CN107636906A - 带有波状表面的导电材料、由所述材料形成的电端子和生产所述材料的方法 - Google Patents

带有波状表面的导电材料、由所述材料形成的电端子和生产所述材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种导电材料(10)，其具有由铜基材料形成的基底构件(12)和覆盖所述基底构件(12)的涂覆层(14)。所述涂覆层(14)可由锡基、镍基、铜基、银基、或金基材料形成。所述涂覆层(14)的波状表面定义多个波峰(16)和波谷(18)。每一波谷(18)相对于每一毗邻的波峰(16)具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度。毗邻的波峰(16)之间的距离在二十微米(20μm)和一百微米(100μm)之间。这个导电材料(10)可形成电连接组件(28)中的电端子(30)的所述接触表面并且有效提高抗摩擦腐蚀性。还提出了一种制造这样的导电材料(10)的方法(100)。

Description

带有波状表面的导电材料、由所述材料形成的电端子和生产 所述材料的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据专利合作条约的第8条要求在2015年5月20日提交的美国专利申请No.14/717,304的优先权权益，该申请的全部公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及带有波状表面的导电材料，其对于电端子的接触表面是特别有用的。
本发明的背景
汽车电端子通常涂覆有锡基材料的薄层，该薄层能够通过电镀、沉积、热喷涂、动力喷涂等被涂覆，下文中通常被称为镀锡。如图1所示，当被应用于电端子3的通常平坦的接触表面2时镀锡1具有大体均匀的厚度。镀锡帮助提供低电阻电连接并且也为底层基底4提供一些抗腐蚀性，该底层基底4通常由铜基材料形成。
镀锡易于受到被称为摩擦腐蚀的劣化机制的影响。如图8所示，摩擦腐蚀是由接触表面2上的氧化的锡材料形成的绝缘磨损碎片的累积，这是由于配对的接触表面之间的相对运动导致氧化的锡材料的移动而引起的。随着氧化的材料移动，未氧化的镀锡被暴露，随着这个过程重复，未氧化的镀锡在暴露后变得氧化并且然后移动。振动和/或热循环是配对的接触表面之间这种相对运动的典型原因。这个磨损碎片的积累引起配对的接触表面之间的电阻的快速增加。
有若干方法通常被用于使镀锡接触件上的摩擦腐蚀的形成最小化。一种方法是使用高接触法向力。这个高法向力减少接触件之间的相对运动，但是因增加将连接件插入到一起所需要的力而对连接件有负面影响。具有多个有高法向力的连接器能够容易地超过连接力的人体工程学标准。
另一个使摩擦腐蚀最小化的方式是使用金、银、或其他贵金属镀代替用于接触表面的镀锡。通过使用不容易氧化的贵金属，磨损碎片不像镀锡那样快地积累成绝缘层。不幸的是，抗摩擦侵蚀的贵金属镀比镀锡更贵。
第三个减少镀锡的电接触件的摩擦侵蚀的方法是为接触表面增加润滑层。这能够减少绝缘磨损碎片的形成。尽管润滑剂能够有效地减少摩擦侵蚀，但它们会增加额外的加工和成本。因此，期望一种抗摩擦侵蚀但不要求高法向力、镀贵金属或润滑的端子。
背景技术部分中所讨论的主题不应当只因为它在背景技术部分中的提及而被假定为现有技术。类似地，背景技术部分中提到的或与背景技术部分的主题相关联的问题不应被假定为在现有技术中已经被在先认识到。背景技术部分中的主题仅仅表示不同的方法，它们本身也可能是发明。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种导电材料。该导电材料包括由铜基材料形成的基底构件和覆盖该基底构件的涂覆层。该涂覆层可由锡基、镍基、铜基、银基、或金基的材料形成。该涂覆层的波状表面定义多个波峰和波谷。多个波谷中的每个波谷相对于多个波峰中的每个毗邻波峰具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度。在多个波峰中毗邻的波峰之间的距离小于一百微米(100μm)。毗邻的波峰之间的距离可大于二十微米(20μm)。该多个波峰和波谷形成不规则的图案，或替代地，该多个波峰和波谷形成规则的图案，诸如基本上平行的槽的图案。
该基底构件可定义另一个波状表面，该另一个波状表面定义涂覆层下面的另外多个波峰和波谷。该涂覆层可被表征为具有基本均匀的厚度。该涂覆层中的或基底构件上的多个波峰和波谷可由制造工艺(诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和/或消融)形成。
根据另一个实施例，提供了电连接组件。该电连接组件有阳型端子和阴型端子。该阳型端子和阴型端子中的至少一个包括前文所述的导电材料。
