CN113258380B - 连接器和连接器对 - Google Patents

Abstract

一种连接器对包括第一连接器和电连接至该第一连接器的第二连接器。第一连接器包括第一电接触部，其在金属基材上设置有石墨烯膜。第二连接器包括经由石墨烯膜电连接至第一连接器的第二电接触部。第一电接触部和第二电接触部之间的接触面积比包覆金属基材的石墨烯膜的面积小。

Description

连接器和连接器对

技术领域

本发明涉及一种连接器和连接器对。

背景技术

将电线互相连接或者连接在电线与电气装置之间的连接器的表面通常由金属镀层等被覆，以保护连接器端子的接触部。

然而，由于在连接器的使用环境下除金之外的金属或多或少会氧化，所以即使在表面上被覆金属，取决于使用环境和条件，氧化也可以产生具有高电阻的氧化物，其可能增加接触部的电阻。

这样的电接点的劣化，特别是导电性的降低导致可靠性降低，诸如电力损耗增加或者连接器导通不良，这会造成问题。

另一方面，当电接点的接触表面通过金镀覆时，几乎不存在由于氧化导致劣化的可能性，但是由于金是昂贵的材料所以存在制造成本高的问题。

因此，为了以低成本防止电接点的表面上的氧化以及导致的导电性降低而研究了各种方法。

在现有技术中，由石墨烯制成的层叠设于铜箔或者铜基板上以形成电接触部。

在现有技术中，由Ni、Sn、Al、Zn、Cu、In或者金属的合金制成的金属层形成于基材上，在形成金属层之后移除形成的氧化层后，金属层的表面被氧化或者羟基化以形成导电的氧化层或者导电的氢氧化物层，从而形成用于连接器的电接触部。

[专利文献1]JP-A-2018-56119

[专利文献2]JP-A-2012-237055

根据现有技术，由于即使电阻值低，基材上也加上了具有电阻值的被覆，所以该状态等同于电阻串联的情形，并且相比于仅通过基材形成电接触部的情形，(劣化发生之前的)初始电阻值增加。

发明内容

一个以上实施例提供一种具有低的电阻值的连接器和连接器对，其中防止了由于氧化导致的导电性降低。

在方面中，一种连接器对包括第一连接器和电连接至该第一连接器的第二连接器。第一连接器包括第一电接触部，其在金属基材上设置有石墨烯膜。第二连接器包括经由石墨烯膜电连接至第一连接器的第二电接触部。第一电接触部和第二电接触部之间的接触面积比包覆金属基材的石墨烯膜的面积小。

根据一个以上的实施例，能够提供一种具有低的电阻值的连接器和连接器对，其中防止了由于氧化而导致的导电性降低。

附图说明

图1A和1B是电路模型的示意图，其中测量端子与电接触部进行点接触并且施加了电压，电接触部具有形成于金属基材的均匀电阻膜(电阻值：R1)。图1A示出电阻膜上没有导电被覆的情形，并且图1B示出电阻膜上存在导电被覆(电阻值：Rc)的情形。

图2是示出当在图1A和1B的电路模型中R1＝1Ω时组合电阻值的计算结果的图表。曲线(a)示出表面上不具有导电被覆的Rh＝Rv＝R1的情形。曲线(b)示出表面上具有导电被覆的Rh＝10-1Rv的情形。曲线(c)示出Rh＝10-2Rv的情形。曲线(d)示出Rh＝10-3Rv的情形。曲线(e)示出Rh＝10-4Rv的情形。曲线(f)示出Rh＝10-5Rv的情形。

图3是示出当在本发明的电路模型中R1＝1Ω且电压为1V时流过电路的总电流值的计算结果的图表。曲线(a)示出表面上不具有导电被覆的Rh＝Rv＝R1的情形。曲线(b)示出表面上具有导电被覆的Rh＝10-1Rv的情形。曲线(c)示出Rh＝10-2Rv的情形。曲线(d)示出Rh＝10-3Rv的情形。曲线(e)示出Rh＝10-4Rv的情形。曲线(f)示出Rh＝10-5Rv的情形。

图4是示出当在图1A和1B的电路模型中R1＝1Ω且电压为1V时流过各个电阻的电流分布的计算结果的图表。曲线(a)示出表面上不具有导电被覆的Rh＝Rv＝R1的情形。曲线(b)示出表面上具有导电被覆的Rh＝10-1Rv的情形。曲线(c)示出Rh＝10-2Rv的情形。曲线(d)示出Rh＝10-3Rv的情形。曲线(e)示出Rh＝10-4Rv的情形。曲线(f)示出Rh＝10-5Rv的情形。

