DE3037341A1

DE3037341A1 - Elektrisches verbindungsstueck

Info

Publication number: DE3037341A1
Application number: DE19803037341
Authority: DE
Inventors: Mikio Tokyo Furukawa; Masayuki Omiya Saitama Mitsuhashi; Akio Urawa Saitama Nakamura; Storu Omiya Saitama Yamanobe
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1979-10-03
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1981-04-23
Also published as: GB2061632A; DE3037341C2; GB2061632B; JPS5652885A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Verbindungsstück der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Speziell betrifft die Erfindung ein elektrisches Verbindungsstück zur Herstellung elektrisch leitender Kontaktverbindungen unter Andruck der miteinander zu verbindenden Kontakte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektrisches Verbindungsstück, das bestimmungsgemäß sandwichartig unter Druck zwischen zwei miteinander zu verbindende Kontaktelektrodenfelder, insbesondere Kontaktleisten, eingespannt wird.

Solche elektrischen Verbindungsstücke zur Herstellung elektrisch leitender Verbindungen zwischen zwei Baugruppen, insbesondere Schaltkarten, die die elektrischen Verbindungen unter Kontaktandruck herstellen, sind in jüngerer Zeit zahlreich angewendet worden, so beispielsweise zum Verbinden und Anschließen von Schaltkarten mit mehreren Anschlüssen. Ein solches elektrisches Verbindungsstück weist eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit in Richtung der einander gegenüberliegenden und das Verbindungsstück einspannenden Anschlußkontakte der miteinander zu verbindenden elektrischen Baugruppen, insbesondere Schaltkarten, auf. Dadurch wird eine elektrische Leitung ausschließlich zwischen den zugeordnet, in der Regel einander gegenüberliegend angeordneten Anschlußkontakten der Schaltkarten erzielt. Quer zu dieser Richtung der anisotropen Leitfähigkeit, also in Richtung von einem Anschlußkontakt der miteinander zu verbindenden Kontaktleisten zum benachbarten Anschlußkontakt, ist das elektrische Verbindungsstück ein Isolator.

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Verbindungsstücke dieser Art sind als Verbundkörper ausgebildet, die aus einem elektrisch isolierenden Elastomer als Grundkörper bestehen. Dieser Grundkörper weist einander gegenüberliegend zwei ebene Oberflächen auf sowie eine Schar elektrisch leitfähiger Elemente (im folgenden kurz "Leiterbahnen" genannt), die parallel zueinander angeordnet sind und von einer der ebenen Oberflächen des Grundkörpers zur gegenüberliegenden Fläche verlaufen. Die Leiterbahnen sind dabei so in den Grundkörper eingebettet, daß sie elektrisch voneinander isoliert sind. Sie verbinden auf diese Weise die beiden einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen des Grundkörpers des elektrischen Verbindungsstücks. Ein solches Verbindungsstück wird sandwichartig zwischen die miteinander zu verbindenden Kontaktleisten, insbesondere die" miteinander zu verbindenden Kontaktleisten von zwei Schaltkarten, eingespannt, wobei jeweils eine Kontaktleiste einer der Schaltkarten mit einer der planen Oberflächen des Verbindungsstücks in Berührung steht. Dabei sind die Anschlußkontakte der Kontaktleiste der Schaltkarte jeweils ganz bestimmten Leiterbahnen zugeordnet, so daß die Leiterbahnen an ihren jeweils beiden Enden mit den Kontaktanschlüssen der Schaltkarten in Berührung stehen und diese miteinander verbinden (vgl. US 4 201 423 A1)

Elektrische Druckkontakt-Verbindungsstücke dieser Art werden beispielsweise zum elektrischen Verbindung von Anzeigeeinheiten, beispielsweise Flüssigkristallanzeigeeinheiten, Elektrolumineszenzanzeigeeinheiten oder elektrochromen Anzeigeeinheiten, mit einer Schaltkarte verwendet, die eine Treiberschaltung für die Anzeigeeinheit enthält. In jüngerer Zeit werden die Anschlußkontakte für solche Anzeigebauelemente aus einem elektrisch leitfähigen durchsichtigen Film hergestellt,

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der aus einem Metalloxid besteht. Als Metalloxide zur Herstellung der Anschlußkontakte dienen insbesondere Vanadium(III)-oxid V₃O , Silber(II)-oxid AgO, Zinkoxid ZnO, Titan(II)-oxid TiO, Titan(IV)-oxid TiO , Nickel(II)-oxid NiO, Indiumoxid In„0_ und Zinn(IV)-oxid SnO„ sowie eine Reihe oxidischer Massen aus verschiedenen Substanzen, beispielsweise ein mit Zinnoxid vermischtes Indiumoxid oder ein Zinnoxid, das mit Cadmium oder Antimon gemischt ist.

Die Anwendbarkeit der Druckkontakt-Verbindungsstücke ist hinsichtlich der zur Herstellung der elektrischen Kontakte verwendeten Werkstoffe und des über die so hergestellten elektrischen Kontakte fließenden elektrischen Stroms Beschränkungen unterworfen. So müssen beispielsweise elektrochrome Anzeigeeinheiten oder Elektrolimineszenzanzeigeeinheiten mit wesentlich größeren elektrischen Treiberströmen als Flüssigkristallanzeigeeinheiten beaufschlagt werden. Die bekannten und gebräuchlichen elektrischen Verbindungsstücke, bei denen die Leiterbahnen aus einem mit Kohlenstoff gefüllten Elastomer bestehen, wobei der Kohlenstoff die elektrische Leitfähigkeit des Elastomers herbeiführt, können nicht zum Anschließen von Anzeigeeinheiten verwendet werden, die hohe Treiberströme benötigen, da die Leiterbahnen bereits in sich einen zu hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen. Der Gesamtwiderstand der Verbindungsstrecke wird insbesondere dann groß, wenn die Anschlußkontaktelektroden auf den Schaltkarten aus den oben beschriebenen durchsichtigen Metalloxidschichten bestehen.

