DE69918797T2

DE69918797T2 - Zwischenstück aus leitfähigem elastomerischen Material

Info

Publication number: DE69918797T2
Application number: DE69918797T
Authority: DE
Inventors: David R. Nashua Crotzer; Johnathan W. Braintree Goodwin; Arthur G. New Bedford Michaud; David A. Hopedale DeDonato
Original assignee: Thomas and Betts International LLC
Current assignee: ABB Installation Products International LLC
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-12-25
Also published as: US6271482B1; EP1032079B1; CN1259768A; DE69918797D1; EP1032079A1; JP2000200636A; CA2293110C; CA2293110A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrisch leitfähige Vorrichtungen und, genauer, elektrisch leitfähige Elastomere und Verfahren zu ihrer Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Die Entwicklung integrierter Schaltungen war dahingehend, die Baueinheitsgröße einer integrierten Schaltung zu verringern, während man die Anzahl elektrischer Leiter zur elektrischen Verbindung zwischen der integrierten Schaltung und einer Leiterplatte, auf der sie sitzt, erhöhte. Als sich die Anzahl elektrischer Leitungen pro integrierter Schaltung erhöhte, wurden die elektrischen Leitungen größenmäßig kleiner und enger beabstandet, wodurch sich die Schwierigkeit, eine integrierte Schaltung an einer Leiterplatte zu montieren, erhöhte.
Ein Verfahren zur Überwindung dieser Schwierigkeit bestand darin, die elektrischen Leitungen, die sich am Rand einer integrierten Schaltungs-Baueinheit befinden, durch elektrische Kontakte, die sich an der unteren Oberfläche einer integrierten Schaltungs-Baueinheit befinden, zu ersetzen, wodurch eine leiterlose integrierte Schaltungs-Baueinheit gebildet wird. Diese elektrischen Kontakte haben typischerweise die Gestalt kleiner Beulen oder "Bälle", die in einem gitterförmigen Anordnungsmuster (Grid Array-Muster) beabstandet sind. Eine integrierte Schaltungs-Baueinheit mit diesen elektrischen Kontakten an der unteren Oberfläche wird in eine leiterlose integrierte Schaltungs-Fassung oder -Einbauvorrichtung, die die integrierte Schaltungs-Baueinheit aufnimmt, eingesetzt. Die Einbauvorrichtung hat in einem Grid Array-Muster beabstandete elektrische Gegenstück-Kontakte, die mit den elektrischen Kontakten auf der integrierten Schaltungs-Baueinheit ausgerichtet sind, um zwischen der integrierten Schaltungs-Baueinheit und einer Leiterplatte, auf der die Einbauvorrichtung sitzt, für unterbrechungslosen Stromverlauf zu sorgen.
Ein Problem, das bei leiterlosen integrierten Schaltungs-Baueinheiten auftritt, ist, dass die elektrischen Kontakte einer leiterlosen integrierten Schaltungs-Baueinheit und die elektrischen Gegenstück-Kontakte einer Einbauvorrichtung oxidiert werden, was zu erhöhtem Kontaktwiderstand und daher zu verringerter Leitfähigkeit zwischen den elektrischen Kontakten der integrierten Schaltungs-Baueinheit und den elektrischen Gegenstück-Kontakten der Einbauvorrichtung führt. Die zum Einsetzen einer leiterlosen integrierten Schaltungs-Baueinheit in eine Einbauvorrichtung verwendete Einfügungskraft entfernt typischerweise etwas von diesem Oxid, wodurch ein verbesserter elektrischer Kontakt geschaffen wird. Leiterlose integrierte Schaltungs-Baueinheiten werden jedoch typischerweise nicht auf eine Art in eine Einbauvorrichtung eingefügt, die zur Entfernung von Oxid auf den elektrischen Kontakten führt, und da leiterlose integrierte Schaltungs-Baueinheiten nicht direkt an die Einbauvorrichtung gelötet werden, kann die Ansammlung von Oxid auf den elektrischen Kontakten zu schlechtem elektrischen Kontakt führen.
Ein weiteres Problem, das bei der Verwendung leiterloser integrierter Schaltungs-Baueinheiten auftritt, ist, dass die elektrischen Kontakte einer Einbauvorrichtung typischerweise mit elektrischen Leitern, die direkt an eine Leiterplatte gelötet sind, elektrisch verbunden sind. Die Einbauvorrichtung muß daher entlötet werden, wenn ein Ersetzen oder eine Entfernung erforderlich ist. Wie in der Industrie allgemein bekannt ist, verschlechtert wiederholtes Löten und Entlöten typischerweise die Qualität einer Leiterplatte, gewöhnlich bis zu dem Punkt, an dem ein Ersetzen erforderlich ist. Daher wäre ein verlötungsfreies elektrisches Verbindungsschema wünschenswert.
