DE102022100292A1

DE102022100292A1 - Elektrisches Kontaktelement und Steckverbinder mit unterkühlter metallischer Schmelze

Info

Publication number: DE102022100292A1
Application number: DE102022100292.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Theiß; Felix Loske; Fabrizia Ghezzo
Original assignee: Harting AG
Current assignee: Harting AG
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement mit einer Kammer enthaltend eine unterkühlte metallische Schmelze zur Kontaktierung von elektrischen Bauteilen. Die unterkühlte metallische Schmelze wird durch Kern-Schale-Partikel stabilisiert, die die unterkühlte metallische Schmelze im Kern enthalten. Die Erfindung betrifft ferner einen Steckverbinder enthaltend mindestens ein erfindungsgemäßes elektrisches Kontaktelement. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Kontaktierung von elektrischen Bauteilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement mit einer Kammer enthaltend eine unterkühlte metallische Schmelze zur Kontaktierung von elektrischen Bauteilen. Die unterkühlte metallische Schmelze wird durch Kern-Schale-Partikel stabilisiert, die die unterkühlte metallische Schmelze im Kern enthalten. Die Erfindung betrifft ferner einen Steckverbinder enthaltend mindestens ein erfindungsgemäßes elektrisches Kontaktelement. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Kontaktierung von elektrischen Bauteilen.
Stand der Technik
Steckverbinder dienen im Allgemeinen der lösbaren elektrischen Verbindung von elektrischen Leitern, wie sie beispielsweise in elektrischen Kabeln enthalten sind. Zu diesem Zweck weisen Steckverbinder wenigstens ein Kontaktelement auf, das beispielsweise zur lösbaren elektrischen Verbindung mit einem weiteren Kontaktelement vorgesehen ist. Kontaktelemente weisen einen Leitungsverbindungsabschnitt und einen Kontaktabschnitt auf. Der Kontaktabschnitt ist an einen weiteren Kontaktabschnitt mit einer Aufnahme für den Steckverbinder anlegbar, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Der Leitungsverbindungsabschnitt dient der Verbindung des Kontaktelements mit dem elektrischen Leiter. Elektrische Leiter, die beispielsweise mehrfach in Kabeln angeordnet sind, werden auch als Adern bezeichnet. Elektrische Leiter können auch beispielsweise Leiterbahnen auf Platinen oder elektrische Anschlüsse von Bauteilen oder Baugruppen sein.
Zur Verbindung von Leitungsverbindungsabschnitten mit elektrischen Leitern ist das herkömmliche Löten eine gängige Technik. Übliche Löttechniken erfordern Lötwerkzeug, wie beispielsweise den Einsatz eines Lötkolbens und hohe Arbeitstemperaturen oberhalb des Schmelzpunktes eines eingesetzten Lots. Der Einsatz zusätzlicher Werkzeuge erschwert die Feldkonfektionierung von Steckverbindern und Kabeln. Zusätzlich haben die hohen Arbeitstemperaturen den Nachteil, dass der Materialeinsatz auf Materialien beschränkt ist, die entsprechend hohen Arbeitstemperaturen beim Lötprozess standhalten. So ist beispielsweise der Einsatz thermoplastischer Kunststoffe mit geringen Glasübergangstemperaturen nicht möglich.
Eine elektrische Kontaktierung kann auch über einen Crimp-Kontakt erfolgen. Beim Crimpen werden ein Draht und ein Leitungsverbindungsabschnitt eines Kontaktelements mittels einer Crimpzange durch Zusammendrücken und Umformen miteinander verbunden. Bei der Verwendung von Crimp-Verbindungen ist die Auswahl der verwendeten Materialien besonders wichtig. Durch den beim Schließen der Verbindung ausgeübten Druck kann es beispielsweise zu einem „Fließen“ von Metallschichten kommen, beispielsweise bei verzinnten oder verkupferten Leitern. Crimpverbindungen können, insbesondere wenn sie nicht korrekt ausgeführt sind, für Umwelteinflüsse anfällig sein und korrosionsbedingt altern.
Somit existiert im Stand der Technik ein Bedarf an Kontaktelementen bzw. Steckverbindern, die ohne zusätzliches Werkzeug und ohne hohe Arbeitstemperaturen feldkonfektionierbar sind. Gleichzeitig besteht ein Bedarf an Kontaktelementen, die die Nachteile einer alternden Kontaktierung verringern können.
