Brevet FR2487111A1 — publié le 19820122

CONTACT ELECTRIQUE MULTICOUCHES. La présente invention concerne un contact électrique multicouches, en par- ticulier pour des relais. Dans le domaine des commandes électriques, on de charges suivantes: peut distinguer les conditions Type de charge (a) Circuits à sec... (b) Faibles charges... (c) Charges moyennes... (d) Fortes charges... (e) Charges en tension - alternative... Gamme de Charge > 12 V, 300 mA 6-12 V, SolLicitation des contacts Pas de ramollissement de minces couches de matière étrangère. La zone de contact augmentE par ramollissement. Légère fusion dans la posi- tion de contact. Br lage de la matière de contact par des effets capacitifs ou inductifs d'éclatement d'arc. Brûlage de lamatière de conte On dispose d'un grand nombre de matières de contacts pour satisfaire à ces conditions de charge fortement variables. Pour des charges à sec, par exemple, il est approprié d'utiliser des alliages ayant une forte teneur en or, comme AuCo 99/1, AuNi 97/3 ou AuAg 90/10, puisque l'or est très peu corrosif et difficilement affecté par la formation d'une couche étrangère. En outre, puisque l'or est relativement mou, il se crée une surface de contact considérable même sous l'effet de petites forces de contact, ce qui réduit la résistance au retrait, qui fait partie de la résistance de contact. De l'or non-alliéest même un peu trop mou, de sorte qu'il peut exister un risque de collage de contact. Cela peut causer des difficultés en particulier dans des relais dans lesquels il ne s'exerce pas une force positive pour l'ouverture des contacts, comme des relais à lames. Dans ce cas,- même des vibrations mécaniques,telles que celles qui se produisent par exemple pendant le processus de nettoyage dans un bain ultrasonique de plaquettes à circuits équipées de relais à lames, peuvent pro- voquer un soudage à froid de contacts normalement fermés. Pour remédier à un tel inconvénient, on peut revêtir le contact d'une couche de rhodium d'une épaisseur de quelques Angstrdms; cette couche, du fait de la plus grande dureté du rhodium, empêche un collage descontacts, même lorsqu'ils sont exposés à des vibrations ultrasoniques. Bien que cette mesure augmente la résistance de contact d'environ 5%, on conserve pratiquement les caracté- ristiques du contact qui sont imputables à l'or. Théoriquement, on peut commodément pourvoir des relais d'une matière de contact qui soit optimale pour une condition donnée de charge. Cependant, si on ne tient pas compte de quelques cas o il est nécessaire de faire intervenir des relais comportant une matière spécifique de contact, une telle solution n'est pas économique du fait qu'il faudrait fabriquer un trop grand nombre de types différents de contacts en quantités relativement petites. Pour cette raison, on a mis au point des contacts utilisables dans une large gamme de charges. Des contacts bimétalliques ou tri-métalliques ont été décrits dans le livre "Relais Lexikon", de H. Sauer, Deisenhofen, 1975, page 49, Fig. 41. Ces relais comprennent deux ou trois couches dans lesquelles une couche d'argent ou d'un alliage Ag-Ni d'une épaisseur d'environ 0,2 mm est disposée en dessous d'une couche d'or d'une épaisseur d'environ 20 ijm. Une base ou substrat est formé par un alliage Cu-Ni, présentant une résis- tance au brûlage encore plus grande. Des circuits à sec, ainsi que des charges faibles, moyennes et fortes, peuvent être commandés avec des contacts de ce type. Cependant, pour des charges alimentées en tension alternative, l'alliage d'argent-nickel ne convient pas particulièrement. L'invention a pour but de fournir un contact électrique multicouches qui soit capable d'assurer une commande sûre dans toute la gamme des conditions de charges mentionnées ci-dessus. L'invention a également pour but de fournir un contact multicouches de ce type qui ait une longue durée de service. Le contact électrique multicouches selon l'invention comprend les couches suivantes qui sont placées l'une au-dessus de l'autre sur un élément de sup- port de contact: - une première couche d'un alliage de cuivre-nickel établissantune connexion mécanique et électrique avec ledit élément support, - une seconde couche contenant une très forte teneur en argent pouvant at- teindre 100%, - une troisième couche d'une composition argent-oxyde d'étain, - une quatrième couche d'un alliage d'argent contenant jusqu'à 100% d'argent,et - une cinquième couche d'un alliage d'or contenant jusqu'à 100% d'or. 2 487111 On obtient ainsi un contact multicouches qui peut être utilisé dans tou- tes les conditions de charges de commutation allant de 1 pA à 5A et de 1 mV à 250V en courant alternatif ou en courant continu, et jusqu'à une puissance maximale de commutation de 100V ou 1 kVA. Un relais équipé d'un tel contact est utilisable de façon universelle. Bien que la cinquième couche du contact qui est placée complètement