DE60038311T2

DE60038311T2 - Kontaktelement und kontaktsystem

Info

Publication number: DE60038311T2
Application number: DE60038311T
Authority: DE
Inventors: Peter Isberg; Björn HELLSTRÖM; Bengt Stridh; Anna-Liisa LÖNN; Rolf Gustafsson; Sylva Arnell; Pan Min
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: WO2001041167A2; SE9904350D0; ATE389233T1; WO2001041167A3; AU1906701A; DE60038311D1; JP2003515903A; AU778665B2; CA2392918A1; US6838627B1; EP1234315A2; EP1234315B1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung und Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Element zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes zu einem anderen Kontakt, so dass ein elektrischer Strom zwischen dem Element und dem Kontaktteil fließen kann, wobei das Element einen Körper mit mindestens einer Kontaktfläche darauf umfasst, die mit einer Kontaktlage beschichtet ist, um an das Kontaktteil angelegt zu werden, als auch eine Gleitkontaktanordnung bzw. elektrische Gleitkontaktanordnung, bei der zwei Kontaktflächen, die dazu geeignet sind aneinander angelegt zu werden, um einen Kontakt herzustellen, in Bezug aufeinander gleiten können, wenn die Kontakttätigkeit hergestellt und/oder unterbrochen und/oder aufrechterhalten wird.
Ein derartiges Kontaktelement kann unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten aufweisen, bei denen die Kontaktlage so angeordnet ist, dass ein Kontakt zu einem Kontaktteil mit wünschenswerten Eigenschaften, wie beispielsweise einem geringen Durchgangswiderstand und einem geringen Reibungswiderstand bezüglich des Materials des Kontaktteils, hergestellt wird, mit dem Kontakt aufgenommen werden soll etc.. Derartige Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise zum Herstellen von Kontakten zu Halbleitereinrichtungen in einem Wafer von einer oder mehreren derartigen Einrichtungen, um einen elektrischen Kontakt in mechanischen Trennschaltern und Unterbrechern herzustellen und zu unterbrechen und um elektrische Kontakte in Kontaktanordnungen vom Plug-in Typ herzustellen und zu unterbrechen. Derartige elektrische Kontaktelemente, die Gleit- bzw. Schleifkontakte oder stationäre Kontakte herstellen, weisen vorzugsweise einen Körper auf, der beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt ist. Es ist bekannt den Körper mit einer Kontaktlage von Metall zu beschichten, um die Kontaktflächen des Kontaktelements gegen Abnutzung und Korrosion zu schützen. Es wurde jedoch festgestellt, dass die bis heute verwendeten Metalle für eine derartige Kontaktlage die Neigung gezeigten an den Flächen des Kontaktteils, die dagegen drücken, hängen zu bleiben, was zu einer Schädigung der Fläche nahe den Bereichen des Kontaktteils und/oder Kontaktteil führen kann, wenn Zugkräfte versuchen das Kontaktelement in Bezug auf das Kontaktteil zu bewegen, beispielsweise als Folge eines Unterschieds in dem Koeffizienten thermischer Ausdehnung des Materials des Kontaktelements und dem des Kontaktteils auf eine Temperaturänderung oder wenn das Kontaktelement und das Kontaktteil in Bezug aufeinander in einem Schleifkontakt bewegt werden sollen. Dieses Problem wurde durch Schmieren der Kontaktflächen des Kontaktelements und des Kontaktteils mit einem Schmiermittel gelöst. Ein derartiges Schmiermittel kann als Basis ein Öl oder ein Fett aufweisen, wobei jedoch feste Schmiermittel, wie beispielsweise Graphit oder verschiedene Typen von Kunststoffen ebenfalls vorkommen. Feste Schmiermittel weisen jedoch eine schwache elektrische Leitfähigkeit auf und werden, wenn die Kontaktflächen gegeneinander gleiten, häufig abgetragen bzw. abgenützt.
Ein Beispiel einer Kontaktlage mit Schmiermitteleigenschaften ist in US-4,553,417 oder US-5,316,507 gegeben. Ein festes Schmiermittel, Graphit einer bestimmten Teilchengröße, vermischt mit einem Pulver eines elektrisch leitfähigen Materials, beispielsweise Gold, wird in einen Körper gepresst, der gesintert wird. Die Goldkörnchen werden während des Sinterns zusammengeschmolzen und das Graphit verbleibt in den in dem Gold befindlichen Vertiefungen. Der gesinterte Körper wird in mehreren Walzschritten mit dazwischen liegenden Hitzebehandlungen in ein Band ausgerollt bzw. gewalzt, wobei das Band als eine leitfähige und schmierfähige Kontaktlage für die Kontaktelemente verwendet wird. Ein Nachteil dieser elektrisch leitfähigen und schmierfähigen Kontaktlage besteht darin, dass sie einen komplizierten und daher sehr kostenträchtigen Herstellungsprozess erfordert.
