灯用箔片连接件的制作方法

专利名称：灯用箔片连接件的制作方法
灯用箔片连接件
背景技术：
本发明总体上涉及具有收缩密封件(pinched seal)的电灯，其中导电箔片 插在该收缩体中。具体地，本发明涉及由抗氧化层保护防止氧化的钼箔片。
具有石英玻璃灯壳的电灯通常具有通过钼箔片与内电极连接的钼制外 电流导体。箔片用在收缩密封区域。箔片由于比较厚的钼导体柔韧，因而 能够更好地吸收收缩区域中作用于导体上的应力。钼在氧化环境中(例如， 于约350°C以及更高的温度，在空气中)迅速氧化。在钼箔片用于气密收缩 及真空成型密封件的情况下，这种氧化可造成开路或者可使密封件裂开， 造成开路或者使密封件裂开均导致灯失效。认为发生氧化反应的原因在于， 在密封操作过程中在玻璃质材料冷却时在引线周围形成微通道。这些微通 道允许氧气进入灯密封件的箔片区域。
已开发出渗铬工艺，用于减少灯工作过程中Mo-Nb引脚-箔片组件 (pin-foil assembly)的氧化。在这些工艺中，在箔片上沉积较厚的铬层。由于 工艺过程控制方面的困难，这些工艺常产生并不令人满意的结果。另外， 为了不发生氧化，渗铬层仅允许箔片温度緩慢上升。还提出了用碱金属硅 酸盐涂覆暴露于氧化环境的密封区域中的钼。

发明内容
在本发明的示例性实施方式中，提供灯用箔片连接件(foil connector)。 该箔片连接件包括由导电材料形成的基底层、用于减少灯工作期间基底氧 化的涂层。该涂层包括基底上包含贵金属的第一涂层；通过第一涂层与 基底隔开的第二涂层，该第二涂层包含贵金属；以及任选的通过第一和第 二涂层与基底隔开的第三涂层，该第三涂层包含贵金属。
另一方面，提供一种灯。该灯包括封壳。提供至少一个内电极，用于 在灯工作期间在封壳内产生放电。该灯还包括外连接件以及使外连接件与
内电极电连接的箔片连接件。该箔片连接件包括由导电材料形成的基底层。 基底上的第一涂层包含贵金属。第二涂层通过第一涂层与基底隔开。该第二涂层包含贵金属。任选地，第三涂层通过第一和第二涂层与基底隔开， 该第三涂层(在存在的情况下)包含贵金属。
另 一方面，制造箔片连接件的方法包括提供包含导电材料的基底层。 将贵金属沉积在基底上，以在基底上形成第一层。使贵金属的沉积停止一 段时间。然后将贵金属沉积在第一层上，以在基底上形成比第一层厚的第 二层。任选地，使贵金属的沉积再次停止一段时间，然后将贵金属沉积在 第二层上，以在基底上形成第三层。


图1是根据示例性实施方式一个方面的包括箔片连接件的灯的侧截面
图2是示例图1所示箔片连接件的放大透视图；和 图3是用于图1所示灯中的涂覆箔片一种实施方式的一部分的放大截 面图。
具体实施例方式
示例性实施方式的方面涉及提高放电灯用导电箔片连接件(例如含钼 箔片)的抗氧化性的系统和方法，该导电箔片连接件例如可位于钼和玻璃质 材料之间的收缩密封件中以提供电灯内外电极之间的电连接。在各方面中， 示例性方法提高暴露于约250。C 约700。C的氧化环境的钼的抗氧化性。因 而，可提高包围钼箔片的气密密封件和使用这种密封件的电灯的寿命。示 例性箔片包括涂层，该涂层位于暴露于氧化环境的密封区域中的钼的至少 一部分上。
已发现在额定条件(使钼箔片达到约400 450。C)下工作的灯在没有适当 控制电压的情况下可达到较高的温度。例如，在没有很好地控制电压的情 况下，箔片可达到500~550。C。对于大功率的灯例如用于娱乐场所如剧院照 明、夜总会照明等的灯尤为如此。因而，灯的失效远比通常所预期的发生 地快。示例性涂层抑制钼箔片的氧化，从而即使在箔片达到超过450°C的 温度如500-600°C或更高温度的情况下，在灯工作期间延长的一段时间内， 箔片连接件的氧化速度也未高到足以成为灯失效的决定因素。
参考图1，示例性灯10包括光源12例如卣管(halogen tube)。管12包括透光封壳14，该透光封壳通常由透明玻璃质材料例如石英、熔融石英或
,硅铝酸盐制成。该封壳限定内腔16。该封壳14可适当地涂覆有UV或红外 反射涂层。该示例性灯可以是以至少约500W,如至少约1000W，在一种实 施方式中高达约4kW或更高功率工作的高强度放电(HID)灯。因而，该灯可 在较热的情况下运行。
