CN104321937B - 具有微结构化触头元件的电插接型连接器 - Google Patents

Abstract

提供了一种电插接型连接器具有导电触头元件，该触头元件具有接触表面，所述接触表面具有微结构。微结构形成了至少部分周期性结构，微结构具有限定了至少部分周期性结构的鳞片状结构，鳞片状结构包括多个三维的鳞片，鳞片中的每个叠盖相邻的鳞片。当插接型连接器连接至插接型连接器配合件时，通过微结构有利地减小了触头元件的接触表面和插接型连接器配合件的触头元件的接触表面之间的支撑面，有利地减小了将插接型连接器连接至插接型连接器配合件所需的插入力。接触表面之间的支撑面减少的同时，增加了接触表面之间的接触位置，有利地降低了接触表面之间的过渡电阻。此外，电插接型连接器还通过微结构化降低了接触表面的磨损。

Description

具有微结构化触头元件的电插接型连接器

技术领域

本发明涉及一种电插接型连接器。

背景技术

现有技术中已知很多种构造的电插接型连接器。电插接型连接器设置成连接至合适的插接型连接器配合件以产生电连接。电插接型连接器一般具有导电的触头元件，当插接型连接器连接至插接型连接器配合件时，该触头元件与插接型连接器配合件的触头元件接触。插接型连接器的触头元件通常构造为接触插针，并且插接型连接器配合件的触头元件构造为接触弹簧。在插接型连接器和插接型连接器配合件的连接状态下，接触弹簧施加弹性力至接触插针，以确保接触弹簧和接触插针之间的可靠的导电连接。

已知的电插接型连接器的触头元件通常具有涂覆有锡的接触表面。在插接型连接器第一次连接至插接型连接器配合件的过程中，由于接触弹簧施加至接触插针的弹性力，锡经常被从涂覆有锡的表面部分地剥离。这产生的缺点是，为了将插接型连接器连接至插接型连接器配合件必须施加很大的插入力。此外，磨损引起接触表面中的一个或两个的改变会不利地增加触头元件之间的过渡电阻。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的电插接型连接器。通过根据本发明的插接型连接器实现了该目的。

根据本发明的电插接型连接器具有导电的触头元件，该触头元件具有接触表面。在该情形中，接触表面具有微结构(microstructure)。当插接型连接器连接至插接型连接器配合件时，通过所述微结构有利地减小了触头元件的接触表面和插接型连接器配合件的触头元件的接触表面之间的支撑面。从而减小了作用在接触表面之间的摩擦力，这有利地减小了将插接型连接器连接至插接型连接器配合件所需的插入力。接触表面之间的支撑面减少的同时，增加了接触表面之间的接触位置，这有利地降低了接触表面之间的过渡电阻。根据本发明的插接型连接器的另一个优点是，通过微结构化降低了接触表面的磨损。

在电插接型连接器的一个有利的实施例中，接触表面具有锡或银、或锡或银的合金。锡、银以及它们的合金有利地具有良好的电气和机械特性，从而制成了耐用的接触表面。

在电插接型连接器的一个优选的实施例中，触头元件包括铜或铜合金，并涂覆有锡或涂覆有银、或涂覆有锡/银合金。因而，触头元件有利地具有低欧姆电阻。此外，在涂覆锡或涂覆银操作、或在包括铜或铜合金的触头元件的涂覆操作过程中，有利地形成了较硬的金属间相化合物(intermetallic phase)，其在触头元件的微结构化过程中部分地形成在接触表面的表面，从而插接型连接器配合件的触头元件能够更容易地在触头元件的接触表面上滑动。

在电插接型连接器的一个实施例中，接触表面具有突出部和凹部。因而，有利地减小了插接型连接器的触头元件的接触表面和插接型连接器配合件的触头元件的接触表面之间的支撑面。

在电插接型连接器的一个发展例中，润滑剂被布置在至少一个凹部中。由于在接触表面的一个或多个凹部中设置有润滑剂，因而，有利地额外减小了将插接型连接器连接至插接型连接器配合件所需的插入力。

在电插接型连接器的一个实施例中，所述微结构形成了至少部分周期性的构造。因而，所述微结构能够有利地以简单的方式制造，并具有可复制的特性。

在电插接型连接器的一个有利的实施例中，所述周期性的结构在至少一个方向上具有的周期长度在1微米至100微米的范围内。实验已经显示，这个数量级大小的周期结构对接触表面的机械和电气特性有利地带来了明显的改进。在一个特别优选的实施例中，所述周期长度在2微米至30微米的范围内，特别优选地在大约10微米的范围内。实验中发现大约10微米的尺寸是有利的。