Zur Verwendung im Bereich höherer Ströme sind als Alternative zu den vorstehend beschriebenen Verbindungsstücken solche Druckkontakt-Verbindungsstücke bekannt,

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bei denen die Leiterbahnen aus dünnen Metalldrähten bestehen, die den elektrisch isolierenden Elastomergrundkörper durchsetzen. Auch sind Verbindungsstücke auf der Basis eines Grundkörpers aus einem elektrisch isolierenden Elastomer bekannt, die einen pulvrigen Werkstoff enthalten, der eine besonders gute spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, insbesondere ein mit Silberpulver gefülltes Elastomer.

Die vorstehend beschriebenen bekannten Verbindungsstücke mit hoher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit für den Einsatz im Bereich höherer Ströme vermögen jedoch nicht die gestellten Ansprüche zu erfüllen. So versagen beispielsweise die mit den dünnen Metalldrähten durchsetzten Verbindungsstücke häufig, wenn sie zyklisch einer Kompression und Entlastung ausgesetzt werden, beispielsweise beim Austauschen oder wiederholten Austauschen der anzuschließenden bzw. angeschlossenen Bauelemente. Solch eine wiederholte Belastung und Entlastung eines solcherart aufgebauten elektrischen Verbindungsstücks führt leicht zum Knikken oder Brechen der in die elektrisch isolierende Elastomermatrix eingebetteten dünnen Metalldrähte. Die mit dem elektrisch leitfähigen Metallpulver gefüllten Verbindungsstücke auf der Basis eines Elastomers, insbesondere die mit Silberpulver gefüllten Verbindungsstücke, weisen häufig Kontaktprobleme auf, und zwar insbesondere, wenn das Verbindungsstück in relativ feuchter Atmosphäre verwendet wird. Diese unerwünschten Erscheinungen bei den gefüllten Verbindungsstücken sind wahrscheinlich auf die Ausbildung von Lokalelementen zwischen den in der Oberfläche de:; Verbindungsstücks freiliegenden Metallteilchen und dem als Werkstoff der Anschlußkontakte dienenden Metalloxid zurückzuführen.

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Bei hoher Luftfeuchtigkeit kondensiert die Feuchtigkeit im Kontaktbereich zwischen den beiden Werkstoffen und führt zur Ausbildung dieser Lokalelemente.

Zur näheren Erläuterung der Bildung der vorstehend erwähnten Lokalelemente sei angenommen, das Metallpulver im Elastomer sei Silber und die durchsichtige Metalloxidelektrode bestünde typischerweise aus Indiumoxid. In Gegenwart von Wasser treten dabei folgende elektrochemische Gleichgewichte auf:

1/3 In³⁺ + e 1/3 In (I),

wobei E. = -0,342 V und K. = 1,8 x 10 bei 25°C;

und 1/2 Ag₂O + 1/2 HO + e ;=^ Ag + OH (II) ,

O C

wobei E = -0,344 V und K = 6,0 χ 10 bei 25°C.

Die Werte für die Standardpotentiale E und E sind einer Datensammlung (Metals Data Book der Nippon Kinzoku Gakkai) entnommen. Die Gleichgewichtskonstanten K₁ und K sind aus der Beziehung log K = 16,8 E zwischen dem Standardpotential und der Gleichgewichtskonstanten berechnet. Dabei liegt der Gleichung (I) die Annahme zu Grunde, daß bei der Dissoziation des Indiumoxids inJD^ Sauerstoff freigesetzt wird.

Die Kombination der Gleichungen (I) und (II) ergibt

1/3 In³⁺ + Ag + 0H~^1/3 In + 1/2 Ag₃O + 1/2 H₃Q (III), wobei E₃ = 0,686 V und K₃ = 3 χ 10~¹² bei 25°C.

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Auf Grund der ungewöhnlich kleinen Gleichgewichtskonstanten K läuft die Reaktion der Gleichung (III) praktisch nicht von links nach rechts ab, so daß keine Anteile von Silberoxid Ag.,0 auf der Oberfläche der Silberteilchen gebildet werden. Experimentell läßt sich jedoch bestätigen, daß der Widerstand zwischen einer Elektrode aus Indiumoxid und einem mit Silberpulver gefüllten, elektrisch leitfähigen Elastomer allmählich zunimmt, wenn die Indiumoxidelektrode als Anode und der mit dem Silberpulver gefüllte Kautschuk als Kathode geschaltet sind. Bei dieser Polung wird das reversible elektrochemische Gleichgewicht der Reaktion der Gleichung (III) mit einer elektromotorischen Kraft beaufschlagt, die das Gleichgewicht der Reaktion von links nach rechts verschiebt, also zur Bildung von elektrisch isolierendem Silberoxid Ag O führt.

Die vorstehend für die Werkstoffkombination Indiumoxid und Silber im einzelnen dargelegten elektrochemischen Verhältnisse gelten entsprechend auch für andere Kombinationen von Silber mit den Oxiden anderer Metalle.

Wenn also ein elektrischer Strom über einen Kontakt fließt, der auf der einen Seite aus einem elektrisch leitfähigeri Kautschuk der oben beschriebenen Art und auf der anderen Seite aus einer Metalloxidelektrode besteht, wobei an der Kontaktgrenzfläche ein Lokalelement entsteht, werden die im Elastomer dispergierten Silberteilchen rasch zu Silberoxid Ag„O oxidiert, wenn der elektrische Strom dem elektrochemischen Gleichgewicht entgegengesetzt gepolt ist, so daß der Kontaktwiderstand stark zunimmt und schließlich sogar zur Unterbrechung des elektrischen Kontaktes führen kann.