Basiert ein Schmiermittel auf Fett oder Öl besteht ein Problem darin, dass es schwierig ist eine einheitliche bzw. gleichmäßige Lage des Schmiermittels auf die Kontaktfläche aufzubringen. Dicke Filme bzw. Schichten des Schmiermittels beeinflussen die elektrischen Eigenschaften negativ, wobei dünne Schichten des Schmiermittels häufig durch mechanische Wirkung abgetragen werden. Ein anderes Problem besteht darin, dass es flüchtig ist und dadurch andere Komponenten verunreinigen wird. Ein zusätzliches Problem besteht darin, dass das Schmiermittel klebrig ist, das heißt, dass es an nicht zu schmierenden Komponenten hängen bleibt und das es leicht Verunreinigungen bzw. Fremdkörper, wie beispielsweise Teilchen und Staub, absorbiert, was zu einem erhöhten Durchgangswiderstand führen kann. Die Verunreinigungen in dem Schmiermittel können ebenfalls zu einer erhöhten Neigung des Schmiermittels führen zu oxidieren, und dadurch weniger widerstandsfähig werden. Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein elektrisches Kontakt element bereitzustellen, das eine Kontaktlage mit einer geringen Reibung ohne die Nachteile aufweist, die vorstehend von derartigen Lagen erwähnt wurden, die bereist in Zusammenhang mit der Verwendung und/oder Herstellung davon bekannt waren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, indem ein derartiges Kontaktelement bereitgestellt wird, das die Merkmale gemäß des beigefügten Anspruchs 1 aufweist.
Es wurde festgestellt, dass eine Schicht von laminiertem Material auf einem in Frage kommenden Kontaktelement aus zahlreichen Gründen als Kontaktlage ausgezeichnet ist. Der Reibungskoeffizient davon ist sehr gering, gewöhnlich 0,01–0,1. Dies liegt an der Tatsache, dass die Atomlage abwechselnd angeordnet ist. Die Bindungen zwischen diesen Lagen sind schwach. Dementsprechend wird, wenn laminiertes Material dieses Typs mit einer anderen Lage in Kontakt kommt, lediglich die oberste Atomlage gegen die gegenüberliegende Fläche eines bzw. des Kontaktelements geschert, was zu einer sehr geringen Reibung führt. Weiterhin weisen die Materialien eine geringe Neigung auf Oxide zu bilden, die einen elektrischen Kontakt zu dem Kontaktelement verringern bzw. abschwächen. Weiterhin weisen die laminierten Materialien einen geringen Durchgangswiderstand gegenüber bzw. an metallischen Flächen auf. Weiterhin sind die Materialien bei Temperaturen, die 400°C übersteigen, relativ chemisch inert und stabil. Ein Material, das gemäß der Erfindung laminiert wird, das heißt mit starken Bindungen in jeder Atomlage und schwachen Bindungen zwischen zumindest einigen benachbarten bzw. anliegenden Atomlagen, kann ein nano-laminiertes Material genannt werden, da die Dicke der so geformten Laminate in dem Bereich von 0,1 bis 10 Nanometern liegt. "Mehrere Elemente" deutet an, dass das Material aus mindestens zwei Elementen, wie beispielsweise Mo und S, hergestellt ist, was es von Graphit unterscheidet, was ein Material eines einzigen, lediglich C enthaltenden Elements ist.
Es wurde festgestellt, dass die in Anspruch 1 definierten unterschiedlichen Materialien für das laminierte Material die vorstehend erwähnten bevorzugten Merkmale aufweisen.
Eines der laminierten Materialien, Ti₃SiC₂, wird aufgrund der exzellenten mechanischen, chemischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des Materials besonders bevorzugt.
Dementsprechend können die laminaren Schichten einen selbst-schmierenden, trocknen Kontakt mit einer sehr geringen Reibung mit einem anderen Teil, wie beispielsweise dem Kontaktteil, ausbilden, was ebenfalls zu geringen Betriebskräften führt, was eine Verbindungsleitung eines Kontaktelements zu einem anderen derartigen Kontaktelement oder Kontaktteil fördert und/oder zu geringeren bzw. niedrigeren Leistungsverlusten in Betätigungselementen führt.
