专利名称：一种改进的电接头结构及使用该接头的继电器和开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的电接头结构及使用该接头的继电器和开关，具体地说，涉及一种用于通讯装置的、在较小电流下工作的小尺寸继电器和小尺寸开关。
近年来，日益需求减少电子器件或电气器件的尺寸和能耗。在这种情况下，同时需要减少通讯装置所用的被设置在印刷电路板上的继电器和开关的尺寸并提高其灵敏度。小尺寸的继电器或开关需要小的接触力或小的接触压力。特别重要的是需要保持原始接触电阻的稳定性。为了保持原始接触电阻的稳定性，最好用软金属制造接触表面层。
继电器和开关被设置在比如由塑料材料等构成的盖子中，从而将接触表面层暴露到有机气体氛围中。继电器和开关可接收外部负载。为了保证在各种条件下的良好接触电阻，接触表面层的材料需要具有稳定的表面状态。
本领域中公知的是，本发明使用的Au和AuAg合金是软的，并且具有稳定的表面状态，以及表现出高的导电性。Au和AuAg是如此之软，致使它们具有塑性变形性能。这种塑性变形的性能会导致两个相对的接触面发生黏结。这种相对接触面的黏结会导致它们失去可靠性。
已经制成具有抗黏结特性的接触表面材料。日本未审专利出版物特开平6-108181中揭示一种将重量百分比为1-10％的Pd和10-100ppm的C加入到Au或AuAg合金中制备接触表面层材料，从而可获得具有优良抗黏结性质和接触稳定性的电接头。
日本未审专利出版物特开平6-325650揭示一种用于表面层的AuNi合金、AuPd合金或AuAgPt合金，为的是获得抗黏结性质和接触稳定性。
在电接头的工作状态下以及不工作状态期间受到外力震动或撞击的情况下都可能引起接头的软金属接触表面层之间的黏结。上述日本出版物论及只能在工作状态下改善抗黏结性能。上述软金属材料的问题在于，当在不工作状态下受到外部震动或外部撞击或由于超声波切割而受到震动时，可能会引起在闭合状态下与相对接触表面接触的断开接头的黏结，从而难于使接头进入开启状态，其中断开触点与相对的表面分离，同时接头处于与另一相对的接触表面接触。当接触表面层中Au的含量较高时，出现接触表面黏结的可能性也会增大。为改善抗黏结性，减少接触表面层中Au的含量是有效的。采用减少Au含量所产生的另一问题在于会降低接头电阻的稳定性。因而，上述传统技术很难同时获得高的抗黏结性和高的稳定接触电阻。
另外，如果接触表面层的合金中含Ni，又会引起Ni的偏析问题，由此很难获得稳定的接触电阻。
在上述情况下，需要开发一种不存在上述问题的新型电接头表面结构。
于是，本发明的目的在于提供一种不存在上述问题的新型电接头表面。
本发明的另一目的在于提供一种新型电接头表面结构，在电接头于闭合状态下保持互相接触时，能够具有高的抗黏结性能和高稳定的接触电阻。
本发明的又一目的在于提供一种新型的继电器，它使用不存在上述问题的电接头表面。
本发明的再一目的在于提供一种新型的继电器，它使用一种电接头表面结构，使得在电接头于闭合状态下保持互相接触时，能够具有高的抗黏结性能和高稳定的接触电阻。
本发明的再一目的在于提供一种新型开关，它使用不存在上述问题的电接头表面结构。
本发明的再一目的在于提供一种新型的开关，它使用一种电接头表面结构，使得在电接头于闭合状态下保持互相接触时，能够具有高的抗黏结性能和高稳定的接触电阻。
本发明提供一种电接头结构，它包括第一接触表面和第二接触表面，其中第一和第二接触表面中的至少一个包含AuAgPd合金，该合金包含7-16％重量的Ag和1-10％重量的Pd，从而特别在电接头处于不工作状态下，能够得到高的抗黏结性能和高稳定的接触电阻。
通过下面的描述会对本发明的上面所述及其它目的、特征和优点有更清楚的了解。
下面将参照附图详细描述本发明的最佳实施例。
图1是说明本发明使用新型电接头结构的继电器结构的示意图；图2是说明图1继电器中所用的接触带结构的截面示意图；图3是表示对于例1-5和比较例1-5各自发生黏结比率的图线；图4是由例1-5和比较例1和5实验结果所得发生黏结的比率与Ag和Pd总含量关系的变化图线；图5是表示上述每个例1-5和上述比较例1-5中20个继电器的接触电阻的固有平均值、测试后的平均值和测试后的最大值的图线；图6是表示上述例1-3和上述比较例1-4每个中的20个继电器的接触电阻的固有平均值、试后的平均值和测试后的最大值的图线；图7是表示上述例1-3和上述比较例1-4每个中的20个继电器的接触电阻的固有平均值、测试后的平均值和测试后的最大值得示意图。