Die US 10,266,925 B2 beschreibt Kern-Schale Partikel, welche im Kern eine unterkühlte metallisch Schmelze enthalten. Die unterkühlte metallische Schmelze im Kern wird durch die äußere Schale stabilisiert. Beim Aufbrechen der Schale tritt die unterkühlte metallische Schmelze aus dem Kern aus und verfestigt sich. Die Kern-Schale Partikel können beispielsweise als Verbindungs- oder Reparaturmaterialien in den verschiedensten Bereichen zum Einsatz kommen. Die US 10,266,925 B2 erwähnt auch einen potentiellen Einsatz im Bereich von elektrischen Bauteilen. Allerdings macht die US 10,266,925 B2 keinerlei Ausführungen dahingehend, auf welche Art und Weise die Integration einer unterkühlten metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln in ein elektrisches Bauteil erfolgen könnte.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein elektrisches Kontaktelement derart weiterzubilden, dass es eine zuverlässige metallische Verbindung mit einem Leiter ermöglicht, einen geringeren Werkzeugaufwand bedingt und ohne zusätzliches Werkzeug feldkonfektionierbar ist.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung angegeben.
Ein erster Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Kontaktelement mit mindestens einer Kammer, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer eine unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln enthält.
Ein zweiter Gegenstand der Erfindung ist ein Steckverbinder enthaltend mindestens ein erfindungsgemäßes elektrisches Kontaktelement. Ein dritter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Bauteilen.
Im Sinne der Erfindung haben die hier und in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Begriffe die folgende Bedeutung:

- Der Begriff „Unterkühlung“ bezeichnet in der Thermodynamik allgemein die Absenkung der Temperatur einer Flüssigkeit/Schmelze unter ihren Gefrierpunkt/Schmelzpunkt bei gegebenem Druck, ohne dass diese erstarrt und/oder kristallisiert. Dieser Zustand wird in der Thermodynamik als metastabil klassifiziert. Entsprechende Metall- oder Legierungsschmelzen, die unterhalb ihres Schmelzpunktes T_m nicht fest sind, werden als „unterkühlte metallische Schmelze“ bezeichnet. Die Bezeichnung „fest beschreibt den Aggregatzustand „fest“, d.h. einen form- und volumenstabilen Zustand.
- Der Begriff „metallisch“ im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl Metalle als auch Legierungen und intermetallische Phasen. Dementsprechend ist unter der Bezeichnung „metallische Schmelze“ die Schmelze eines Metalls oder einer intermetallischen Verbindung zu verstehen. Beim Verfestigen einer intermetallischen Verbindung entsteht eine Legierung oder eine intermetallische Phase.
- „Kern-Schale-Partikel“ sind Partikel im Nano- oder Mikrometerbereich, die einen innenliegenden Kern aufweisen, der von einer äußeren Schale vollständig umschlossen ist. Der Kern der Kern-Schale-Partikel umfasst eine unterkühlte metallische Schmelze, deren metastabiler Zustand durch die äußere Schale stabilisiert wird. Die Schale kann durch mechanische Krafteinwirkung und/oder chemische Reaktion aufgebrochen werden, so dass die unterkühlte metallische Schmelze des Kerns freigesetzt wird. Diese verfestigt sich nach Freisetzung.
- Ein „elektrisches Kontaktelement“ ist ein elektrisch leitfähiges Element, das einen elektrischen Kontakt zur Anlage an und eine Verbindung mit einem weiteren elektrischen Kontakt bereitstellt. Das elektrische Kontaktelement dient dazu, eine Verbindung eines elektrischen Leiters mit dem elektrischen Kontakt zu vereinfachen. Zu diesem Zweck weist es einen Kontaktabschnitt und einen Leitungsverbindungsabschnitt auf.
- „Steckverbinder weisen wenigstens ein elektrisches Kontaktelement auf, das in einem Gehäuse angeordnet ist. Komplexere Steckverbinder weisen mehrere elektrische Kontaktelemente auf, deren Ausgestaltung und Anordnung gewöhnlich standardisiert ist.
- „Leiterquerschnitt“ bezeichnet den Durchmesser eines Kabels in mm. „Leiterquerschnittsfläche“ bezeichnet die Querschnittsfläche eines Kabels in mm².
- „mindestens ein“, „mindestens eine“, „mindestens einer“ bedeutet zahlenmäßig „ein oder mehrere“. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mit diesem Begriff zahlenmäßig „ein“, „eine“, „einer“ gemeint;
- „enthalten“, „umfassen“ und „beinhalten“ bedeutet, dass neben den genannten Bestandteilen noch weitere vorhanden sein können. Diese Begriffe sind einschließlich gemeint und umfassen daher auch die Formulierung „bestehen aus“. „Bestehen aus“ ist abschließend gemeint und bedeutet, dass keine weiteren Bestandteile vorhanden sein können. In einer bevorzugten Ausführungsform bedeuten die Begriffe „enthalten“, „umfassen“ und „beinhalten“ den Begriff „bestehen aus“.