气密密封于腔16中的是卤素填充物，通常包括惰性气体例如氙或氪以 及卣素源例如卣代烷(如曱基溴或其他溴代曱烷)。 一对内电极18、 20从相 对端水平伸入腔16并限定间隙22以用于支持灯工作期间的放电。尽管以 鴒电极18 、 20作为可激励元件(energizable element)对示例性灯进行了描述， 但还可预想到其它可激励元件例如灯丝。
在以下说明中，所有百分比均按重量计，除非另外指出。
内电极18、 20可主要由导电材料例如鴒制成，例如由至少50%的鵠， 在一种实施方式中至少约80%或至少99%的钨制成。内电极18、 20的纵轴 与腔16的纵轴X-X重合。如随后更加详细描述地那样，内电极18、 20通 过箔片连接件28、 30与外连接件或引脚24、 26电连接。尽管在所示实施 方式中，电极18直接通过箔片28与外连接件24连接，但还可预想到一个 或多个中间电连接件可将箔片连接件28与电极18隔开，对电极20而言与 之类似。另外，尽管将连接件24、 26示意为从灯的相对端延伸，但还可预 想到所述连接件可从灯的同 一 端平行延伸。
外连接件24、 26向外延伸至位于封壳14相应端的底座32、 34以与电 源电连接。连接件24、 26可以是针状或管状并且可主要由导电材料例如钼 或铌制成，例如由至少约50%的钼，在一种实施方式中至少约80%或至少 99%的钼制成。还可预想到其它导电材料例如钼合金，如钼镍合金。
如图2所示，箔片连接件28、 30在垂直于纵轴的方向上具有厚度，该 厚度明显小于相邻连接件24、 26和内电极18、 20的厚度。箔片连接件28、 30可在其端部处焊接、钎焊或连接到相应的外连接件24、 26和内电极18、 20上。在灯的组装过程中，使玻璃质封壳材料在箔片连接件28、 30区域收 缩以形成密封件36、 38。箔片连接件28、 30各自具有明显大于箔片连接件 厚度的宽度和长度。例如，箔片连接件的厚度可小于约0.5 mm,例如为 0.2-0.3mm，箔片连接件的宽度和长度分别为至少1 mm,通常为至少2mm。
在被电源激励时，间隙内的放电22产生光照以及热能。热能可通过电极18、 20和/或玻璃质材料传导至收缩区域，在该区域内箔片连接件28、 30趋于变热。
尽管结合鴒-卣灯对示例性实施方式进行了描述，但应当理解的是，还 可替换性地使用其它光源，例如陶乾金属卣化物电弧管等。如本文所用， 术语"可激励元件，，包括灯丝以及通电流时产生光的其它可激励材料，例 如陶瓷金属卣化物电弧管电极之间间隙中的金属卣化物填充物。
如图3所示，箔片连接件28包括由钼或其合金如钼-镍合金形成的基底 层或箔片40。箔片可包含钼作为基本成分(例如，至少10%或至少20%、40%、 50%、 60%、 80%、 90%、 95%、 99%或99.9%的钼)以及可包含钼作为其主 要成分(约50%或更多)。箔片40的厚度可为至少约0.1 mm且最高可为约 0.5 mm,例如为约0.2-约0.3 mm。形成在基底表面43上的涂层42抑制构 成箔片40的材料的氧化。涂层42比箔片40薄(图3仅示出了基底40的一 部分)。尽管图3示出了箔片表面43上的涂层，但应当理解的是，类似地可 涂覆上下两个相对的平坦表面43，即箔片40的整个表面。可类似于连接件 28形成箔片连接件30。
涂层42可包含贵金属。通常，贵金属在灯的工作温度下具有比钼小的 氧化速度。示例性贵金属包括铂、金、镍及其组合和合金。例如，涂层包 含贵金属(即单独或组合)作为基本成分(例如，涂层42为至少10%或至少 20%、 40%、 50%、 60%、 80%、 90%、 95%、 99%或99.9%的贵金属)。涂层 42可包括一层或多个不同的层。根据示例性实施方式形成的多层贵金属涂 层降低箔片中钼的氧化速度。因而，在450-700。C范围内选择的温度下，箔 片40的氧化速度低于钼箔片或渗铬钼箔片的氧化速度。
