低脈沖偏壓幅值，調整工作氣壓，開啟鉻陰極弧，在銅基電接插件基體表面持續(xù)沉積制備金屬薄膜的連接層； (5)制備金屬復合導電層: 開啟碳陰極弧，調整碳靶弧電流與鉻靶弧電流比值在1/4-2/1之間，在金屬薄膜的連接層上沉積制備金屬復合導電層，即得到銅基電接插件。
7.根據權利要求6所述的一種銅基電接插件的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)離子濺射清洗的具體步驟及參數為:關閉真空室艙門，依次開啟初抽泵及分子泵進行真空獲得，直至真空到達5X 10_3Pa后，通入惰性氣體氬氣，使真空達到0.3-5Pa，啟動脈沖偏壓電源，電壓設置在500V-1000V，占空比為40%-80%，頻率為20KHz-40KHz，持續(xù)引發(fā)氬氣輝光等離子體對銅基電接插件基體表面進行離子濺射清洗l_20min。
8.根據權利要求6所述的一種銅基電接插件的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)制備金屬薄膜連接層的具體步驟及參數為:降低脈沖偏壓幅值至100-500V，占空比為30%-60%，頻率為20KHz-40KHz，調整工作氣壓，使得真空達到0.4_lPa，開啟鉻陰極弧，使得鉻靶材弧電流在60-150A，持續(xù)沉積制備金屬薄膜連接層，沉積時間為l-10min。
9.根據權利要求6所述的一種銅基電接插件的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)制備金屬復合導電層的具體步驟及參數為:開啟碳陰極弧，調整碳靶弧電流與鉻靶弧電流比值在1/4-2/1之間，持續(xù)沉積制備金屬復合導電層，沉積時間為10-60min。
【文檔編號】C23C14/32GK103903669SQ201410111359
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權日:2014年3月24日
【發(fā)明者】林國強, 韓治昀, 魏科科, 李強 申請人:大連理工常州研究院有限公司