本发明提供一种电接头结构，包括第一接触表面和第二接触表面，其中第一和第二接触表面中的至少一个包含AuAgPd合金，该合金包含7-16％重量的Ag和1-10％重量的Pd，从而特别在该电接头处于不工作状态时，可得到高抗黏结性和高稳定的接触电阻。
第一和第二接触表面中其余一个可包含Au，从而特别当电接头处于不工作状态时可获得高的抗黏结特性和高稳定的接触电阻。另外，第一第二接触表面中其余一个也可包含AuAg合金，从而特别当电接头处于不工作状态时，可获得高的抗黏结特性和高稳定的接触电阻。
Ag和Pd的总成分重量比不小于14％，从而特别在电接头处于不工作状态时可获得高的抗黏结特性和高稳定的接触电阻。第一和第二接触表面中其余的一个可包含Au。另外，第一和第二接触表面中其余的一个也可包含AuAg合金。
可使第一和第二接触表面中的至少一个形成在与接触弹性件接合的中间合金层上，从而中间合金层能有效地补偿因电接头的频繁接触所造成的接触表面层的摩擦或产生针孔对接触电阻特性的影响，从而可获得长时间和高可靠的补偿结果。在此情况下，中间合金层最好包含AgNi合金，使中间合金层能有效地补偿因电接头的频繁接触所造成的接触表面层的摩擦或产生针孔对接触电阻特性的影响，从而可获得长时间和可靠的补偿结果。另外，中间合金层最好包含AgPd合金，使中间合金层能有效地补偿因电接头的频繁接触所造成的接触表面层的摩擦或产生针孔对接触电阻特性的影响，从而可获得长时间和可靠的补偿结果。
可使第一和第二接触表面中的至少一个形成在与接触弹性件接合的基底金属层上的中间合金层上，从而易于使中间合金层和接触表面与接触弹性件接合，并可提高接合强度。在此情况下，可使中间合金层包含AgNi合金，使中间合金层能有效地补偿因电接头的频繁接触所造成的接触表面层的摩擦或产生针孔对接触电阻特性的影响，从而可获得长时间和高可靠的补偿结果。在此情况下，中间合金层最好包含AgPd合金，使中间合金层能有效地补偿因电接头的频繁接触所造成的接触表面层的摩擦或产生针孔对接触电阻特性的影响，从而可获得长时间和可靠的补偿结果。另外，中间合金层最好包含CuNi合金，从而可易于将中间合金层和接触表面与接触弹性件接合，并可提高接合强度。
可将上述新型电接头应用于继电器和开关。
在不工作状态下，AuAgPd合金的新型接触表面的抗黏结特性优于传统的AuPdC合金的接触表面。接触表面层的AuAdPd合金与位于接触表面层下面的中间金属层的特定合金的组合可提高接触特性。
重要的是第一和第二接触表面层中的至少一个由AuAgPd合金制成。接触表面层中的Au含量对抗黏结特性和接触电阻有很大影响。如果Ag的含量很低，例如，小于5％的重量，则相对于低含量的Ag而言，软金属Au的含量是高的，从而合金的硬度较低，抗黏结特性不好。为了改善抗黏结特性，提高Pd的含量是有效的。然而如果Pd的含量过高，就会使接触表面上的有机物质发生改变，形成被称做布郎-力(brown-power)的绝缘体，从而使接触不良。如果Ag的含量过大，例如，大于20％的重量，则很难抑制硫化物的形成。本发明人发现Ag含量的最佳范围为7-16％的重量。
如果Pd的含量过低，会使AuAgPd合金的硬度接近于AuAg的硬度，从而抗黏结特性不好。然而如果Pd的含量过高，则会产生上述因形成绝缘体而造成的接触不良问题。本发明确认Pd含量的最佳范围为1-10％的重量。由于AuAgPd合金被暴露在空气中，会产生存在于空气中的Pd和C的固体溶液，从而在AuAgPd合金中作为杂质存在10ppm的C。
Ag和Pd的总含量对抗黏结特性和稳定的接触电阻有很大的有效。为了获得所需的抗黏结特性，可确认的Ag和Pd总量范围为不小于14％的重量。
继电器或开关具有两个接头，例如一个闭合接头和一个断开接头。在初始状态下，闭合接头处于打开状态，此时闭合接头与配合的闭合接触表面分离，而断开接头处于闭合状态，此时断开接头与配合的断开接触表面接触。
在初始状态下，闭合接头的接触表面被暴露在有机气体氛围中。通常，闭合接头和配合的闭合接头中的一个为固定的接头，而其余的一个是可动接头。至少闭合接头和配合的闭合接头中的一个的接触表面层包含AuAgPd合金，而闭合接头和配合的闭合接头中的其余一个的接触表面层包含AuAg合金。