en haut, qui peut être constituée d'un alliage contenant 90% d'or et 10% d'argent et qui peut avoir une épaisseur d'environ pm, soit prévue pour des circuits à sec et bien que la quatrième couche formée d'un alliage d'argent-nickel soit prévue pour des charges faibles et moyennes, la troisième couche qui est formée d'une composition d'argent-oxyde d'étain convient pour les charges élevées et les charges en tension alternative lorsque la cinquième et la quatrième couche ont été enlevées, par exemple par brûlage. La seconde couche sert de couche adhésive entre la troisième et la première couche, tandis que la première couche conduit la chaleur se produi- sant sous l'effet d'une forte charge vers l'élément de support et elle sert en outre à maintenir la fiabilité de fonctionnement du contact quand les couches supérieures ont été usées à l'expiration de la durée normale de service. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illustratif mais non limitatif. La Figure lest une vue-en perspective montrant une partie d'un ensemble de contacts pouvant être utilisés dans un relais électromagnétique. Les Figures 2 et 3-sont des vues en coupe de structures de contacts multicouches qui sont prévues sur les éléments de contact fixe et mobile de l'ensemble de la Figure 1. L'ensemble de contacts représenté sur la Figure 1 comprend un élément de contact fixe 10 comportantune structure de contact multicouches 11 qui est formée sur son côté inférieur par ce qu'on appelle une technique de dépôt intérieur, ainsi qu'un élément de contact mobile 12, par exemple un contact élastique, dont l'extrémité est divisée par une fente longitudinale 13, chacune des parties extrêmes ainsi formées portant une structure de contact multicouches 14 qui est réalisée par ce qu'on appelle une technique de dépôt supérieur. Bien que la surface supérieure des structures de contacts 14 soit incur- vée dans un plan ou dans une direction, la surface supérieure de la structure de contact 11 est plane. Lorsque, en fonctionnement, les surfaces supérieures des structures de contacts se touchent mutuellement, elles établissent un contact linéaire comme indiqué en 15. Du fait de la mollesse relative des couches complètement supérieures des structures 11 et 14, et en fonction de la force de contact, le contact se produit en pratique dans une zone de forme essentiellement rectangulaire au lieu de s'établir le long d'une ligne mathématique. Comme le montrent les Figures 2 et 3, chacune des structures de contacts 11 et 14 comprend une première couche 21 qui est formée d'un alliage de cuivre- nickel, contenant de préférence 70% de cuivre et 30% de nickel et ayant une épaisseur d'environ 0,07 mm, ladite couche servant à établir une liaison mécanique et électrique entre la structure de contact multicouches et l'élément de support de contact 10 ou 12. Une seconde couche 22, qui a une teneur en argent d'au moins 99% et une épaisseur d'environ 0,025 mm, forme une couche adhésive entre la première. couche 21 et les autres couches de la structure de contact multicouches. Il est prévu sur cette seconde couche 22 une troisième couche 23 formée d'une composition d'argent-oxyde d'étain, contenant de préférence 90,7% d'argent de 9,3% d'oxyded'étain et ayant une épaisseur d'environ 0,14 mm. Une quatrième couche 24 est disposée sur la troisième couche 23 et est formée d'argent, ou de préférence d'un alliage d'argent contenant 85% d'argent et 15% de nickel, et elle a une épaisseur d'environ 0,06 mm. La cinquième couche 25 placée complètement en haut se compose d'or ou bien d'un alliage ayant une forte teneur en or, de préférence 90% d'or et % d'argent. Cette cinquième couche 25 a une épaisseur d'environ 5 pm. La quatrième couche 24, prévue conformément à la présente invention, a une plus grande dureté que la couche médiane en argent dans la structure de contact connue à trois couches, et elle convient par conséquent mieux pour des charges faibles et moyennes, de sorte qu'on peut réduire l'épaisseur de cette couche d'environ 1/3, tout en obtenant la même durée de service. La matière de la troisième couche 23 est une matière de contact convenant particulièrement bien pour des fortes charges et des charges en tension alter- native et elle résiste bien mieux à-l'usure pour ces types de conditions de charges que des alliages d'argent-nickel. La troisième couche devient effi- cace aussitôt que la cinquième et la quatrième couche ont été usées par des charges de contacts qui sont trop élevées pour les matières de contact inter- venant dans lesdites couches. Pour des circuits à sec ou bien des charges faibles ou moyennes, la troisième couche conviendrait moins bien. Cependant, dans le cas présent, cela n'a pas d'importance puisque la cin- quième et la quatrième couche sont prévues pour de telles conditions. L'épaisseur de la troisième couche 23 est choisie de manière que la durée de service envisagée soit atteinte dans des conditions de fortes charges. 