DE4320527A1 - Elektrisch leitfähiges Gel - Google Patents
Elektrisch leitfähiges GelInfo
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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 (8)
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.
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