Brevet FR2462011A1 — publié le 19810206

La présente invention concerne un procédé pour améliorer les contacts d'interrupteurs, pour augmenter notamment la tension admissible, abaisser le niveau de coupure virtuelle et améliorer la conductivité électri- que pour les contacts employés dans des interrupteurs sous vide. L'invention concerne également un contact d'interrupteur obtenu par ce procédé, ainsi qu'un interrup- teur comprenant un tel contact. On formule très souvent des exigences contradic- toires en ce qui concerne les contacts d'interrupteurs, en particulier des interrupteurs sous vide. Par exemple, on doit supprimer toute maintenance, tout en demandant une grande longévité. Les contacts d'interrupteurs doivent supporter des rythmes élevés de fonctionnement, avec des durées extrêmement courtes de fermeture du circuit, tout en évitant l'effet de coupure virtuelle autant que possible. En particulier, les contacts d'inter- rupteurs sous vide doivent émettre le moins de gaz possible, même à la coupure de courants élevés. Ces exigences conduisent à des caractéristiques particulières pour les contacts d'interrupteurs, lesquelles sont déterminées par les métaux employés, la structure et le procédé de fabrication. Du fait que beaucoup de ces exigences ne peuvent être satisfaites en général, les contacts d'interrupteurs sont formés couramment de métaux divers, tels que cuivre (Cu), tungstène (W), molybdène (Mo), argent (Ag) chrome (Cr), beryllium (Be), etc... Jusqu'à maintenant, pour chaque utilisation particulière, on a combiné les métaux nécessaires par alliage, frittage ou placage. Mais ces procédés sont sujets à divers inconvénients. Par exemple, les proportions entre parties constituantes d'un alliage dépendent de 24620 11 ces alliages, de sorte qu'on ne peut obtenir toute compo- sition désirée. Ces proportions sont déterminées par exemple par la solubilité chimique des matériaux, dépen- dent du bilan thermique, certaines proportions étant éliminées en raison de la possibilité de réactions chi- miques des matériaux entre eux. On se heurte à des problèmes semblables dans le frittage et le placage, avec en outre la nécessité d'usiner les pièces obtenues. Tous les matériaux pour contact développés jusqu'ici, comprenant des alliages binaires ou tertiaires à base de cuivre ou des alliages frittés de ce genre, présentent en outre l'inconvénient d'une conductivité nettement inférieure à celle du cuivre de base. De plus, la plupart des contacts utilisés ont des dimensions qui demandent une épaisseur d'au moins quelques millimètres de ces matériaux. La raison principale pour laquelle on emploie néanmoins ce genre d'alliage courant découle du désir de maîtriser l'influence de ce que l'on appelle l'effet de coupure virtuelle. En employant du cuivre allié à une faible proportion d'autre métal (1 à 2% en poids), l'influence de cet alliage est faible sur cet effet. C'est seulement avec des alliages de cuivre en proportion plus élevée d'autre métal (au moins 10% en poids) que l'on peut noter une influence nettement perceptible sur le niveau de coupure virtuelle. L'un des inconvénients de ces alliages de cuivre à haute teneur d'autres métaux est, comme on l'a mentionné ci-dessus, sa baisse très nette de conducti- vité électrique par rapport au cuivre de base. Par exemple, un alliage de cuivre à 0,8% de beryllium (en poids) présente une conductivité électrique réduite de 50% par rapport au cuivre pur. Une solution évidente est de n'appliquer qu'une couche extrêmement mince, de quelques dizaines de microns, de cet alliage de cuivre fortement allié, par exemple par galvanoplastie, évaporation, etc. Le principal inconvénient de ce procédé est que l'adhérence de la couche d'apport sur les contacts en cuivre pur est très souvent insuffisante, tandis que l'adhérence mutuelle des particules de la couche appliquée peut être très lâche. Il peut en résulter que des particules se détachent dans l'interrupteur sous vide, pouvant ainsi dégrader de façon désastreuse l'isolement électri- que entre les contacts ouverts. En résumé, les contacts connus d'interrupteurs et leurs procédés de fabrication présentent les inconvé- nients suivants: on ne peut pas toujours obtenir la composition d'alliage la plus appropriée des matériaux de contact; la conductivité des alliages de cuivre est faible; les minces couches d'alliage appliquées ont une adhérence mauvaise ou insuffisante; le cuivre présente une capacité insuffisante de résister à la tension en certaines circonstances, ainsi qu'un niveau élevé de coupure virtuelle. Les inconvénients ci-dessus mentionnés, et d'autres encore, sont maintenant éliminés par le procédé d'amélioration des contacta d'interrupteurs selon l'in- vention, caractérisé en ce que l'on implante des ions de matériaux améliorant les caractéristiques