Gemäß unterschiedlicher bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden laminare Verbindungen der Schicht eine Morphologie aufweisen, die von einer amorphen bis rein kristallinen verschieden ist, und wobei die Morphologie entsprechend der besonderen Verwendung des Kontaktelements und/oder der Kosten zum Herstellen der Schicht ausgewählt werden. Die Schichten könnten ebenfalls aus Fulleren-ähnlichen Nano-Teilchen bestehen, wie in Nature 387, 792 (1997) und Nature 407, 164 (2000) beschrieben wurde. Diese bevorzugte strukturelle Form zeigt exzellente Reibungs- und Abnutzungseigenschaften. "Nano-Teilchen" wird als Teilchen definiert, die eine Größe zwischen 0,1 und 100 nm aufweisen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke bzw. Stärke der Schicht laminierten Materials über 10 μm. Eine derartige Dicke wird in dem Fall bevorzugt, in dem eine derartige Schicht auf einem Kontaktelement in einer Kontaktanordnung verwendet wird, bei der das Kontaktelement und das Kontaktteil in Bezug aufeinander, beispielsweise in einem Gleitkontakt, bewegt werden und demgemäß nicht nur durch unterschiedliche Koeffizienten einer thermischen Ausdehnung auf thermisches Zyklisieren bewegt werden, wie beispielsweise wenn auf einem Schleifring in einer elektrisch rotierenden Maschine verwendet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schicht zwei Sublagen bzw. -schichten, die aufeinander angeordnet sind, namentlich eine erste Subschicht von laminiertem Material und eine zweite Subschicht eines härteren Materials, wie beispielsweise CN_x (Kohlenstoffnitrid). Eine Kombination einer derartigen weicheren Lage und einer härteren Lage bzw. Schicht ist äußerst vorteilhaft, da sie einen guten Kontakt zu dem Teil ermöglicht, der mit einer Oxidschicht beschichtet ist, da das härtere Material gewährleistet, dass das weichere Material durch die Oxidschicht gedrückt wird, um den Kontakt herzustellen. Das verformbare laminierte Material wird anschließend einen größeren Kontaktbereich herstellen als das harte Material. CN_x ist super-elastisch und haftet gut an dem zugrunde liegenden Substrat, falls die Schicht in Bezug auf das Kontaktteil bewegt wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Körper, der sich tiefer unter der Kontaktfläche befindet aus einem Material hergestellt, das nicht gegen Korrosion widerstandsfähig ist, wobei das zuletzt genannte Material durch ein korrosionsresistentes Material, wie beispielsweise Nickel, beschichtet wird, das dazu angepasst bzw. geeignet ist die Schicht obendrauf aufzunehmen. Es wird bevorzugt auf diese Weise weiter zu machen, da die laminierte Schicht Poren aufweisen kann, mit dem Risiko, dass dadurch eine Korrosion des zugrunde liegenden Körpermaterials auftritt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Gleitkontaktanordnung des in der Einleitung definierten Typs bereitzustellen, die eine Bewegung von zwei Kontaktflächen gestattet, die aneinander angelegt wurden, während die vorstehend ausgeführten Misslichkeiten zu einem großen Teil verringert werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, indem eine derartige Anordnung mit einem Kontaktelement gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Schicht bereitgestellt wird, die so angeordnet ist, um einen trockenen Kontakt mit sehr geringer bzw. niedriger Reibung, unter 0,2, vorzugsweise unter 0,1, zu einem Kontaktteil zu bilden.
Die grundlegenden Merkmale und Vorteile einer derartigen Kontaktanordnung sind mit den Eigenschaften der Kontaktelemente gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden und erscheinen aus der vorstehenden Erörterung über ein derartiges Kontaktelement. Es wird jedoch darauf hingewiesen, das "Gleitkontakt bzw. elektrischer Gleitkontakt" alle Typen von Anordnungen einschließt, die einen elektrischen Kontakt zwischen zwei Teilen bzw. Elementen herstellen, die in Bezug aufeinander bewegt werden können, wenn der Kontakt hergestellt und/oder unterbrochen wird und/oder wenn die Kontakttätigkeit erhalten wird. Demgemäß werden nicht nur Kontakte eingeschlossen, die durch die Wirkung eines Betatigungselements aneinander entlang gleiten, jedoch ebenfalls so genannte stationäre Kontakte, die zwei Kontaktelemente aufweisen, die aneinander gepresst werden und in Bezug aufeinander in dem Kontaktzustand als eine Folge von Magnetostriktion, thermischem Zyklisieren und den Materialien der Kontaktelemente mit unterschiedlichen Koeffizienten einer thermischen Ausdehnung oder Temperaturunterschieden zwischen verschiedenen Teilen der Kontaktelemente, bewegt werden, die über die Zeit verschieden sind.