在电插接型连接器的一个实施例中，所述微结构具有鳞片状(scale-like)结构。已经发现鳞片状结构有利于构成微结构，其特别适用于改善接触表面的电气和机械特性。

在电插接型连接器的一个优选的实施例中，所述微结构通过对所述接触表面的激光或电子束加工操作而制成。使用激光或电子束加工操作，能够有利地以精确和可复制的方式在非常短的时间周期内对较大的接触表面区域进行微结构化。

在电插接型连接器的一个实施例中，所述触头元件为接触插针。因为在连接过程中，插接型连接器配合件的接触插针在接触插针的接触表面的较宽的区域上滑动，因而对接触插针的接触表面微结构化特别有用。

在电插接型连接器的另一个实施例中，触头元件为接触弹簧。接触弹簧的接触表面的微结构化也有利地改善了接触弹簧的机械和电气特性。

在电插接型连接器的一个发展例中，其具有多个触头元件。因为将插接型连接器连接至插接型连接器配合件所需的插入力根据要连接的触头元件的数目变化，因而，通过对触头元件的接触表面微结构化导致的插入力的减小特别显著。

附图说明

以下将参照附图更详细地说明本发明，其中：

图1为两个插接型连接器连接过程中的接触插针和接触弹簧的示意图；

图2为第一微结构化的接触表面的平面图；

图3为第二微结构化的接触表面的平面图；以及

图4为第三微结构化的接触表面的平面图。

具体实施方式

图1非常示意性地以及部分剖视地示出了两个插接型连接器连接过程中这些插接型连接器的部件。

图1示出了第一插接型连接器100的第一触头元件110。该第一触头元件110构造为接触插针，并在图1中以剖视图方式示出。该第一触头元件110导电，并包括基底材料130和涂层140，其中涂层140布置在基底材料130的表面上。基底材料130可以例如是铜或铜合金。涂层140可以例如具有锡、银或锡、银的合金和/或其它元素。涂层140可以例如借助于热浸镀锡涂敷至基底材料130。涂层140的远离基底材料130朝向的表面形成了第一接触表面120。

图1还示出了第二插接型连接器200的第二触头元件210的一部分。第二插接型连接器200构造为第一插接类型连接器100的插接型连接器配合件，并设置为连接至第一插接型连接器100。所述第二触头元件210具有第二接触表面220，当第一插接型连接器100和第二插接型连接器200连接时，该第二接触表面220接触所述第一接触表面120。第二插接型连接器200的第二触头元件210构造为接触弹簧，并且能够在限定范围内弹性变形。

如果第一插接型连接器100和第二插接型连接器200连接，如图1所示，第二插接型连接器200的第二触头元件210碰触第一插接型连接器100的第一触头元件110，以产生第一触头元件110和第二触头元件210之间的导电连接。在第一插接型连接器100和第二插接型连接器200连接的过程中，第一插接型连接器100的第一触头元件110沿着第一相对插入方向111相对于第二插接型连接器200的第二触头元件210移动。第二插接型连接器200的第二触头元件210沿着第二相对插入方向211相对于第一插接型连接器100的第一触头元件110移动，其中该第二相对插入方向211定向为相反于第一相对插入方向。

在第一插接型连接器100和第二插接型连接器200连接时，由于第二触头元件210的第二接触表面220施加至第一触头元件110的第一接触表面120的压力，摩擦力作用在第一接触表面120和第二接触表面220之间，并且必须被克服。相对于常规插接型连接器，为了减小连接插接型连接器100、200所需的插入力，第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120具有以下详述的微结构。该微结构150通过对第一接触表面120进行微结构化而形成。在插接型连接器100、200的连接过程中，沿着第一接触表面120滑动的第二触头元件210使第一接触表面120上的微结构150部分地变平，从而在插接型连接器100、200连接后，保留了部分变平的微结构160。

在一个替代实施例中，第二插接型连接器200的第二触头元件210的第二接触表面220也可以设置有微结构。在该实施例中，第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120也可以设置有微结构150。然而，在该实施例中，也可以省去第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120上的微结构150。不过，该实施例存在以下缺点：由于第二触头元件210的弯曲构造，与第一触头元件110的第一接触表面120接触的第二触头元件210的第二接触表面220的一部分显著地小于与第二触头元件210的第二接触表面220接触的第一触头元件110的第一接触表面120的一部分。因而，相比第一触头元件110的第一接触表面120的微结构，第二触头元件210的第二接触表面220的微结构导致的连接插接型连接器100、200所需插入力的减小较为不显著。