根据另一个实施例，提供了制造导电材料的方法。该方法包括提供由铜基材料形成的基底构件和在该基底构件上涂布涂覆层的步骤。该涂覆层可由锡基、镍基、铜基、银基、或金基材料中的材料形成。该方法还包括在涂覆层中形成定义多个波峰和波谷的波状表面的步骤。多个波谷中的每个波谷相对于多个波峰中的每个毗邻波峰具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度。在多个波峰中的毗邻的波峰之间的距离小于一百微米(100μm)。毗邻的波峰之间的距离可大于二十微米(20μm)。
该多个波峰和波谷可由工艺(诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和/或消融)形成。
该方法可进一步包括在基底构件上形成定义另外多个波峰和波谷的另一个波状表面的步骤。在这种情况下该涂覆层被表征为具有基本均匀的厚度。该多个波峰和波谷可由工艺(诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和/或消融)形成。
该多个波峰和波谷可形成不规则的图案，或替代地，该多个波峰和波谷可形成规则的图案，诸如基本上平行的槽的图案。
附图说明
现在将参考各个附图，作为示例，来描述本发明，其中：
图1是根据现有技术的电端子的接触表面的立体截面视图；
图2是根据本发明的第一实施例的由导电材料形成的电端子的接触表面的立体截面视图；
图3是根据本发明的第二实施例的由导电材料形成的电端子的接触表面的立体截面视图；
图4是根据本发明的第三实施例的由导电材料形成的电端子的接触表面的立体截面视图；
图5是根据本发明的第四实施例的根据本发明的第一实施例的由导电材料形成的电连接组件的立体截面视图；
图6是根据图3所示的发明的第一实施例的由导电材料形成的摩擦侵蚀测试设备和测试试样的侧视图；
图7是当暴露于多个磨损周期时，将根据图1所示的现有技术的电端子的接触表面的接触电阻和图2所示的本发明的第一实施例的电端子的接触表面的接触电阻相比较的图表；并且
图8是根据现有技术的电端子的接触表面上的氧化的材料的积累的显微图；
图9是根据图3所示的本发明的第一实施例的电端子的接触表面上的氧化的材料的积累的显微图；
图10是根据本发明的第五实施例的制造导电材料的方法的流程图。
发明的详细描述
发明人已发现通过从导电材料形成电端子(在镀层的表面中产生波峰和波谷从而具有波状图案)，镀的电端子上的摩擦腐蚀可被减少。在不受任何特定的操作理论约束的情况下，波峰和波谷的几何结构允许磨损碎片被更高的波峰之间的波谷或开口空间取代。然后更高的波峰的顶点维持电端子之间无磨损碎片的更低电阻的电接触。由波峰提供的接触点之间的间距必须足够小来允许多个接触点进行电接触。导电材料的测试已经发现这个导电材料能够在产生不可接受的高接触电阻之前抵抗比典型的度锡材料多大约8倍的磨损周期。
图2示出适于形成电端子的接触表面的导电材料10的非限制性示例。导电材料10的基底构件12由铜基材料形成。如本文中使用的，铜基材料可以是纯铜或铜合金，其中铜按重量是主要成分。替代地，该基底材料可由铝基材料、铁基材料、或任何其他合适的导电材料形成。
涂覆层14或镀层覆盖该基底构件12。涂覆层14可由锡基材料、镍基材料、铜基材料、银基材料、或金基材料形成。替代地，其他导电材料可被使用。涂覆层14具有定义多个波峰16和波谷18的波状表面。发明人观察到当多个波谷18的每一波谷18相对于多个波峰16的每一毗邻波峰16具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度时，抗摩擦腐蚀性被提高。发明人进一步观察到当多个波峰16中的毗邻波峰16之间的距离小于一百微米(100μm)并且毗邻波峰16之间的距离大于二十微米(20μm)时，抗摩擦腐蚀性被提高。
如图2示出的，多个波峰16和波谷18可形成规则图案，例如基本上平行的槽20的图案，其中每个槽有近乎相同的深度D和宽度W且每个其他槽提供一致的槽间间距。槽可具有V或U状的截面。替代地，可使用波峰16和波谷18的规则图案，诸如在美国专利申请No.8,622,774中示出的菱形隆起图案，该申请的全部公开内容通过引用结合与此。
如图3示出的，多个波峰16和波谷18形成不规则图案22。不规则图案22可由具有不同的深度和宽度的不规则槽形成。不规则图案22可替代地由凹陷和峰(未示出)的不规则图案形成。多个波峰16和波谷18可通过涂覆层14的厚度变化完全在涂覆层14内形成。
替代地，如图4示出的，涂覆层14可具有基本均匀的厚度，并且多个波峰24和波谷26可形成在基底构件12中的下方表面中，从而在涂覆层14中提供多个波峰16和波谷18。虽然不规则图案22在此示出，但该基底构件12的下方表面可替代地定义规则图案。
多个波峰16和波谷18由制造工艺(诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、消融、或本领域技术人员已知的任何其他制造工艺)在涂覆层14或基底构件12中形成。
图5示出了具有阳型端子30和阴型端子32的电连接组件28的非限制性示例。阳型端子30和阴型端子32中的至少一个包括上述的导电材料10作为接触表面。