Bei der Herstellung elektronischer oder elektrischer Vorrichtungen und Schaltungen werden leitfähige Wege und Kontaktflächen üblicherweise durch chemisches Ätzen und photolithographische Techniken wie bei der Herstellung gedruckter Leiterplatten geschaffen, und durch Plattierungstechniken, wodurch eine oder mehrere Metallschichten auf, beispielsweise, elektrischen Kontakten oder Kontaktflächen von Leiterplatten, elektrischen Vorrichtungen und dergleichen vorgesehen werden. Derartige Herstellungstechniken sind wohl bekannt und werden in breitem Umfang verwendet. Sie erfordern jedoch eine Anzahl von Verfahrensschritten und spezialisierte Herstellungsausrüstung, was zu den Kosten und der Komplexität des Herstellungsprozesses und der sich ergebenden Produkte beiträgt. Daher wäre das Auffinden einfacherer Herstellungstechniken wünschenswert.
Die internationale Patentanmeldung WO 98/18615 offenbart ein elastisches Verbindungselement, aufweisend einen Körper aus nicht-leitfähigem elastischem Material mit darin verteilten leitfähigen Blättchen und leitfähigen Pulvergranalien.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein diskretes elastisches leitfähiges Verbindungselement zum Schaffen einer Verbindung zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche bereit, wobei das elastische leitfähige Verbindungselement aufweist: einen Körper aus nicht-leitfähigem elastischem Material, in dem eine Menge leitfähiger Blättchen und eine Menge leitfähiger Pulvergranalien verteilt sind; wobei der Körper aufweist: einen mittigen Bereich mit einem ersten Querschnitt; ein Paar Außenbereiche, die die Enden des mittigen Bereichs flankieren; wobei jeder Außenbereich eine kegelige Gestalt hat, bei der ein zweiter Querschnitt jedes Außenbereichs, der sich an der Stelle des Zusammentreffens mit dem mittigen Bereich befindet, größer ist als ein dritter Querschnitt an einem von der Stelle des Zusammentreffens distalen Teil des Außenbereichs; wobei jeder Außenbereich einen Endteil mit einem vierten Querschnitt, der kleiner ist als der dritte Querschnitt, hat; und wobei jeder Au ßenbereich einen abgeschrägten Teil hat, der von der äußeren Begrenzung des Endteils zur äußeren Begrenzung des dritten Querschnitts reicht; wobei der Endteil eine Kontaktfläche bildet.
Im Hinblick auf das Vorangehende ist es recht offensichtlich, wie die vorliegende Erfindung die Nachteile der oben erwähnten Vorrichtungen des Stands der Technik überwindet.
Dementsprechend besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, elektrisch leitfähige Verbindungselemente zum Schaffen eines elektrischen Kontakts zwischen einer ersten und einer zweiten Oberfläche bereitzustellen.
Die obige Hauptaufgabe sowie andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung, die in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen zu lesen ist, unmittelbar deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur Erleichterung eines vollständigeren Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird nun auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen. Diese Zeichnungen sollten nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend ausgelegt werden, sondern sind nur beispielhaft gedacht.
1 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung mit einer elastischen leitfähigen Schicht.
2 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Telefon- oder Rechner-Tastatur mit einer elastischen leitfähigen Schicht.
3 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung mit einer elastischen leitfähigen Schicht und eindrückenden Teilchen.
4 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung mit einer elastischen leitfähigen Schicht und eindringenden Teilchen.
5 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung mit einer elastischen leitfähigen Schicht mit eindrückenden Teilchen.
6 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung mit einer elastischen leitfähigen Schicht mit eindringenden Teilchen.
7 ist eine Querschnitt-Ansicht eines Druckknopfschalters mit einer elastischen leitfähigen Schicht.
8 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Verbindungsvorrichtung mit elastischen leitfähigen Verbindungselementen.
9 ist eine Querschnitt-Ansicht eines der in 8 gezeigten elastischen leitfähigen Verbindungselemente.
10 ist eine Querschnitt-Ansicht einer Einspritzvorrichtung zur Bildung elastischer leitfähiger Verbindungselemente.
11 ist eine Querschnitt-Ansicht eines elastischen leitfähigen Verbindungselements mit leitfähigen eindrückenden Teilchen.
12 ist eine Querschnitt-Ansicht eines elastischen leitfähigen Verbindungselements mit leitfähigen eindringenden Teilchen.
13 ist eine perspektivische Ansicht symmetrisch geformter Verbindungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines ersten Substrats, das Verbindungselemente von 13 aufweist.
15 ist eine perspektivische Ansicht des Substrats und der Verbindungselemente von 14.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines nicht-symmetrisch geformten Verbindungselements.
17 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des nicht-symmetrischen Verbindungselements von 16.