图2为第一微结构化的接触表面300的示意图。在一个实施中，图1的第一触头元件110的第一接触表面120上的微结构150可以以与该第一微结构化的接触表面300相同的方式构造。

第一微结构化接触表面300具有以周期性的方式规则布置的多个鳞片(scale)330。相互邻近的鳞片330彼此部分地叠盖(overlap)。因而，鳞片330中的每个具有凸起和凹陷区域。鳞片330的叠盖相邻的鳞片330的部分形成了突出部310。鳞片330的邻接被相邻的鳞片330叠盖的相应的鳞片330的区域的部分形成了凹部320。突出部310在垂直于第一微结构化接触表面300的方向上高于所述凹部320。突出部310和凹部320之间的高度差可以在几百纳米和几微米之间的范围内。

在第一微结构化接触表面300的横向方向上，鳞片330具有鳞片尺寸331。因而，由鳞片330形成的第一微结构化接触表面300的周期性的结构在至少一个横向空间方向上具有对应于该鳞片尺寸331的周期长度。鳞片尺寸331优选地在1微米至100微米之间的范围内。在一个具体的优选方式中，鳞片尺寸331在2微米至30微米之间，特别优选地在大约10微米的范围内。

图3为示例性第二微结构化的接触表面400的示意图。图1的第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120上的微结构150可以以与该第二微结构化的接触表面400相同的方式构造。

第二微结构化接触表面400具有规则的图案，其具有周期性的突出部410和凹部420。凹部420构造为圆盘状孔。突出部410在垂直于第二微结构化接触表面400的方向上高于所述凹部420。在第二微结构化接触表面400的平面上，两个相邻的凹部420在至少一个空间方向上具有孔间距421。因而，由突出部410和凹部420形成的第二微结构化接触表面400的周期性的结构在至少一个横向空间方向上具有对应于该孔间距421的周期长度。孔间距421，例如也可以在1微米至100微米之间的范围内，优选地在2微米至30微米大小的级别上，特别优选地在大约10微米的范围内。突出部410在垂直于第二微结构化接触表面400的方向上相对于凹部420的高度又可以从几百纳米至几微米。

图4示出了示例性的第三微结构化接触表面500。图1的第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120上的微结构150能以与该第三微结构化的接触表面500相同的方式构造。

第三微结构化接触表面500具有规则的周期性的条状结构，其具有周期性的相互交替的凹陷和凸起。凸起形成了突出部510。凹陷形成了凹部520。每个凹部520布置在两个突出部510之间。每个突出部510布置在两个凹部520之间。两个相继的凹部520具有相对于彼此的凹陷间距511。凹陷间距511优选地具有1微米至100微米之间的尺寸，优选地在2微米至30微米范围内的尺寸，特别优选地在大约10微米的范围内。凸起或突出部510可以具有如凹陷或凹部520一样的相同宽度。然而，凹陷或凹部520也可以构造为比所述凸起或突出部510宽或窄。突出部510相对于凹部520的高度可以在几百纳米至几微米之间的范围内。

第三微结构化接触表面500的突出部510和凹部520的延伸方向可以定向成与第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一相对插入方向111平行或垂直或成任意其它角度。

第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120上的微结构150可以例如以与图2的第一微结构化接触表面300相同的方式、图3的第二微结构化接触表面400相同的方式或图4的第三微结构化接触表面500相同的方式构造。然而，微结构150也可以不同地构造。优选地，微结构150通过使用激光或电子束对第一接触表面120微结构化而形成。有利地，通过使用激光或电子束，能够在非常短的时间段内对很大的接触表面进行微结构化。

在第一触头元件110产生后，第一触头元件110的第一接触表面120可以设置有微结构150。不过，可替代地，第一触头元件110也可以由已经预先设置微结构150的条状材料制成。在该制造方法中，例如，条形的基底材料130可以首先设置有热浸镀锡形成的涂层140。稍后形成第一接触表面120的涂层140的表面随后借助于激光或电子束设置微结构150。接着由条形材料制成第一触头元件110。

由于第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120上存在微结构150，当第一插接型连接器100连接至第二插接型连接器200时，第一插接型连接器100的第一触头元件110的第一接触表面120和第二插接型连接器200的第二触头元件210的第二接触表面220之间的支撑面减少。因此，连接插接型连接器100、200所需的插入力被减小。而且，由于微结构150，当插接型连接器100、200连接时，减小了第一接触表面120上的锡的磨损和锡蓄积(铲雪效应)。连接插接型连接器100、200所需的插入力也因而被减小。