图5A和5B是导电被覆中电流的扩散效应的示意图。

图6是示出根据本发明的实施例的连接器对的形状的实例的示意图。

图7是用于计算在表面上具有氧化亚铜(Cu2O)膜的铜基材上具有石墨烯膜被覆的情况下和不具有石墨烯膜被覆的情况下的总电流值的变化的模型的示意图。

图8示出图7的模型中计算的总电流值的图表。

图9是用于计算在表面上具有氧化铜(CuO)膜的铜基材上具有石墨烯膜被覆的情况下和不具有石墨烯膜被覆的情况下的总电流值的变化的模型的示意图。

图10示出图9的模型中计算的总电流值的图表。

图11是用于计算在形成于铜基板并且表面上具有氧化锡(SnO2)膜的锡基材上具有石墨烯膜被覆的情况下和不具有石墨烯膜被覆的情况下的总电流值的变化的模型的示意图。

图12示出图11的模型中计算的总电流值的图表。

图13是针对根据第一实施例的电接触部的石墨烯膜的膜厚度测量结果的图表。

图14是示出针对根据第一实施例的电接触部的厚度方向上流动的电流的测量方法的示意图。

图15是示出针对根据第一实施例的电接触部的厚度方向上流动的电流的测量结果的图表。

图16是针对根据第二实施例的电接触部的石墨烯膜的膜厚度测量结果的图表。

图17是示出针对根据第二实施例的电接触部的厚度方向上流动的电流的测量结果的图表。

参考标记列表

1    连接器对

10   第一连接器

100  (第一连接器的)电接触部

110  金属基材

120  石墨烯膜

130  氧化膜

20   第二连接器

200  (第二连接器的)电接触部

210  突起部

具体实施方式

下文，将基于实施例详细描述本发明，但是本发明不限于这些实施例。

[通过形成石墨烯膜而减小电阻的机制]

如上所述，在表面上覆有石墨烯膜的电接触部的厚度方向上的电阻值显著低于不具有石墨烯膜的电接触部。该机制如下所述。

通常，金属基材的表面由薄电阻膜(电阻值：R1)覆盖，由于大气中氧和水汽的影响下的氧化，该薄电阻膜具有比金属更高的电阻，也就是所谓的生锈。虽然电阻膜(氧化膜)的厚度和电阻值依据放置金属基材的环境以及暴露时间而变化，但是，如图1A的模型所示，通过将电阻膜的垂直(厚度)方向上的电阻值Rv定义为等于由电阻率导出的R1，并且通过将水平(平面)方向上的与垂直方向长度相同的各个长度的具有电阻值Rh的电阻定义为串联连接的电阻，则能够认为垂直方向上的电阻值Rv和水平方向上的电阻值Rh两者等于R1。此处，当测量端子仅接触电阻膜的表面的一部分并且施加电压时，由于被覆不仅在厚度方向上而且在平面方向上也具有电阻，所以在平面方向上产生电势差并且电流流动。此时，使用组合电阻值(Rn)作为直至第n个电阻的组合电阻值，通过下式(1)表示从测量端子的接触位置处的电阻到位于第(n+1)个位置处的厚度方向电阻的组合电阻值(Rn+1)。

[式1]

根据式(1)，在电阻膜上不存在导电被覆的图1A的情况下，组合电阻值不从R1大幅减少(见图2中的曲线(a))，并且总电流量不显著地增加(见图3中的曲线(a))。此外，绝大部分的电流仅从测量端子的接触位置开始的少量电阻流出(见图4中的曲线(a))，并且由于电阻值的增加，不能收集远处的电流。在图2至4中，示出了R1＝1Ω的情况下的组合电阻值和电流值的计算结果。

另一方面，如图1B的模型所示，当具有比电阻膜的电阻值低的电阻值以及极薄的厚度的导电被覆(电阻值：Rc)形成于电阻膜上时，在电阻膜和导电被覆形成的层叠膜中，垂直(厚度)方向的电阻值Rv能够被限定为等于电阻膜的R1，并且水平(平面)方向的电阻值Rh能够被限定为等于R1和Rc并联时的值。在该情况下的组合电阻值Rn+1通过下式(2)表示。

[式2]