18 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Substrats und von Verbindungselementen von 16.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Es wird auf 1 Bezug genommen, worin eine Querschnitts-Ansicht einer Schichtzusammensetzung 10, die ein elastisches Substrat 12, eine elastische Grundierungsschicht 14 und eine elastische leitfähige Schicht 16 aufweist, gezeigt ist. Das elastische Substrat 12 kann aus einem von vielen elastischen Materialien wie beispielsweise Silikongummi oder fluoriertem Silikongummi hergestellt werden. Die elastische Grundierungsschicht 14 kann ebenfalls aus einem von vielen elastischen Materialien wie beispielsweise Silikongummi oder fluoriertem Silikongummi hergestellt werden. Die elastische leitfähige Schicht 16 weist ein Gemisch aus einem elastischen Material 18 und einer Anzahl leitfähiger Blättchen 20 auf. Das elastische Material 18 kann außerdem aus einem von vielen elastischen Materialien wie beispielsweise Silikongummi oder fluoriertem Silikongummi hergestellt werden. Die leitfähigen Blättchen 20 können aus vielen verschiedenen Arten leitfähiger oder halbleitender Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff hergestellt werden. Alternativ können die leitfähigen Blättchen 20 aus vielen verschiedenen Arten leitfähiger, halbleitender oder isolierender Materialien, die mit anderen leitfähigen oder halbleitenden Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff beschichtet sind oder in denen andere leitfähige oder halbleitende Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff verteilt sind, hergestellt wer den. Die Größe der leitfähigen Blättchen kann in Abhängigkeit von dem Ausmaß an Leitfähigkeit, das erforderlich ist, variieren.
Die Schichtzusammensetzung 10 kann durch ein Verfahren des thermischen Anpolymerisierens, das typischerweise mit der Bereitstellung des elastischen Substrats 12 in einem vollständig ausgehärteten Zustand beginnt, hergestellt werden. Dann wird die elastische Grundierungsschicht 14 durch Sprühbeschichten oder irgendein anderes bekanntes Mittel auf dem elastischen Substrat 12 abgeschieden. Dann wird die elastische leitfähige Schicht 16 ebenfalls durch Sprühbeschichten oder irgendein anderes bekanntes Mittel auf der elastischen Grundierungsschicht 14 abgeschieden. Die gesamte Schichtstruktur wird dann einem Wärmekreislauf unterzogen, wodurch die elastische Grundierungsschicht 14 vollständig ausgehärtet und an das elastische Substrat 12 anpolymerisiert wird, und wodurch die elastische leitfähige Schicht 16 vollständig ausgehärtet und an die elastische Grundierungsschicht 14 anpolymerisiert wird. Während dieses Prozesses des thermischen Anpolymerisierens werden Polymerketten in der elastischen Grundierungsschicht 14 an Polymerketten in dem elastischen Substrat 12 anpolymerisiert, um eine starke Bindung auszubilden. In ähnlicher Weise werden Polymerketten in der elastischen leitfähigen Schicht 16 an Polymerketten in der elastischen Grundierungsschicht 14 anpolymerisiert, um eine starke Bindung auszubilden. Dieser Prozeß des thermischen Anpolymerisierens beseitigt die Notwendigkeit, die Oberfläche des elastischen Substrats 12 zu ätzen oder in anderer Weise vorzubehandeln.
Hinsichtlich der Dicke des elastischen Substrats 12 gibt es im wesentlichen keine Beschränkung. Eine typische Dicke der Kombination der elastischen Grundierungsschicht 14 und der elastischen leitfähigen Schicht 16 ist in dem Bereich von 0,5–10 mil. Im allgemeinen ist die elastische leitfähige Schicht 16 zweimal so dick wie die elastische Grundierungsschicht 14. Die Härtemesser-Einstufung all der elastischen Materialien liegt typischerweise zwischen 40 und 80 auf der Shore A-Skala. Es wurde gezeigt, dass bei Messungen, die durchgeführt wurden, indem die Oberfläche einer elastischen leitfähigen Schicht 16 mit einer Sn/Pb-Spur auf einer gedruckten Leiterplatte durch Zusammendrücken ver bunden wurde, der Widerstand der elastischen leitfähigen Schicht 16 mit allen den oben angegebenen Eigenschaften in dem Bereich von 20–30 mOhm lag.
Die leitfähigen Blättchen 20, die in dem elastischen Material 18 der elastischen leitfähigen Schicht 16 suspendiert sind, sorgen für einen niedrigen spezifischen Widerstand selbst wenn die elastische leitfähige Schicht 16 durch Dehnen oder Zusammendrücken verformt wird, da die Oberflächenfläche der leitfähigen Blättchen 20 groß genug ist, dass zwischen benachbarten leitfähigen Blättchen 20 ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, wenn derartige Verformungen auftreten. Beispielsweise wird während einer Längs-Ausdehnung der elastischen leitfähigen Schicht 16 die Länge der elastischen leitfähigen Schicht 16 erhöht, während die Dicke der elastischen leitfähigen Schicht 16 verringert wird. Die Verringerung der Dicke bringt benachbarte leitfähige Blättchen 20 näher zusammen, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die großen Oberflächenflächen benachbarter leitfähiger Blättchen 20 miteinander in physischen und daher elektrischen Kontakt kommen. Der Längenzuwachs führt zu seitlicher Bewegung der leitfähigen Blättchen 20, wodurch die großen Oberflächenflächen benachbarter leitfähiger Blättchen 20 dazu veranlaßt werden, gegeneinander zu reiben oder zu schaben, so dass der physische und daher elektrische Kontakt zwischen benachbarten leitfähigen Blättchen 20 aufrecht erhalten wird.
