DE4320527A1

DE4320527A1 - Elektrisch leitfähiges Gel

Info

Publication number: DE4320527A1
Application number: DE4320527A
Authority: DE
Inventors: Navin Narayandas Vyas
Original assignee: Whitaker LLC
Current assignee: Whitaker LLC
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1993-12-23
Also published as: JPH0676623A; US5348686A

Description

Diese Erfindung betrifft ein elektrisch leitfähiges Silikongel, das leitfä hige Teilchen aus Silber, bevorzugt in Flockenform, und silberbeschich teten Glimmer enthält. Die Erfindung ist von besonderer Nützlichkeit für die elektrische Verbindung einer Mehrzahl von Leitern, wie einzelnen isolierten Drähten, gedruckten Leiterplatten-Leiterbahnen, Leitern auf einem flachen Anzeigefeld oder Anschlußstiftanordnungen.

Das Rowlette erteilte US-Patent Nr. 4 770 641 stellt eine frühe kom merzielle Entwicklung eines elektrisch leitfähigen Gels dar. Ein Vorteil eines solchen Gels ist seine Fähigkeit, abgetrennt zu werden. Das Gel dieses Patents weist ein polymeres Leitersystem auf, in dem eine Mehr zahl an leitfähigen Teilchen in einem isolierenden, gelähnlichen Medium dispergiert ist. Das leitfähige Gel besitzt ein Gedächtnis und ist vor der Verbindung der zugehörigen Leiter an den Hohlraum anpaßbar. Das Gel ist nicht in einem flüssigen Zustand und ist ausreichend kohärent und viskos, daß es unter dem Einfluß der Schwerkraft nicht aus der Hohl raum-Einrichtung fließt. Das Gel wird sich auch an die Grenzflächen zwischen dem Gehäuse-Hohlraum und den Leitern bei Verbindung an passen. Bei Abtrennung jedoch wird das Gel im wesentlichen zu seiner ursprünglichen Form zurückkehren und innerhalb der Gehäuse-Hohl räume verbleiben. Bei Abtrennung wird das Gel nicht an den Leitern anhaften.

Das Carim erteilte US-Patent Nr. 4 406 827 stellt eine unterschiedliche Lösung für ein elektrisch leitfähiges Gel dar. Das Gel, das für einen Kontakt mit geringem Widerstand zwischen einer Metallelektrode und einem biologischen Körper entwickelt wurde, weist auf eine wäßrige Lösung von ionisierten Salzen bis hin zu Sättigungskonzentrationen als das Leitmittel, ein natürliches Gummi, das zur Vernetzung fähig ist, und vernetzendes Material, das das elektrisch leitfähige Gel mit einer vorteilhaft ausreichenden inneren Festigkeit ausstattet, um ohne Verstärkung kohäsiv bleiben.

Das Nakanishi erteilte US-Patent Nr. 4 845 457 ist auf einen verform baren, variablen Widerstand gerichtet, der ein geliertes Silikonharz verwendet. Das Gel ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen definierten Durchdringungswert hat als ein Basisglied, in das 20 bis 50 Gewichts prozent elektrisch leitfähige, feine Teilchen gemischt werden, wobei das Basisglied ausgestattet ist mit mindestens einem Paar Elektroden, so daß die in dem Basisglied enthaltenen, leitfähigen, feinen Teilchen miteinander in Kontakt kommen, um zwischen dem Paar Elektroden eine Anzahl von elektrischen Pfaden zu bilden, wenn das Basisglied durch eine äußere Kraft physikalische verformt wird.

