DE102016214693B4

DE102016214693B4 - Elektrisch leitendes Kontaktelement für einen elektrischen Steckverbinder, elektrischer Steckverbinder, der ein solches Kontaktelement umfasst, und Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes unter der Kontaktoberfläche eines solchen Kontaktelements

Info

Publication number: DE102016214693B4
Application number: DE102016214693.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Leidner; Frank Mücklich; Leander Reinert; Kim Eric Trinh Quoc; Helge Schmidt; Stefan Thoss
Original assignee: Steinbeiss Forschungszentrum Mat Engineering Center Saarland; Steinbeiss-Forschungszentrum Material Engineering Center Saarland; TE Connectivity Germany GmbH
Current assignee: Steinbeiss Forschungszentrum Mat Engineering Center Saarland; Steinbeiss-Forschungszentrum Material Engineering Center Saarland; TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2036-08-09
Also published as: US11239593B2; EP3497752A1; EP3497752B1; JP6759449B2; JP2019525421A; TW201820712A; CN110870142B; TWI786056B; DE102016214693A1; CN110870142A; US20190173214A1; WO2018029179A1

Abstract

Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3), das eine Kontaktoberfläche (5) aufweist, wobei unter der Kontaktoberfläche (5) in einer Mikrostruktur (11) mit einem Hilfsstoff (9) gefüllte Kavernen (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche (5) eine Oberflächentextur (31) in Form eines vorgegebenen Musters aus geometrischen Elementen aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes Kontaktelement für einen Steckverbinder, das eine Kontaktoberfläche aufweist, wobei mit einem Hilfsstoff gefüllte Kavernen in einer Mikrostruktur unter der Kontaktoberfläche angeordnet sind, sowie einen elektrischen Steckverbinder, der solch ein elektrisch leitendes Kontaktelement umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes unter der Kontaktoberfläche eines elektrisch leitenden Kontaktelementes für einen elektrischen Steckverbinder.
Elektrische Steckverbinder und deren Kontaktelemente sind im Stand der Technik in zahlreichen Ausführungen bekannt. Elektrische Steckverbinder sind dazu vorgesehen, mit einem geeigneten Steckverbindergegenstück zusammengesteckt zu werden, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Elektrische Steckverbinder finden im Allgemeinen entweder zur Signalübertragung oder zur Leistungsübertragung Anwendung und können definiert werden als ein elektromechanisches System, das eine trennbare Schnittstelle zwischen zwei elektronischen Subsystemen bereitstellt. Dazu weisen elektrische Steckverbinder in der Regel elektrisch leitende Kontaktelemente auf, die beim Zusammenstecken des Steckverbinders in Kontakt mit einem Kontaktelement des Steckverbindergegenstückes kommen. Häufig sind die Kontaktelemente des einen Verbinderelementes als Kontaktstifte und die des Gegenstückes als Kontaktfedern ausgebildet. Im zusammengesteckten Zustand von Steckverbinder und Steckverbindergegenstück üben die Kontaktfedern elastische Federkräfte auf die Kontaktstifte aus, um eine zuverlässige, elektrisch leitende Verbindung zu gewährleisten.
Elektrische Steckverbinder dienen beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Energieübertragung und Vernetzung elektrischer und elektronischer Systeme. In Kraftfahrzeugen sind Steckverbinder starken Temperaturschwankungen, Vibrationen sowie korrosiven Medien ausgesetzt. Eine Erhöhung der Einsatztemperaturen resultiert insbesondere bei den weit verbreiteten verzinnten Kontaktelementen auf Kupferbasis in einem verstärkten Verschleiß. Den gravierendsten Verschleißmechanismus stellt dabei die sogenannte Fretting-Korrosion dar. Dieser durch Mikrovibrationen verursachte Schwingungsverschleiß führt zur Bildung isolierender Oxidschichten in Kontaktbereichen und damit zum Funktionsausfall von Steckverbindern.
Insbesondere unedle Kontaktoberflächen, z. B. mit Zinn, Nickel oder deren Legierungen neigen bei kleinen Relativbewegungen zur Reibkorrosion (Fretting oder Fressen). Weiterhin sind bei hochpoligen Steckverbindern die Steckkräfte oft außerhalb der von den Kunden geforderten Kräften, und bei edlen Kontaktoberflächen, z. B. auf Edelmetallbasis, stellt die Neigung zur Kaltverschweißung ein bekanntes Problem dar.
Neben einer hohen Verschleißbeständigkeit werden niedrige Steck- und Ziehkräfte gefordert, um die Montage und Wartung von Steckverbindern zu erleichtern.
Zudem findet während des Zusammensteckens eines Steckverbinders mit einem Steckverbindergegenstück ein teilweiser Abrieb an der Kontaktoberfläche eines Kontaktelementes statt. Dieser durch Abrieb bedingte Verschleiß limitiert die Steckhäufigkeit von Steckverbindern und reduziert somit deren Betriebslaufzeiten.
