Periodische Mikro-/ Nano-Strukturierung verzinnter Materialoberflächen für elektrische Kontaktanwendungen und deren tribologisches Verhalten

Abstract

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe eines speziellen Laserinterferenzsystems Substratoberflächen von Cu-Sn-Kontaktwerkstoffen auf direktem Wege mit der 3. Harmonischen des Nd:YAG-Hochleistungslasers in ihrer Mikrostruktur sowie topographisch modifiziert. Durch die Überlagerung der Laserstrahlen konnten räumlich selektive und lateral periodische Strukturen realisiert werden. Metallische Werkstoffe, die die eingestrahlte Laserenergie oberhalb oder nahe ihrer Plasmafrequenz in Wärme umgewandeln, zeigen ein gutes Strukturierungsverhalten auf photothermischer Basis. Die lokale, periodische Wärmebehandlung führt zur Veränderung der Mikrostruktur. Es war möglich, in herkömmlichen Kontakten die durch Feuerverzinnung dominierende, monoklinische η-Phase kupferseitig teilweise in die hexagonale ε-Phase umzuwandeln und diese zudem in Richtung Kupfer wachsen zu lassen. Die produzierten Strukturen auf Kontaktwerkstoffen wurden in einem speziellen Tribometer unter Schwingbelastung getestet. Durch den periodischen Wechsel zwischen harter, intermetallischer Phase und weicher Zinnphase im Interfacebereich Zinn - intermetallische Phase bzw. weichem Kupfer im Interfacebereich intermetallische Phase - Kupfer war es unter Schwingbelastung möglich, nach dem Durchrieb der reinen Zinnschicht eine hartstoffpartikelinduzierte Verformung zu realisieren, die einen etwas niedrigeren Kontaktwiderstand ermöglichte, als die bisherige nicht-periodische Struktur in der Kontaktzone. Die Oxidation während dieser Verformung überstieg die Oxidation eines herkömmlichen Kontakts in diesem Stadium nicht. Allerdings konnte durch das sich verformende Kupfer in dieser Phase die Reibenergie von dem strukturierten Kontakt aufgenommen und so die Zerstörung des unstrukturierten Kontakts zeitlich verzögert werden. Die Zeitspanne bis zum endgültigen Ausfall der elektrischen Verbindung wurde damit etwas verlängert. Bei gealterten Kontakten konnte auch ohne Strukturierung eine Verlängerung dieses Erholungsplateaus beobachtet werden, was auf die gewachsenen intermetallischen Phasen zurückzuführen ist. Trotzdem konnte die Strukturierung auch diese Proben weiter verändern. So kann vermutet werden, dass bei periodischem, kontrolliertem Wachstum der intermetallischen Phase bis zur Oberfläche der Verschleiß direkt im Erholungsbereich beginnt, d. h. unter Umständen keinen oder nur einen sehr kurzen Zwischenausfall der Verbindung zeigt, und der Kontaktwiderstand möglichst lange unter dem kritischen Widerstand bleibt. Die Topographieeinstellungen hatten eine Widerstandsverkleinerung während der Einlaufphase von 7mΩ auf 5mΩ zur Folge. Da das Zinn ein sehr weicher Werkstoff ist, der sich zwischen den harten intermetallischen Schichten sogar ähnlich einem Schmierstoff oder -film verhält, konnte dieser Effekt nur kurzzeitig aufrecht erhalten werden und zeigte keine signifikante Änderung. Bei harten Beschichtungen ist hingegen entsprechend der Reib- und Verschleißtheorien sowie der Profiltraganteilkurve durch die periodische Topographie und die geringere Welligkeit bei gleichzeitig höherer Rauheit eine signifikante Veränderung im Kontaktverhalten zu erwarten. So kann davon ausgegangen werden, dass damit in Zukunft auch andere Materialien in derartigen Kontakten genutzt werden könnten. Vorstellbar ist zum Beispiel das System Cu-W. Das besonders harte Metall Wolfram ist mit Kupfer nicht mischbar, es kann als harte Oberflächenschicht eingesetzt werden. Durch eine Topographieeinstellung kann das normalerweise bei harten Materialen herrschende schlechte Kontaktverhalten verändert werden, während die Härte für eine sehr gute Verschleißresistenz sorgt.