Das erfindungsgemäße elektrische Kontaktelement umfasst in seinem Leitungsverbinderabschnitt mindestens eine Kammer, die zumindest partiell mit einer unterkühlten metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln gefüllt ist. Je nach Ausgestaltung des elektrischen Kontaktelements ist auch möglich, dass das elektrische Kontaktelement zwei oder mehr Kammern aufweist, die eine unterkühlte metallische Schmelze enthalten. Die Kammern können unabhängig voneinander gleich oder verschieden ausgestaltet sein. So ist es beispielsweise möglich, dass sich zwei oder mehr Kammern in ihrer Geometrie, in der Ausführung eines Reservoirs, hinsichtlich der unterkühlten metallischen Schmelze oder hinsichtlich der Kern-Schale-Partikel unterscheiden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Kammern innerhalb eines elektrischen Kontaktelementes identisch ausgeführt. Es ist auch möglich, dass zwei oder mehr Kammern innerhalb des Kontaktelementes über ein oder mehrere Verbindungskanäle miteinander verbunden sind.
Die Geometrie der Kammer kann je nach Anforderung variieren und ist prinzipiell nicht beschränkt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kammer zylindrisch geformt. Hierbei hat sich ein Verhältnis von Durchmesser D zu Länge L in einem Bereich von 1:1 bis 1:100, vorzugsweise in einem Bereich von 1:2 bis 1:50 als vorteilhaft herausgestellt. Besonders vorteilhaft genügt die Kammer der Anforderung Länge der Kammer L ≥ 2 x Durchmesser der Kammer (D). Hiermit wird eine ausreichende Kontaktfläche zwischen Kabel und Kontaktelement für den elektrischen Kontakt gewährleistet, der gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität gegen Zug zeigt. Gleichzeitig ermöglichen entsprechende Abmessungen einen wirtschaftlichen Materialeinsatz der Kern-Schale-Partikel mit der unterkühlten metallischen Schmelze. Die angegebenen Bereiche sind für die gängigsten Leiterquerschnitte üblich.
In der Kammer des elektrischen Kontaktelementes kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein Kraftübertragungselement vorgesehen sein. Ein Kraftübertragungselement im Sinne der Erfindung ist ein Vorsprung in Form einer Einbuchtung und/oder Ausstülpung in der Kammer, welches in Lage ist, das Freisetzen der unterkühlten, metallischen Schmelze aus dem Kern der Kern-Schale-Partikel beim Kontaktierungsvorgang, wie beispielsweise beim Einschieben eines Kabels, zu unterstützen. Der Begriff „Ausstülpung“ beschreibt eine von der zylindrischen Form abweichende ins Innere der Kammer ragende Komponente, die zu einer Volumenreduktion der Kammer führt. Der Begriff „Einbuchtung“ beschreibt eine von der zylindrischen Form der Kammer abweichende Komponente, die zu einer Volumenerweiterung der Kammer führt. Einbuchtungen und Ausbuchtungen können innerhalb einer Kammer miteinander kombiniert werden.
Der Einsatz eines Kraftübertragungselements hat zwei Vorteile: zum einen vergrößert sich die Oberfläche der Kammer, so dass die Kontaktfläche zwischen Kammeroberfläche und den Kern-Schale-Partikeln vergrößert wird. Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche erhöht sich die auf die Kern-Schale-Partikel wirkende Reibungskraft beispielsweise beim Einschieben eines Kabels, so dass ein Aufbrechen der Schale der Kern-Schale Partikel zum Freisetzen der unterkühlten metallischen Schmelze erleichtert wird. Zum anderen kann der Einsatz eines Kraftübertragungselements, insbesondere eines Kraftübertragungselements in Form einer Ausstülpung, dazu genutzt werden, die Öffnung eines Reservoirs zu unterstützen, die beispielsweise eine Aktivierungskomponente zur Freisetzung der unterkühlten metallischen Schmelze enthält. Je nach Ausgestaltung des Kraftübertragungselements kann das Kraftübertragungselement auch dazu genutzt werden, die Fließeigenschaften der unterkühlten, metallischen Schmelze beim Freisetzen aus den Kern-Schale-Partikeln mit Hilfe der wirkenden Kapillarkräfte dahingehend zu beeinflussen, eine möglichst vollständige Benetzung der Kammeroberfläche zu erzielen.