使用实验室摩擦腐蚀模拟器来进行抗摩擦腐蚀性的比较以比较图1示出的常规的镀锡材料的抗摩擦腐蚀性和图2中示出的具有平行的槽20的导电材料10的抗摩擦腐蚀性。针对导电材料10的具有平行的槽20的第二测试试样42使用相同的镀锡作为常规的镀锡材料。如图6示出的，针对每一测试，半径36为1.6mm的均匀镀锡的测试接触件34摩擦测试试样38。通过施加一牛顿(1N)负荷到测试接触件34并以十赫兹(10Hz)和五十微米(50μm)的振幅将测试接触件34抵靠测试试样38振动。在测试期间，测试试样38和测试接触件34之间的电阻被监测，并且当该电阻超过十欧姆(10Ω)时该测试被判断为失败。如图7的数据的曲线图所示，由常规镀锡材料形成的第一测试试样6在大约900周期后在该摩擦腐蚀测试中失效，而由导电材料10形成的具有平行的槽20的第二测试试样42在大约7500周期后失效。这个结果指示接触表面上的利用导电材料10的电端子30,32应该提供比常规镀锡材料长大约8倍的服务寿命。
图8和图9分别显示了摩擦腐蚀测试的完成之后的常规镀锡材料的第一测试试样6和具有平行的槽20的导电材料10的第二测试试样42的显微图。如通过比较图8和图9的显微图可见，磨损碎片5集中在图8所示常规锡镀材料的第一测试试样6上，而磨损碎片44散布在图9所示的第二测试试样42上。在不受任何特定的操作理论约束的情况下，平行的槽20的边缘46可分裂磨损碎片44以使得它不被允许如图8所示地集中。磨损碎片44的部分也看出收集到槽的波谷18中。电端子的接触表面之间更多的电阻性氧化的碎片材料的集中导致接触电阻增加到不可接受的水平。分裂磨损碎片44并且将磨损碎片44布置到槽的波谷18中提供不会由磨损碎片44遮蔽的接触表面的更大的部分。
图10示出了制造导电材料10的方法100的非限制性示例。方法100包括以下步骤。
“步骤110，提供由铜基材料形成的基底构件”，包括提供由铜基材料(例如一片铜基材料)形成的基底构件12。
任选的“步骤112，在基底构件上形成定义多个波峰和波谷的波状表面”，这是一个任选的步骤，包括在基底构件12上形成定义多个波峰24和波谷26的波状表面。该多个波峰24和波谷26由制造工艺(诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和/或消融)形成。多个波谷26中的每个波谷26相对于多个波峰24中的每个毗邻波峰24具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度。在多个波峰24中毗邻的波峰24之间的距离小于一百微米(100μm)。毗邻的波峰24之间的距离大于二十微米(20μm)。多个波峰24和波谷26可形成规则图案，诸如基本平行的槽20的图案。替代地，多个波峰24和波谷26可形成不规则的图案22。该涂覆层14被表征为具有基本均匀的厚度。如果被执行，那么步骤112在步骤114之前。
“步骤114，在由锡基、镍基、铜基、银基、或金基材料形成的基底构件上涂布涂覆层”，包括在由锡基、镍基、铜基、银基、和金基材料组成的组中选取的材料形成的基底构件12上涂布涂覆层14。
任选的“步骤116，在涂覆层内形成定义多个波峰和波谷的波状表面”，这是一个任选的步骤，包括在涂覆层14中形成定义多个波峰16和波谷18的波状表面。多个波谷18中的每个波谷18相对于多个波峰16中的每个毗邻波峰16具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度。在多个波峰16中毗邻的波峰16之间的距离小于一百微米(100μm)。毗邻的波峰16之间的距离大于二十微米(20μm)。多个波峰16和波谷18由制造工艺(诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和/或消融)形成。多个波峰16和波谷18可形成规则图案，诸如基本平行的槽20的图案。替代地，多个波峰16和波谷18可形成不规则的图案22。如果步骤112被执行，那么步骤116可被执行或可不被执行。
通过本文中描述的方法100形成的导电材料10可以是接下来被冲压并且折叠来形成电接触的一片材料。替代地，导电材料10可在预成形(pre-fashioned)的电接触上形成。
因此提供了适于形成电接触的导电材料10和制造这样的材料的方法100。这个导电材料10提供了用锡基镀材料而不是更高成本镀材料(诸如金或银的贵金属)来减少摩擦腐蚀的益处。抗摩擦腐蚀性可被增强而不需要增加端子接触力。事实上，通过使用导电材料10，端子接触力可被减少而仍然提供可接受水平的抗摩擦腐蚀性。对于电连接系统在力的需求上满足人体工程学的插头是尤其被期望的。
为了甚至更大的抗摩擦腐蚀性，导电材料10可与其他摩擦缓解方法组合，诸如润滑剂或镀贵金属。导电材料10进一步在润滑剂的情况下提供益处，因为它们将在导电材料10的波谷18中聚集以使润滑剂迁移最小化。这个导电材料10可通过使用各种制造工艺(诸如诸如冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、或消融)被制造。常规的电镀也可被应用在基底构件12中的波峰24和波谷26的预形成的表面上来制作涂覆层14中的期望的多个波峰16和波谷18。