Die vorliegende Erfindung besitzt die Eigenschaften des Stands der Technik, während sie seine Nachteile oder Beschränkungen vermeidet, zu denen ungleichförmige Verteilung der leitfähigen Teilchen und me chanische oder thermische Instabilität gehören. Diese Eigenschaften besitzt das Gel gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildung des Gels sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Gel gemäß dieser Erfindung ist nicht fließend, selbstheilend und thermisch stabil. D. h., das mit Silberflocken und silberbeschichtetem Glimmer beladene Gel ist über einen Bereich von Temperaturen hoch gradig leitfähig. Weiterhin bleiben, durch die einzigartige Kombination solcher Silberflocken und silberbeschichteten Glimmers, die Teilchen vor dem Festwerden oder Gelieren des Gels gleichförmig innerhalb des Gels verteilt. Dies sichert ein hochgradig und gleichförmig elektrisch leitfä higes Gel. Die verschiedenen und zahlreichen Merkmale des Gels gemäß dieser Erfindung werden in der folgenden Beschreibung noch deutlicher werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein leitfähiges Gel mit einem bevor zugten Volumenwiderstand von weniger als etwa 2,0 Milliohm-cm. Zusätzlich betrifft diese Erfindung ein elektrisch leitfähiges Silikongel mit einer Kombination leitfähiger Teilchen, zu denen silberbeschichteter Glimmer und oxidfreie Silberflocken gehören, die überall in ihm gleich förmig verteilt sind, wobei das Gel als nicht fließend, selbstheilend und thermisch stabil gekennzeichnet ist.

Ein bevorzugtes Basisgel ist ein vernetztes Polysiloxan-Polymer. Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Die Zeichnung ist eine perspektivische Explosionsansicht eines beispiel haften elektrischen Verbindungssystems zur Verwendung des Gels dieser Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes elektrisch leitfähiges Silikongel, das leitfähige Teilchen aus Silberflocken und silberbeschich teten Glimmer enthält, wobei das leitfähige Gel in einem gefestigten Zustand solche Eigenschaften wie hohe elektrische Leitfähigkeit, Verteil barkeit und verbesserte Dichtfähigkeit gegen Diffusion schädigender Umweltgase, wie Schwefel, aufweist.

Eine bevorzugte Formulierung für das Gel besteht aus den folgenden Bestandteilen:

Die Haupt-Gelbestandteile sind die Polymer-Basis und das Aktivator- Polymer, wobei derartige Bestandteile Strukturformeln wie folgt zeigen:

Poly-Dimethyl-Siloxan mit Vinylabschluß (157A)

Vernetzendes Polymer (157B)

Der letzte Teilbestandteil, der das Basisgel bildet, ist ein Katalysator, dessen Strukturformel wie folgt ist:

Dichlordicarbonyl-Platin (II) (157Z)

Während der Entwicklung dieses verbesserten Silikongels wurde festge stellt, daß die Kombination von Silberflocken und silberbeschichtetem Glimmer unerwarteterweise ein Gel ergab, das seine hohe elektrische Leitfähigkeit über einen breiten Temperatur- und Zeitbereich beibehielt. Durch Experimentieren stellte sich heraus, daß die Silberflocken, typi scherweise im Bereich von 15 µm Größe mit einer Dichte von etwa 10,5 g/cm³ im Vergleich zum Basisgel von 1,0 g/cm³, innerhalb des Basisgels vor dem Festwerden fallen oder sich abscheiden würden. Der silber beschichtete Glimmer mit einer Korngröße von weniger als etwa 44 µm würde, als Ergebnis seiner geringen Dichte von etwa 4,5 bis 6,8 g/cm³, abhängig vom Silbergehalt, aufsteigen oder aufschwimmen.

Während bei der getrennten Verwendung derartiger leitfähiger Teilchen Schwierigkeiten festgestellt wurden, wurde gefunden, daß die Kombina tion von Silberflocken und silberbeschichtetem Glimmer, wenn sie in einer Gesamtmenge von 60 bis 75 Gewichtsprozent und einem bevor zugten Verhältnis von etwa 2 : 1, Silberflocken zu silberbeschichtetem Glimmer, anwesend sind, solche Schwierigkeiten vermied. D.h., die Teilchen scheinen zusammenzuarbeiten, um einen Gleichgewichtszustand beizubehalten. In einem solchen Zustand kann das Gel ausgehärtet oder geliert werden, wie hierin im folgenden beschrieben, um eine gleich förmige Dispersion innerhalb des Gels zu erzeugen.