2 4 8 7 1 1 1 2487111 Du fait de sa forte teneur en argent, la seconde couche 22 établit une liaison sûre entre la troisième couche 23 en AgSnO2 et la première couche 21 en CuNi qui constitue la base du contact. Une telle liaison sûre ne pourrait pas être garantie en l'absence de la seconde couche 22. L'alliage CuNi choisi pour la première couche 21 établit une bonne liaison électrique et mécanique entre l'élément de support de contact 10, 12 et la structure de contact multicouches, et par conséquent une évacuation effi- cace de la chaleur à partir du contact. Puisque cet alliage ne contient pas de métaux précieux, la structure de contact multicouches peut au total être fabriquée économiquement. Comme décrit ci-dessus, la surface de la structure de contact multi- couches 14 prévue sur l'élément de contact mobile 12 est incurvée dans un plan, en créant ainsi une surface de contact de forme essentiellement par- tiellement cylindrique. La courbure est choisie de manière que la ligne de contact avec le contact fixe opposé s'étende verticalement par rapport à la direction longitudinale de l'élément de contact mobile 12. Cet ensemble de contact présente, en ce qui concerne sa.cinquième couche 25 qui est la couche de Au9O-AglO de 5 pm d'épaisseur, une résistance à l'usure qui est supérieure d'environ 5 fois à celle d'un contact ponctuel, tel qu'un contact établi par rivet et pourvu du même revêtement en métal précieux. Il en résulte que le contact conforme à la présente invention est encore capable d'assurer la commande de circuits à sec, même dans des conditions correspondant à 105 actionnements, sous une forte charge de 2A, 15V. La structure de contact à double ligne de contact permet d'établir des résistances de contact qui sont faibles et constantes et, également, un espacement de contacts qui est relativement constant pendant une longue période de service, du fait que le brûlage ou l'usure des contacts se mani- feste moins dans la direction d'actionnement du contact qu'avec un contact ponctuel. En outre, le contact selon l'invention permet d'obtenir une grande résistance de court-circuit d'environ 100A pendant une période de 1 ms, ce qui confère par conséquent au contact une grande fiabilité. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisa- gées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 2 '87111 REVENDICATIONS 1.- Contact électrique multicouches, caractérisé en ce qu'il comprend les couches suivantes qui sont placées l'une sur l'autre sur un élément de support de contact: - une première couche (21) d'un alliage de cuivrenickel établissant une con- nexion mécanique et électrique avec ledit élément support, - une seconde couche (22) contenant une très forte teneur en argent pouvant atteindre 100%, - une troisième couche (23) d'une composition argent-oxyde d'étain, - une quatrième couche (24) d'un alliage d'argent contenant jusqu'à 100% d'argent, et - une cinquième couche (25) d'un alliage d'or contenant jusqu'à 100% d'or. 2.- Contact multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quatrième couche (24) contient 85% d'argent et 15% de nickel et a une épaisseur d'environ 0,06 mm. 3.- Contact multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième couche (23) contient 90,7% d'argent et 9,3% d'oxyde d'étain. 4.- Contact multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième couche (23) a une épaisseur d'environ 0,14 mm. 5.- Contact multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche (22) a une teneur en argent d'au moins 99%. 6.- Contact multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche (22) a une épaisseur d'environ 0,025 mm. 7.- Contact multicouches selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche (21) contient 70% de cuivre et 30% de nickel et a une épaisseur d'environ 0,07 mm. 8.- Ensemble de contacts comprenant un élément de contact fixe et un élément de contact mobile coopérant avec ledit élément de contact fixe, caractérisé en ce que l'un ou l'autre des éléments de contact fixés mobiles comprend la structure de contact multicouches définie dans la revendication 1. 9.- Ensemble de contacts selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure de contact multicouches (11) prévue sur ledit élément de contact fixe (10) comporte une surface supérieure plane et en ce que la structure de contact multicouches (14) prévue sur ledit élément de contact mobile (12) comporte une surface supérieure incurvée dans un plan, de telle sorte que les surfaces supérieures des deux éléments de contact coopèrent pour établir un contact linéaire (15). 7 2 487111 10.- Ensemble de contacts selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément de contact mobile (12) est pourvu d'une fente longitudinale (13) à son extrémité portant ladite structure de contact multicouches (14) de façon à former un double contact.