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Ein weiteres Problem tritt bei elastischen Verbindungsstücken mit Leiterbahnen aus einem mit Silberpulver gefüllten, elektrisch leitfähigen Kautschuk dadurch auf, daß beim Anlegen einer äußeren Gleichspannung in feuchter Atmosphäre eine Silbermigration stattfindet. Das in der Elastomermatrix dispergierte Silber wandert allmählich quer zur Leiterbahn auf die Oberfläche des elektrisch isolierenden elastischen Grundkörpers aus, der an die Leiterbahn grenzt, so daß Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahnen auftreten können.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die bekannten elastischen Verbindungsstücke mit zueinander parallelen Leiterbahnen quer zur Längsrichtung des Verbindungsstücks, bei denen die Leiterbahnen aus mit Metallpulver, speziell mit Silberpulver, gefüllten Elastomeren bestehen, noch erhebliche Mängel aufweisen.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gummielastisches Verbindungsstück zur Herstellung elektrischer Anschlüsse unter mechanischem Andruck der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die genannten Probleme nicht mehr auftreten, also daß solche Verbindungsstücke dauerhaft niedrige Kontaktwiderstände bei dauerhaft zuverlässiger Isolation der einzelnen Leiterbahnen gegeneinander aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das Verbindungsstück der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs genannten Merkmale auf.

Das elastische Verbindungsstück der Erfindung zur Herstellung elektrischer Anschlüsse unter mechanischem Andruck der Kontakte bzw. Kontaktleisten besteht also aus

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(a) einem elektrisch isolierenden Grundkörper, der

(b) mehrere im wesentlichen lineare Leiterbahnen trägt. Der elektrisch isolierende Grundkörper (a) besteht aus einem elektrisch isolierenden gummielastischen Elastomer, der zumindest zwei ebene, einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist. Die Leiterbahnen (b) verlaufen in aller Regel zumindest im wesentlichen parallel zueinander und sind ebenfalls zumindest im wesentlichen linear konfiguriert. Die Leiterbahnen sind in den elektrisch isoliegenden Grundkörper eingebettet. Die Leiterbahnen bestehen aus einem elektrisch leitfähigen elastischen Werkstoff, der seinerseits aus einer Elastomermatrix besteht, in der zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit ein Metallpulver dispergiert ist. Dabei verlaufen die Leiterbahnen in der Weise, daß jeweils eines ihrer beiden Enden jeweils in einer der beiden einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen des elektrisch isolierenden Grundkörpers frei zugänglich liegt. Dabei sind in zumindest einer dieser beiden einander gegenüberliegenden ebenen Oberflächen des elektrisch isolierenden Grundkörpers zahlreiche voneinander unabhängige sehr kleine konkave Höhlungen ausgebildet, die im folgenden kurz als "Mikrokonkavitäten" bezeichnet sind.

Vorzugsweise besteht der elektrisch isolierende elastische Grundkörper aus einem geschäumten Elastomer, dessen Struktur aus geschlossenen Zellen aufgebaut ist. Die angeschnittenen leeren Zellen des Schaumgummis, die an der Oberfläche des Grundkörpers freiliegen, bilden dann die voneinander unabhängigen Mikrokonkavitäten.

Der elektrisch isolierende elastische Grundkörper, der die Außenkontur des Verbindungsstücks bestimmt, besteht vorzugsweise aus einem relativ weich eingestellten Kau-

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tschukelastomer. Als Kautschukelastomere für den Grundkörper werden vorzugsweise folgende Werkstoffe verwendet: Polychloropren, Styrol-Butadien-Copolymer, Polysulfitkautschuk, Polybutadien und Siliconkautschuk. Dabei richten sich selbstverständlich die äußeren Abmessungen und die Konfiguration des Grundkörpers des Verbindungsstücks nach den Anforderungen des speziellen Anwendungsgebietes. Das Verbindungsstück kann beispielsweise die Form einer Scheibe, eines quadratischen oder rechteckigen Plättchens, eines Ringes, eines rechteckigen Rahmens oder jede beliebige andere Form haben. Üblicherweise wird der Grundkörper jedoch langgestreckt sein und die Form einer Leiste oder eines Strangmaterials mit insbesondere rechteckigem Querschnitt haben. Häufig wird auch der nach Art einer Kontaktleiste strangartig ausgebildete Grundkörper kompliziertere Querschnitte aufweisen, die vom rechteckigen Querschnitt deutlich abweichen. Wesentlich ist lediglich, daß der elektrisch isolierende Grundkörper des Verbindungsstücks zwei einander gegenüberliegende flache Oberflächen aufweist, die mit den Kontaktleisten der anzuschließenden elektrischen Baugruppen, insbesondere Schaltkarten, in Berührung gebracht werden können. Diese unter mechanischem Andruck erfolgende Kontaktgabe muß dabei gewährleisten, daß die Anschlußkontakte der Kontaktleiste der Schaltkarte elektrisch leitend mit den im Grundkörper des Verbindungsstücks eingebetteten Leiterbahnen elektrisch leitend in Berührung treten können. Die flachen Kontaktflächen, besser Kontaktleistenflächen, des Grundkörpers brauchen nicht notwendigerweise parallel zueinander zu verlaufen, sondern können auch einen definierten Winkel einschließen.