Eine spezielle Anwendung, bei der die oben beschriebene Schichtzusammensetzung 10 brauchbar wäre, ist eine Telefon- oder Rechner-Tastatur, bei der eine elektrische Verbindung durch Drücken einer Taste auf der Tastatur hergestellt werden muß. Wenn eine solche Tastatur mit einem elastischen Material wie beispielsweise Silikongummi oder fluoriertem Silikongummi aufgebaut würde, könnte eine elastische leitfähige Schicht nach dem oben beschriebenen Verfahren an einer Oberfläche des elastischen Materials anpolymerisiert werden. Wenn eine Taste auf der Tastatur gegen eine leitfähige Gegenstückvorrichtung wie eine leitfähige Bahn auf einer gedruckten Leiterplatte gepreßt wird, würde daher eine elektrische Verbindung zwischen der elastischen leitfähigen Schicht und der leitfähigen Bahn hergestellt werden.
Es wird auf 2 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Telefon- oder Rechner-Tastatur 100, die eine elastische Abdeckung 102 mit darin ausgebildeten Tasten 104 aufweist, gezeigt ist. An der Unterseite der Abdeckung 102, unter jeder der Tasten 104, ist eine elastische Grundierungsschicht 106 an die elastische Abdeckung 102 anpolymerisiert, und eine elastische leitfähige Schicht 108 ist an die elastische Grundierungsschicht 106 anpolymerisiert.
Eine gedruckte Leiterplatte 110 befindet sich unter der gesamten Abdeckung 102, und unter den Tasten 104 sind auf der gedruckten Leiterplatte 110 leitfähige Bahnen 112 ausgebildet. Daher kommt, wenn auf eine der Tasten 104 der elastischen Abdeckung 102 eine Kraft F ausgeübt wird, beispielsweise durch einen menschlichen Finger 114, die elastische leitfähige Schicht 108 in elektrischen Kontakt mit einer entsprechenden der leitfähigen Bahnen 112.
Es wird auf 3 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung 30, die der in 1 beschriebenen Schichtzusammensetzung 10 ähnlich ist, aber mit leitfähigen eindrückenden Teilchen 32, die in die Oberfläche der elastischen leitfähigen Schicht 16 eingebettet sind, gezeigt ist. Die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 werden vor dem Wärmekreislauf an der Oberfläche der elastischen leitfähigen Schicht 16 angebracht, so dass die Teilchen 32 an der elastischen leitfähigen Schicht 16 befestigt werden, wenn sie vollständig aushärtet. Die eindrückende Natur der leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 schafft ein Mittel, durch das ein isolierendes Oxid, das sich auf einer leitfähigen Oberfläche, die mit der elastischen leitfähigen Schicht 16 eine Verbindung herstellen soll, gebildet haben kann, beiseite geschoben werden kann, so dass zwischen der leitfähigen Oberfläche und der elastischen leitfähigen Schicht 16 eine verbesserte elektrische Verbindung gebildet werden kann. Es sollte beachtet werden, dass die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 andere Verunreinigungen wie Fasern und Teilchen, die auf einer leitfähigen Kontaktfläche vorhanden sein können, beiseite schieben können.
Die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 können aus vielen verschiedenen Arten von leitfähigen oder halbleitenden Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff hergestellt werden. Alternativ können die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 aus vielen verschiedenen Arten von leitfähigen, halbleitenden oder isolierenden Materialien, die mit anderen leitfähigen oder halbleitenden Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff beschichtet sind oder in denen diese verteilt sind, hergestellt werden. Die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 haben typischerweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 50 μm.
Es wird auf 4 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung 40, die der in 1 beschriebenen Schichtzusammensetzung 10 ähnlich ist, aber mit leitfähigen eindringenden Teilchen 42, die in die Oberfläche der elastischen leitfähigen Schicht 16 eingebettet sind, gezeigt ist. Die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 werden vor dem Wärmekreislauf an der Oberfläche der elastischen leitfähigen Schicht 16 angebracht, so dass die Teilchen 42 an der elastischen leitfähigen Schicht 16 befestigt werden wenn sie vollständig aushärtet. Die eindringende Natur der leitfähigen eindringenden Teilchen 42 schafft ein Mittel, durch das ein isolierendes Oxid, das sich an einer leitfähigen Oberfläche, die mit der elastischen leitfähigen Schicht 16 eine Verbindung herstellen soll, gebildet haben kann, durchdrungen werden kann, so dass zwischen der leitfähigen Oberfläche und der elastischen leitfähigen Schicht 16 eine verbesserte elektrische Verbindung gebildet werden kann. Es sollte beachtet werden, dass die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 durch andere Verunreinigungen wie Fasern und teilchenförmige Materialien, die an einer leitfähigen Kontaktfläche vorhanden sein können, hindurch dringen können.