mentionnées ci-dessus, tout au moins dans la partie de la surface des contacts o se produit une décharge quand on actionne l'interrupteur. Le procédé selon la présente invention aboutit à une couche extrêmement mince, donnant à l'interrupteur des caractéristiques particulièrement favorables dans le vide. On suppose que la très grande énergie de collision peut causer localement une température si élevée qu'il se produit une sorte d'alliage en surface o les atomes du matériau primitif de contact sont remplacés par des ions implantés. On peut ainsi obtenir des caractéristiques irréalisables par les procédés métallurgiques classiques. Les couches appliquées sont d'une extrême minceur de sorte que la conductibilité électrique n'en est pratique- ment pas affectée, cette couche mince pouvant cependant influer sur le comportement en profondeur beaucoup plus grande que la pure pénétration. En outre, la liberté de choix des composants d'alliages est presqueillimitée. Des contaminations gazeuses peuvent être dosées avec une extrême précision. Des alliages de surface binaires ou tertiaires, ou même encore plus compliqués peuvent être réalisés à volonté. L'usinage des contacts d'inter- rupteurs peut être complètement évité. L'implantation d'ions est une technique déjà utilisée depuis plusieurs années, notamment pour doper des semi-conducteurs plus quantitativement, avec des concentrations extrêmement faibles, qu'il n'était aupara- vant possible. Depuis plusieurs années aussi, on a amélioré les caractéristiques mécaniques, par exemple de forets, filières et roues dentées, par implantation d'ions N2 (azote) provoquant une résistance plus élevée contre le frottement, l'usure et la corrosion. Cependant, les contacts pour interrupteurs sous vide doivent satisfaire à d'autres exigences caracté- ristiques o la résistance au frottement ne joue pas de rôle. Le frottement entre contacts a dû être complè- tement éliminé, car il est totalement impossible d'employer un matériau à caractéristiques lubrifiantes dans un interrupteur sous vide. Les contacts d'interrupteur sont principalement soumis à des décharges quand ils sont actionnés, et l'on constate de façon surprenante que des couches implantées extrêmement minces offrent une très bonne solution aux différents problèmes. Les décharges dans le vide peuvent se répartir en deux types: décharge diffuse et décharge concentrée. La décharge diffuse comporte de nombreux piliers de plasma, de forme conique, disposés au dessus des taches de la cathode d'o sont émis électrons, parti- cules neutres et ions. Dans le cas du cuivre, on peut compter que, jusqu'à 100 A environ, une seule tache se produira. Pour de plus grandes intensités, la tache se fractionne, de sorte que pour une intensité nominale de 5000 A par exemple, il apparaîtra en moyenne 50 taches cathodiques. Cet accroissement du nombre de taches en fonction de l'intensité du courant n'est toutefois pas illimité. Selon le diamètre du contact, sa distance et son matériau constitutif, il apparaîtra vers 10 kA une décharge concentrée o un grande nombre de taches catho- diques se réunissent en un pilier. Un tel pilier a une intensité lumineuse et une intensité d'énergie consi- dérablement plus grandes que dans une décharge diffuse, tandis que la tension aux bornes de l'arc qui est d'environ V pour une décharge diffuse, va s'élever à environ V. Une telle décharge concentrée peut provoquer une forte érosion du contact. Par des mesures appropriées, telles par exemple la génération d'un champ magnétique axial de grandeur convenable, on peut conserver la décharge diffuse sur une plage de courant beaucoup plus grande jusqu'à 30 kA par exemple, et garder en même temps la basse tension de l'arc et la faible érosion du contact, en utilisant des contacts d'interrupteur fabriqués selon les méthodes connues et ci-dessus discutées. En utilisant des contacts obtenus par le procédé selon la présente invention, on peut réduire davantage l'érosion du contact, tandis que les autres 24620 11 caractéristiques ci-dessus mentionnées peuvent être considérablement améliorées. Il en résulte une durée de vie beaucoup plus grande pour les interrupteurs sous vide, qui peuvent être traversés par des courants d'in- tensités nominales plus élevées et/ou qui peuvent avoir un pouvoir de coupure plus grand, en obtenant d'autre part une meilleure résistance à la tension et un niveau plus faible de coupure virtuelle. L'implantation ionique sera menée de préféren- ce sous un vide élevé de 10-4 à 10 7 mbar, o l'on produit des ions à partir d'atomes de nature prédéterminée, lesdits ions étant ensuite accélérés par une énergie d'environ 20 à 600 keV selon l'utilisation particulière. C'est avec cette énergie que les ions viennent frapper la surface du contact. La profondeur de pénétration dépend de la nature