Das wichtigste erfindungswesentliche Merkmal des Verbindungsstücks ist, daß zumindest eine der beiden ein-

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ander gegenüberliegenden ebenen Kontaktflächen des elektrisch isolierenden Grundkörpers mit einer Vielzahl winziger und voneinander unabhängiger konkaver Höhlungen, den "Mikrokonkavitäten", versehen ist. Eine solche Oberfläche mit isolierten Mikrokonkavitäten kann beispielsweise durch Ausformen des Grundkörpers aus einer Gummimischung in einem Formwerkzeug erhalten werden, dessen Formnestflächen embossiert sind. Die Beschxeibung "unabhängig voneinander" bzw. "isoliert" hinsichtlich der Mikrokonkavitäten meint dabei, daß jede einzelne dieser Mikrokonkavitäten eine klar umschriebene konkave Ausnehmung in der Oberfläche bildet, die von jeder benachbarten Mikrokonkavität streng abgegrenzt, im geometrischen Sinne also isoliert ist, und zwar auch dann, wenn das Verbindungsstück sandwichartig zwischen zwei anzuschließende Baugruppen, beispielsweise Schaltkarten, eingespannt ist und der elektrisch isolierende Grundkörper, in dem die Mikrokonkavitäten ausgebildet sind, mit der bzw. mit den Oberflächen der Schaltkarten direkt in Berührung steht.

Der Querschnitt der einzelnen Mikrokonkavität ist nicht spezifisch kritisch. Die Mikrokonkavitäten können einen kreisförmigen, rechteckigen oder irregulären Querschnitt aufweisen. Wenn die Mikrokonkavitäten kreisförmigen Querschnitt haben und zumindest im wesentlichen die Form einer Halbkugel haben, liegt der Durchmesser jeder einzelnen Mikrokonkavität vorzugsweise iia Bereich von 1 bis 500 μπι, insbesondere im Bereich von 50 bis 200 um. Die Verteilungsdichte der Mikrokonkavitäten an der Oberfläche des Grundkörpers, insbesondere im Rahmen der vorstehend genannten Abmessungsbereiche, beträgt vorzugsweise

— ° —2

mindestens 100 cm "". insbesondere mindestens 400 cm

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Wie bereits erwähnt, kann der elektrisch isolierende Grundkörper des Verbindungsstücks mit der zumindest einen flachen Oberfläche, in der die Mikrokonkavitäten ausgebildet sind, durch Formpressen oder Spritzgießen einer unvernetzten Elastomermischung in einem Formwerkzeug aus Metall erfolgen. Alternativ kann ein elektrisch isolierender Grundkörper mit den genannten Konfigurationsmerkmalen auch als zelliger Schaumstof£-· körper mit geschlossener Porenstruktur hergestellt werden, in dem jede einzelne Pore von der anderen isoliert ist. Wird ein solcher Schaumstoff in einer Ebene geschnitten, so weist die Schnittebene isolierte Mikrokonkavitäten im oben definierten Sinne der Erfindung auf.

Verfahren zur Herstellung solcher Schaumstoffe, speziell geschäumter Elastomerformstoffe, sind an sich jedem Fachmann bekannt, üblicherweise wird eine Gummimischung, die ein physikalisches, insbesondere aber auch chemisches Treibmittel enthält, unter Erwärmung ausgeformt. Der Grad der Verschäumung liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 4,0, insbesondere im Bereich von 1,3 bis 2,5, um die oben genannten Bedingungen für die Abmessungen der einzelnen Mikrokonkavitäten und deren Dichteverteilung auf der Oberfläche des Grundkörpers einzustellen. Wenn das Schäumungsverhältnis kleiner als 1,1 ist, weist der Elastomerschaumstoff eine Härte auf, die nicht wesentlich kleiner als die Härte der elastischen Leiterbahnen ist. Außerdem werden die Abmessungen der Mikrokonkavitäten zu klein. Ist auf der anderen Seite der Schäumungsgrad größer als 4,0, so wird eine zu grobe Porenstruktur im Schaumstoff erhalten. Außerdem weist der Schaumstoffkörper ungenügende Werte für den Druckverformungsrest auf. Aus einem solchen Schaumstoff hergestellte Verbindungsstücke erfüllen nicht die an solche Verbindungsstücke gestellten Anforderungen.

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Als Werkstoff für die Herstellung solcher elastomerer Schaumstoffe wird vorzugsweise ein Siliconkautschuk mit einer nach der Skala der Japanischen Industrienorm gemessenen Härte von 2 0 bis 40 eingesetzt. Ein solcher Werkstoff zeichnet sich durch einen sehr kleinen Druckverformungsrest, durch eine ungewöhnlich gute Alterungsbeständigkeit und durch gute Verarbeitbarkeit aus.

Wenn die Mikrokonkavitäten in der vorzugsweise vorgesehenen Ausgestaltung der Erfindung durch Schneiden eines Schaumstoffes hergestellt werden, ist es selbstverständlich nicht erforderlich, daß das gesamte Volumen des elektrisch isolierenden elastischen Grundkörpers als Schaumstoff ausgebildet ist. Vielmehr reicht es vollkommen aus, wenn eine Oberflächenschicht des elastischen Grundkörpers in einer Stärke von mindestens ungefähr 100 μ,ΐη, vorzugsweise mindestens ungefähr 200 um, die beschriebene Schaumstruktur aufweist.

Die elastischen Leiterbahnen können aus prinzipiell beliebigem, elektrisch leitfähigem elastischem Werkstoff bestehen und bestehen vorliegend insbesondere aus einem Matrixelastomer, das mit einem elektrisch leitfähigen Pulver, insbesondere einem Metallpulver, gefüllt ist. Als Metallpulver wird zur Herstellung des elektrisch leitfähigen Elastomers insbesondere Silberpulver verwendet. Statt des Silbers kann auch ein Pulver aus versilberten Kupferteilchen oder Glasteilchen verwendet werden. Diese elektrisch leitfähigen Pulver werden in einer elektrisch isolierenden Kunststoffmatrix oder Elastomermatrix dispergiert. Als Werkstoff für die Matrix der Leiterbahnen dienen vorzugsweise Urethanharze, ürethanelastomere, Epoxidharze, Polyesterharze, Siliconharze oder Siliconelastomere.