Eine Kontaktanordnung des zuletzt erwähnten Typs bildet eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei beispielsweise die Kontaktelemente mit einem hohem Druck, vorzugsweise 1 MPa übersteigend, aneinander gedrückt werden können ohne irgendein mechanisches Sicherungsmittel, wobei jedoch die Kontaktelemente ebenfalls durch gewundene Schrauben oder Bolzen aneinander gezwungen werden können.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktanordnung dazu angepasst bzw. geeignet in einer elektrischen rotierenden Maschine angeordnet zu werden, in der die Schicht, die laminiertes Material umfasst, zu einer Anzahl von Vorteilen führen wird. Es ist, insbesondere, möglich aus dem geringen bzw. niedrigen Reibungskoeffizienten des laminierten Materials einen Nutzen zu ziehen, wenn das Kontaktelement und das Kontaktteil der Kontaktanordnung an Teilen der rotierenden Maschine angeordnet werden, die in Bezug aufeinander, wie beispielsweise der Schleifring als ein Kontaktelement und einem darauf gleitenden Kontaktelement, bewegt werden. Es wird auf diese Weise möglich die in elektrisch rotierenden Maschinen verwendeten Kohlenbürsten durch ein Kontaktelement gemäß der vorliegenden Erfindung zu ersetzen und eine Schicht dieses Typs wird dann ebenfalls vorzugsweise an dem sich bewegenden Teil, wie beispielsweise einem Schleifring, angeordnet. Die Kohlenbürsten weisen eine Anzahl von Nachteilen auf, beispielsweise begrenzte Lebensdauer, da der Kohlenstoff verbraucht wird. Weiterhin wird Kohlenstaub auf die Wicklung und andere Teile der Maschine gesprüht, was die Funktion davon stören kann. Es wird bevorzugt, dass die Schicht von laminiertem Material für ein derartiges Kontaktelement eine Dicke bzw. Stärke aufweist, die 10 μm übersteigt, da ebenfalls die Schicht von laminiertem Material, in dieser Anwendung davon jedoch vergleichsweise langsam verbraucht wird.
Elektrische Kontaktanordnungen gemäß anderer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung stellen andere Arten von Kontakten dar, die Kontaktflächen aufweisen, die, während sie gegen einander beim Herstellen und/oder Unterbrechen eines elektrischen Kontaktes, wie beispielsweise Plug-in Kontakten, drücken, bewegen bzw. bewegt werden oder unterschiedliche Typen von federbelasteten Kontakten, bei denen der sehr geringe Reibungskoeffizient von laminiertem Material genutzt werden kann, was zu einem selbstschmierenden trockenen Kontakt ohne die Probleme von Schmiermitteln, wie beispielsweise Ölen oder Fetten, führt, während ermöglicht wird, die Betriebskräfte zu verringern und verbrauchte Leistung in Betätigungselementen zu sparen.
Elektrische Kontaktanordnungen gemäß anderer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind in Stufenschaltern an Transformatoren umfasst, wo eine geringe Reibung einen großen Vorteil darstellt, wenn die Kontaktelemente mit deren Kontaktflächen aneinander gleiten, und in mechanischen Trennschaltern und Unterbrechern und in Relais. Der inerte Charakter der laminierten Materialschicht kann ebenfalls in Crimp-Kontakten verwendet werden, wobei dann vorzugsweise mit einem Körper eines Materials, das gegen Korrosion beständig ist oder mit einem Material, das dieses Merkmal aufweist, beispielsweise Nickel, beschichtet ist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Verwendung der Kontaktanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche gemäß der Erfindung, die eine Kontaktanordnung betrifft, in der eine Sonde zum Erfassen und Testen einer integrierten Schaltung mit einer bzw. der laminierten Schicht beschichtet ist, was einen chemischen Abbau und eine Metallummantelung an der Sonde verhindert. Es ist selbstverständlich, dass diese Verwendung gemäß der Erfindung sehr vorteilhaft ist, da dadurch Erfassungen und ein Testen, ohne irgendeine Unterbrechung zum Ersetzen oder Säubern der Sonde, ausgeführt werden können.
Weitere Vorteile als auch vorteilhafte Merkmale erscheinen aus der folgenden Beschreibung und den anderen abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nachfolgend eine spezifische Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
In den Zeichnungen:
1 stellt ein elektrisches Kontaktelement eines Plug-in Typus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar;
2 stellt eine Schnittansicht eines elektrischen Kontaktelements eines helikalen Kontakttypus, gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dar;
3 stellt eine teilweise Schnitt- und Explosionsansicht einer Anordnung zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zu einem Halbleiterchip, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dar;
4 stellt sehr schematisch eine Gleitkontaktanordnung in einer elektrischen rotierenden Maschine, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dar;
5 stellt sehr schematisch eine Kontaktanordnung, gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Trennschalter, dar;
6 stellt sehr schematisch eine Gleitkontaktanordnung in einem Stufenschalter eines Transformators, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dar. und
7 stellt sehr schematisch eine Kontaktanordnung, gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Relais, dar. Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Kontaktanordnung 1 eines Plug-in Typus, bei dem eine Kontaktfläche 2 auf einem Kontaktelement 3 gegen Kontaktflächen 4 an einem anderem Kontaktelement 5 entlang gleitet und indem es dagegen drückt, wird es hier Kontaktteil genannt. Das Kontaktelement 3 weist einen weiblichen Charakter auf und liegt in der Form einer elastischen Backe vor, die dazu geeignet ist mit dem männlichen Kontaktteil 5 in der Form einer Kontaktschiene verbunden zu werden. Das Kontaktelement 3 wird an das Kontaktteil 5 angelegt und drückt in dem Kontaktzustand, während es durch mindestens eine Kontaktfläche 2 gegen eine Kontaktfläche 4 auf dem Kontaktteil 5 vorgespannt wird.