示例性涂层42由基本上纯的金属(例如，至少90。/o的Au、 Pt或Ni,如 至少99%或至少99.99%)或它们的合金例如Ni/Al 、 Au/Al 、 Au/Ag 、 Au/Fe 、 Au/Cr、 Au/Mo或Au/Ni合金或者它们的组合构成/形成，其中涂层42包含 至少30%第一列举(贵金属)元素，在一种实施方式中包含至少约50%。对铂 而言，其不易形成合金，因而可以其基本上纯的形式使用。铂的熔点高于 金的熔点，因而在预计灯的工作温度有时特别高时铂可能比金更加适宜。
所示涂层42包括多个分别邻接并基本上共同扩展的涂层44、 46、 48。 尽管在示例性实施方式中示出了三个涂层，但还可使用更少或更多层。层 44、 46、 48可顺次沉积在基底上以形成涂层42。各层包含作为基本成分(例如，至少10%或至少20%、 40%、 50%、 60%、 80%、 90%、 95%或99%)的 贵金属，该贵金属可包括一种贵金属或者一种或多种贵金属的混合物。在 所示实施方式中，使用相同的贵金属或其合金形成涂层的各层。然而，还 可预想到层44、 46、 48可使用不同的贵金属/合金。任选地，可在涂层42 外部设置外相容层(outer compatibility layer)50,例如由硅、二氧化珪、氧化 铝、铝及其组合形成的层，用于改善与收缩部分36、 38中玻璃质材料的结 合。
涂层44、 46、 48可具有不同的晶粒结构。最靠近基底的第一层44的 厚度可为至少约1.5纳米(nm)且最高可为约10 nm,例如为2 nm-约5 nm, 如约3-4nm。通常选择第一层44的厚度以至少足以提供无孔的连续层。由 于涂覆材料向基底40的顶层扩散，因而第 一层可包含箔片材料(所示实施方 式中为钼)和涂覆材料如柏、金或镍的纳米合金。纳米合金层44的厚度可小 至几个分子。厚度大于约10nm时，形成纳米合金的趋势减小。因而，在 厚度大于10nm时，第一层的益处没有趋于改善。在第一层44中， 一种或 多种贵金属的浓度可比在其它层中低，但通常为至少20%，在一种实施方 式中，为至少约50%。尽管不受限于任何理论，但应认为第一层作为扩散 屏障，抑制从后续各层向箔片层40的扩散。
第二层46可稍厚于第一层，例如厚约5-约100nm,如厚约10-20nm, 如厚约14nm,从而提供大于第一层中晶粒的晶粒结构。通常，第二层可比 第一层厚至少约5nm。第三层48(以及任选的任何后续层)厚于第二层46, 从而提供更大的晶粒尺寸。例如，第三层48可厚约50nm-约2微米，如约 100nm-l微米，在一种实施方式中，厚约500纳米。通常，第三层可比第 二层厚至少约20nm。可根据灯的预期使用寿命(以小时计)，选择第三(最外) 层48的厚度。由于氧逐渐透过该层，因而该层越厚，透过该层的时间越长。 示例性第三层的厚度基于约1000小时的预期灯寿命。抗氧化涂层42的总 厚度f可至多为约l微米，通常为约600nm或以下。
相容层50(在存在的情况下)可厚约50-约500 nm,例如约100 nm。因 而，在一种实施方式中，在收缩部分中接触玻璃质材料的箔片连接件28、 30的外表面52(如果不存在相容层，则由涂层42提供)到箔片层40表面43 不大于约1.5微米，并且通常小于l微米。
与第一层44相比，第二和第三层46、 48可包含较高浓度的涂覆材料，这是因为中间的第一层44抑制向下面基底40扩散。在层46和48中，例 如，贵金属的浓度可为至少约50%,在一种实施方式中，为至少约80%且 最高可达100%。在所示实施方式中，各层与后续层在晶界处直接接触。
涂层42可通过适宜的控制沉积方法形成，例如溅射、电子束沉积、热 蒸镀、电镀及其组合等。通常，顺次沉积各层，从而在各层的沉积之间能 够有足够的时间以允许所沉积的层冷却，以使随后施用的层具有其自身独 特的晶粒结构。
例如，在一种示例性溅射方法中，将要进行涂覆的箔片40放置在具有 由涂覆材料制成的靶(例如金或铂靶)的可抽空腔内。在沉积合金作为涂覆材 料的情况下，可使用包含合金的单靶。或者，可使用两个或更多个靶，每 个靶各自包含形成合金的元素中的一种。将所述腔抽至适宜的真空条件(例 如约5托氩)并在适宜的工作温度如约300°C下开始溅射。可旋转箔片以使 两侧43均得到涂覆。