de l'ion, de son énergie et du matériau de la cible, c'est-à-dire du pur matériau primitif du contact; elle peut varier d'environ 0,1 à 1,0 micron. En général, le matériau de base des contacts d'interrupteur consistera en cuivre pur. Selon la présente invention, on utilisera de préférence pour l'implantation ionique les matériaux connus pour alliage, tels que chrome (Cr), fer (Fe), zirconium (Zr), titane (Ti), vanadium (V),beryllium (Be), cobalt (Co), silicium (Si), nickel (Ni), tantale (Ta), tungstène(W), molybdène (Mo) et leurs combinaisons possibles. Cependant le procédé selon la présente invention ne se limite pas à ces matériaux usuels d'alliage. On va maintenant expliquer plus en détail le procédé selon la présente invention, en prenant l'exemple d'implantation de chrome (Cr 52) dans du cuivre. La chambre d'implantation utilisée comporte un accélérateur du type HVEE, avec tension d'accélération de 300 kV. La résolution du séparateur de masse s'élève 246201 1 à M/à M = 500. On a utilisé un type modifié HVEE 911A comme source ionique. Le matériau à évaporer était du nitrure de chrome fritté (CrN). Une chambre à vide, dotée d'une trappe de refroidis- sement à azote liquide N2, était utilisée; la pression de service à l'intérieur du système était maintenue inférieure ou égale à 3.10 6mbar. Des moyens magnétiques de déviation imprimaient au rayon un mouvement de balayage sur la cible, à savoir une surface de 70 x 70 mm2. Le nombre de particules était mesuré par un inté- grateur de courant, la tension de la cible étant de + 120V. Les particules atteignaient une énergie de 340 keV. Avec une profondeur de pénétration de 0,3 micron, le volume total o étaient implantéesdes particules de Cr 52 s'élevait à 3.10-3 x 0,2827 = 0,848 mm3. L'opération selon le procédé del'invention a été poursuivie jusqu'à obtenir une concentration d'au moins % en poids de particules implantées. Il est manifeste que l'invention ne se limite pas aux valeurs et dispositifs de l'exemple ci-dessus. Le maté- riau de base peut aussi ne pas être du cuivre pur. On peut en outre employer une autre concentration, par exemple plus élevée, d'ions implantés. Le processus d'implantation peut être poursuivi jusqu'à l'obtention d'une dose minimale de 1.10 17 ions/cm2. On obtient, par le procédé de la présente invention, des résultats extrêmement bons, o l'on conserve les carac- téristiques favorables des alliages, tandis que les carac- téristiques défavorables telles qu'une faible conductivité et une faible résistance à la tension sont écartées et maintenues au niveau du cuivre pur. 24620 11 REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer les contacts d'in- terrupteurs, pour augmenter notamment la tension admissi- ble, abaisser le niveau de coupure virtuelle et améliorer la conductivité électrique pour les contacts employés dans des interrupteurs sous vide, caractérisé en ce que l'on implante des ions de matériau améliorant les caractéristiques mentionnées ci-dessus, tout au moins dans la partie de la surface des contacts o se produit une décharge quand on actionne l'interrupteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que ladite matière est un élément chimique connu comme constituant d'alliage pour contacts d'inter- rupteurs, ou une combinaison de tels éléments. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdits éléments consistent en Titane (Ti), Vanadium (V), Beryllium (Be), Silicium (Si), Nickel (Ni), ou Tantale (Ta), ou en leurs combinaisons. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour l'implantation par un accélérateur, on produit un rayon ionique d'énergie comprise entre environ 20et 600 KeV, la pression dans la chambre d'implantation étant comprise entre 10-4 et -7 mbar. 5. Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que la profondeur d'implantation s'élève à environ 0,1 à 1,0 micron. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'implantation est poursuivie jusqu'à ce que la concentration en ions étrangers atteigne au moins 10% en poids. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'implantation est poursuivie jusqu'à obtenir une dose minimale de 1.1017 ions/cm2. 24620 11 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément d'implantation est du chrome (Cr 52) et en ce qu'un rayon ionique de cet élément est produit avec une énergie voisine de 340 KeV, la pression dans la chambre d'implantation étant de l'ordre de 3.10-6 mbar. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au cours de l'implantation, le rayon ionique exécute un mouvement relatif de balayage par rapport à la surface de l'objet à irradier. 10. Contact d'interrupteur pour interrupteur sous vide, obtenu par le procédé selon l'une des revendi- cations 1 à 9. 11. Interrupteur sous vide comprenant au moins un contact selon la revendication 10.