Um die Steckkraft, den Oberflächenverschleiß bzw. das Verhalten des Fressens (Fretting) zu optimieren, werden die Kontaktoberflächen bei den Steckverbindern aus dem Stand der Technik beölt oder befettet bzw. es werden spezielle Legierungen auf der Kontaktoberfläche eingesetzt. Der Einsatz spezieller Legierungen ist kostenintensiv. Befettete bzw. beölte Kontaktoberflächen verlieren die applizierten Fette bzw. Öle im Betrieb und verharzen im Laufe ihrer Lebensdauer bzw. bei wiederholten Steckvorgängen.
In der DE 102 45 343 A1 ist ein elektrischer Kontakt eines Steckverbinders beschrieben, mit einem metallischen Substrat, auf dem eine Kontaktschicht aufgebracht ist. Die Kontaktschicht ist mit einer Gefügestrukturierung ausgebildet, in welcher Ölkapseln dispergiert sein können.
Aus der DE 102 24693 A1 ist bekannt, dass durch gezieltes Aufschmelzen einer Kontaktoberfläche, die auf einem Trägermaterial aufgebracht ist, mittels eines Lasers erreicht wird, dass ein Schmierstofffilm, der zuvor auf der Kontaktoberfläche aufgebracht worden ist, nahezu unverändert in die verflüssigte Kontaktoberfläche diffundiert und zusammen mit dieser wieder erstarrt.
Aus der US 2015/0004853 A1 ist ein elektrischer Steckverbinder mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement mit einer Kontaktoberfläche bekannt. Die Kontaktoberfläche kann eine Mikrostruktur, beispielsweise mit Erhebungen und Vertiefungen aufweisen, wobei in einer Vertiefung ein Schmiermittel angeordnet sein kann.
Aus der US 2014/0102759 A1 ist ein elektrisches Kontaktelement mit einer Deckschicht bekannt, welche mindestens auf einem Kontaktabschnitt des Kontaktelements angeordnet ist. Die Deckschicht ist elektrisch leitfähig und umfasst ein chemisches Reduktionsmittel, das geeignet ist, Metalloxide der Deckschicht zu reduzieren.
In der WO 2007/118337 A1 ist eine Kontaktanordnung, insbesondere für eine Hochspannungsschaltanlage, beschrieben. Die Kontakte der Anordnung umfassen eine Metallmatrix mit darin eingebetteten Kunststoffnanoröhrchen.
Aus der WO 2013/074038 A1 ist ein elektrischer Kontakt bekannt, der ein Substrat umfasst, das zumindest auf einer Seite mit einer Edelmetallkontaktschicht versehen ist. Die Kontaktschicht weist eine Festschmierstoffzone nahe der äußeren Oberfläche der Kontaktschicht auf. In der Festschmierstoffzone sind Festschmierpartikel in der Edelmetallkontaktschicht eingebettet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Kontaktelement für einen Steckverbinder bereit zu stellen, das langfristig und zuverlässig einsatzbereit ist.
Diese Aufgabe löst das eingangs genannte elektrische Kontaktelement, indem die Kontaktoberfläche eine Oberflächentextur in Form eines vorgegebenen Musters aus geometrischen Elementen aufweist.
Das erfindungsgemäß Verfahren löst diese Aufgabe dadurch, dass ein Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes unter der Kontaktoberfläche eines elektrisch leitenden Kontaktelementes für einen elektrischen Steckverbinder bereitgestellt wird, das die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden einer Mikrostruktur an der Kontaktoberfläche, Aufbringen des Hilfsstoffes auf die Kontaktoberfläche, abschließendes Einschließen des Hilfsstoffes in Kavernen der Mikrostruktur unter der Kontaktoberfläche, wobei an der Kontaktoberfläche eine Oberflächentextur in Form eines vorgegebenen Musters aus geometrischen Elementen ausgebildet wird.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Hilfsstoffe fest im Kontaktelement eingebettet, da sie in Kavernen gefüllt sind, die in einer Mikrostruktur unter der Kontaktoberfläche angeordnet sind. Dadurch wird vermieden, dass die Hilfsstoffe negativen Effekten, z. B. Verharzungen unterliegen. Ein unerwünschter Verlust der Hilfsstoffe wird durch ihre feste Einbettung ausgeschlossen. Neben flüssigen Hilfsstoffen können auf diese Weise auch feste Hilfsstoffe in die Mikrostruktur der Kavernen eingeschlossen werden.
Unter einem Hilfsstoff, auch Additiv genannt, sind Stoffe zu verstehen, die in eher geringen Mengen zugesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen oder zu verbessern.
Unter einer Kaverne ist ein künstlich geschaffener Hohlraum unter der Oberfläche zu verstehen. Die Anordnung der Kavernen unter der Kontaktoberfläche bedeutet, dass die Kavernen keinen Ausgang an der Kontaktoberfläche aufweisen bzw. allenfalls einen derart eng bemessenen Auslass, das in die Kavernen gefüllter Hilfsstoff nicht ohne Schaffung eines Durchbruchs von der Kontaktoberfläche in die Kaverne erreicht werden kann.
Unter einer Mikrostruktur ist eine Feinstruktur im Mikrometerbereich zu verstehen. Dabei handelt es sich um eine im Wesentlichen regelmäßige Anordnung bestimmter Elemente, hier der Kavernen, mit Abständen im Bereich vorzugsweise 0,5 bis 300 µm zwischen den Elementen, also zwischen benachbarten Kavernen. Die räumlichen Abmessungen in den Kavernen selbst liegen bevorzugt im Bereich von 0,1 - 50 µm.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch die folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Merkmale weiterentwickelt werden.