在此情况下，随着Rh小于Rv(＝R1)，组合电阻值Rn+1显著地减小，换言之，与R1相比Rc越小，则与R1相比减小得更大(见图2中的曲线(a)至(f))。例如，当与R1和Rc并联的电阻值相等的Rh比Rv(＝R1)小一个数位时(见图2中的曲线(b))，组合电阻值是Rh＝Rv情况下的约一半，并且当Rh比Rv(＝R1)小两个数位时(见图2中的曲线(c))，组合电阻值为Rh＝Rv的情形下的约1/6。随着组合电阻值减小，流过导电被覆的总电流量极大地增加(见图3中的曲线(b)至(f))。电流也流动至离测量端子的接触位置更远的位置处的电阻(见图4中的曲线(b)至(f))。下文，在描述中可将该现象称作“电流的扩散效应”。

在导电膜之中，与垂直(厚度)方向的电阻率相比具有极小的水平(平面)方向电阻率的各向异性的材料形成的膜中的电流的扩散效应显著。图5A和5B是示出电压直接地施加于存在电阻膜的金属基材时(图5A)发生的电流的扩散效应与在电压施加于具有电阻膜的金属基材的表面上形成的由各向异性的材料制成的导电被覆时(图5B)发生的电流的扩散效应的差异的示意图，所述各向异性的材料的平面方向具有比厚度方向更小的电阻。如附图所示，当形成各向异性的材料的导电被覆时，在平面中的水平方向上流动的电流量显著地增加，使得流过金属基材的电流量由于电流的扩散效应而显著地增加。在图5A和5B中，对于参考标记(标号)，110表示金属基材，130表示氧化膜，并且120表示石墨烯膜，与将在稍后描述的实施例相似。

考虑到上述机制应用的实际情况，当测量端子仅与金属基材的表面的一部分进行直接接触时，由于在许多情况下具有高电阻的各向同性的氧化膜形成于金属基材的表面，所以出于氧化膜的影响而防止了电流的扩散效应，并且电流流动的区域仅限于测量端子的接触位置附近。因此，流动的电流量受限并且测量的电阻值增加。

另一方面，当测量端子与形成于金属基材的表面的石墨烯膜进行接触时，由于石墨烯的结构特性，即由碳原子和其键形成的六边体所形成的平面结构，以及sp2键合的碳原子，平面方向的电阻值Rc由于氧化物而显著地小于电阻膜的电阻值R1。因此，展现电流的扩散效应，并且即使当存在高电阻的氧化膜时，总电流量也增加并且测量的电阻值减小。

[连接器对]

如图6所示的连接器对的实例，使用上述机制的根据本发明的实施例(以下，简称为“本实施例”)的连接器对包括：第一连接器10和电连接至第一连接器的第二连接器20，其中第一连接器10包括在金属基材110上设置有石墨烯膜120的电接触部100，第二连接器20包括经由石墨烯膜120电连接至第一连接器10的电接触部200，并且第一连接器10和第二连接器20的电接触部分的接触面积小于包覆金属基材110的石墨烯膜120的面积。

第一连接器10的电接触部100中的金属基材110可以是任意材料，只要材料具有导电性即可，并且能够使用银、铜、铝、镍或者锡、包含金属的合金等。也可以使用不锈钢。此外，可以通过镀覆、气相沉积等在表面上形成另一个金属层。

金属基材110的形状和大小可以根据所需的性能、标准等而适当地确定。

金属基材110可以在其表面上设置有用于金属基材110的金属的氧化膜130。当金属基材110包括氧化膜130时，通过石墨烯膜120的电流的扩散效应导致电流的增加变得更显著。换言之，电接触部100的电阻显著地减小。特别地，当金属基材110为铜，并且氧化亚铜(Cu2O)或者氧化铜(CuO)膜130，即氧化铜形成于金属基材110的表面时，由于氧化铜的高电阻，电阻显著减小。

第一连接器10的电接触部100在金属基材110上包括石墨烯膜120。石墨烯膜120可以形成为覆盖金属基材的整个表面，或者可以形成为仅覆盖金属基材的表面的一部分。石墨烯膜120的厚度不受限制，并且可以是例如0.335nm至1.0mm。从保护金属基材110免受劣化因素(氧、水汽等)的影响的角度，石墨烯膜120的厚度优选为1nm以上，并且更优选为3nm以上。另一方面，从防止电阻增大的角度，石墨烯膜120的厚度优选为100μm以下，并且更优选为100nm以下。