在初始状态下，断开接头的接触面保持与配合的断开接触面接触，从而使接触面不会被暴露在有机气体的氛围中。然而，断开接头易于受到外部的震动或外部的撞击，从而断开接头易于与配合的断开接头发生黏结。为了避免此黏结的问题，硬金属或硬合金对于保证抗黏结特性是有效的。然而硬金属或硬合金的缺点是其接触电阻的稳定性低。但根据本发明，为了同时获得抗黏结特性和接触电阻的高稳定性，将AuAgPd合金用于断开接头和配合的断开接头的接触表面层。特别是，AuAgPd合金对防止因在不工作状态下的外部震动和外部的撞击而产生的黏结是有效的。
使表面接触层形成于与接触弹性件接合的中间金属层上。中间金属层对改进抗黏结特性和不工作状态下的接触稳定性并无直接的贡献。中间金属层可有效地补偿因电接头的频繁操作而造成的接触表面层的摩擦或产生针孔对接触电阻特性的影响，从而可长时间和高可靠性的保持补偿结果。在加有电器负载的情况下，选择中间合金层的材料或合金，并与接触表面层的合金相结合。如果电器负载较低，则对中间合金层而言使用AgNi合金最好。否则，最好使用AgPd合金。
另外，为了增大对接触弹性件的接合强度，在中间金属层和接触弹簧之间可设置基底金属层。选择基底金属层的材料，使基底材料层能与诸如磷铜类接触弹性件焊接。例如，最好是CuNi合金。
在下面的例1-5和比较例1-5中，形成图1中所示的继电器100。继电器100包括底部密封150、铁芯160、线圈170、磁体180、盖体140、弹性接触片元件130和可动断开及固定接头110，以及可动闭合及固定接头120。继电器100的结构和公知的结构一样。继电器100为具有极性结构的非-闩锁密封型的微信号继电器。可动接头为双接头，其中接合力大约为5gr，接触间隙为0.3mm。此接头为具有图2所示断面结构的接触带200。即接触带200具有三层结构，包含基底金属层230、位于基底金属层230上的中间层220和位于中间金属层220上的接触表面层210。基底金属层230通过电阻-焊接方法与接触弹性件和接线端子相连。基底金属层230包含CuNi合金。中间金属层220包含Ag40Pd60合金。对于每个例子和每个比较例而言，接触表面层210包含不同的材料。接触表面层210的宽度为0.3mm，厚度为3微米。接触表面层210与中间金属层220的总厚度为65微米。接触表面层210、中间金属层220和基底金属层230的总厚度为0.15mm。上述图1中所示的结构和图2中所示的接头结构与下面的例1-5和比较例1-5是相同的。
例1本例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au82Ag15Pd3合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层同样具有Au82Ag15Pd3合金。Au82Ag15Pd3合金的成分比为82％重量的Au、15％重量的Ag和3％重量的Pd。
例2本例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au76Ag15Pd9合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层同样具有Au76Ag15Pd9合金。Au76Ag15Pd9合金的成分比为76％重量的Au、15％重量的Ag和9％重量的Pd。
例3本例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au86Ag8Pd6合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层同样具有Au86Ag8Pd6合金。Au86Ag8Pd6合金的成分比为86％重量的Au、8％重量的Ag和6％重量的Pd。
例4本例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au86Ag8Pd6合金，而固定断开接头具有包含Au的固定断开接触面层。Au86Ag8Pd6合金的成分比为86％重量的Au、8％重量的Ag和6％重量的Pd。
例5本例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au86Ag8Pd6合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层具有Au92Ag8合金。Au86Ag8Pd6合金的成分比为86％重量的Au、8％重量的Ag和6％重量的Pd。合金Au92Ag8的成分比为92％重量的Au和8％重量的Ag。