Die Mikrostruktur kann sich parallel zur Kontaktoberfläche erstrecken. Die Mikrostruktur kann dabei oberflächennah angeordnet sein, beispielsweise in einem Bereich bis 1000 µm Tiefe, von der Kontaktoberfläche gemessen. Diese Ausgestaltung gewährleistet, dass beim Abrieb Durchbrüche von der Kontaktoberfläche bis in die Kavernen der Mikrostruktur erzeugt werden, so dass die Hilfsstoffe aus den Kavernen an die Kontaktoberfläche austreten und die dort die erwünschten positiven Effekte erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Kavernen der Mikrostruktur ein im Wesentlichen homogenes Muster bilden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des Hilfsstoffes unterhalb der Kontaktoberfläche erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Mikrostruktur eine zumindest abschnittsweise periodische Struktur bilden. Derartige Strukturen sind einfach herzustellen und haben den Vorteil reproduzierbarer Eigenschaften. Die periodische Struktur kann beispielsweise ein Linienmuster, Punktmuster, Wabenmuster, Kreuzmuster oder dergleichen bilden.
In einer Ausführungsform kann die periodische Struktur in zumindest einer Richtung eine Periodenlänge von 0,5 bis 300 µm, vorzugsweise 0,1 bis 100 µm aufweisen. Periodische Strukturen dieser Größenordnung stellen eine gleichmäßige Bereitstellung des Hilfsstoffes an der Kontaktoberfläche sicher.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführungsformen kann das Hilfsmittel ausgewählt sein aus der Gruppe von Antioxidantien, Korrosionsschutzmitteln, Schmierstoffen und Säuren. Das Hilfsmittel kann ein festes oder flüssiges Hilfsmittel sein, beispielsweise ein Öl, Fett, eine Paste oder ein Festkörperschmierstoff wie Graphit, CNT, MoS2, AgS2 oder ein Gemisch dieser Stoffe.
Unter texturierten Oberflächen bzw. einer Oberflächentextur sind Oberflächen mit einem deterministischen Muster aus geometrischen Elementen zu verstehen. Die Elemente können ein hohes Aspektverhältnis, worunter das Verhältnis aus der Tiefe bzw. Höhe einer Struktur zu ihrer lateralen Ausdehnung gemeint ist, aufweisen. Auch texturierte Oberflächen können eine Periodizität in mindestens einer Richtung aufweisen. Beispiele für Texturen sind Erhebungen aus bzw. Vertiefungen in der Kontaktoberfläche mit kreisförmigen, eliptischen, viereckigen, linienartigen, V-förmigen Querschnitten. Eine Oberflächentextur bzw. texturierte Oberfläche reduziert die Auflagefläche zwischen der Kontaktoberfläche des Kontaktelementes und einer Kontaktoberfläche des Steckverbindergegenstückes, wenn Steckverbinder und Steckverbindergegenstück zusammengesteckt werden. Dadurch verringern sich zwischen den Kontaktoberflächen wirkende Reibungskräfte, was vorteilhafter Weise mit einer Reduzierung der benötigten Steckkräfte einhergeht. Zudem erhöhen sich die Berührungspunkte zwischen den Kontaktoberflächen, so dass eine texturierte Oberfläche den elektrischen Übergangswiderstand zwischen Kontaktoberfläche des Steckverbinders zur Kontaktoberfläche des Steckverbindergegenstückes herabsetzt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Abrieb der Kontaktoberfläche durch die Texturierung reduziert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kongruiert die Oberflächentextur der Kontaktoberfläche im Wesentlichen mit der Mikrostruktur der Kavernen. Beispielsweise kann sich die Oberflächentextur über einer Kaverne der Mikrostruktur erheben. Bei dieser Ausführungsform kann die Kontaktoberfläche mit Noppen texturiert sein, in welchen Noppen mit Hilfsmitteln gefüllte Kavernen angeordnet sind. Auf diese Weise kann man die Vorteile einer texturierten Kontaktoberfläche und einer Kavernenmikrostruktur mit Hilfsstoffen unter der Kontaktoberfläche besonders einfach und platzsparend realisieren. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Oberflächentextur und die Mikrostruktur der Kavernen alternierend, also versetzt zueinander anzuordnen.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein erfindungsgemäßes Kontaktelement hergestellt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zunächst der Hilfsstoff auf die Kontaktoberfläche aufgebracht und anschließend die Mikrostruktur ausgebildet werden.
