Химия и химические технологии /

Фундаментальные проблемы

создания новых материалов

Износоустойчивость контактных площадок из сплавов на основе меди

Ляпина Е.В., Подолян Р.А.

Одесская национальная академия пищевых технологий,

ул. Канатная 112, г. Одесса, 27039

Перспективными планами развития отечественной промышленности предусмотрено решение задач, направленных на дальнейшее совершенствование производства и экономное расходование материальных ресурсов. В последнее время широкое распространение получили различные функциональные элементы электронных устройств, получаемые методом вакуумной технологии в первую очередь – пассивные элементы микросхем, токопроводящие дорожки, элементы коммутирующих устройств контактные площадки переменных непроволочных композиционных резисторов и т.д. Общим требованиям, предъявляемым к этим элементам (высокая электро – и  теплопроводность, стабильность электропараметров при воздействии агрессивных сред, износоустойчивость пленок, способность к сварке и пайке), наиболее полно удовлетворяют благородные металлы: золото, серебро, платина и их сплавы. Серебро используется преимущественно в узлах коммутации электронных устройств; золото, платина и их сплавы – в прецизионных контактах, работающих при малых прижимающих усилиях и при низком напряжении. Наиболее важным является выбор материалов-заменителей, способных сохранить основные эксплуатационные характеристики в условиях работы без дополнительной защиты от воздействия окружающей среды. Нами установлено, что для замены серебра в некоторых элементах электротехнических устройств например, в узлах коммутации) наиболее пригодны сплавы меди. В зависимости от ожидаемых условий работы и требований к электрофизическим свойствам тонкопленочных контактов рекомендуются различные легирующие добавки к меди [1].

Основное требование, предъявляемое к материалам контактных площадок токопроводящих элементов переменных непроволочных композиционных резисторов – обеспечение заданной величины минимального сопротивления при крайних положениях подвижной системы резистора и минимальное сопротивление дополнительных отводов. Нанесение контактных участков токопроводящих элементов резисторов осуществляется методом испарения конечных навесок в вакууме в установках барабанного типа. Это обстоятельство накладывает определенные требования на состав исходного сплава. Так, выбранный материал-заменитель должен обеспечить формирование идентичных по составу и свойствам слоев на различных стадиях испарения навески. Расчеты режимов испарения конечных навесок сплавов Сu – Sn, выполненные по методике работы [2], показали, что данная система испаряется в вакууме без значительного фракционирования при температуре испарения 1500-1700°С. Исследования электрофизических, механических и других эксплуатацион­ных свойств позволили установить оптимальный состав исходной навески: 38-42 масс. % Сu, 58-62 масс. % – Sn. Экспериментально установлено, что испытания на износоустойчивость могут служить одним из критериев годности предлагаемого материала. В связи с этим мы изучили процесс износа материала-заменителя с целью выяснения возможности замены серебра сплавов Сu – Sn в контактных площадках переменных непроволочных композиционных резисторов.

Нанесение контактных слоев из сплава Сu – Sn проводилось на промышленных вакуумных установках барабанного типа. Давление в вакуумной камере составляло 0,05-0,1 Па. Подложками служили стандартные токопроводящие элементы из гетинакса с резистивным слоем на основе крезольного лака. Температура подложки в процессе нанесения покрытия составляла 50-70°С. Для улучшения адгезии контактного покрытия и повышения его износостойкости проводится термообработка металлизированных ТПЭ в печи с инфракрасным обогревом при темпе­ратуре (175±10)°С в течение 24 мин. Испытания на износ проведены на специальном стенде, число испытательных циклов в паре с графитовой щеткой составляло 25000. Исследование структуры поверхности контактного слоя показало, что контактное покрытие воспроизводит рельеф токопроводящего слоя: на низкоомных  участках оно имеет мелкодисперсную структуру, на высокоомных – крупнозернистую. При визуальном осмотре отмечено, что на низкоомных  участках резистивного слоя контактное покрытие светлое, матовое, а на высокоомных - блестящее. Рассмотрев исходое состояние напыленного слоя, находящегося вблизи зоны контакта можем отметить, что поверхность волнистая за счет разновысокого скопления частиц. Установлено, что свежеосажденная пленка Сu – Sn неплотная, имеет рыхлое строение частиц. В результате прогрева кристал­лы в пленке укрупнняются, пленка становится более плотной, компактной. Термообработка также улучшает рельеф поверхности контактного слоя. Микротвердость контактного слоя составляет 3,5-4,2 ГПа, что близко к микротвердости резистивного слоя (3,2-3,5 ГПа).

Процесс контактирования представляет периодическое чередование скачков и пауз. Давле­ние в паре не остается постоянным вследствие изменения исходного микрорельефа поверхностей, образования прослойки продуктов изнашивания, повреждения и разрушения защитной пленки. В отличие от статического (термического) окисления диэлектрическая пленка окисла при трении возникает не постоянно, а скачками. При этом контактное сопротивление резко возрастает. Для достижения надежного контактирования должно выполняться условие динамического равновесия окислительно-восстановительных и других противоположных процессов образования и разрушения непроводящих структур на уровне пленки с туннельной прово­димостью. Это представляется особенно важным с учетом наличия прямой корреляции между процессами контактирования и изнашивания.

Исследование состояния поверхности контактного слоя после испытаний на износоустойчивость показало, что истирание материала контактной площадки незначительное, имеет место поверхностное полирование. Так как поверхность волнистая, происходит неравномерный износ трущихся поверхностей. Наблюдаются следы локального контакта, трещины и выкрашивания напыленного слоя. В зоне скопления дефектов напыленного слоя наблюдается наличие продуктов окисления, что приводит к некоторому увеличению сопротивления перехода пленка - скользящий контакт, а следовательно, и к увеличению минимального сопротивления резисторов. Случаи уменьшения минимального сопротивления можно объяснить обжатием выступающих участков поверхности. Сглаживание рельефа контактной площадки приводит к увеличению площади контактирования, следствием чего является уменьшение Rk. На основании полученных результатов математической обработки можно утверждать, что 80% образцов имеют начальное значение Rmin нач, лежащее в интервале от 4 до 6 Ом. После испытаний на износ значение Rmin кон,  колеблется в пределах от 80 до 10 Ом,  что значительно ниже допустимых значений Rmin по существующей техдокументации (35-100 Ом). Изменение Rmin является характерным показателем состояния поверхности контактного слоя. Следовательно, в данном случае износ материала контактной площадки незначителен.

Анализ полученных результатов позволяет рекомендовать сплав Сu – Sn, содержащий 60…62масс.%Sn к промышленному использованию в контактных площадках переменных непроволочных композиционных резисторов. Производственные испытания подтвердили обоснованность использованния сплавов этих составов для замены серебра.

ЛИТЕРАТУРА

1.             Костржицкий А.И., Ляпина Е.В., Соколов А.Д. Коррозионно-стойкие конденсированные пленки сплавов меди // Материалы 23-й ежегод. межд. конф. “Композиционные материалы в пром-сти”. – Ялта, 2003. – С. 60-61.

2.             Ляпина О.В. До питання про одержання функціональних конденсаційних покрить прямим випаровуванням сполук у вакуумі / О.В. Ляпина, А.І. Костржицький // Фізика і хімія твердого тіла. – 2005. – т. 6, №1. – С. 161-164.