Mindestens eine der Kontaktflächen 2 und 4, vorzugsweise beide, wird/werden mit einer durchgehend laminierten Schicht, die MoS₂, WS₂ oder eine neue Klasse von geschichteten ternären Carbiden und Nitriden umfasst, bereitgestellt, die als M₃AX₃ beschrieben werden kann. M ist ein Übergangsmetall, A ist ein Gruppe A Element (wie beispielsweise 3A und 4A) und X ist entweder C oder N. Die Klasse von Materialien wird ebenfalls als 312 Keramiken bezeichnet. Diese Schicht kann mit einer Stärke in dem Bereich von 0,001 μm bis 1000 μm sehr dünn sein und wird einen sehr geringen Reibungskoeffizienten, gewöhnlich 0,01 bis 0,1; aufweisen. Das bedeutet, dass die zu beseitigenden Reibungskräfte beim Steuern der Kontaktanordnung zum Herstellen oder Unterbrechen des elektrischen Kontakts sehr gering sind, was zu einem geringen notwendigen Leistungsverbrauch in dem Betätigungselement und zu einer nahezu vernachlässigbaren Abnutzung der durch diese Schicht gebildeten Kontaktflächen führt. Weiterhin ist die Schicht bei Temperaturen, die 400°C übersteigen, chemisch inert und stabil. Es wird darauf hingewiesen, dass es gut möglich ist, dass die durchgehende Schicht lediglich auf dem Kontaktteil 5 angeordnet vorliegt, das selbstverständlich gerade so ein Kontaktelement darstellt wie das Kontaktelement 3. Weiterhin, die Schicht, die in diesem Fall laminiertes Material umfasst, wird aufgebracht und haftet an dem Körper 6 des Kontaktelements 3, wobei jedoch in anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung es gut möglich ist, dass die Schicht einen Körper beschichtet, indem sie als separate Folie obendrauf gelegt wird. Dies kann insbesondere für die in 3 gezeigte Ausführungsform der Fall sein, die nachfolgend weiter beschrieben wird.
Die durchgehende Schicht umfasst laminiertes, oder noch genauer nano-laminiertes, Material, das auf den Körper des Kontaktelements, welches vorzugsweise Cu ist, durch Dampfphase (PVD), Gasphasenabscheidung (CVD), elektrochemisch, oder mit thermischem Plasmasprühen aufgebracht werden kann. Vorzugsweise wird eine dünne Lage eines korrosionsbeständigen Materials auf dem Körper bereitgestellt, bevor die Schicht aufgebracht wird, da es möglich ist, dass die Schicht einige dadurch reichende Poren aufweisen wird, wäre der Körper aus einem Material, das nicht gegen Korrosion beständig ist.
2 stellt ein weiteres Beispiel einer Kontaktanordnung dar, in der es vorteilhaft ist mindestens eine der Kontaktflächen mit einer durchgehenden Schicht zu beschichten, die gemäß der vorliegenden Erfindung laminiertes Material zum Ausbilden eines selbst-schmierenden, trocknen Kontaktes mit einer sehr geringen Reibung umfasst. Diese Ausführungsform betrifft eine helikale Kontaktanordnung, die ein Kontaktelement 7 in der Form eines federbelasteten ringförmigen Körpers aufweist, wie beispielsweise einen Ring eines helikal gewundenen bzw. gewickelten Drahtes, der dazu geeignet ist einen elektrischen Kontakt zu einem ersten Kontaktteil 8 herzustellen und zu erhalten, wie beispielsweise eine innere Hülle bzw. Buchse oder ein Stift, und einem zweiten Kontaktteil 9, wie beispielsweise eine äußere Buchse oder ein Rohr. Das Kontaktelement 7 liegt in einem Kontaktzustand zusammen- bzw. gepresst vor, dass mindestens eine Kontaktfläche 10 davon federbelastet gegen eine Kontaktfläche 11 des ersten Kontaktteils 8 drückt und wobei mindestens eine andere Kontaktfläche 12 des ersten Kontaktelements 7 federbelastet gegen mindestens eine Kontaktfläche 13 des zweiten Kontaktteils 9 drückt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Kontaktfläche 10–13 vollständig oder teilweise mit einer durchgehenden Schicht geringer Reibung beschichtet, die laminiertes Material umfasst. Eine derartige helikale Kontaktanordnung wird beispielsweise in einem elektrischen Unterbrecher in einem einer Schaltanlage verwendet.