Beispielsweise kann die Kontaktoberfläche zunächst mit dem Hilfsstoff beschichtet, also komplett überzogen werden, was die Applikation des Hilfsstoffes erleichtert. Beim Ausbilden der Mikrostruktur wird der Hilfsstoff dann an die Stellen gebracht, an welcher später die Kavernen entstehen, an welchen er also in der Mikrostruktur eingeschlossen wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Hilfsstoff beim Ausbilden der Mikrostruktur unter der Kontaktoberfläche in die Mikrostruktur eingeschlossen werden. Gemäß dieser Ausführungsform laufen die Schritte des Ausbildens der Mikrostruktur und des Einschließen des Hilfsstoffes in die Mikrostruktur, also in die Kaverne der Mikrostruktur, in einem Schritt ab, was das erfindungsgemäße Verfahren beschleunigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Hilfsstoff, nach dem Schritt des Ausbildens einer Mikrostruktur, in die Mikrostruktur appliziert werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Hilfsstoff nur dort aufgetragen, wo später die Kavernen ausgebildet werden. Auf diese Weise reduziert man die Menge des benötigten Hilfsstoffes, was Material und Kosten einspart.
Die Kontaktoberfläche kann, zum Einschließen des Hilfsstoffes, mechanisch verformt, beispielsweise gewalzt werden. Bei einer derartigen mechanischen Verformung verschließen die Bereiche der Mikrostruktur, die bis dahin noch zur Kontaktoberfläche geöffnet waren, der Hilfsstoff wird in der Mikrostruktur eingeschlossen. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche zum Einschließen des Hilfsstoffes durch Auftragen einer Versiegelung auf die Oberfläche geschlossen werden. Beispielsweise kann die Oberfläche mit Versiegelungsmaterial beschichtet werden. Das Versiegelungsmaterial kann gleich oder ungleich zum Material des Kontaktelements sein.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kontaktoberfläche mit Laserstrahlung behandelt, um die Mikrostruktur auszubilden. Selbstverständlich kann auch andere Strahlung, beispielsweise Elektrodenstrahlung, eingesetzt werden, um Mikrostrukturen, beispielsweise Vertiefungen, Rillen oder dergleichen zu erzeugen. Vorteilhafter Weise lassen sich durch derartige Bestrahlungen in kürzester Zeit großflächig Mikrostrukturen in präziser und reproduzierbarer Weise ausbilden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Kontaktoberfläche mit einem Interferenzmuster aus Laserstrahlung behandelt. Dabei produzieren zwei oder mehr sich überlagernde, vorzugsweise kohärente und linear polarisierende Laserstrahlen ein gezielt einstellbares Interferenzmuster. Innerhalb des Interferenzmusters verteilt sich die Intensität der Laserstrahlung. Bei positiver Interferenz verstärkt sie sich und führt zu besonders heißen Bereichen, an welchen die Kontaktoberfläche aufschmilzt. Im Intensitätsminimum hingegen ist die Kontaktoberfläche sehr viel kälter, so dass die Kontaktoberfläche nicht aufschmilzt bzw. an dieser Stelle befindlicher Hilfsstoff vorhanden bleibt, während er in Regionen positiver Interferenz verdampft. Zudem kommt es aufgrund der hohen Temperaturgradienten zwischen Minimaltemperatur (im Bereich negativer Interferenz) und Maximaltemperatur (im Bereich positiver Interferenz) zur Konvektion schmelzflüssigen Materials der Kontaktoberfläche und der Entstehung einer Textur. Die Textur entsteht dadurch, dass Material der Kontaktoberfläche aus Bereichen eines Temperaturmaximums gerichtet zu Bereichen eines Temperaturminimums transportiert wird.
Bestrahlt man beispielsweise die Kontaktoberfläche eines elektrisch leitenden Kontaktelementes, auf der eine Schicht eines Hilfsstoffes aufgebracht wurde, mit einem Interferenzmuster aus Laserstrahlung, passiert Folgendes: Im Bereich positiver Interferenz verdampft und verflüchtigt sich der Hilfsstoff, während er im Bereich negativer Interferenz auf der Kontaktoberfläche verbleibt. Ferner schmilzt das Material der Kontaktoberfläche in Bereiche positiver Interferenz und schwappt gerichtet in die Bereiche negativer Interferenz, wo es, Erhebungen bildend, den dort verbleibenden Hilfsstoff überdeckt. Auf diese Weise kann eine Kontaktoberfläche ausgebildet werden, die eine Noppenstruktur aufweist, wobei jede Noppe eine mit Hilfsmittel gefüllte Kavität aufweist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. In den Figuren dargestellte unterschiedliche Merkmalskombinationen können nach Maßgabe der obigen Ausführungen variiert werden. So kann beispielsweise auf ein Merkmal verzichtet werden, obwohl es in den Figuren dargestellt ist, wenn bei einer bestimmten Anwendung der mit diesem Merkmal verbundene Vorteil nicht maßgeblich ist. Gleichermaßen kann einer dargestellten Merkmalskombination ein weiteres Merkmal hinzugefügt werden, wenn es für eine Anwendung auf dessen technischen Effekt ankommt.
Der Einfachheit halber werden in den Figuren für Elemente, die einander hinsichtlich Funktion und/oder Aufbau entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet. Bei unterschiedlichen Ausgestaltungen wird lediglich auf Unterschiede zu den vorangegangen Ausführungen eingegangen.