Ähnlich wie die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 können die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 aus vielen verschiedenen Arten von leitfähigen oder halbleitenden Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff hergestellt werden. Alternativ können die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 aus vielen verschiedenen Arten von leitfähigen, halbleitenden oder isolierenden Materialien, die mit anderen leitfähigen oder halbleitenden Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff beschichtet sind, oder in denen die se verteilt sind, hergestellt werden. Die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 haben typischerweise eine mittlere Teilchengröße von 40 μm.
Es wird auf 5 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung 50, die der in 1 beschriebenen Schichtzusammensetzung 10 ähnlich ist, aber mit einer elastischen leitfähigen Schicht 52, die ein Gemisch aus dem elastischen Material 18, einer Menge der leitfähigen Blättchen 20 und einer Menge der leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 aufweist, gezeigt ist. Bei der Herstellung dieser Schichtzusammensetzung 50 werden die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 zusammen mit dem elastischen Material 18 und den leitfähigen Blättchen 20 auf die elastische Grundierungsschicht 14 aufgetragen. Die Verteilung der leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 in der elastischen leitfähigen Schicht 52 ist als nahe der Oberfläche der elastischen leitfähigen Schicht 52 befindlich gezeigt, da die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 während der Aufbringung der elastischen leitfähigen Schicht 52 mit größerer Wahrscheinlichkeit von der elastischen Grundierungsschicht 14 abprallen als die leitfähigen Blättchen 20. Natürlich ist diese Lage für die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 auf der Grundlage ihrer Wirkungsweise (z. B., um Oxide auf einer leitfähigen Kontaktfläche beiseite zu schieben) bevorzugt. Die Menge der leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 in der elastischen leitfähigen Schicht 52 braucht typischerweise nur nominal 5 Gew.-% zu sein, um ihre richtige Wirkungsweise sicherzustellen.
Es wird auf 6 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Schichtzusammensetzung 60, die der in 1 beschriebenen Schichtzusammensetzung 10 ähnlich ist, aber mit einer elastischen leitfähigen Schicht 62, die ein Gemisch aus dem elastischen Material 18, einer Menge der leitfähigen Blättchen 20 und einer Menge der leitfähigen eindringenden Teilchen 42 aufweist, gezeigt ist. Bei der Herstellung dieser Schichtzusammensetzung 50 werden die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 zusammen mit dem elastischen Material 18 und den leitfähigen Blättchen 20 auf die elastische Grundierungsschicht 14 aufgetragen. Die Verteilung der leitfähigen eindringenden Teilchen 42 in der elastischen leitfähigen Schicht 62 ist als nahe der Oberfläche der elastischen leitfähigen Schicht 62 befindlich gezeigt, da die leitfähigen eindringen den Teilchen 42 während der Aufbringung der elastischen leitfähigen Schicht 62 mit größerer Wahrscheinlichkeit als die leitfähigen Blättchen 20 von der elastischen Grundierungsschicht 14 abprallen. Natürlich ist diese Lage für die leitfähigen eindringenden Teilchen 42 auf der Grundlage ihrer Wirkungsweise (z. B., um durch Oxide auf einer leitfähigen Kontaktfläche hindurch zu dringen) bevorzugt. Die Menge der leitfähigen eindringenden Teilchen 42 in der elastischen leitfähigen Schicht 62 braucht typischerweise nur nominal 5 Gew.-% zu sein, um ihre richtige Wirkungsweise sicherzustellen.
An diesem Punkt sollte festgestellt werden, dass das elastische Substrat 12 in allen der oben beschriebenen Schichtzusammensetzungen 10, 30, 40, 50 und 60 durch ein Material, das lediglich flexibel ist, wie beispielsweise die Thermoplaste Polyimid (bekannt unter dem Handelsnamen Capton^TM) oder Polyamid (bekannt unter dem Handelsnamen Nylon^TM), ersetzt werden kann. Die elastische Grundierungsschicht 14 würde an ein derartiges flexibles Substrat in der oben beschriebenen Weise anpolymerisiert werden, zusammen mit dem Anpolymerisieren der elastischen leitfähigen Schicht 16 an die elastische Grundierungsschicht 14.