在金属基材110上形成石墨烯膜120的方法不受限制，并且例如，能够采用诸如CVD法的气相方法或者通过涂覆并干燥包含石墨烯氧化物的液体之后进行还原处理的方法。在这些方法中，通过石墨烯氧化物的还原处理的方法是优选的，因为不需要大规模装置就能够容易地获得具有各种膜厚度的石墨烯膜。此外，该方法是优选的还因为获得的还原石墨烯氧化物(rGO)的导电性优秀。

第一连接器10的电接触部100可以包括金属基材110和石墨烯膜120之间的导电的聚合物膜(未示出)。利用这样的构造，由于导电的聚合物膜的柔性，当第一连接器10连接至第二连接器20时，电接触部100的表面根据第二连接器20的电接触部200的表面形状而可逆地变形，并且获得更大的接触面积。

第二连接器20的电接触部200被构造为以比包覆金属基材110的石墨烯膜120的面积小的面积接触第一连接器10的电接触部100中的石墨烯膜120。这样的电接触部200的实例包括叶片弹簧、狭槽端子等。

在根据本实施例的连接器对1中，即使当电接触部分100和200之间的接触面积小时，由于上述电流的扩散效应，电阻也变小并且充分的电流能够流动。因此，不需要提供用于施加大的按压力以增加电接触部分的接触面积的机构，并且能够减小连接器的尺寸。此外，由于电接触部分之间的接触面积小，所以在拆装时的耐摩擦阻力减小，并且能够容易地进行拆装。

[实施例]

下文，将基于实例更具体地描述本发明的各个实施例，但是本发明不限于这些实例。

在实验确认本发明的效果之前，通过计算来估算多少电流能够经过石墨烯膜形成于金属基材的表面上这样的电接触部。

[计算例1]

假定具有边长5nm的正方形截面的铜电极在各个端部处与电接触部进行接触，其中铜基材在表面上具有厚度5nm的氧化亚铜(Cu2O)膜并且在基材上形成有单层石墨烯膜，并且施加1V的电压，针对从铜电极开始的每个平面距离计算流动的电流并且标绘为相对于平面距离的积分值。平面方向上各个材料的电阻率为：Cu2O是1×106Ωm并且石墨烯膜为4×10-7Ωm。由于石墨烯膜的厚度在单层中非常薄，所以在其面间(厚度)方向上的电阻值计算为零。此外，由于基材中的金属铜的电阻率比Cu2O小很多，所以电阻值也计算为零。用于计算(石墨烯膜的形成)的模型在图7中示出，并且计算结果在图8中示出。

作为计算的结果，发现通过在基材上形成石墨烯膜，能够通过约200000倍的电流。

[计算例2]

与计算例1中相似地计算流过电接触部的电流，除了假定铜基材表面上具有厚度20nm的氧化铜(CuO)膜并且假定铜电极具有边长20nm的正方形截面之外。CuO的电阻率为1Ωm。用于计算(石墨烯膜的形成)的模型在图9中示出，并且计算结果在图10中示出。

作为计算的结果，发现通过在基材上形成石墨烯膜，能够通过约130倍的电流。

[计算例3]

与计算例1中相似地计算流过电接触部的电流，除了假定基材为具有形成在铜基板上的厚度10nm的氧化锡(SnO2)膜的锡并且假定电极由具有变长20nm的正方形截面的锡制成之外。锡的电阻率为12.8×10-8Ωm，并且SnO2的电阻率为4×10-4Ωm。用于计算(石墨烯膜的形成)的模型在图11中示出，并且计算结果在图12中示出。

作为计算的结果，发现通过在基材上形成石墨烯膜，能够通过约4倍的电流。

[实例1]

首先，制作由铜合金(NB109)制成的端子材料(20×30×0.25mm)以作为金属基材，并且用10％的稀硫酸洗涤以去除天然的氧化膜。然后，通过电泳沉积(EPD)法在金属基材上形成石墨烯氧化物(GO)膜。膜形成条件如表1所示。然后，将胶带粘贴在所生产的GO膜的大约一半上，然后将其剥离以去除GO膜的大约一半。该操作用于测量最后形成的石墨烯膜的膜厚度和比较具有石墨烯膜和没有石墨烯膜的情况下的电流值。最后，其上形成GO膜的金属基材在300℃在Ar气环境下加热处理30分钟以将GO加热还原为还原的石墨烯氧化物(rGO)，并且获得根据实例1的用于第一连接器的电接触部(以下，简称为“根据实例1的电接触部”)。

[表1]

使用原子力显微镜(AFM)(Park systems制造，NX10型)测量根据实例1的电接触部的石墨烯膜的膜厚度。结果在图13中示出。根据该结果，能够发现厚度约9nm的rGO膜形成于铜基材。