Obwohl das Herausfinden der Beziehung von Silberflocken und silber beschichtetem Glimmer ein bedeutender Schritt vorwärts war, war weite re Arbeit erforderlich hinsichtlich des Zustands der Silberflocken. Typi scherweise sind derartige Flocken, wie gekauft, mit metallorganischen Salzen bedeckt. Es wurde festgestellt, daß solche Salze bei Temperaturen von mehr als etwa 27°C (etwa 80° F) instabil waren und daß sie die volle Vernetzung des Polymergels beeinträchtigen. Dem entsprechend war eine Entfernung der Salze empfehlenswert. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Silberflocken in einer Alkohol-Keton-Lösung vorgewaschen, gefolgt von Ätzen in einer heißen, fünfprozentigen Oxalsäure-Lösung unter konstanter Bewegung. Die Flocken werden dann in entionisiertem Wasser gespült und unter einem Vakuum bei 120°C getrocknet. Das Ergebnis sind nicht oxidierte und an der Oberfläche aufgerauhte Silberflocken. Man glaubt, daß durch die Verwendung derartiger, geätzter Silberflocken ein besserer Teilchenkontakt, d. h. Silber zu Silber, Silber zu Glimmer, erreicht wird. Tatsächlich wurde, wenn ein Gel mit nicht geätzten Silberflocken hergestellt und gehärtet wurde, gefunden, daß nach Verformung, wie hierin im folgenden diskutiert, ein Verlust an elektrischer Leitfähigkeit auftrat, wahr scheinlich durch eine Verringerung des Teilchenkontakts.

Das formulierte Gel, mit leitfähigen Teilchen, wurde in einem geschlos senen Polyethylen-Behälter in einer Helium-Atmosphäre bei 350 UPM (Umdrehungen pro Minute) für eine Dauer von 2,5 Minuten gemischt. Die Helium-Atmosphäre verhindert Luft-Mitführung und Oxidation der Silberflocken, die die elektrische Leitfähigkeit in dem festen Gel ver ringert. Die endgültige Mischung hat eine cremige Konsistenz und ist verteilbar. Die Viskosität ist näherungsweise 400 000 cps, gemessen mittels Brookfield RV-Viskosimeter unter Verwendung einer Spindel Nr. 7 bei 4 UPM. Das Gel vernetzt chemisch in etwa sechs Stunden bei 25° C. Die chemische Vernetzung kann jedoch beschleunigt werden auf 15 Minuten bei 1750 C in einem Konvektionsofen mit Luftzirkulation.

Das folgende Diagramm stellt die Polymerisations-Reaktion dar:

Bei dieser Reaktion wird ein Polydimethyl-Siloxan mit Vinylabschluß mit einem sehr flexiblen Vernetzer vernetzt, bei dem X und Y jeweils in einem Verhältnis von 1 : 2 vorliegen, welche wiederum von einem Di chlordicarbonyl-Platin(II)-Katalysator vermittelt werden.

Die Figur zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Verbindungs-Systems, das das Silber/Silber-Glimmer vernetzte Polysilo xan-Polymer gemäß dieser Erfindung verwendet. Eine derartige Ausfüh rungsform, wie sie in dem Casciotti et al. erteilten US-Patent Nr. 5 037 312 genauer beschrieben ist, betrifft einen elektrischen Verbinder zum Verbinden vielfacher, leitfähiger Wege in einem Flächenverband, der ein in einem Körper aus elastomeren Material gehaltenes, leitfähiges Gel verwendet. Die Leiter-Anordnung 10, die in der Zeichnung in einer perspektivischen Explosionsansicht gezeigt ist, weist auf eine gedruckte Leiterplatte 12, die eine typischerweise in komplexen elektronischen Leiterkreisen verwendete gedruckte Vielschicht-Leiterplatte darstellt, eine leitfähige, elastomere Gitteranordnung 30, einen Chipträger 18 und einen Wärmeableiter 24. Diese Elemente sind bei Verwendung zusam mengefügt und zusammengehalten mittels Befestigungseinrichtungen, die durch Öffnungen an den Ecken der Elemente geführt sind, und geklam mert durch Befestigungsmittel wie 28, gezeigt in der Figur. Zu der Vielschichtplatte 12 gehört eine Reihe leitfähiger Kontaktstellen 14, die sich an ihrer oberen Oberfläche von gegebenen Zentren aus in An ordnungen erstrecken und mit leitfähigen Schichten innerhalb des Körpers von 12 verbunden sind, um sich mit weiteren Bestandteilen zur Ausbildung nützlicher Funktionen zu verbinden. Der Chipträger 18 weist in seiner Mitte eine hochintegrierte Schaltung auf, die an einem Substrat befestigt ist, wie einem Keramik- oder Kunststoff-Substrat 21, das eine Anordnung von leitfähigen Kontaktstellen an seiner unteren Oberfläche hat, wobei mehrere solcher Kontaktstellen in der Figur gestrichelt als 22 gezeigt sind. Die verschiedenen Schaltungen innerhalb von 20 sind durch nicht gezeigte Leiterbahnen mit den verschiedenen Kontaktstellen 22 verbunden. Der Wärmeableiter 24 wirkt dahingehend, Wärme von dem Schaltungs-Chip 20 abzuleiten und sie über Rippen an seiner oberen Oberfläche zu verteilen.