Eine Anordnung zum Herstellen eines guten elektrischen Kontaktes zu einer Halbleiterkomponente 14 wird in 3 dargestellt, wobei jedoch unterschiedliche Teile bzw. Elemente, die zur Klarheit voneinander beabstandet gezeigt sind, in einem Stapel angeordnet sind und mit hohem Druck, vorzugsweise 1 MPa übersteigend und gewöhnlich 6–8 MPa, zusammengedrückt werden. Jede Hälfte des Stapels umfasst ein Einsatzstück 15 in der Form einer Kupferplatte, um eine Verbindung mit der Halbleiterkomponente herzustellen. Jedes Einsatzstück wird mit einer dünnen durchgehenden Schicht 16 bereitgestellt, die laminiertes Material umfasst. Der Koeffizient einer thermischen Ausdehnung des Halbleitermaterials, beispielsweise Si, SiC oder Diamant, der Halbleiterkomponente und von Cu unterscheiden sich stark (2,2 × 10⁶/K für Si und 16 × 10^–6/K für Cu), was heißt, das Kupferplatten 15 und die Halbleiterkomponente 14 in Bezug zueinander seitwärts bewegt werden, wenn die Temperatur davon verändert wird. Kontaktanordnungen dieses Typs gemäß des Standes der Technik erfordern für diesen Zweck zwischen dem Einsatzstück und der Halbleiterkomponente ein oder mehrere weitere Teile in dem Stapel, um diese Tendenz einer gegenseitigen Bewegung auf thermisches Zyklisieren zu berücksichtigen, um Brüche in der Halbleiterkomponente und/oder Abnutzung der Kontaktfläche der Komponente zu verhindern. Die sehr geringe Reibung einer Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung macht es jedoch möglich all diese zusätzlichen Teile wegzulassen, wobei die Kontaktanordnung weniger kostenintensiv gemacht wird, nicht zu letzt dadurch, das ein kostengünstiges Material ohne jeden Bedarf eines nahen bzw. engen thermischen Zusammenpassens mit der Halbleiterkomponente verwendet werden kann. Eine Kontaktanordnung dieses Typs ist ein Teil einer Leistungselektronikeinkapselung 17, die ein geschlossenes System bildet und wobei praktisch kein Material verbraucht wird, wenn die Schicht auf thermisches Zyklisieren entlang der Halbleiterkomponente so bewegt wird, dass die Lebensdauer bzw. Standzeit davon praktisch unbegrenzt sein wird.
Eine Gleitkontaktanordnung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird schematisch in 4 dargestellt, wie sie in einer elektrischen rotierenden Maschine 18 eines beliebigen Typs verwendet wird, um einen elektrischen Kontakt zwischen einem Schleifring 19 und einem Kontaktelement 20 herstellen zu können, das hier eine Kohlenbürste ersetzt und aus einem Körper, beispielsweise Kupfer oder Aluminium hergestellt ist, der mit einer durchgehenden Schicht 21, umfassend ein laminiertes Material, beschichtet ist. Die äußere Fläche des Schleifrings 19 ist vorzugsweise ebenfalls durch eine mit 22 bezeichnete derartige Schicht beschichtet. Das führt zu einem elektrischen Kontakt mit sehr geringer Reibung, der einen niedrigen Durchgangswiderstand aufweist. Es wäre ebenfalls möglich eine Kontaktanordnung zu verwenden, die eine durchgehende Schicht eines laminierten Materials zwischen zwei Teilen aufweist, die sich in einer elektrisch rotierenden Maschine in Bezug aufeinander bewegen, um eine sich aufbauende statische Elektrizität zu verhindern.
5 stellt sehr schematisch dar, wie eine elektrische Kontaktanordnung gemäß der Erfindung in einem Trennschalter 23 mit einer Schicht mit geringer Reibung 24, angeordnet sein kann, der an mindestens einer der Kontaktflächen von zwei Kontaktelementen 25, 26 laminiertes Material umfasst, die in Bezug aufeinander beweglich sind, um dazwischen einen elektrischen Kontakt herzustellen und eine sichtbare Trennung der Kontaktelemente zu erhalten.
6 stellt schematisch eine Gleitkontaktanordnung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar, in der das Kontaktelement 27 ein bewegliches Teil eines Stufenschalters 28 eines Transformators ist, der dafür geeignet ist in elektrischem Kontakt entlang von Kontakten 29 zu der zweiten Windung des Transformators zu gleiten, wobei dementsprechend das Kontaktteil gebildet wird, um Spannung eines von dem Transformator erwünschten Niveaus abzugreifen. Eine Schicht mit geringer Reibung 30, umfassend laminiertes Material, ist an der Kontaktfläche des Kontraktelements 27 und/oder des Kontaktteils 29 angeordnet. Das Kontaktelement 27 kann auf diese Weise einfach entlang der Windung 29 bewegt werden, während ein geringer Durchgangswiderstand daran beibehalten bleibt.