对于根据实例1的电接触部，使用导电AFM测量恒定电压下在厚度方向上流动的电流的大小。如图14所示，在沿着从未形成rGO膜的铜基板部到rGO膜部的线段改变测量位置的同时进行测量。施加的电压为1V。测量结果在图15中示出。根据该结果，能够发现rGO膜部的电流值大于铜基板部的电流值。

[实例2]

首先，制作由铜合金(NB109)制成的端子材料以作为金属基材，并且其表面经历化学机械抛光(CMP)。由此，认为Cu2O层形成于铜合金的表面(Huchi Uma等三人，“化学机械抛光行为与表面制品的物理性质之间的关系”，表面技术，Vol.63,No.4,2012,P.252-)。接着，以与实例1相似的方法，GO膜形成于表面上形成有Cu2O层的金属基材。然后，与实例1相似地，将胶带粘贴在所生产的GO膜的大约一半上，然后将其剥离以去除GO膜的大约一半。最后，将其上形成GO膜的铜基材在200℃在Ar气环境下加热处理5分钟以将GO加热还原为rGO，并且获得根据实例2的用于第一连接器的电接触部(以下，简称为“根据实例2的电接触部”)。

通过与实例1相似的方法测量根据实例2的电接触部的石墨烯膜的膜厚度。结果在图16中示出。根据该结果，能够发现厚度约4nm的rGO膜形成于铜基材。

对于根据实例2的电接触部，通过与实例1相似的方法测量恒定电压下在厚度方向上流动的电流的大小。测量结果在图17中示出。根据该结果，能够发现rGO膜部的电流值大于铜基板部的电流值。相比于实例1的结果(见图15)，能够发现由于石墨烯膜的形成而对导电性的改善效果在表面上具有绝缘氧化膜的金属基材中被进一步增强。

此处，在下列[1]到[5]中简要地概括上述根据本发明的连接器和连接器对的实施例的特征。

[1]一种连接器对(1)，包括：

第一连接器(10)；以及

电连接至第一连接器(10)的第二连接器(20)，

其中，第一连接器(10)包括第一电接触部(100)，其在金属基材(110)上设置有石墨烯膜，

第二连接器(20)包括经由石墨烯膜电连接至第一连接器(10)的第二电接触部(200)，并且

第一电接触部(100)和第二电接触部(200)的接触面积比包覆金属基材(110)的石墨烯膜的面积小。

[2]根据[1]所述的连接器对(1)，

其中，第一电接触部(100)中的金属基材(110)在其表面上包括金属的氧化膜。

[3]根据[2]所述的连接器对(1)，

其中，金属基材(110)为铜，并且氧化膜为氧化亚铜或者氧化铜。

[4]根据[1]至[3]中任一项所述的连接器对(1)，

其中，石墨烯膜为还原石墨烯氧化物。

[5]根据[1]至[4]中任一项所述的连接器对(1)，

其中，第一电接触部(100)进一步包括金属基材(110)和石墨烯膜之间的导电的聚合物膜。

[6]一种用作根据[1]至[5]中任一项所述的连接器对(1)的第一连接器(100)的连接器，该连接器包括：

在金属基材(110)上设置有石墨烯膜的电接触部。

Claims (6)

1.一种连接器对，包括：

第一连接器；以及

电连接至所述第一连接器的第二连接器，

其中，所述第一连接器包括第一电接触部，该第一电接触部在金属基材上设置有石墨烯膜，

所述第二连接器包括第二电接触部，该第二电接触部经由所述石墨烯膜电连接至所述第一连接器，

所述第一电接触部与所述第二电接触部之间的接触面积比包覆所述金属基材的所述石墨烯膜的面积小，并且

所述第一电接触部中的所述金属基材的表面上包括金属的氧化膜。

2.根据权利要求1所述的连接器对，

其中，所述金属基材为铜，并且所述氧化膜为氧化亚铜或者氧化铜。

3.根据权利要求1或2所述的连接器对，

其中，所述石墨烯膜为还原石墨烯氧化物。

4.根据权利要求1或2所述的连接器对，

其中，所述第一电接触部进一步包括所述金属基材与所述石墨烯膜之间的导电的聚合物膜。

5.根据权利要求3所述的连接器对，

其中，所述第一电接触部进一步包括所述金属基材与所述石墨烯膜之间的导电的聚合物膜。

6.一种连接器，该连接器用作根据权利要求1至5中任一项所述的连接器对的所述第一连接器。

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