Die Kontaktstellen 22 des Chipträgers 18 befinden sich an Zentren, die den Zentren der Kontaktstellen 14 auf der Platte 12 entsprechen, und sind typischerweise plattiert, um eine oxidfreie Oberfläche zu schaffen. Zwischen dem Chipträger 18 und der Platte 12 befindet sich der gitter förmige Verbinder 30, der aus einem elastomeren Material ausgebildet ist und mehrere Hohlräume 38 zur Aufnahme des Silber/Silber-Glimmer gefüllten, vernetzten Polysiloxan-Polymers dieser Erfindung enthält. An den Umfangsecken des Körpers des Verbinders 30 sind Öffnungen 32, die Öffnungen 16 der Platte 12 und 26 des Wärmeableiters 24 ent sprechen, und durch die die Befestigungsmittel 28 hindurchführen, um die Elemente miteinander und mit der Platte 12 zu verbinden. Der Körper des Verbinders, geformt aus elastomerem Material, weist eine Reihe fester Abstandhalter auf, wie 33, die als die Öffnungen 32 umge bend gezeigt sind, und weiterhin Abstandhalter 35, die in die Außen ränder 34 des Verbinders eingebettet sind. Diese Abstandhalter regeln genau den Abstand zwischen den Kontaktstellen 22 des Chipträgers 18 und den Kontaktstellen 14 der Platte 12 durch Begrenzen des Zusammendrückens des Leiters 30.

Die Figur zeigt nur eine Ausführungsform einer elektrischen Verbin dungsvorrichtung, die aus den von dem erfindungsgemäßen leitfähigen Gel angebotenen einzigartigen Eigenschaften Vorteile ziehen kann.

Claims

1. Elektrisch leitfähiges Silikongel mit einer Kombination leitfähiger Teilchen, aufweisend silberbeschichteten Glimmer und Silberflocken, die darin gleichförmig verteilt sind, wobei das Gel gekennzeichnet ist als ein nicht fließendes, selbstheilendes und thermisch stabiles Gel mit einem Volumenwiderstand von weniger als etwa 2,0 Milliohm-cm.

2. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach Anspruch 1, bei dem die leitfä higen Teilchen in einer Menge zwischen 60 und 75 Gewichtsprozent anwesend sind.

3. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verhältnis von Silberflocken zu silberbeschichtetem Glimmer etwa 2 : 1 ist.

4. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ein vernetztes Polysiloxan-Polymer ist.

5. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ein Polydimethyl-Siloxan mit Vinylabschluß ist, vernetzt mit einem flexiblen Vernetzer, vermittelt durch einen Dichlordicarbonyl-Platin (II)- Katalysator.

6. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Silberflocken vor ihrer Verteilung innerhalb des Gels ge säubert und geätzt sind.

7. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach Anspruch 6, bei dem die ge ätzten Silberflocken eine aufgerauhte Oberfläche aufweisen, um den Kontakt zwischen benachbarten Silberflocken und silberbeschichtetem Glimmer zu verstärken.

8. Elektrisch leitfähiges Silikongel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, erhalten durch Mischen des Gels und der leitfähigen Teilchen in einer im wesentlichen luftfreien Atmosphäre.