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Das in dieser Matrix dispergierte elektrisch leitfähige Pulver, also insbesondere das Silberpulver, weist vorzugsweise eine Korngröße von kleiner als 50 μπι, vorzugsweise insbesondere kleiner als 15 μπι, auf. Die Menge bzw. die Konzentration des in der elektrisch isolierenden Matrix der Leiterbahnen dispergierten elektrisch leitfähigen Pulvers hängt primär selbstverständlich von der elektrischen Leitfähigkeit ab, die die Leiterbahnen des Verbindungsstücks aufweisen sollen. Sie hängt darüber hinaus von der Härte und anderen mechanischen Kenndaten sowohl der Leiterbahn also auch des gesamten Verbundkörpers, ■ der das Verbindungsstück bildet, ab. üblicherweise beträgt die Silberpulverkonzentration im elektrisch isolierenden Matrixpolymer vorzugsweise ungefähr 70 bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Polymers. Die Härte der Leiterbahnen liegt vorzugsweise im Bereich von 40 bis 80, gemessen nach der Skala der Japanischen Industrienorm. Dies ist auf eine Härte des elektrisch isolierenden Grundkörpers von 20 bis 40 Einheiten derselben Skala bezogen. Prinzipiell ist der Werkstoff der Leiterbahnen vorzugsweise härter als der Werkstoff des elektrisch isolierenden Grundkörpers.

Die obere Grenze der Silberkonzentration in der Polymermatrix der Leiterbahnen ist prinzipiell durch die zunehmend schlechter werdende Verarbeitbarkeit der Gummimischungen und die zunehmende Versprödung des vernetzten gefüllten Leiterbahnpolymers gegeben.

Die aus dem vorstehend beschriebenen Werkstoff hergestellten Leiterbahnen bzw. Leiterbahnkörper werden in der vorgegebenen Weise ausgerichtet in den elektrisch isolierenden Grundkörper eingebettet. Die Art der Einbettung der Leiterbahnen in den elektrisch isolierenden

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Grundkörper erfolgt nach gebräuchlichen Verfahren und braucht daher hier im Detail nicht beschrieben zu werden. Die Leiterbahnen werden vorzugsweise zumindest im wesentlichen parallel zueinander so in den elektrisch isolierenden Grandkörper eingebettet, daß jeweils ein Ende jeder Leiterbahn in einer der beiden einander gegenüberliegenden flachen Oberflächen des elektrisch isolierenden Grundkörpers liegt. Dabei ist es nicht erforderlich, daß die stirnseitigen Endflächen der Leiterbahnen koplanar mit der Oberfläche des elektrisch isolierenden Grundkörpers sind. Vielmehr können die kontaktgebenden stirnseitigen Endflächen der Leiterbahnen oder Leiterpfade auch geringfügig über die Ebene der Oberfläche des elektrisch isolierenden Grundkörpers überstehen oder können auch geringfügig unterhalb dieser Oberflächenebene des elektrisch isolierenden Grundkörpers enden, solange gewährleistet ist, daß diese kontaktgebenden stirnseitigen Endflächen der Leiterbahnen oder Leiterpfade bei Andruck der anzuschließenden Kontaktleiste unter elektrischer Kontaktgabe die Anschlußkontakte des anzuschließenden Bauelements bzw. der anzuschließenden Baugruppe berühren.

Die linearen Leiterbahnen brauchen im elektrisch isolierenden Grundkörper selbstverständlich nicht unbedingt planar ausgerichtet zu sein, sondern können nach den jeweils speziellen Anforderungen des speziellen Anwendungsgebiets angeordnet und ausgerichtet sein. Insbesondere kann sich die Anordnung der Leiterbahnen nach der Geometrie der Anschlußkontakte auf den anzuschließenden Schaltkarten und Baugruppen richten. Gebräuchlicherweise sind die Leiterbahnen bei strangförmiger Konfiguration des elektrisch isolierenden Grundkörpers in diesem so angeordnet, daß die Lei-

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terbahnen im wesentlichen parallel zueinander und in einer Reihe angeordnet sind, die in einer Ebene liegen, die sich in Richtung der Längsachse des strangförmigen Verbindungsstücks erstreckt. Dabei sind die Querschnitte der Leiterbahnen und der Abstand zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Leiterbahnen bei dieser Anordnung selbstverständlich nicht kritisch und können sich nach den Abmessungen, Anordnungen und Bedingungen der Anschlußkontakte auf den Kontaktleisten der miteinander zu verbindenden Schaltungsbaugruppen, insbesondere Schaltkarten, richten.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zur Herstellung des Verbindungsstücks wird zunächst auf einem als Träger geeigneten Flächenmaterial die benötigte Anordnung der Leiterbahnen hergestellt. Der Träger kann beispielsweise eine Kunststoffolie sein, insbesondere eine Folie aus Polyethylenterephthalat, Polyethylen oder Polypropylen. Die Leiterbahnen werden als unvernetzte elektrisch leitfähige und mit einem Metallpulver, vorzugsweise Silberpulver, gefüllte Formmasse in der benötigten Breite und Stärke aufgebracht, üblicherweise werden solche Leiterbahnen durch Drucken, speziell durch Siebdrucken, Tiefdruck oder Offesetdruck, in dem jeweils benötigten Muster auf die Trägerfolie gedruckt. Dabei kann die bedruckte Oberfläche der Trägerfolie zuvor mit einem Trennmittel behandelt sein.