Es zeigen:

1 eine schematische Abfolge eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
1 A und 1B eine schematische Aufsicht einer mit Mikrostrukturen versehenen Kontaktoberfläche;
1C und 1D eine schematische Aufsicht der Kontaktoberfläche der 1A bzw. 1C mit in die Mikrostrukturen applizierten Hilfsstoffen;
1E einen schematischen Schnitt entlang der Schnittlinie E-E der 1B und 1D durch die Kontaktoberfläche;
1F den Schritt des Einschließens der Hilfsstoffe in den Mikrostrukturen;
1G einen schematischen Schnitt des hergestellten Kontaktelementes;
2 eine schematische Abfolge zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktelementes gemäß eines Verfahrens in einer anderen Ausführungsform;
2A eine schematische Schnittdarstellung der Kontaktoberfläche mit darauf aufgetragenem Hilfsstoff vor Ausbildung der Mikrostruktur;
2B die mittels Rasterkraftmikroskop vermessene Topographie der Textur der Oberfläche nach Laserbestrahlung;
2C einen schematischen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B der 2B; und
3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kontaktelementes am Beispiel eines Kontaktstiftes und einer Kontaktfeder während des Zusammensteckens zweier Steckverbinder in einen schematischen Schnittdarstellung.

1 zeigt anhand einer schematischen Fotostrecke stark thematisierte und teilweise geschnittene Verfahrensstadien gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens einer ersten Ausführungsform.
Das Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Kontaktelementes 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. Das Kontaktelement 1 für einen elektrischen Steckverbinder 3 weist eine Kontaktoberfläche 5 auf. Unter der Kontaktoberfläche 5 befinden sich Kavernen 7, die mit einem Hilfsstoff 9 gefüllt sind. Die Kavernen 7 sind in einer Mikrostruktur 11 unter der Kontaktoberfläche 5 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Kavernen 7 in der Mikrostruktur 11 regelmäßig im Abstand a voneinander beabstandet in der Mikrostruktur 11. Beim Beispiel des erfindungsgemäßen Kontaktelementes, das gemäß des in 1 gezeigten Verfahrens hergestellt und in 1 gezeigt ist, liegt der Abstand a bei beispielsweise 0,5 bis 300 µm.
Im Folgenden wird auf die einzelnen Verfahrensschritte des Ausbildens einer Mikrostruktur 11 an der Kontaktoberfläche 5, des Aufbringens des Hilfsstoffes 9 auf die Kontaktoberfläche 5 und des Einschließens des Hilfsstoffes 9 in der Mikrostruktur 11 der 1 näher eingegangen.
Ausgangsmaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Kontaktelement 1 eines Steckverbinders 3. Das Kontaktelement 1 ist elektrisch leitend und besteht aus einem Basismaterial 13. Das Basismaterial 13 kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung sein.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Mikrostruktur 11 an der Kontaktoberfläche 5 des Basismaterials 13 hergestellt (1A und 1C). In den gezeigten Ausführungsformen besteht die Mikrostruktur 11 beispielsweise aus sich miteinander periodisch abwechselnden Erhebungen 15 und Vertiefungen 17. Die Vertiefungen 17 bilden dabei, im Beispiel der 1A, Gräben 23, die Erhebungen dazwischenliegende Wälle. Zwei benachbarte Vertiefungen 17 weisen einen Abstand a von je nach Herstellungsverfahren 0,5 bis 300 µm auf. Auf diese Weise ergibt sich eine regelmäßige periodische Streifenstruktur als Mikrostruktur 11 mit einer Periodenlänge p, die dem Abstand a in der Mikrostruktur 11 entspricht.
In 1C ist eine alternative Mikrostruktur 11 in einer schematischen Aufsicht gezeigt. Die Mikrostruktur 11 in der 1C weist ebenfalls ein homogenes Muster 19 mit periodischen Erhebungen 15 und Vertiefungen 17 auf, wobei die Vertiefungen als im Wesentlichen kreisscheibenförmige Löcher 21 ausgebildet sind. In der gezeigten Ausführungsform weisen zwei benachbarte Löcher 21 einen Abstand a von beispielsweise 0,5 bis 300 µm auf, welcher dem der Periodenlänge p entspricht.
Die Mikrostruktur 11 an der Kontaktoberfläche 5, die in 1A bzw. 1C gezeigt ist, kann beispielsweise mit Hilfe eines Lasers oder Elektronenstrahls erzeugt werden. Vorteilhafterweise können durch die Benutzung eines Lasers oder Elektronenstrahls sehr große Kontaktoberflächen innerhalb kürzester Zeit mikrostrukturiert werden. Aber auch andere Oberflächenbehandlungen, beispielsweise Maskenbildung und Ätzen, können zur Ausbildung der Mikrostruktur 11 eingesetzt werden.
Nachdem die Mikrostruktur 11 an der Kontaktoberfläche 5 ausgebildet wurde, erfolgt in einem nächsten Schritt, gemäß dem beispielhaften Verfahren der 1, das Aufbringen des Hilfsstoffes 9 auf die Kontaktoberfläche 5. In dem beispielhaft gezeigten Verfahren der 1 wird der Hilfsstoff 9 in die Vertiefungen 17, also die Gräben 23 bzw. Löcher 21 der Mikrostruktur 11 gefüllt.
Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt, der in 1F schematisch dargestellt ist, der Hilfsstoff 9 in der Mikrostruktur 11 eingeschlossen.