对于直接沉积在基底40上的第一层44,溅射持续进行直至在表面43 上沉积达到所需的厚度(例如，约3-4nm的Au或Pt)。然后停止'减射。在随 后停止期间(可持续约2分钟或更久且通常少于约1小时，例如约5分钟)， 箔片和第一层44可冷却。例如，可允许箔片和第一层冷却至约100。C或更 低。在溅射和随后冷却期间，第一层中的涂覆材料(例如Au或Pt)和箔片最 外部区域中的箔片材料(例如Mo)形成互扩散固溶体，该固溶体随即作为扩 散屏障抑制氧渗透到下面的箔片。经过足以形成晶面(该晶面提供第 一 和第 二层44、 46之间的晶界)的一段时间后，在工作温度下賊射靶(或不同的贵 金属耙)足够长的时间，以形成第二层46，例如沉积约14 nm Au或Pt。然 后再次停止溅射，可允许经涂覆的箔片冷却足够长的时间(例如至少约2分 钟，如5分钟，诸如第一冷却期间)，以在第二和第三层之间形成第二晶界。 由于插入第一层44，第二涂层46没有向下透过箔片40达到任何明显的程 度。因而，与第一层相比，第二层包含更高浓度的涂覆材料。
然后，在工作温度下再次賊射耙(或不同的贵金属靶)足够长的时间以沉 积第三层，例如约500nm的Au或Pt。在使用层50的情况下，可賊射或利 用其它控制沉积方法沉积第二靶，以形成外层。例如，在封壳的玻璃质材 料为硅铝酸盐玻璃时，沉积厚约100nm的铝层50,以提供总体上寿命较长 的灯。由此可提供与收缩部分中玻璃的良好匹配，从而形成较好的密封。对于石英封壳，可将硅或二氧化硅用于外层50。
例如可利用铂丝通过焊接将由此制得的箔片连接件28连接在外连接件 24和内电极18上，从而以常规方式在它们之间形成电通路。或者，依靠涂 层42，可不借助任何中间焊接材料通过钎焊直接将箔片连接件28连接在电 极18和外连接件24上。然后可将组件24、 28、 18和相应组件20、 30、 26 装配在封壳14各端，以-使电极18、 20的端部伸入腔16并间隔适当的间隙 22。加热封壳14并邻近箔片连接件28、 30收缩封壳以形成收缩密封件36、 38。然后可使底座连接件32、 34与外电极24、 26连接。可将最终制得的
在灯工作期间，由此制得的灯10在涂覆箔片28上可达到500-600°C， 涂覆箔片可暴露于通常最多含约1%氧的环境中而失效速度明显小于常规 的灯。
所描述的多层涂层结构42在箔片40的表面上形成类似弹簧的机构， 部分地由于晶粒尺寸梯度(越邻近箔片晶粒越小，越远离箔片晶粒越大)，该 机构能够吸收收缩部分36、 38中的应力。除了改善抗氧化性以外，该特性 还降低了灯的失效，从而使包含涂覆箔片的灯具有总体上较长的平均寿命。 可通过示例'性涂覆箔片实现的其它优点包括将箔片氧化温度提高至约 600。C或更高，以及提供更好的导电通路和改善的工艺控制。
以下实施例证实涂层抑制氧化的有效性，而不意图限制示例性实施方 式的范围。
实施例
在灯环境之外进行加速试验以评价涂层。在第一个试验中，厚约 0.025mm的钼箔片涂覆有类似于层44、 46厚度分别为4 nm和14 nm的第 一和第二金层44、 46。在这些试验中没有使用第三层。由于扩散进入钼基 底40,形成稍厚于4 nm的纳米合金第一层44并且其上具有厚约14 nm的 晶面。涂覆样品在加热至700。C的炉中暴露于空气(25%的氧)。历经三天， 未观察到晶体结构或脆性的变化。随后，开始出现小突起。
在第二个试验中，使没有涂层的钼箔片经受与第 一个试验相同的条件。 在2-3小时内，箔片开始显现出脆性特征。钼变为颗粒状并失去完整性。表 面显微检验显示在钼表面上具有作为氧化特征的突起。在第三个试验中，使具有100nm厚的二氧化硅层的钼箔片经受与第一 个试验相同的条件，以证实由此不能够阻止钼氧化。
通过机械沖击和电阻测量检测脆性。利用尖锐边缘进行机械冲击使未 涂覆的箔片变成小片，这些小片大部分是大小为约500微米的氧化片。电 阻测量显示涂覆箔片的电阻，即使在较高温度下退火，也仍小于1欧姆， 而未涂覆箔片显示出电阻大于1兆欧。