Nach dem Aufbringen der Leiterbahnen wird die bedruckte Oberfläche der Trägerfolie mit einer Schicht der unvernetzten, treibmittelhaltigen,elektrisch isolierenden Gummimischung bedeckt, die nach dem Vernetzen den Werkstoff des Grundkörpers des Verbindungsstücks bildet.

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Durch Aufdrücken der Folie auf dem unvernetzten Werkstoff werden die auf der Oberfläche des Trägers aufgedruckten Leiterbahnen in die unvernetzte Elastomerschicht eingedrückt. Anschließend kann die Trägerfolie abgezogen werden, so daß die Leiterbahnen eingedrückt in der unvernetzten Elastomermischung verbleiben. Anschließend wird eine zweite Folie aus dem gleichen unvernetzten Elastomermaterial auf die Oberfläche der ersten unvernetzten Folie gelegt, in der die Leiterbahnen liegen. Die Trägerfolie wird al-so gegen eine zweite unvernetzte Elastomerfolie ausgetauscht. Die aus den beiden zusammengefügten unvernetzten Elastomerfolien mit den zwischenliegenden Leiterbahnen gebildete Struktur wird dann vernetzt. Wenn die unvernetzten, elektrisch isolierenden Elastomermassen ein Treibmittel enthalten, tritt beim Vernetzen gleichzeitig ein Verschäumen ein. Nach Abschluß des Verschäumens und Vernetzens wird die erhaltene homogene und gleichsam einstückige Elastomer-Verbundstruktur in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Leiterbahnen in der benötigten Weise geschnitten.

Das Verbindungsstück der Verbindung ist mit einer relativ großen Anzahl isolierter Mikrokonkavitäten auf zumindest einer seiner Kontaktoberflächen versehen. Wenn ein solches isolierte Mikrokonkavitäten in seiner Kontaktfläche aufweisendes Verbindungsstück in einer feuchten Atmosphäre eingesetzt wird, in der eine Kondensation aus der Atmosphäre unvermeidbar ist, tritt auf der kontaktgebenden Oberfläche des Verbindungsstücks und auf den Anschlußelektroden der anzuschließenden Baugruppe zwangsläufig eine Kondensationsfeuchtigkeitsschicht auf. Bei dem Verbindungsstück der Erfindung wird diese Feuchtigkeitsschicht jedoch unterbrochen und eingeschlossen in den einzelnen a:n der Oberfläche des Verbindungsstücks ausgebildeten Mikrokonkavitäten, die

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jeweils von den benachbarten Mikrokonkavitäten hermetisch isoliert sind. Durch dieses Aufbrechen der Feuchtigkeitskondensationsschicht in isolierte Bereiche wird die Bildung einer zusammenhängenden Kondensations feuchtigkeitsschicht im Kontaktbereich verhindert und wird dadurch die Silbermigration in der Kontaktgrenzfläche und die elektrochemische Oxidation des Silbers bei der Bildung der Lokalelemente unterdrückt. Dieser Mechanismus bewirkt für das elektrische Verbindungsstück auch beim Betrieb in feuchter Atmosphäre langfristig ungewöhnlich konstante Kenndaten. Dieses Aufreißen der Feuchtigkeitsschicht ist dann besonders effektiv, wenn das Verbindungsstück sandwichartig eingespannt zwischen zwei Schaltkarten eincfesetzt wird, und zwar unter einer Druckverformung von ungefähr 5 bis 30 %, vorzugsweise 5 bis 15 %. Unter diesen Bedingungen wirken die jede einzelne Mikrokonkavität umgebenden Begrenzungswände als Trennwände in der Feuchtigkeitsschicht, gleichsam als Dichtungen, die den Hohlraum jeder Mikrokonkavität gegen die Oberfläche der Schaltkarte abdichten. Die Kondensationsfeuchtigkeit ist also in jeder einzelnen der Mikrokonkavitäten hermetisch abgedichtet eingeschlossen.

Vergleichsversuch:

Ein Verbindungsstück gemäß Erfindung wird aus einem eleltrisch isolierenden Grundkörper, der aus einem zellig geschäumten Siliconkautschuk besteht, und linearen Leiterbahnkörpern hergestellt, die aus einem mit Silberpulver gefüllten Siliconkatuschuk bestehen.

Das Verbindungsstück hat eine strangartige Konfiguration, ist 50 mm lang, 3,5 mm hoch und 3,0 mm breit und weist im Schnitt senkrecht zur Längsachse einen rechteckigen Querschnitt auf.

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Der elektrisch isolierende Grundkörper aus zelligem Siliconkautschuk wird aus einer Mischung hergestellt, die aus einem im Handel erhältlichen Siliconkautschuk, einem Vernetzungsmittel und Azobisisobutyronitril als Treibmittel besteht. Die Formmasse wird unter Ausdehnung und Schäumung·vernetzt. Das Schäumungsverhältnis betragt 1,6. Eine aus diesem geschäumten Elastomer geschnittene Oberfläche weist eine Mikrokonkavitätenverteilungsdichte von 500 cm auf. Der mittlere Durchmesser der Konkavitäten liegt bei 150 μπι. Die Durchmesserbestimmung wird mikroskopisch durchgeführt. Die Härte des Elastomerschaumstoffs entspricht insgesamt dem Wert 30 nach der Skala der Japanischen Industrienorm.