Eine spezielle Anwendung, bei der eine Schichtzusammensetzung, die einer der oben beschriebenen Schichtzusammensetzungen 10, 30, 40, 50 und 60 ähnlich ist mit der Ausnahme, dass sie ein flexibles Substrat hat, brauchbar wäre, ist ein Druckknopfschalter, bei dem eine elektrische Verbindung durch Drücken eines Knopfes auf dem Schalter hergestellt werden muß. Wenn der Knopf eines derartigen Schalters mit einem flexiblen Material wie beispielsweise Polyimid- oder Polyamid-Thermoplast aufgebaut würde, könnte eine elastische leitfähige Schicht nach dem oben beschriebenen Verfahren an eine Oberfläche des elastischen Materials anpolymerisiert werden. Daher würde, wenn der Knopf eines derartigen Schalters gegen eine leitfähige Gegenstück-Vorrichtung wie Metallkontakte gedrückt wird, zwischen der elastischen leitfähigen Schicht und den Metallkontakten eine elektrische Verbindung hergestellt werden.
Es wird auf 7 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht eines Druckknopfschalters 200, der ein Gehäuse 202 zur Aufnahme einer Rückstoß feder 204 und ein Knopf-Betätigungselement 206 aufweist, gezeigt ist. Das Gehäuse 202 stellt Metallkontakte 208 mit Zutritt in sein Inneres bereit.
Das Knopf-Betätigungselement 206 ist aus einem flexiblen thermoplastischen Material wie beispielsweise Polyimid oder Polyamid hergestellt. Eine elastische Grundierungsschicht 210 ist an eine untere Kontaktoberfläche des Knopf-Betätigungselements 206 anpolymerisiert, und eine elastische leitfähige Schicht 212 ist an die elastische Grundierungsschicht 210 anpolymerisiert. Wenn auf das Knopf-Betätigungselement 206 eine Kraft F ausgeübt wird, kommt die elastische leitfähige Schicht 212 in elektrischen Kontakt mit den Metallkontakten 208, wodurch der Schalter 200 geschlossen wird.
An diesem Punkt sollte festgestellt werden, dass jede der oben beschriebenen Schichtzusammensetzungen 10, 30, 40, 50 und 60 für die Telefon- oder Rechner-Tastatur 100 von 2 oder für den Druckknopfschalter 200 von 7 oder für irgendeine Anzahl anderer Vorrichtungen, bei denen die Verwendung einer elastischen leitfähigen Schicht nützlich ist, verwendet werden kann.
Es sollte auch festgestellt werden, dass die elastischen leitfähigen Schichten 16, 52, 62, 108 und 212, die in allen der oben beschriebenen Schichtzusammensetzungen 10, 30, 40, 50 und 60 eingesetzt werden, brauchbar sind zum Schaffen einer Abschirmung gegen elektrische und magnetische Felder oder zum Schaffen einer leitfähigen Ebene für Erdungszwecke oder dergleichen. Genauer sind die Dichte und Gruppierung der leitfähigen Blättchen 20 in den oben beschriebenen elastischen leitfähigen Schichten 16, 52, 62, 108 und 212 dergestalt, dass äußerst effektive Abschirmungs- oder Erdungs-Schichten bereitgestellt werden können. Die oben beschriebenen elastischen leitfähigen Schichten 16, 52, 62, 108 und 212 können auch zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit leitfähigen Bahnen auf gedruckten Leiterplatten verwendet werden, einfach indem die elastischen leitfähigen Schichten 16, 52, 62, 108 und 212 gegen die leitfähigen Bahnen gedrängt werden.
Es wird auf 8 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Verbindungsvorrichtung 70, die ein isolierendes Substrat 72 mit einer Anord nung von darin ausgebildeten Öffnungen 78 aufweist, gezeigt ist. Ein elastisches leitfähiges Verbindungselement 74 befindet sich in jeder Öffnung 78. Eine derartige Verbindungsvorrichtung 70 kann beispielsweise verwendet werden, um elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Kontakten auf einer leiterlosen integrierten Schaltungs-Baueinheit und elektrischen Kontakten auf einer gedruckten Leiterplatte zu schaffen. Derartige elektrische Kontakte können von der Variante Ball Grid Array oder Land Grid Array sein.
Es wird auf 9 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht eines der elastischen leitfähigen Verbindungselemente 74 gezeigt ist. Das elastische leitfähige Verbindungselement 74 weist ein Gemisch aus dem elastischen Material 18, einer Menge der leitfähigen Blättchen 20 und einer Menge leitfähiger Pulvergranalien 76 auf. Die leitfähigen Pulvergranalien 76 können aus vielen verschiedenen Arten von leitfähigen oder halbleitenden Materialien wie beispielsweise Silber, Nickel oder Kohlenstoff hergestellt sein. Die Größe der leitfähigen Pulvergranalien 76 kann abhängig von dem Ausmaß an Leitfähigkeit, das erforderlich ist, variieren.
Die leitfähigen Pulvergranalien 76 schaffen leitfähige Brücken zwischen den leitfähigen Blättchen 20, wodurch sie die Leitfähigkeit des elastischen leitfähigen Verbindungselements 74 erhöhen. Die Menge der leitfähigen Pulvergranalien 76, die zu dem Gemisch aus dem elastischen Material 18 und den leitfähigen Blättchen 20 zugegeben werden muß, um eine derartige Erhöhung der Leitfähigkeit zu schaffen, kann in Abhängigkeit von dem Ausmaß an Leitfähigkeit, das erforderlich ist, variieren.