Das Kraftübertragungselement kann mit der Kammer verbunden sein oder nicht mit der Kammer verbunden sein. Eine Verbindung zwischen Kraftübertragungselement und Kammer kann beispielsweise realisiert werden, indem im Fertigungsverfahren des Kontaktelementes die gewünschte Geometrie innerhalb der Kammer, bspw. im Drehprozess direkt, berücksichtigt wird. In diesem Fall besteht das Kraftübertragungselement aus dem gleichen Material wie das Kontaktelement. Es ist aber auch möglich eine Verbindung zwischen Kraftübertragungselement und Kammer nachträglich zu realisieren, indem das Kraftübertragungselement beispielsweise eingeklebt wird oder indem ein selbsttragendes Kraftübertragungselement verwendet wird. Ein selbsttragendes Kraftübertragungselement kann beispielsweise realisiert werden, indem ein Kraftübertragungselement mit einer Federspannung in eine Nut eingesetzt ist. In den Fällen, in denen keine Verbindung zwischen Kraftübertragungselement und Kammer notwendig ist, kann das Kraftübertragungselement in das Innere der Kammer eingelegt werden. Hierzu eigenen sich beispielsweise dünne, spiralförmige Metallbänder.
Die Unterkühlung von Metallen und Legierungen, d. h. das Abkühlen eines flüssigen Metalls oder einer flüssigen Legierung unter seinen natürlichen Schmelzpunkt T_m ist dem Fachmann an sich bekannt. Aufgrund des metastabilen Zustands der unterkühlten metallischen Schmelze ist eine Stabilisierung notwendig, welche über die Herstellung sogenannter Kern-Schale-Partikel realisiert werden kann. Die Kern-Schale-Partikel enthalten im Kern eine unterkühlte metallische Schmelze, deren metastabiler Zustand über die Schale stabilisiert wird. Durch das Einbringen von Reibungskräften und/oder durch die Verwendung einer Aktivierungskomponente kann die Schale destabilisiert werden und aufgebrochen werden, so dass der flüssige metallische Kern freigesetzt wird. Nach der Freisetzung verfestigt sich der metallische Kern.
Dem Fachmann ist die Herstellung von Kern-Schale-Partikeln mit einer unterkühlten metallischen Schmelze im Kern prinzipiell bekannt. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Herstellung von Kern-Schale-Partikeln nach dem sogenannten SLICE-Verfahren (Shearing Liquids into Complex Particles Process). Dieser Prozess ist beispielsweise in der US 10,266,925 B2 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Metall bzw. eine flüssige Legierung oberhalb seiner natürlichen Schmelzpunktes T_m in einer Trägerflüssigkeit, insbesondere in einer säurehaltigen Trägerflüssigkeit, mit einem rotierenden Werkzeug unter Oberflächenoxidation auf die gewünschte Partikelgröße geschert. Auf der Oberfläche der Partikel entsteht eine selbstpassivierende Oxidschicht, die je nach Anwendungsgebiet mit organische und/oder anorganische Einheiten zur weiteren Stabilisierung funktionalisiert werden kann. Bevorzugt werden zur Stabilisierung Phosphat- und/oder Acetatgruppen genutzt.
Die unterkühlte metallische Schmelze umfasst vorzugsweise Metalle oder Legierungen, die einen natürlichen Schmelzpunkt T_m ≥ 100°C, vorzugsweise ≥ 125 °C aufweisen. Bevorzugt liegt der natürliche Schmelzpunkt T_m der eingesetzten Metalle oder Legierungen zur Herstellung der unterkühlten, metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale Partikeln in einem Bereich von 100°C bis 300 °C, bevorzugt in einem Bereich von 125°C und 250 °C, bevorzugt in einem Bereich von 137,5 ° bis 200°C.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung genügt die unterkühlte, metallische Schmelze den RoHS-Richtlinien (Restriction of certain Hazardous Substances) und den Richtlinien der EG-REACH-Verordnung (Registration, Evaluation, Authorisation of Chemicals). Die unterkühlte metallische Schmelze ist daher vorzugsweise frei von Chrom, Blei und Quecksilber.
Die unterkühlte metallische Schmelze umfasst bevorzugt Metalle oder Legierungen entsprechender Metalle, die bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber und Metallen der Platingruppe ausgewählt sind. Nichtedle Metalle wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Wolfram, Vanadium, Zinn, Bismut, Indium, Zink, Aluminium oder Legierungen (binär oder tertiär) der Vorgenannten können ebenfalls verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Legierungen umfassend Zinn, Bismut und/oder Indium.
Nach der Herstellung der unterkühlten metallischen Schmelze in Form der Kern-Schale Partikel werden die Kern-Schale-Partikel üblicherweise in eine alkoholische Dispersion überführt. Als Dispersionsmedium wird vorzugsweise ein niederkettiger Alkohol mit einem bis vier Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Ethanol oder Isopropanol, verwendet.