Die Leiterbahnen sind 3,5 jnm lang, 0,20 mm breit und 0,05 0 mm stark. Sie werden aus einem im Handel erhältlichen, bei niedrigen Temperaturen vernetzbaren Siliconkautschuk hergestellt, der mit 80 Gew.-% Silberpulver gefüllt ist. Der mittlere Teilchendurchmesser des Silberpulvers liegt bei ungefähr 0,3 um. Der spezifische elektrische Widerstand der Leiterbahnen beträgt 1,5 χ 10 Ohm <■ cm. Die Härte der Leiterbahnen beträgt 60 nach der Skala der Japanischen Industrienorm.

Diese Leiterbahnen bzw. Leiterbahnkörper werden in der Weise in den elektrisch isolierenden Grundkörper des Verbindungsstücks eingearbeitet, daß sie in der Mittelebene des Verbindungsstücks liegen, in der auch die zentrale Längsachse des Verbindungsstücks liegt. Der Ab- · stand der einzelnen Leiterbahnen voneinander beträgt jeweils O₇4 mm. Die einzelnen Leiterbahnen verlaufen parallel zueinander. Die stirnseitigen Endflächen jeder einzelnen Leiterbahn erreichen jeweils gerade die obere bzw. die untere Oberfläche des elektrisch isolierenden Grundkörpers. Dabei liegt die breite Seite des recht-

-1 "> Λ t\ ^ 1 <? Πι ^ ζ Λ

eckigen Stirnflächen der Leiterbahnen in Richtung der Längsachse des strangförmigen Verbindungsstücks. Das so ausgebildete Verbindungsstück ist im folgenden als "Verbinder A" bezeichnet.

Zum Vergleich wird ein "Verbinder B" mit den gleichen Abmessungen wie der Verbinder A hergestellt, wobei jedoch statt des geschlossenzellig geschäumten Siliconkautschuks ein anderes Elastomer als Werkstoff für den elektrisch isolierenden Grundkörper eingesetzt wird. Die Leiterbahnen sind im Verbinder B die gleichen wie im Verbinder A.

Der Werkstoff für den elektrisch isolierenden Grundkörper im Verbinder B ist ein ungeschäumter Siliconkautschuk mit glatten Oberflächen, die keine Mikrokonkavitäten aufweisen. Die Härte des Siliconkautschuks' beträgt 50 nach der Skala der Japanischen Industrienorm.

Außerdem werden zwei weitere Verbindungsstücke, nämlich die "Verbinder C" und "Verbinder D",hergestellt. Der Verbinder C weist die Merkmale der Erfindung auf, während der Verbinder D Vergleichszwecken dient. Struktur und Konfiguration dieser beiden Verbinder entsprechen dem Verbinder gemäß Fig. 2 der Druckschrift US 4 201 435 Al. Die Verbindungsstücke sind also aus alternierenden Schichten eines elektrisch leitfähigen Elastomers mit einer Härte von 60 und eines elektrisch isolierenden Elastomers mit einer Härte von 50 nach der Skala der Japanischen Industrienorm aufgebaut. Sowohl das elektrisch leitende als auch das elektrisch isolierende Elastomer sind Siliconelastomere. Diese geschichteten Verbundstrukturen sind an den stirnseitigen Endflächen mit Schutzelementen versehen.

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Im Fall des Verbinders C bestehen diese seitlichen Schutzflanken aus einem geschlossenzellig geschäumten Siliconkautschuk, dessen Härte ungefähr 30 nach der Skala der Japanischen Industrienorm entspricht. Die Kontaktleistenfläche des Verbinders C weist eine Verteilungsdichte der Mikrokonkavitäten von ungefähr

—2
800 cm auf. Der mittlere Durchmei kavitäten beträgt ungefähr 120 μπι.

—2
800 cm auf. Der mittlere Durchmesser der Mikrokon-

Bei dem zu Vergleichszwecken dienenden Verbinder D bestehen diese seitlichen Schutzelemente aus einem unverschäumten Silicongummi mit einer Härte von 20 (Japanische Industrienorm), so daß also die Kontaktoberflächen des Verbindungsstücks glatt sind und keine Mikrokonkavitäten aufweisen.

Jeder der so hergestellten Verbinder A, B, C und D wird dann zur Leistungsprüfung sandwichartig zwischen die Indiumoxidelektroden einer elektronischen Anzeigebaugruppe und vergoldeten Anschlußkontakten aus Kupfer eingespannt, die durch Ätzen auf einer gedruckten Schaltkarte, die den Treiber für die Anzeigebaugruppe trägt, hergestellt sind. In allen Fällen beträgt die Druckverformung des zwischen die Anzeigeeinheit und die Treiberkarte eingespannten Verbindungsstücks 15 %. Der PrüfStromkreis ist so geschaltet, daß die Indiumoxidelektrode als Anode gepolt ist und die vergoldeten Anschlußkontakte als Kathode gepolt sind, über die Verbinder fließt ein Strom von 100 mA. Zu Beginn der Vergleichsversuche beträgt der Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden in allen Fällen 15 Ohm.

Die Funktionsprüfungen der Verbindungsstücke werden unter drei verschiedenen Klimabedingungen durchgeführt,

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nämlich (a) bei 60⁰C in einer relativen Feuchtigkeit von 17 %, (b) bei 25⁰C in einer relativen Feuchtigkeit von 60 % und (c) bei 60⁰C in einer relativen Feuchtigkeit von 95 %. Die Versuche in den einzelnen Atmosphären werden bis zu 1000 h durchgeführt. Die Prüfversuche werden früher abgebrochen, wenn der Gesamtwiderstand zwischen den Elektroden einen Wert von größer als 100 kOhm, also einen praktisch nicht mehr nutzbaren Wert, annimmt.

Die unter diesen Bedingungen für die einzelnen Verbinder erhaltenen Versuchsergebnisse sind in der Tabelle zusammengefaßt.