Es wird auf 10 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht einer Einspritzvorrichtung 80 zur Bildung der elastischen leitfähigen Verbindungselemente 74 in den Öffnungen 78 des isolierenden Substrats 72 gezeigt ist. Die Vorrichtung 80 weist einen oberen Formabschnitt 82 mit darin ausgebildeten Einspritzwegen 84 und einen unteren Formabschnitt 86 auf. Das Gemisch aus dem elastischen Material 18, den leitfähigen Blättchen 20 und den leitfähigen Pulvergranalien 76 fließt durch die Wege 84 nach unten und füllt die zwischen dem oberen Formabschnitt 82 und dem unteren Formabschnitt 86 ausgebilde ten leeren Hohlräume und die Öffnungen 78 in dem isolierenden Substrat 72. Das Gemisch wird zu Beginn erhitzt, wird aber später abgekühlt, um zu erlauben, dass es aushärtet. Das Abkühlen führt zu einer Ausdehnung des Gemisches, so dass die elastischen leitfähigen Verbindungselemente 74 in den Öffnungen 78 sicher angebracht sind. Es sollte festgestellt werden, dass die Gestalt des oberen Formabschnitts 82 und des unteren Formabschnitts 86 in den Bereichen der Verbindungselemente entsprechend der speziellen Anwendung der Verbindungselemente (z. B. Verbindung von Land Grid Array-Kontakten oder Verbindung von Ball Grid Array-Kontakten) variieren kann.
Es wird auf 11 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht eines elastischen leitfähigen Verbindungselements 90, das dem in 9 gezeigten elastischen leitfähigen Verbindungselement 74 ähnlich ist, aber mit Zusatz einer Menge der leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 zu dem Gemisch aus dem elastischen Material 18, den leitfähigen Blättchen 20 und den leitfähigen Pulvergranalien 76, gezeigt ist. Ähnlich wie bei der oben in 5 beschriebenen elastischen leitfähigen Schicht 52 braucht die Menge der leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 in dem elastischen Verbindungselement 90 typischerweise nur nominal 5 Gew.-% zu betragen, um ihre richtige Wirkungsweise sicherzustellen. Es sollte festgestellt werden, dass die leitfähigen eindrückenden Teilchen 32 stattdessen nur zu der Oberfläche eines elastischen leitfähigen Verbindungselements, nachdem das Element gebildet wurde, aber bevor es vollständig aushärtet, zugegeben werden können.
Es wird auf 12 Bezug genommen, worin eine Querschnitt-Ansicht eines elastischen leitfähigen Verbindungselements 110, das dem in 9 gezeigten elastischen leitfähigen Verbindungselement 74 ähnlich ist, aber mit Zusatz einer Menge der leitfähigen eindringenden Teilchen 42 zu dem Gemisch aus dem elastischen Material 18, den leitfähigen Blättchen 20 und den leitfähigen Pulvergranalien 76, gezeigt ist. Ähnlich wie bei der oben in 6 beschriebenen elastischen leitfähigen Schicht 62 braucht die Menge der leitfähigen eindringenden Teilchen 42 in dem elastischen leitfähigen Verbindungselement 90 typischerweise nur nominal 5 Gew.-% zu betragen, um ihre richtige Wirkungsweise sicherzustellen. Es sollte festgestellt werden, dass die leitfähigen ein dringenden Teilchen 42 stattdessen nur zu der Oberfläche eines elastischen leitfähigen Verbindungselements, nachdem das Element gebildet wurde, aber bevor es vollständig aushärtet, zugegeben werden können.
Die elastischen leitfähigen Verbindungselemente können in verschiedenen Gestalten oder Bauformen hergestellt werden, um für bestimmte Verbindungserfordernisse zu passen. Eine Version eines Verbindungselements gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 13 gezeigt, was ein symmetrisch geformtes Element 170 ist, das einen mittigen Bereich 178 von verringertem Querschnitt hat und dafür ausgelegt ist, in einer Öffnung eines Substrats aufgenommen zu werden, wie in den 14 und 15 gezeigt. Jedes Ende des Elements verjüngt sich nach Außen hin zu einem flachen Kontakt-Oberflächenbereich 174. Der Oberflächenbereich ist mit der Wandung des zugehörigen Elements und durch einen dazwischenliegenden abgeschrägten Teil 180 verbunden. Das Element enthält leitfähige Blättchen und leitfähige Pulvergranalien, wie oben beschrieben, um eine leitfähige Verbindung zwischen den jeweiligen entgegengesetzten Kontaktoberflächen des Elements zu schaffen. Die Elemente sind typischerweise in einer Anordnung auf einem Substrat angebracht, wie in 15 gezeigt, um sich einer ähnlichen Anordnung von Kontaktflächen einer zugehörigen Vorrichtung oder Leiterplatte anzupassen. Dieser Verbindungstyp mit flachen Kontaktoberflächen wird üblicherweise zum Kontakt mit Land Grid Arrays eingesetzt.