Je nach Anwendungsgebiet kann es vorteilhaft sein, eine Mischung von Kern-Schale-Partikeln mit zwei oder mehr voneinander verschiedenen unterkühlten metallischen Schmelzen innerhalb einer Kammer zur verwenden. Die Herstellung dieser Mischungen ist realisierbar, indem in einem ersten Schritt die Kern-Schale-Partikel der jeweiligen unterkühlten metallischen Schmelze einzeln hergestellt werden und anschließend miteinander vermischt werden. Eine Mischung verschiedener unterkühlter metallische Schmelzen können vorteilhaft bei der elektrischen Kontaktierung unterschiedlicher Metalle, wie beispielsweise Kuper und Aluminium, eingesetzt werden. Die voneinander verschiedenen unterkühlten metallischen Schmelzen können so gewählt werden, dass jeweils eine der unterkühlten metallischen Schmelze eine optimale Benetzung der Oberfläche des jeweiligen Metalls ermöglicht. Die unterkühlten metallischen Schmelzen werden so gewählt, dass diese untereinander mischbar sind.
Die unterkühlte metallische Schmelze in Form der Kern-Schale-Partikel kann in der Kammer des elektrischen Kontaktelementes sowohl in flüssiger Form als auch in nicht flüssiger Form als auch in einer Kombination aus flüssiger/nicht flüssiger Form verwendet werden, wobei die Verwendung in nicht flüssiger Form aus Gründen der Feldkonfektionierbarkeit bevorzugt ist. Die Bezeichnung flüssig bzw. nicht flüssig bezieht sich auf den Zustand der Kern-Schale-Partikel im installationsbereiten elektrischen Kontaktelement.
Bei Verwendung der flüssigen Form kommt üblicherweise eine niederkettige alkoholische Dispersion, vorzugsweise eine ethanolische oder isopropanolische Dispersion, zum Einsatz. Je nach Anwendungsfall kann die Dispersion verdünnt oder aufkonzentriert werden.
Zur Herstellung der nicht-flüssigen Form der Kern-Schale-Partikel ist es möglich, die Trägerflüssigkeit bzw. das Dispersionsmedium vollständig verdampfen zu lassen. Die Kern-Schale-Partikel liegen dann als Pulver vor, welches in die Kammer des elektrischen Kontaktelementes eingefüllt werden kann. Es ist aber auch möglich die Dispersion mit den Kern-Schale-Partikeln als Beschichtung zu verwenden. In diesem Fall wird die Dispersion als eine Art Lack auf die Oberfläche der Kammer des elektrischen Kontaktelements aufgebracht. Nach Verdampfen des Dispersionsmediums sind die Wände der Kammer des Kontaktelementes mit den Kern-Schale-Partikeln der unterkühlten metallischen Schmelze beschichtet. Diese Ausführungsform ist aus Gründen der Feldkonfektionierbarkeit bevorzugt, da hierbei kein Austritt des Dispersionsmediums bei der Kontaktierung auftritt.
Je nach Geometrie der Kammer des elektrischen Kontaktelementes und/oder je nachdem, ob die unterkühlte metallische Schmelze in flüssiger oder nicht-flüssiger Form im Kontaktelement verwendet wird, kann es notwendig sein, die Öffnung der Kammer zu verschließen, so dass ein Austritt der Kern-Schale-Partikel zuverlässig verhindert wird. In manchen Fällen kann ein Austreten bereits aufgrund von Kapillar- bzw. Oberflächenspannungseffekten verhindert werden. Ist ein zusätzlicher Verschluss notwendig, wird dies vorzugsweise durch ein Reservoirmaterial realisiert. Das Reservoirmaterial kleidet die Kammer zumindest partiell aus und/oder verschließt diese am Eingang.
Unter dem Begriff „Reservoirmaterial“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Material zu verstehen, in dem die unterkühlte metallische Schmelze in Form der Kern-Schale-Partikel - reaktionsstabil auch über einen längeren Zeitraum - vorgehalten werden kann. Das Material des Reservoirs muss so ausgestaltet sein, dass dieses durch mechanische Krafteinwirkung, wie beispielsweise beim Einführen eines Kabels und/oder durch chemische Reaktion zuverlässig geöffnet werden kann.
Als Reservoirmaterialien kommen vorzugsweise dünne Folien aus Metall oder Kunststoff zum Einsatz. Die Folien haben bevorzugt eine Dicke von 1 µm bis 100 µm, bevorzugt 10 µm bis 50 µm. Als Kunststofffolien eignen sich alle Kunststoffe, die reaktionsstabil gegenüber einem potenziell vorhandenen Dispersionsmedium sind und/oder reaktionsstabil gegenüber den Kern-Schale-Partikeln mit der unterkühlten metallischen Schmelze sind. Reaktionsstabil bedeutet, dass keine Quellung des Kunststoffes oder ähnliche Reaktionen bei Kontakt mit dem Dispersionsmedium und/oder den Kern-Schale Partikeln auftritt. Die Kunststoffe der Kunststofffolie können vom Fachmann in Abhängigkeit von einem potenziell vorhandenen Dispersionsmedium aus der Gruppe bestehend aus Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyoxymethylen (POM), Polyamid 6 (PA6), Polyamid 6.6 (PA6.6), Polycarbonat (PC) Polyethylenterephthalat (PET) Polybutylenterephthalat (PBT), Polyphthalamid (PPA), Polyurethan (PU) und Polytetrafluorethylen (PTFE). Als Metallfolien eignen sich insbesondere Folien aus Folien, die aus dem gleichen Material bestehen wie das elektrische Kontaktelement selbst, um Kontaktkorrosion möglichst zu vermeiden.