Tabelle 1

Verbinder	1	68	(a)	Umgebungsbedingungen	(b)	h stabil	(C)	h stabil
A	1	68	h		1000	kOhm 40 min	1000	kOhm 2 min
B	1	68	h	stabil	>100 nach	h stabil	> 100 nach	h stabil
C	1	68	h	stabil	1000	kOhm 504 h	100	kOhm 22 h
D			h	stabil	>100 nach	>100 nach
		stabil

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Die Verbinder A bis D werden weiterhin auf ihre Silbermigration untersucht. Zu diesem Zweck werden zwei vergoldete rechteckige Elektroden auf ein und derselben Kontaktfläche des Verbindungsstücks im Abstand von 0,6 mm voneinander angeordnet. Zwischen den Elektroden wird eine Gleichspannung von 12V oder 250 V angelegt. Die Prüfungen werden bei 60°C in einer Atmosphäre mit einer relativen Feuchtigkeit von 95 % durchgeführt.

In allen Prüffällen liegt der Leckstrom über die Kontaktfläche des Verbindungsstücks zwischen den angelegten Elektroden unmittelbar zu Beginn der Prüfungen in der Größenordnung weniger Mikroampere. Im Verlauf einiger Zeit nach Versuchsbeginn tritt insbesondere bei den Vergleichsverbindern bei kontinuierlich anliegender Gleichspannung zwischen den Elektroden eine rasche Zunahme des Leckstromes ein, der Werte im Milliamperebereich erreicht. Diese Zunahme des Leckstromes wird auf eine Silbermigration an der Oberfläche des Verbindungsstücks zurückgeführt. Die Zeit, die bis zum relativ steilen Anstieg des Leckstromes vergeht, wird als Maß der Beständigkeit gegenüber einer Silbermigration gewertet. Die erhaltenen Prüfergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Verbinder	angelegte Spannung	250 (V)
A	12 (V)	länger als 24 h
B	länger als 72 h	weniger als 30 mm
C	weniger als 24 h	länger als 24 h
D	länger als 72 h	weniger als 30 min
weniger als 24 h

1 3 0 0 17 S 0 6 S 4

Claims

JAEGER, GRAMS & PONTANI PAT IiN TA N WA LT E DIPL.CHEiM. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI GAUTlNG ■ BERSSTR. 48Vi 8O31 STOCKDORF - KREUZWEG 34 87·52 KLEINOSTHEIM · HIRSCHPFAD 3 SHI-78 Shin-Etsu Polymer Co., Ltd., 11, Nihonbashi-Honcho 4-chome, Chuo-ku, Tokyo (Japan) Elektrisches Verbindungsstück Patentansprüche

1. J Elektrisches Verbindungsstück zur Herstellung von elektrischen Anschlüssen unter Kontaktandruck, wobei das elektrische Verbindungsstück aus (a) einem elektrisch isolierenden Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Kautschukelastomer mit zwei einander gegenüberliegenden flachen Oberflächen besteht, in dem (b) zahlreiche lineare elektrisch leitfähige Körper ("Leiterbahnen") eingeschlossen sind, die zumindest im wesentlichen parallel zueinander eingebettet in dem elektrisch isolierenden Grundkörper angeordnet sind und aus einem elektrisch leitfähigen elastischen Werkstoff bestehen, wobei die elektrische Leitfähigkeit dieses Leiterbahnwerkstoffs durch Dispergieren eines Metallpulvers in einer Kautschuk-

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TELEPHON: (O 89) 8 5O 2O 3O; 85 74Ο 8O; (O 6O 27) 88 25 · TELEX: 5 21 777 isar d

— O —

matrix herbeigeführt wird, und wcbei die Enden jeder der linearen Leiterbahnen zumindest im wesentlichen jeweils bis an die einander gegenüberliegenden flachen Oberflächen des elektrisch isolierenden Grundkörpers heranreichen, also in der Weise von einer dieser beiden Flächen bis zur anderen Fläche verlaufen und an diesen Flächen zur Herstellung elektrischer Anschlüsse zur Verfügung stehen,

dadurch gekennzeichnet , daß zumindest eine der beiden einander gegenüberliegenden flachen Oberflächen des elektrisch isolierenden Grundkörpers mit einer Vielzahl gegeneinander abgegrenzter und voneinander isolierter Mikrokonkavitäten versehen ist.

Verbindungsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die flache Oberfläche des elektrisch isolierenden Grundkörpers die Mikrokonkavitäten in einer

-2 Verteilungsdichte von mindestens 100 cm aufweist und daß die Mikrokonkavitäten einen mittleren Öffnungsdurchmesser an der Oberfläche des Grundkörpers im Bereich von 1 bis 5 00 μΐη haben.

3. Verbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß der elektrisch isolierende und aus einem Kautschukelastomer bestehende Grundkörper eine Härte im Bereich von 20 bis 40, gemessen nach der Skala der Japanischen Industrienorm, und der elektrisch leitfähige elastische Werkstoff der Leiterbahnkörper eine Härte im Bereich von 40 bis 80, ebenfalls

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gemessen nach der Skala der Japanischen Industrienorm, aufweist und daß der Werkstoff des elektrisch leitfähigen elastischen Werkstoffs der Leiterbahnkörper um 20 bis 4Ü Härteeinheiten nach der Skala der Japanischen Industrienorm härter ist als die Härte des elektrisch isolierenden Grundkörpers.

4. Elektrisches Verbindungsstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet , daß der elektrisch isolierende Grundkörper aus einem zellig geschäumten Elastomerschaumstoff mit geschlossenporiger Struktur besteht und das durch das Schäumen herbeigeführte Dehnungsverhältnis, nämlich der Schäumungsgrad, einen Wert im Bereich von 1,1 bis 4,0 hat.

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