在将例如包含锡的涂层140涂敷至例如包含铜的基底材料130的过程中，由基底材料130与涂层140的材料的结合部分地形成了金属间相化合物，该金属间相化合物具有比涂层140的材料更高的硬度。这特别地适用于当涂层140借助于热镀锡涂敷至基底材料130时。在制造所述微结构150的过程中，较硬的金属间相化合物部分地出现在第一接触表面120。这导致第一触头元件110的第一接触表面120可以更好地在第二触头元件210的第二接触表面220上滑动。连接插接型连接器100、200所需的插入力也因而被减小。第一接触表面120微结构化后仍然保留在第一接触表面上的涂层140的材料(例如锡)在插接型连接器100、200的连接过程中还用作润滑剂，其致使第二触头元件210的第二接触表面220更容易地在第一触头元件110的第一接触表面120上滑动。连接插接型连接器100、200所需的插入力也因而被减小。

第一接触表面120的微结构150中形成的凹部320、420和520也能够用于接收另外的润滑剂。例如，该润滑剂可以通过被刷在设置有微结构150的第一接触表面120上而被引入凹部320、420和520。润滑剂例如可以是油、油脂、膏剂或诸如石墨的固态润滑剂、CNT、Graphene MoS2以及它们的混合物。布置在凹部320、420及520中的润滑剂致使当插接型连接器100、200连接时，第二触头元件210的第二接触表面220可以更容易地在第一触头元件110的第一接触表面120上滑动，从而进一步减小了连接所需的插入力。

布置在第一接触表面120上的微结构150还使得，当插接型连接器100、200连接时，增加了第一接触表面120和第二接触表面220之间的接触位置的数目。这是因为即使没有设置微结构的接触表面在微观尺度上也不是平的。由于增加了第二触头元件210的第二接触表面220和第一触头元件110的第一接触表面120之间的接触位置的数目，第一触头元件110和第二触头元件210之间的过渡电阻被减小。实验中发现，当第一触头元件110的第一接触表面120上的微结构150以与图4的第三微结构化接触表面500相同的方式构造时，过渡电阻的减小特别明显。

Claims (11)

1.一种电插接型连接器(100，200)，具有导电的触头元件(110，210)，该触头元件具有基底材料(130)和设置所述基底材料上的涂层(140)，所述涂层限定了所述触头元件的接触表面(120，220，300，400，500)，

其中，所述接触表面(120，220，300，400，500)由导电材料构成、并且具有微结构(150)，所述微结构形成了至少部分周期性结构，所述微结构具有限定了所述至少部分周期性结构的鳞片状结构(330)，并且

其中，所述鳞片状结构包括多个三维的鳞片，并且所述鳞片中的每个叠盖相邻的鳞片。

2.根据权利要求1所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，所述接触表面(120，220，300，400，500)具有锡或银、或锡或银的合金。

3.根据权利要求2所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，所述触头元件(110，210)包括铜或铜合金，并涂覆有锡或涂覆有银、或涂覆有锡/银合金。

4.根据权利要求1所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，所述接触表面(120，220，300，400，500)具有突出部(310，410，510)和凹部(320，420，520)。

5.根据权利要求4所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，润滑剂被布置在至少一个凹部(320，420，520)中。

6.根据权利要求5所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，所述周期性的结构在至少一个方向上具有的周期长度(331，421，511)在1微米至100微米之间的范围内。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，所述微结构(150)通过对所述接触表面(120，220，300，400，500)的激光或电子束加工操作而制成。

8.根据权利要求1-6中的任一项所述的电插接型连接器(100，200)，

其中，所述电插接型连接器(100，200)具有多个触头元件(110，210)。

9.一种电插接型连接器组件，包括：

第一插接型连接器，其具有导电的第一触头元件，所述第一触头元件具有第一基底材料和设置所述第一基底材料上的第一涂层，所述第一涂层限定了第一接触表面；和

第二插接型连接器，其与所述第一插接型连接器配合、并且具有导电的第二触头元件，所述第二触头元件限定了第二接触表面，

其中，所述第一接触表面和/或所述第二接触表面由导电材料构成、并且具有形成了至少部分周期性结构的微结构，所述微结构具有限定了所述至少部分周期性结构的鳞片状结构，并且

其中，所述鳞片状结构包括多个三维的鳞片，并且所述鳞片中的每个叠盖相邻的鳞片。

10.根据权利要求9所述的电插接型连接器组件，

其中，所述第一插接型连接器为接触插针。

11.根据权利要求9或10所述的电插接型连接器组件，

其中，所述第二插接型连接器为接触弹簧。