尽管根据本发明的优选实施例已经描述了本发明，但是并不限制于此，而是仅在所附的权利要求书所阐述的范围内为限。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何的重要顺序，相反术语第一、第二等被用来将一个要素与另一要素区别开来。此外，术语一、一个等的使用不表示对量的限制，而是表示所引述项的至少一个的存在。

Claims (15)

1.一种导电材料(10)，包括：
由铜基材料形成的基底构件(12)；和
涂覆层(14)，覆盖所述基底构件(12)，该涂覆层(14)由锡基、镍基、铜基、银基、和金基材料组成的组中选出的材料形成，其中所述涂覆层(14)的波状表面定义多个波峰(16)和波谷(18)，其中在所述多个波峰和波谷中的每一波谷(18)相对于所述多个波峰中的每一毗邻波峰(16)具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度，并且其中所述多个波峰中的毗邻波峰(16)之间的距离小于一百微米(100μm)。
2.根据权利要求1所述的导电材料(10)，其中毗邻波峰(16)之间的距离大于二十微米(20μm)。
3.根据权利要求1所述的导电材料(10)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)形成不规则图案(22)。
4.根据权利要求1所述的导电材料(10)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)形成不规则图案(22)。
5.根据权利要求4所述的导电材料(10)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)形成基本平行的槽(20)的图案。
6.根据权利要求1所述的导电材料(10)，其中所述基底构件(12)定义另一个波状表面，该另一个波状表面定义所述涂覆层(14)下面的另外多个波峰(16)和波谷(18)，并且其中所述涂覆层(14)表征为具有基本均匀的厚度。
7.根据权利要求1所述的导电材料(10)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)由制造工艺形成，该制造工艺从冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和消融组成的组中选择。
8.一种电连接组件(28)，包括：
阳型端子(30)；和
阴型端子(32)，其中所述阳型端子(30)和所述阴型端子(32)中的至少一个包括根据权利要求1所述的导电材料(10)。
9.一种制造导电材料(10)的方法(100)，包括如下步骤：
提供(110)由铜基材料形成的基底构件(12)；
在所述基底材料(12)上涂布(114)涂覆层(14)，该涂覆层(14)由锡基、镍基、铜基、银基、和金基材料组成的组中选出的材料形成；并且
在所述涂覆层(14)中形成(116)定义多个波峰(16)和波谷(18)的波状表面，其中在所述多个波峰和波谷中的每一波谷(18)相对于所述多个波峰中的每一毗邻波峰(16)具有至少二分之一微米(0.5μm)的深度，并且其中所述多个波峰中的毗邻波峰(16)之间的距离小于一百微米(100μm)。
10.根据权利要求9所述的制造导电材料(10)的方法(100)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)由从冲压、压花、电镀、热喷涂、动力喷涂、3D打印、立体光刻、粉末沉积、和消融组成的组中选择的工艺形成。
11.根据权利要求9所述的制造导电材料(10)的方法(100)，进一步包括如下步骤：
在所述基底构件(12)上形成(116)另一个波状表面，该另一个波状表面定义另外多个波峰(16)和波谷(18)，其中所述涂覆层(14)表征为具有基本均匀的厚度。
12.根据权利要求9所述的制造导电材料(10)的方法(100)，其中毗邻波峰(16)之间的距离大于二十微米(20μm)。
13.根据权利要求9所述的制造导电材料(10)的方法(100)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)形成不规则图案(22)。
14.根据权利要求9所述的制造导电材料(10)的方法(100)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)形成规则图案(22)。
15.根据权利要求14所述的制造导电材料(10)的方法(100)，其中所述多个波峰(16)和波谷(18)形成基本平行的槽(20)的图案。
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