In der gezeigten Ausführungsform wird die Oberfläche 5 zum Einschließen des Hilfsstoffes 9 mechanisch verformt, z. B. gewalzt. Bei einer derartigen mechanischen Verformung werden die Hilfsstoffe 9 in der Mikrostruktur 11 eingeschlossen, da die Bereiche der Mikrostruktur 11 mit Erhebungen 15 über den in den Vertiefungen 17 angeordneten Hilfsstoff 9 gewalzt werden. Dadurch werden die Vertiefungen 17 verschlossen, es bilden sich mit Hilfsstoff 9 gefüllte Kavernen 7.
Das daraus resultierende elektrisch leitende Kontaktelement 1 für einen elektrischen Steckverbinder 3 ist schematisch in 1G dargestellt, in welcher die mit einem Hilfsstoff 9 gefüllten Kavernen 7, die in einer Mikrostruktur 11 in der Kontaktoberfläche 5 angeordnet sind, zu erkennen sind.
Anstelle einer mechanischen Verformung, beispielsweise Walzen, könnte der Hilfsstoff 9 in der Mikrostruktur 11 auch dadurch eingeschlossen werden, dass eine Versiegelung (nicht gezeigt) auf die Oberfläche 5 der in 1E gezeigten Zwischenstufe appliziert wird. Beispielsweise könnte auf die Oberfläche 5 in der in 1E gezeigten Zwischenstufe eine Beschichtung (nicht gezeigt) aufgetragen werden, um die Vertiefungen 17 zum Einschließen des Hilfsstoffes 9 in den Kavernen 7 zu versiegeln.
In 2 ist ein weiteres, beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes 9 unter der Kontaktoberfläche 5 eines elektrisch leitenden Kontaktelementes 1 für einen Steckverbinder 3 gezeigt. Bei diesem Verfahren umfasst das Kontaktelement 1 für den Steckverbinder 3 wiederum ein Basismaterial 13. Das Basismaterial 13 kann, wie bei der Ausführungsform der 1 beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist auf einer Oberfläche des Basismaterials 13 eine Beschichtung 25 angeordnet. Die Beschichtung 25 kann beispielsweise Zinn, Nickel, Silber oder Legierungen von Zinn, Nickel, Silber und/oder anderen Elementen aufweisen. Die Beschichtung 25 kann beispielsweise durch Feuerverzinnen auf das Basismaterial 13 aufgebracht worden sein. Eine dem Basismaterial abgewandte Oberfläche der Beschichtung 25 bildet die Kontaktoberfläche 5.
Bei dem Verfahren der in 2 gezeigten Ausführungsform wird zunächst der Hilfsstoff 9 auf die Kontaktoberfläche 5 aufgebracht. Beispielsweise kann die Kontaktoberfläche 5 komplett mit dem Hilfsstoff 9 beschichtet werden, wie in 2A beispielsweise dargestellt. Der Hilfsstoff 9 kann beispielsweise Öl, Fett, eine Paste oder ein Festkörperschmierstoff wie Graphit, CNT, MoS2, AgS2 oder deren Mischungen aufweisen.
Nachdem der Hilfsstoff 9 auf die Kontaktoberfläche 5 aufgebracht wurde, wird anschließend die Mikrostruktur 11 ausgebildet. In dem beispielhaft gezeigten Verfahren wird der Hilfsstoff 9 beim Ausbilden der Mikrostruktur 11 in die Mikrostruktur 11 eingeschlossen. Dazu wird die Kontaktoberfläche mit einem Interferenzmuster 27 durch Laserstrahlung 29, 29' behandelt.
Bei einer derartigen Laserinterferenztexturierung produzieren zwei oder mehrere sich überlagernde, vorzugsweise kohärente oder linear polarisierte Laserstrahlen 29, 29' ein gezielt einstellbares Interferenzmuster 27. Voraussetzung dafür ist die räumliche und zeitliche Kohärenz der Laserstrahlung 29, 29'. Die räumliche Kohärenz kann durch Interaktion mit der Umgebung oder den optischen Elementen der Apparatur zur Erzeugung der Interferenzstrahlung beeinträchtigt werden. Die zeitliche Kohärenz hängt von der spektralen Bandbreite λ der Laserstrahlung 29, 29' ab. Übliche Kohärenzlängen der spektralen Bandbreite liegen im Bereich von 266 bis 1064 nm.
Durch die Wahl der Laserstrahlung und die Anzahl sowie Ausrichtung der Laserstrahlung zueinander können somit verschiedene Interferenzmuster 27, beispielsweise Linienmuster, Punktmuster, Wabenmuster, Kreuzmuster etc. erzeugt werden. Das Interferenzmuster 27 gibt die Mikrostruktur 11 sowie die Oberflächentexturen 31 der Kontaktoberfläche 5 vor.