In einer Ausführungsform der Erfindung verschließt das Reservoirmaterial lediglich die Öffnung der Kammer.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kleidet das Reservoirmaterial die Kammer partiell, vorzugsweise maximal zu 3/4, bevorzugt maximal zu 1/2, weiter bevorzugt maximal zu 1/3, aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich zunächst die unterkühlte metallische Schmelze in Form der Kern-Schale-Partikel in einem Reservoirmaterial zu verkapseln und die so entstehende Kapsel, beispielsweise in Form einer Tablette, in die Kammer des elektrischen Kontaktelementes einzubringen.
Je nach Ausgestaltung des elektrischen Kontaktelementes ist es auch möglich, dass die Kammer des elektrischen Kontaktelementes zwei oder mehr Reservoirs umfasst. Dies ermöglicht die reaktionsinhibierende Bereitstellung einer Aktivierungskomponente für die Kern-Schale-Partikel, die bei der Kontaktierung zur Freisetzung der unterkühlten metallischen Schmelze aus den Kern-Schale Partikeln genutzt werden kann. In diesem Fall kann beispielsweise das Durchschieben eines Kabels durch die Reservoirs genutzt werden, um eine Durchmischung der Kern-Schale Partikel mit einer Aktivierungskomponente zu initiieren und somit eine chemische Reaktion zur Freisetzung des flüssigen metallischen Kernes in Gang zu setzen. Als Aktivierungskomponente wird vorzugsweise eine Aktivierungsflüssigkeit, vorzugsweise eine schwache Säure, wie beispielsweise Essigsäure oder Trifluoressigsäure, genutzt.
Die einzelnen Reservoirs einer Kammer können jeweils unabhängig voneinander ausgestaltet sein, d. h. beispielsweise können die verwendeten Reservoirmaterialien identisch oder verschieden sein und/oder die Größe der Reservoirs kann identisch oder verschieden sein. Die einzelnen Reservoirs einer Kammer des elektrischen Kontaktelementes können prinzipiell in beliebiger Reihenfolge hintereinander eingebracht werden. Hierbei ist lediglich zu beachten, dass bei der Kontaktierung, beispielsweise durch Einführen eines Kabels, die Inhalte der Reservoirs miteinander in Kontakt gebracht werden und eine Durchmischung stattfinden kann. Es ist es auch möglich, dass zwei oder mehr Reservoirs ineinander verkapselt vorliegen. Im Falle einer Verkapselung umfasst beispielsweise das innere Reservoir die Kern-Schale-Partikel und das äußere Reservoir, welches das innere Reservoir vollständig umschließt, die Aktivierungskomponente, oder umgekehrt.
Die Kern-Schale-Partikel liegen vorzugsweise in Form von Mikropartikeln vor. Vorzugsweise haben die Kern-Schale-Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von ≥ 1 µm, wobei der mittlere Partikeldurchmesser vorzugsweise mittels dynamischer Lichtstreuung bestimmt wird. Der Einsatz kleinerer Partikel, wie beispielsweise im Nanometerbereich hat sich als nachteilig herausgestellt, da mit abnehmender Partikelgröße der gewichtsprozentuale Anteil des Kerns an den Kern-Schale-Partikel abnimmt und der gewichtsprozentuale Anteil der Schale zunimmt. Dementsprechend steigt mit abnehmender Größe der Kern-Schale-Partikel der Anteil an oxidischer/organischer/anorganischer Verunreinigung im Kontakt. Vorzugsweise haben die Kern-Schale-Partikel einen mittleren Partikeldurchmesser von ≤ 15 µm, vorzugsweise von ≤ 10 µm. Der Einsatz größerer Partikel ist nachteilig, da mit zunehmender Größe die Stabilität der Kern-Schale Partikel der unterkühlten metallischen Schmelze abnimmt. Somit können bereits kleine Erschütterungen dazu führen, dass die Kern-Schale-Partikel aufbrechen und die unterkühlte metallische Schmelze austritt und sich verfestigt. Das entsprechende elektrische Kontaktelement ist dann nicht mehr verwendbar und muss entsorgt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Kern-Schale-Partikel der unterkühlten metallischen Schmelze einen mittleren Partikeldurchmesser in einem Bereich von 1 µm bis 15 µm, bevorzugt von 1 µm bis 10 µm, weiter bevorzugt von 1 µm bis 8 µm, noch weiter bevorzugt von 1 µm bis 5 µm, auf.
Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Steckverbinder mit einem Gehäuse, der mindestens ein erfindungsgemäßes elektrisches Kontaktelement aufweist, welches innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Komplexere Steckverbinder weisen zwei oder mehr elektrische Kontaktelemente auf. Die elektrischen Kontaktelemente des Steckverbinders können unabhängig voneinander gleich oder verschieden ausgestaltet sein. Hinsichtlich der elektrischen Kontaktelemente gelten die vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Elemente der zuvor beschriebenen Ausführungsformen können im Rahmen des erfindungsgemäßen Steckverbinders in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Kontaktierung von elektrischen Bauteilen, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:

i) Bereitstellen einer Kammer;
ii) Bereitstellen einer unterkühlten, metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln;
iii) Einbringen der unterkühlten, metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln in die Kammer zur Herstellung eines Kontaktelements;
iv) optionales Verschließen der Kammer mit einem Reservoirmaterial, und
v) Freisetzen der unterkühlten, metallischen Schmelze aus den Kern-Schale Partikeln innerhalb der Kammer durch chemische und/oder mechanische Destabilisierung der Schale der Kern-Schale-Partikel der unterkühlten metallischen Schmelze.

Für das erfindungsgemäße Verfahren gelten - sofern anwendbar - alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Elemente der zuvor beschriebenen Ausführungsformen können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele dienen hierbei lediglich zur Erläuterung einzelner Ausführungen der Erfindung. Elemente der Ausführungsbeispiele können im Rahmen der Erfindung in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein. Richtungsangaben wie beispielsweise „links“, „rechts“, „oben“ und „unten“ sind mit Bezug auf die jeweilige Figur zu verstehen und können in den einzelnen Darstellungen gegenüber dem dargestellten Objekt variieren.
Hierzu zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kontaktelements;
2 ein zweites und ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kontaktelements;
3 Schematische Darstellung zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen einem elektrischen Kontaktelement und einem Kabel;
4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Steckverbinders;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Steckverbinders;
6 zwei Ausführungsbeispiele einer Kammer eines elektrischen Kontaktelements mit einem Kraftübertragungselement.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Kontaktelements 10 mit einem Leitungsverbinderabschnitt 11a und einem Kontaktabschnitt 11b. Der Leitungsverbinderabschnitt 11a weist eine zylindrische Kammer 12 auf. Die Kammer 12 ist mit einem Reservoirmaterial 13 ausgekleidet, welches ein Reservoir 14 bildet. Das Reservoir 14 umfasst eine unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale Partikeln 15. Die Kern-Schale Partikel sind in einem Dispersionsmedium 16 dispergiert.
2 zeigt eine zweite und eine dritte Ausführungsform eines elektrischen Kontaktelements 10. Die zweite und dritte Ausführungsform weisen jeweils eine zylindrische Kammer 12 auf. Die Kammer 12 umfasst ein erstes Reservoirs 14a und ein zweites Reservoir 14b. Das erste Reservoir 14a umfasst eine unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale Partikeln 15, welche in einem Dispersionsmedium 16 dispergiert vorliegen. Das zweite Reservoir 14b umfasst eine Aktivierungskomponente 17, vorzugsweise eine Aktivierungsflüssigkeit in Form einer schwachen Säure. Die zweite und die dritte Ausführungsform unterscheiden sich in der Anordnung des ersten Reservoirs 14a und des zweiten Reservoirs 14b.
3 zeigt die schematische Darstellung einer Kontaktierung des ersten Ausführungsbeispiels des elektrischen Kontaktelementes 10 mit einem Kabel 18, welches eine Vielzahl von Adern 19 aufweist. Die Adern 19 des Kabels 18 werden zum Durchstechen des Reservoirmaterials 13 genutzt. Durch das Einschieben der Adern 19 des Kabels 18 wirkt eine Reibungskraft 20 auf die Kern-Schale-Partikel 15, welche eine Destabilisierung der Schale der Kern-Schale-Partikel 15 bewirkt. In Folge der Destabilisierung der Schale tritt die unterkühlte metallische Schmelze aus und verfestigt sich unter Ausbildung eines elektrischen Kontaktes 21 zwischen den Adern 19 des Kabels 18 und dem Kontaktelement 10.
4 zeigt eine erste Ausführung eines Steckverbinders 30 mit einem Gehäuse 31, wobei mehrere elektrische Kontaktelemente 10a bis 10e innerhalb des Gehäuses 31 angeordnet sind. Die elektrischen Kontaktelemente 10a bis 10e umfassen jeweils eine Kammer 12 mit einem Reservoir 14, welches die unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale Partikeln 15 enthält.