参考优选实施方式对本发明进行了描述。显然，通过阅读和理解以上 详细说明，本领域技术人员可作出改进和改变。本发明应理解为包括所有 这些改进和改变。
权利要求
1. 一种灯用箔片连接件，包括由导电材料制成的基底层；用于减少所述基底在灯工作期间氧化的涂层，所述涂层包括所述基底上包含贵金属的第一涂层；通过所述第一涂层与所述基底隔开的第二涂层，所述第二涂层包含贵金属；和任选地，通过所述第一和第二涂层与所述基底隔开的第三涂层，所述第三涂层在其存在的情况下包含贵金属。
2. 权利要求l的箔片连接件，其中所述基底包含钼作为其基本成分。
3. 权利要求l的箔片连接件，其中所述第一涂层比所述第二涂层薄。
4. 权利要求1的箔片连接件，其中所述第一涂层的厚度小于约10nm。
5. 权利要求1的箔片连接件，其中所述第二涂层比所述第一涂层厚至 少约5 nm。
6. 权利要求1的箔片连接件，其中所述第一和第二涂层以及在存在的 情况下的第三涂层具有不同的晶粒结构。
7. 权利要求1的箔片连接件，其中所述第一和第二涂层中的贵金属相同。
8. 权利要求l的箔片连接件，其中至少一个所述涂层中的贵金属包含 金、铂和镍中的至少一种作为基本成分。
9. 权利要求1的箔片连接件，其中所述第一和第二涂层各自包含至少 50重量％的贵金属。
10. 权利要求9的箔片连接件，其中所述第 一涂层中的贵金属包含金或铂。
11. 权利要求9的箔片连接件，其中所述第二涂层中的贵金属包含金或铂。
12. 权利要求l的箔片连接件，其中所述涂层包括第三涂层。
13. 权利要求12的箔片连接件，其中所述第三涂层为所述箔片连接件 的最外层。
14. 权利要求l的箔片连接件，还包括含有铝、硅、铝氧化物、硅氧化物及其组合中至少一种的层。
15. 权利要求l的箔片连接件，其中所述基底包含钼作为其基本成分。
16. 包括权利要求1的箔片连接件和电极的界面。
17. 包括权利要求1的箔片连接件的灯。
18. —种灯，包括 封壳；至少一个内电极，其用于在灯工作期间在所述封壳内产生放电； 外连4妄件；和使所述外连接件和所述内电极电连接的箔片连接件，所述箔片连接件 包括由导电材料制成的基底层， 所述基底上包含贵金属的第 一涂层，通过所述第一涂层与所述基底隔开的第二涂层，所述第二涂层包含贵 金属，和任选地，通过所述第一和第二涂层与所述基底隔开的第三涂层，所述 第三涂层包含贵金属。
19. 一种制造箔片连接件的方法，包括 提供包含导电材料的基底层；在所述基底上沉积贵金属，以在所述基底上形成第一层； 使贵金属的沉积停止一段时间；然后在所述第一层上沉积贵金属，以在所述基底上形成比所述第一层 厚的第二层；和任选地，使贵金属的沉积再次停止一段时间，然后在所述第二层上沉 积贵金属，以在所述基底上形成第三层。
20. 权利要求19的方法，其中所沉积的所述第一和第二层包含金和柏 中的至少 一种作为基本成分。
21. 权利要求19的方法，其中所述沉积包括在真空腔中賊射包含所述 贵金属的靶。
22. —种制造灯的方法，包括 通过权利要求18的方法制造箔片连接件； 利用所述箔片连接件使内电极和外连接件之间电连接；将所述内电极置于封壳内；和通过在所述箔片连接件区域收缩封壳将所述封壳密封。
全文摘要
提供一种灯(10)用箔片连接件(28，30)。该箔片连接件包括由导电材料制成的基底层(40)。提供涂层(42)，以减少基底在灯工作期间的氧化。涂层包括基底上包含贵金属的第一涂层(44)；通过第一涂层与基底隔开的第二涂层(46)，该第二涂层包含贵金属；以及任选的通过第一和第二涂层与基底隔开的第三涂层(48)，该第三涂层包含贵金属。
文档编号H01J61/36GK101438379SQ200780016288
公开日2009年5月20日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年5月12日
发明者迪德·M·奥龙格泽布 申请人:通用电气公司