比较例1本比较例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au92Ag8合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层具有Au92Ag8合金。合金Au92Ag8的成分比为92％的Au和8％重量的Ag。
比较例2本比较例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au75Ag25合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层具有Au92Ag8合金。合金Au75Ag25的组分比为75％重量的Au和25％重量的Ag。合金Au92Ag8的组分比为92％重量的Au和8％重量的Ag。
比较例3本比较例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au85Ag15合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层具有Au85Ag15合金。合金Au85Ag15的成分比为85％重量的Au和15％重量的Ag。
比较例4本比较例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au75Ag25合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层具有Au75Ag25合金。合金Au75Ag25的组分比为75％重量的Au和25％重量的Ag。
比较例5本比较例中，可动断开接头具有可动断开接触表面层，该层包含Au90Ag5Pd5合金，而固定断开接头具有固定断开接触面层，该层包含Au90Ag5Pd5合金。合金Au90Ag5Pd5的组分比为90％重量的Au、5％重量的Ag和5％重量的Pd。
表1
(1)关于抗黏结性的评价(A)关于处在不工作状态下的抗黏结性与外部震动关系的评价在上述每个实例1-5和上述每个比较例1-5中，对处于不工作状态的具有单个接头的20个继电器进行了抗黏结性对外部震动的测试。将继电器插入长度为550mm的圆柱状箱中。将挡块盖在圆柱状箱的相对端。在确定接头之间是否出现黏结之前，沿竖直方向进行三次继电器自重的下降，求出发生黏结的比率。图3是表示各实例1-5和各比较例1-5发生黏结比率的图线。在比较例1中，发生黏结的比率为100％。在比较例2中，发生黏结的比率为40％。在比较例3中，发生黏结的比率为40％。在比较例4中，发生黏结的比率为0％。在比较例5中，发生黏结的比率为30％。例1中发生黏结的比率为5％。例2中发生黏结的比率为0％。例3中发生黏结的比率为5％。例4中发生黏结的比率为15％。例5中发生黏结的比率为10％。例1-5和比较例4中发生黏结的比率低。比较例1-3和5中发生黏结的比率高。
图4是表示由例1-5和比较例1-5的实验结果所得发生黏结的比率与Ag和Pd总含量之间关系的变化曲线。如果Ag和Pd的总含量不小于14％的重量，则发生黏结的比率低。(B)关于工作状态下的抗-黏结特性的评价在上述例1-5和上述比较例1-5中的每一个中，对处于工作状态的具有单个接头的20个继电器进行了抗黏结特性的测试。在上述每个例1-5和每个比较例1-5中，发生黏结的比率低。(2)关于接触电阻稳定性的评价(A)在高温情况下的机械运行情况测试在上述每个实例1-5和每个比较例1-5中，在10Hz、50占空率和70℃温度下对有单个接头的20个继电器进行开/关10000000次测试，从而确认其接触电阻的变化。图5是表示上述例1-5和比较例1-5中20个继电器的接触电阻原始平均值、测试后的平均值和测试后的最大值的图线。在例1-5、比较例1，2和5中，原始平均值和测试后的接触电阻的平均值之间的差别很小，同样接触电阻的变化也小。在比较例3和4中，原始平均值和测试后的平均值之间的差别较大，接触电阻的变化也很大。比较例3和4中的接头可靠性差。(B)在正常温度情况下的机械运行情况在上述每个实例1-3和每个比较例1-4中，在10Hz、50占空率和25℃温度下对有单个接头的20个继电器进行了开/关20000000次测试，从而确认其接触电阻的变化。