5 zeigt eine zweite Ausführung eines Steckverbinders 30 mit einem Gehäuse 31, wobei mehrere elektrische Kontaktelemente 10a bis 10e innerhalb des Gehäuses 31 angeordnet sind. Die elektrischen Kontaktelemente 10a bis 10e umfassen jeweils eine Kammer 12. Die Kammer 12 umfasst ein erstes Reservoirs 14a und ein zweites Reservoir 14b. Das erste Reservoir 14a umfasst eine unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale Partikeln 15. Das zweite Reservoir 14b ist reaktionsinhibierend vom ersten Reservoir 14a getrennt und umfasst eine Aktivierungskomponente 17, welche durch chemische Reaktion eine Destabilisierung der Schale der Kern-Schale-Partikel 15 erlaubt und somit nach Durchmischung mit den Kern-Schale-Partikeln 15 den Austritt der unterkühlten metallischen Schmelze aus dem Kern-Schale Partikeln initiiert.
6 zeigt zwei Ausführungsbeispiele einer Kammer 12 eines elektrischen Kontaktelements 10. Im ersten Ausführungsbeispiel ist ein Kraftübertragungselement 40 in Form einer Ausstülpung 41 fest mit der Kammer 12 verbunden. Die Ausstülpung 41 vergrößert die Kontaktfläche zwischen den Kern-Schale Partikeln enthaltend die unterkühlte metallische Schmelze mit der Kammeroberfläche. Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche ist, die bei der Kontaktierung auf die Kern-Schale-Partikel wirkende Reibungskraft erhöht, so dass das Aufbrechen der Schale erleichtert wird. Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt eine Kammer 12, welche ein nicht mit der Kammer 12 verbundenes Kraftübertragungselement 40 enthält. Dieses Kraftübertragungselement 40 ist ein spiralförmiges Element, welches die Destabilisierung der Schale bei der Kontaktierung unterstützt. Entsprechende spiralförmige Elemente fallen als Abfallprodukte bei Drehprozessen an, so dass diese Art der Kraftübertragungselemente sehr kostengünstig verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: elektrisches Kontaktelement
11a: Leitungsverbinderabschnitt
11b: Kontaktabschnitt
12: Kammer
13: Reservoirmaterial
14: Reservoir
15: Kern-Schale-Partikel einer unterkühlten metallischen Schmelze
16: Dispersionsmedium
17: Aktivierungskomponente
18: Kabel
19: Adern
20: Reibungskraft
21: elektrischer Kontakt
30: Steckverbinder
31: Gehäuse
40: Kraftübertragungselement
41: Ausstülpung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10266925 B2 [0006, 0018]

Claims

Elektrisches Kontaktelement (10) mit mindestens einer Kammer (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) eine unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln (15) enthält.
Elektrisches Kontaktelement (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterkühlte metallische Schmelze einen natürlichen Schmelzpunkt T_m ≥ 100 °C aufweist.
Elektrisches Kontaktelement (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kern-Schale Partikel (15) der unterkühlten metallischen Schmelze eine mittlere Partikelgröße von ≥ 1 µm, vorzugsweise von 1 µm bis 15 µm, aufweisen.
Elektrisches Kontaktelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) mit einem Reservoirmaterial (13) verschlossen ist und /oder partiell mit einem Reservoirmaterial (13) ausgekleidet ist.
Elektrisches Kontaktelement (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) ein Reservoir (14) enthält, welches die unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln (15) einschließt.
Elektrisches Kontaktelement (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) ein erstes Reservoir (14a) und ein zweites Reservoir (14b) enthält, wobei das erste Reservoir (14a) die unterkühlte metallische Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikel (15) enthält und das zweite Reservoir (14b) eine Aktivierungskomponente (17) zur chemischen Destabilisierung der Schale der Kern-Schale Partikel (15) enthält
Elektrisches Kontaktelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (12) mindestens ein Kraftübertragungselement (40) enthält.
Elektrisches Kontaktelement (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Kern-Schale Partikel der unterkühlten metallischen Schmelze (15) in fester Form verwendet werden.
Steckverbinder (30) mit einem Gehäuse (31), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (31) mindestens ein elektrisches Kontaktelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: vi) Bereitstellen einer Kammer (12); vii) Bereitstellen einer unterkühlten, metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln (15); viii) Einbringen der unterkühlten, metallischen Schmelze in Form von Kern-Schale-Partikeln (15) in die Kammer (12) zur Herstellung eines Kontaktelements (10); ix) optionales Verschließen der Kammer (12) mit einem Reservoirmaterial (13), und x) Freisetzen der unterkühlten, metallischen Schmelze aus den Kern-Schale Partikeln (15) innerhalb der Kammer (12) durch chemische und/oder mechanische Destabilisierung der Schale der Kern-Schale-Partikel der unterkühlten metallischen Schmelze.