Wird die Kontaktoberfläche S mit einem Interferenzmuster 27 aus Laserstrahlung 29, 29' behandelt, produzieren zwei oder mehr sich überlagernde, kohärente und linear polarisierende Laserstrahlen 29, 29' ein gezielt einstellbares Interferenzmuster 27. Innerhalb des Interferenzmusters 27 verteilt sich die Intensität der Laserstrahlung. Bei positiver Interferenz (+) verstärkt sie sich und führt zu besonders heißen Bereichen, an welchen die Kontaktoberfläche 5 aufschmilzt. Im Intensitätsminimum bei negativer Interferenz (-) hingegen ist die Kontaktoberfläche 5 sehr viel kälter, so dass die Kontaktoberfläche 5 nicht aufschmilzt bzw. an dieser Stelle befindlicher Hilfsstoff 9 vorhanden bleibt, während er in Regionen positiver Interferenz verdampft. Zudem kommt es aufgrund der hohen Temperaturgradienten zwischen Minimaltemperatur (im Bereich negativer Interferenz) und Maximaltemperatur (im Bereich positiver Interferenz) zur Konvektion schmelzflüssigen Materials der Kontaktoberfläche 5 und der Entstehung einer Textur 31. Die Textur 31 entsteht dadurch, dass Material der Kontaktoberfläche 5 aus Bereichen eines Temperaturmaximums gerichtet zu Bereichen eines Temperaturminimums transportiert wird.
Bestrahlt man die Kontaktoberfläche 5 eines elektrisch leitenden Kontaktelementes 1, auf der eine Schicht eines Hilfsstoffes 9 aufgebracht wurde, mit einem Interferenzmuster 27 aus Laserstrahlung 29, 29' (1A), passiert Folgendes: Im Bereich positiver Interferenz (+) verdampft und verflüchtigt sich der Hilfsstoff 9, während er im Bereich negativer Interferenz (-) auf der Kontaktoberfläche 5 verbleibt. Ferner schmilzt das Material der Kontaktoberfläche 5 in Bereiche positiver Interferenz und schwappt gerichtet in die Bereiche negativer Interferenz, wo es, Erhebungen 15 bildend, den dort verbleibenden Hilfsstoff 9 überdeckt. Auf diese Weise kann eine Kontaktoberfläche 5 wie in 2B und 2C ausgebildet werden, die eine Noppenstruktur 33 aufweist, wobei jede Noppe 33 eine mit Hilfsmittel gefüllte Kavität 7 aufweist.
Bei der Interferenztexturierung wird somit der Hilfsstoff 9 beim Ausbilden der Mikrostruktur 11 in die Mikrostruktur 11 eingeschlossen. Gleichzeitig findet eine Texturierung 31 der Kontaktoberfläche 5 statt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Oberflächentextur 31 durch eine Noppenstruktur 33 mit regelmäßig angeordneten Noppen 35 und dazwischen liegenden Vertiefungen 17 gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbespiel kongruiert die Oberflächentextur 31, also die Noppenstruktur 33 mit der Mikrostruktur 11 der Kavernen 7, die mit Hilfsstoffen 9 gefüllt sind. Dabei erhebt sich die Oberflächentextur 31 über einer Kaverne 7 der Mikrostruktur 11. In dem gezeigten Beispiel ist in jeder Noppe 35 eine Kaverne 7, die mit Hilfsstoffen 9 gefüllt ist, angeordnet.
Abschließend wird auf 3 eingegangen, die in stark schematisierter und teilweise geschnittener Darstellung Teile eines Steckverbinders 3 mit einem erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Kontaktelement 1 mit einem Gegensteckverbinder 37 während des Zusammensteckens zeigt.
3 zeigt ein Kontaktelement 1 des Steckverbinders. Das Kontaktelement 1 ist beispielsweise als Kontaktstift ausgebildet und geschnitten dargestellt. Das Kontaktelement 1 ist elektrisch leitend und besteht aus einem Basismaterial 13, beispielsweise einer Kupfer oder Kupferlegierung. Das Kontaktelement 1 weist eine Kontaktoberfläche 5 auf. Mit einem Hilfsstoff 9 gefüllte Kavernen 7 sind in einer Mikrostruktur 11 unter der Kontaktoberfläche 5 angeorndet. Die Kontaktoberfläche 5 in der gezeigten Ausführungsform weist eine Oberflächentextur 31 aus, die aus periodisch sich abwechselnden Erhebungen 15 und Vertiefungen 17 besteht. In jeder Erhebung 15 ist eine mit Hilfsstoff 9 gefüllte Kaverne 7 der Mikrostruktur 11 angeordnet. Die Oberflächentextur 31 und die Mikrostruktur 11 des Kontaktelements 1 der 3 entspricht somit im Wesentlichen denen der 2, mit Ausnahme, dass die Beschichtung 25 weggelassen und der Hilfsstoff 9 direkt auf das Basismaterial 13 appliziert wurde.
Weiter zeigt 3 einen Teil eines weiteren Kontaktelementes 39 eines Gegensteckverbinder 37. Der Gegensteckverbinder 37 ist dazu vorgesehen, mit dem Steckverbinder 3 zusammengesteckt zu werden. Das weitere Kontaktelement 39 weist eine weitere Kontaktoberfläche 41 auf, die beim Zusammenstecken des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 in Kontakt mit der Kontaktoberfläche 5 des Kontaktelementes 1 kommt. Das weitere Kontaktelement 39 ist als elastisch deformierbare Kontaktfeder ausgebildet.