图6是表示上述例1-3和比较例1-4中20个继电器的接触电阻原始平均值、测试后的平均值和测试后的最大值的图线。在例1-3、比较例1和3中，原始平均值和测试后的接触电阻的平均值之间的差别很小，接触电阻的变化也小。比较例2和4中的原始平均值和测试后的平均值之间的差别较大，接触电阻的变化也很大。比较例2和4中的接头可靠性差。(C)关于高温情况下稳定性的评价在上述每个实例1-3和每个比较例1-4中，在无负载的情况下将有单个接头的20个继电器放在85℃温度下经历800小时，从而确认其接触电阻的变化。图7为上述例1-3和比较例1-4中的20个继电器的接触电阻原始平均值、测试后的平均值和测试后的最大值。在例1-3、比较例1-4中，原始平均值和测试后的接触电阻的平均值之间的差别很小，接触电阻的变化也小。
因此，从上面的各实例和比较例中可看出，对AuAg合金而言，很难同时获得抗黏结性和稳定的接触电阻。如果使用具有小于7％重量Ag含量的AuAgPd合金，抗黏结性和接触电阻的稳定性都好，但这只是在工作状态下。然而，在不工作状态下针对外部震动的抗黏结性差。如果使用具有7-16％重量范围Ag含量的AuAgPd合金，不仅可获得在工作状态下的良好抗黏结性，还可获得不工作状态下优良的抗黏结性和高的接触电阻的稳定性。
虽然已经结合具体实施例对本发明进行了详细描述，但对本领域中的技术人员而言，对其所做的各种的变化和改型都在由所附权利要求限定本发明范围内。
权利要求
1.一种电接头结构，包含第一接触表面和第二接触表面，其特征在于所述第一和第二接触表面中的至少一个包含AuAgPd合金，该合金包含7-16％重量的Ag和1-10％重量的Pd。
2.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于所述第一和第二接触面中其余一个包含Au。
3.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于所述第一和第二接触面中其余一个包含AuAg。
4.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于Ag和Pd的总成分重量比不小于14％。
5.根据权利要求4所述的电接头结构，其特征在于所述第一和第二接触表面中其余一个包含Au。
6.根据权利要求4所述的电接头结构，其特征在于所述第一和第二接触表面中其余一个包含AuAg合金。
7.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于所述第一和第二接触表面中的至少一个被形成在与接触弹簧件接合的中间合金层上。
8.根据权利要求7所述的电接头结构，其特征在于所述中间合金层包含AgNi合金。
9.根据权利要求7所述的电接头结构，其特征在于所述中间合金层包含AgPd合金。
10.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于所述第一和第二接触表面中的至少一个被形成在中间合金层上，其中所述的中间合金层形成在基底材料层上，基底材料层与接触弹簧件接合。
11.根据权利要求10所述的电接头结构，其特征在于所述中间合金层AgNi合金。
12.根据权利要求10所述的电接头结构，其特征在于所述中间合金层包含AgPd合金。
13.根据权利要求10所述的电接头结构，其特征在于所述基底材料层包含CuNi合金。
14.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于所述电接头结构构成继电器接头。
15.根据权利要求1所述的电接头结构，其特征在于所述电接头结构构成开关接头。
16.一种继电器，具有权利要求1所述的电接头结构。
17.一种开关，具有权利要求1所述的电接头结构。
18.一种电接头表面结构，包含AuAgPd合金，该合金包含7-16％重量的Ag和1-10％重量的Pd。
全文摘要
本发明提供一种电接头结构,包括第一接触面和第二接触面,其中第一和第二接触面中的至少一个包含AuAgPd合金,该合金包含7—16%重量的Ag和1—10%重量的Pd,从而在该电接头处于不工作状态时,可得到高抗—黏结性能和高的稳定接触电阻。
文档编号H01H1/04GK1268759SQ0010550
公开日2000年10月4日 申请日期2000年3月29日 优先权日1999年3月29日
发明者小野寺时一, 池田末治郎 申请人:日本电气株式会社