Schließlich stellt 7 sehr schematisch eine Kontaktanordnung gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar, die in einem Relais 31 verwendet wird, wobei eine der Kontaktflächen von gegenüberliegenden Kontaktelementen 32, 33 mit einer Schicht mit geringer Reibung 34 bereitgestellt werden kann, die MoS₂ umfasst, was zu einer geringeren Abnutzung der Kontaktflächen führt und sie als Folge der Eigenschaft eines laminierten Materials korrosionsbeständig macht.
Ein Kontaktelement und eine Gleitkontaktanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung können andere bevorzugte Anwendungen finden, wobei derartige Anwendungen einem Fachmann offenbar wären, ohne von dem grundlegenden Gedanken der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.
Es wäre beispielsweise möglich die dünne Schicht mit geringer Reibung zu dotieren, um die Reibung, die thermischen, die mechanischen oder die elektrischen Eigenschaften durch eine oder mehrere Verbindungen zu verbessern. Die Menge der Dotierung sollte jedoch nicht 20-Gew.-% der Schicht überschreiten. Es ist dann ebenfalls möglich, dass unterschiedliche Kontaktflächen des Kontaktelements verschiedene Schichten aufweisen, beispielsweise einige dotierte und andere nicht oder einige durch mindestens zwei Sub-Lagen gebildete und andere, die lediglich eine Lage aufweisen.
Weiterhin sind die Kontaktelemente und Anordnungen der Erfindung nicht auf irgendwelche besonderen Netzspannungen beschränkt, wobei sie jedoch bei geringen, mittleren und hohen Spannungsanwendungen verwendet werden können.
Das laminierte Material der Kontaktlage gemäß der Erfindung kann zusammen mit 50–70% eines Metalls, beispielsweise von Ti oder Au, eine Legierung bilden, um die Leitfähigkeit zu verbessern und die Absorption von Feuchtigkeit zu verringern. Dies kann durch Ausbilden einer homogenen Dispersion des Metalls in dem Material erfolgen oder durch Anordnen einer Lage der chemischen Verbindung, wie beispielsweise MoS₂ und abwechselnd einer Lage des Metall.

Claims

Element zum Herstellen eines elektrischen Kontakts mit einem anderen Kontaktteil (19), um es einem elektrischen Strom zu ermöglichen, zwischen dem Element (20) und dem Kontaktteil zu fließen, wobei das Element einen Körper mit mindestens einer Kontaktfläche darauf umfasst, die mit einer Kontaktlage (21) beschichtet ist, um an das Kontaktteil angelegt zu werden, dadurch gekennzeichnet dass die Kontaktlage (21) eine durchgehende Schicht umfasst, umfassend ein laminiertes Material aus mehreren Elementen mit starken Bindungen, so wie kovalenten oder metallischen Bindungen, in jeder atomaren Lage, und schwächeren Bindungen, durch eine längere Bindungsstrecke, oder zum Beispiel van der Waals Bindungen oder Wasserstoffbindungen, zwischen mindestens einigen benachbarten atomaren Lagen davon; dass das laminierte Material irgendeines von schichtartigen ternären Karbiden und Nitriden der als 312 Keramik bezeichneten Klasse ist, die als M₃AX₂ beschrieben werden kann, wobei M ein Übergangsmetall ist und A ein Element ist, das zur Gruppe 3A oder 4A des Periodensystems gehört, und X entweder C oder N ist, und dass die Dicke der Schicht in dem Bereich 0,001 μm bis 1000 μm liegt.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das laminierte Material Ti₃SiC₂ ist.
Kontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass laminiertes Material der Schicht (16, 21, 22, 24, 30, 34) sich in einem amorphen Zustand befindet.
Kontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass laminiertes Material der Schicht zumindest teilweise kristallin ist.
Kontaktelement nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass laminiertes Material der Schicht sich in einem kristallinen Zustand befindet.
Kontaktelement nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass laminiertes Material der Schicht Nanopartikel mit Fulleren-ähnlicher Struktur umfasst.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke kleiner als 5 μm ist.
Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke 10 μm überschreitet.
Kontaktelement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf den Körper abgeschieden ist und daran haftet.
Kontaktelement nach irgendeinem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht als eine freistehende Folie angeordnet ist, um an das Kontaktteil angelegt zu werden, wenn der elektrische Kontakt hergestellt wird.
Kontaktelement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kontaktfläche (2) des Körpers (6) metallisch ist.
Kontaktelement nach irgendeinem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kontaktfläche (2) des Körpers (6) aus einem keramischen Material hergestellt ist.
Kontaktelement nach irgendeinem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kontaktfläche (2) des Körpers (6) aus einem Polymer-Material hergestellt ist.
Kontaktelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (6) tiefer unter der Kontaktfläche (2) aus einem Material hergestellt ist, das nicht gegen Korrosion beständig ist, und dass das letztgenannte Material mit einem korrosionsbeständigen Material beschichtet ist, so wie Nickel, angepasst, um die Schicht darauf aufzunehmen.
Kontaktelement nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit einer oder mehreren Verbindungen dotiert ist, um Reibungs-, mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften der Schicht zu verändern und zu verbessern.
Kontaktelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf dem Körper mittels eines elektrolytischen Verfahrens gebildet wird.
Kontaktelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf dem Körper unter Verwendung einer Bedampfungstechnik abgeschieden wird.
Kontaktelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf dem Körper durch Abscheidung aus der Dampfphase (PVD) oder Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden wird.
Kontaktelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht auf dem Körper durch Tauchen des Körpers in eine chemische Lösung oder Aufsprühen davon auf den Körper durch zum Beispiel thermisches oder Plasmasprühen abgeschieden wird.
Gleitkontaktanordnung, d. h. eine Kontaktanordnung, in der zwei Kontaktflächen (2, 4), angepasst, um aneinander angelegt zu werden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen, in Bezug auf einander gleiten können, wenn die Kontakttätigkeit aufgebaut und/oder unterbrochen und/oder aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kontaktelement (3) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei die Schicht derart angeordnet ist, um einen trockenen Kontakt mit einem sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, unter 0,2, bevorzugt unterhalb von 0,1, mit einem Kontaktteil (5) zu bilden.
Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktteil (5) auch eine Kontaktfläche (4) aufweist, die mit einer Schicht beschichtet ist, die eine laminierte Schicht umfasst.
Anordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass es den Oberflächen des Kontaktelements (15) und des Kontaktteils (14), angepasst, um aneinander angelegt zu werden, um den elektrischen Kontakt herzustellen, ermöglicht ist, sich in Bezug aufeinander zu bewegen, als Folge verschiedener thermischer Ausdehnung Koeffizienten der Materialien von Oberflächenabschnitten des Kontaktelements und des Kontaktteils auf Temperaturänderungen des Kontaktelements und des Kontaktteils hin.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (15) und das Kontaktteil (14) angepasst sind, um gegeneinander gedrückt zu werden, um den Kontakt herzustellen.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement und das Kontaktteil angepasst sind, um durch Bolzen oder Schrauben gegeneinander gepresst zu werden, um den elektrischen Kontakt dazwischen herzustellen.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (20) und das Kontaktteil (19) angepasst sind, um einen elektrischen Kontakt in einer elektrischen rotierenden Maschine (18) herzustellen.
Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement und das Kontaktteil angepasst sind, um einen Kontakt zwischen zwei Teilen (19, 20) der Maschine herzustellen, die sich in Bezug aufeinander bewegen, wenn die Maschine (18) mit dem Kontaktelement in Betrieb ist und das Kontaktteil an einem separaten derartigen Teil angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beweglichen Teile ein Schleifring (19) ist.
Anordnung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (21, 22) 10 μm überschreitet.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–23, dadurch gekennzeichnet, dass eines (5) von dem Kontaktelement und dem Kontaktteil männlich und das andere (3) weiblich ist, und dass das Kontaktelement und das Kontaktteil angepasst sind, um den elektrischen Kontakt herzustellen, indem sie in Eingriff mit einander gebracht werden.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–23, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel umfasst, um das Kontaktelement und das Kontaktteil federnd gegeneinander vorzuspannen, um den elektrischen Kontakt herzustellen.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–22, dadurch gekennzeichnet, dass sie angepasst ist, um einen elektrischen Kontakt in einem Stufenschalter (28) für einen Transformator herzustellen, um einen Kontakt zu verschiedenen Wicklungs- (29) Windungen des Transformators herzustellen.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement und das Kontaktteil zu zwei Teilen (25, 26) eines mechanischen Trenners gehören, die voneinander weg bewegbar sind, um zwei Anschlüsse davon zu trennen.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement und das Kontaktteil zu zwei Teilen (25, 26) eines mechanischen Unterbrechers gehören, die voneinander weg bewegbar sind, um den Strompfad zwischen den Anschlüssen davon zu unterbrechen.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement und das Kontaktteil zu einem Klemm-Kontakt gehören.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 20–23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (32) und das Kontaktteil (33) zu den Teilen gehören, die in einem Relais in Bezug aufeinander beweglich sind, um einen elektrischen Kontakt dazwischen herzustellen, wenn das Relais arbeitet.
Verwendung einer Kontaktanordnung gemäß irgendeinem der Ansprüche 20–35, in der ein Fühler zum Messen und Prüfen einer integrierten Schaltung (IC) mit der laminierten Schicht bedeckt wird, um chemische Degeneration und metallische Ablagerung auf dem Fühler zu verhindern.