Werden der Steckverbinder 3 und der Gegensteckverbinder 37, wie in 3 dargestellt, zusammengesteckt, berührt das weitere Kontaktelement 39 das Kontaktelement 1, um eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen. Während des Zusammensteckens des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 bewegt sich das Kontaktelement 1 relativ zum weiteren Kontaktelement 39 entlang einer relativen Steckrichtung 43.
Wegen der durch die Kontaktoberfläche 41 des weiteren Kontaktelementes 39 auf die Kontaktoberfläche 5 des Kontaktelementes 1 ausgeübten Anpresskraft wirken zwischen Kontaktoberfläche 5 und weiterer Kontaktoberfläche 41 Reibungskräfte, die während des Zusammensteckens des Steckverbinders 3 mit dem Gegensteckverbinder 37 überwunden werden müssen. Um diese Kräfte zu reduzieren, ist die Kontaktoberfläche 5 mit einer Oberflächentextur 31 versehen. Darüber hinaus wird während des Zusammensteckens die Oberflächentextur 31 und die Mikrostruktur 11 des Kontaktelementes 1 teilweise aufgebrochen. Durch die Reibkräfte werden Zugänge zu den vorher unter der Kontaktoberfläche 5 liegenden geschlossenen Kavernen 7 geschaffen. Die Kavernen 7 öffnen sich zur Kontaktoberfläche 5. Der Hilfsstoff 9 kann aus der Kaverne 7 austreten und auf der Kontaktoberfläche 5 einen Film 45 aus Hilfsstoff 9 bilden, der den erwünschten positiven Effekt, beispielsweise eine Reibungsverminderung, einen Korrosionsschutz ausbildet.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktelement
3: Steckverbinder
5: Kontaktoberfläche
7: Kaverne
9: Hilfsstoff
11: Mikrostruktur
13: Basismaterial
15: Erhebung
17: Vertiefung
19: homogenes Muster
21: Löcher
23: Gräben
25: Beschichtung
27: Interferenzmuster
29, 29': Laserstrahlung
31: Oberflächentextur
33: Noppenstruktur
35: Noppe
37: Gegensteckverbinder
39: weiteres Kontaktelement
41: weitere Kontaktoberfläche
43: Steckrichtung
45: Film aus Hilfsstoff
a: Abstand in der Mikrostruktur
p: Periodenlänge
λ: spektrale Bandbreite Laserstrahlung
+: positive Interferenz
-: negative Interferenz

Claims

Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3), das eine Kontaktoberfläche (5) aufweist, wobei unter der Kontaktoberfläche (5) in einer Mikrostruktur (11) mit einem Hilfsstoff (9) gefüllte Kavernen (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche (5) eine Oberflächentextur (31) in Form eines vorgegebenen Musters aus geometrischen Elementen aufweist.
Elektrisch leitendes Kontaktelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavernen (7) der Mikrostruktur (11) ein im Wesentlichen homogenes Muster (19) bilden.
Elektrisch leitendes Kontaktelement(1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (11) eine zumindest abschnittsweise periodische Struktur bildet.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Mikrostruktur (11) zumindest in einer Richtung eine Periodenlänge (p) von 0,5 µm bis 300 µm, vorzugsweise von 1 µm bis 100 µm aufweist.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff (9) ausgewählt ist aus der Gruppe von Antioxidantien, Korrosionsschutzmitteln, Schmierstoffen und Säuren.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentextur (31) mit der Mikrostruktur (11) der Kavernen (7) im Wesentlichen kongruiert.
Elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein geometrisches Element der Oberflächentextur (31) jeweils über einer Kaverne (7) der Mikrostruktur (11) erhebt.
Elektrischer Steckverbinder (3), der ein elektrisch leitendes Kontaktelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
Verfahren zum Einschließen eines Hilfsstoffes (9) unter der Kontaktoberfläche (5) eines elektrisch leitenden Kontaktelementes (1) für einen elektrischen Steckverbinder (3), umfassend die Schritte: - Ausbilden einer Mikrostruktur (11) an der Kontaktoberfläche (5), - Aufbringen des Hilfsstoffes (9) auf die Kontaktoberfläche (5), - abschließendes Einschließen des Hilfsstoffes (9) in Kavernen (7) der Mikrostruktur (11) unter der Kontaktoberfläche (5), dadurch gekennzeichnet, dass an der Kontaktoberfläche (5) eine Oberflächentextur (31) in Form eines vorgegebenen Musters aus geometrischen Elementen ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Hilfsstoff (9) auf die Kontaktoberfläche (5) aufgebracht und anschließend die Mikrostruktur (11) ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff (9) beim Ausbilden der Mikrostruktur (11) unter der Kontaktoberfläche (5) in die Kavernen (7) der Mikrostruktur (11) eingeschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff (9) nach dem Schritt des Ausbildens der Mikrostruktur (11) auf die Kontaktoberfläche (5) aufgebracht wird, indem er in die Mikrostruktur (11) appliziert wird
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche (5) zum Einschließen des Hilfsstoffes (9) mechanisch verformt oder eine Versiegelung auf die Kontaktoberfläche (5) appliziert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktoberfläche (5) mit Laserstrahlung (29), bevorzugt mit einem Interferenzmuster (27) aus Laserstrahlung (29, 29'), behandelt wird, um die Mikrostruktur (11) auszubilden.