Eine andere Version eines Verbindungselements gemäß der Erfindung ist in den 16 bis 18 gezeigt. Bei dieser Version hat ein oberes Ende 190 kegelige Seiten, die in einem konischen zurückgesetzten Kontaktbereich 191 enden. Das andere Ende 192 hat einen kleineren Querschnitt als das obere Ende und endet in einem flachen, im wesentlichen kreisförmigen Oberflächenbereich 194. Der mittige Abschnitt stellt eine Aussparung 196 zur Aufnahme in einer zugehörigen Öffnung eines Substrats bereit, wie in 18 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der zurückgesetzte konische Kontaktbereich 191 dafür ausgelegt, mit einem ballförmigen Kontakt eines Ball Grid Array in Eingriff zu kommen, während der untere planare Kontaktbereich 194 für einen Kontakt mit einem Land Grid Array oder einem anderen planaren Kontaktbereich einer zugehörigen Leiterplatte oder Vorrichtung ausgelegt ist.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen können die Verbindungselemente einzeln gegossen oder in anderer Weise geformt und in die jeweiligen Öffnungen eines Substrats eingesetzt werden. Alternativ können die Verbindungselemente einstückig mit dem Substrat gegossen oder in anderer Weise geformt werden, wie oben beschrieben.
Eine leitfähige Beschichtung kann über den Kontaktoberflächen der Verbindungselemente vorgesehen werden. Das leitfähige Material kann das gleiche oder ein ähnliches Material sein, wie es bei der Herstellung der Verbindungselemente eingesetzt wird. Eine solche Beschichtung ist nützlich zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zu bestimmten Materialien. Die leitfähige Beschichtung kann im Vergleich zu dem Verbindungselement selbst einen höheren Prozentsatz an leitfähigen Teilchen besitzen, um eine größere Leitfähigkeit zur Herstellung einer Verbindung mit Kontakten wie einem Zinn-Blei-Kontakt zu schafften. Die leitfähige Beschichtung kann durch Siebdruck oder irgendeine andere passende Technik geschaffen werden. Als ein Beispiel kann ungehärtetes leitfähiges Polymermaterial, das im wesentlichen das gleiche wie das Material des Verbindungselements ist, auf die Kontaktbereiche siebgedruckt und dann in einem Ofen ausgehärtet werden.
Die vorliegende Erfindung soll in ihrem Umfang nicht durch die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt werden. Tatsächlich werden aus der vorstehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen für Fachleute verschiedene Abwandlungen der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zu den hierin beschriebenen, offenkundig sein. Daher sollen derartige Abwandlungen in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.

Claims

Diskretes elastisches leitfähiges Verbindungselement (170) zum Schaffen einer Verbindung zwischen einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei das elastische leitfähige Verbindungselement (170) aufweist: einen Körper aus nicht leitfähigem elastischen Material (18), in dem eine Menge leitfähiger Blättchen (20) und eine Menge leitfähiger Pulvergranalien (76) verteilt sind; wobei der Körper aufweist: einen mittigen Bereich (178) mit einem ersten Querschnitt; ein Paar Außenbereiche (190, 192), die die Enden des mittigen Bereichs flankieren; wobei jeder Außenbereich eine kegelige Gestalt hat, bei der ein zweiter Querschnitt jedes Außenbereichs, der sich an der Stelle des Zusammentreffens mit dem mittigen Bereich befindet, größer ist als ein dritter Querschnitt an einem von der Stelle des Zusammentreffens distalen Teil des Außenbereichs; wobei jeder Außenbereich ein Endteil (174) mit einem vierten Querschnitt, der kleiner ist als der dritte Querschnitt, hat; und wobei jeder Außenbereich ein abgeschrägtes Teil (180) hat, das von der äußeren Begrenzung des Endteils zur äußeren Begrenzung des dritten Querschnitts reicht; wobei der Endteil eine Kontaktfläche bildet.
Element nach Anspruch 1, bei dem die Außenbereiche (190, 192) symmetrisch sind.
Element nach Anspruch 1, bei dem die Außenbereiche (190, 192) verschiedene Größen haben.
Element nach Anspruch 1, bei dem die kegelige Gestalt eine abgestumpftkonische Gestalt ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem jede Kontaktfläche flach ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem jede Kontaktfläche eine Absenkung (191) hat.
Element nach Anspruch 3, bei dem die Kontaktfläche an dem größeren Außenbereich eine Absenkung hat.
Element nach Anspruch 1, bei dem die Außenbereiche (190, 192) asymmetrisch sind.
Element nach Anspruch 8, bei dem ein Außenbereich (192) eine kegelige Gestalt mit mindestens zwei verschiedenen Neigungen hat, wobei sich die größte Neigung an dem von der Stelle des Zusammentreffens distalen Teil des Körpers befindet.