JPH10510094A - 化学的にグラフトされた電気デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 支持体（１８）に化学的にグラフトされて、横たわる基板マテリアルに永久的に付着する耐久性に富んだ電導面を作る電導層（２０）を有する電気デバイスが提供される。グラフトされた層（２０）は、電気接点（１６）において組み込むことができ、そしてまた、回路板（６０）、電気デバイス、電子デバイスおよびコンポーネンツのの電気トレース（７２）および接点領域として組み込むことができる。 他の実施例にあっては、グラフトされた層（２０）は、ＲＦＩ／ＥＭＩシールドまたはグランドプレーンに設けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 化学的にグラフトされた電気デバイス 発明の分野 この発明は、電気デバイスに関し、さらに詳しくは、化学的にグラフ トされた電導性被覆を使用するデバイスに関するものである。 発明の背景 電子デバイスまたは電気デバイスおよび電気回路を製造するに当たり 、導電パスおよび接触領域は、プリント回路板の製造におけるような化学エッチ ングとフォトリソグラフ技術および回路板、回路デバイスなどの電気接点または 接触領域のように単層または複層の金属層を形成するめっき技術により付与され るのが通常である。このような製造技術は、周知かつ広く使用されている。しか しながら、これらの技術には、多数の工程と、特別な製造設備とが必要であり、 製造コスト増となり、製造プロセスが複雑になり、さらに製品も複雑になる。 発明の概要 この発明は、一つのアスペクトにおいては、支持基板に化学的にグラ フト（接合）されて、下側の基板マテリアルに永久的に付着する耐久性に富んだ 電導性面を作る電導性被覆または電導性層を有する電気デバイスを提供する。こ の発明は、電気接点として具体化されるもので、この電気接点は、支持基板に化 学的にグラフトされた電導性層の一部であるコンタクト（接点）面を有するもの である。前記基板は、リジッドまたはフレキシブルな単層または複数層の回路板 であり、前記基板に電気的に付着される集積回路または他の電子デバイスまたは 電子パッケージのパターンに相当する意図されたパターンで付与されるグラフト 化されたコンタクト領域をもつ回路板である。前記回路板の電導性トレースもま た前記基板にグラフトできる。前記基板は、また、一つ、または、複数の接点が 化学グラフティングにより形成されるスイッチまたは他 の電気デバイスまたは電子デバイスのエレメントでもよい。他のアスペクトにお いては、この発明は、例えば、回路板上または他の支持構造体の上に設けられて シールドエンクロージャーまたはグランドプレーンになる電気シールドまたはグ ランドプレーンにおいて具体化される。シールドガスケットのようなものもこの 発明により提供される。 前記基板は、電導性または非電導性マテリアルでよく、意図される電 気デバイスまたは回路条件に合うものであれば、リジッドのもの、フレキシブル なもの、または、弾性があるもののいずれでもよい。電導層は、電導性粒子を含 む化学的にボンドされた電導性または非電導性ポリマーマトリックスから構成さ れる。該電導性粒子は、それぞれの粒子がポリマー・マテリアルで被覆されてい るもので、該ポリマー被覆は、互いに化学的にボンドされ、かつ、基板面に化学 的にボンドされる。該グラフトされた層は、一つのマテリアルの単層または異な るマテリアルの二層または複数層のもので、いずれも特定の用途に合致したもの である。 前記ポリマー被覆の粒子は、支持基板面の意図する領域に施されるス ラリーに含まれているものが代表例である。このスラリーは、ディッピング、ス クリーン印刷およびスプレーコーティングが例として含まれる種々の技術により 付与される。付与された被膜は、加熱乾燥され、基板面に化学的にボンドされた 電導層を形成する。該電導層は、また、ローラーコーティング、刷毛塗り（ブラ ッシング）、転写パッド印刷、インクジェット印刷および噴霧スプレーなどの他 の技術により施すことができる。 均質な導電性粒子の層を粗い面または硬化面を形成するようにグラフ ト化の電導性面に形成し、これによって、接触する電気接点面における酸化物ま たは他の汚染層が浸透して接点抵抗をなくすようにできる。粒子面接触は、１９ ９４年１２月２日に出願した、ともに出願中の米国特許出願第０８／３４９，０ ４２号（代理人整理番号ＡＵＧ−Ｃ−５５６ＸＸ）の主題である。 図面の記述 図１ａと図１ｂは、発明を組成するグラトされた端子ピンが電導性開 口部にインサートされ、保持されている一つの実施例を示し； 図２は，発明による弾性環状リング壁が該リングに挿入された電気リ ード部と接触する一つの実施例を示し； 図３は、発明により作られたコントロールされたインピーダンスコン タクトを示し； 図４は、発明を利用した印刷回路板を示し； 図５は、図４の５−５線にそった断面図を示し； 図６は、発明によるフレキシブルな回路板を示し； 図７は、発明を使用した基板対基板のコネクタを示し； 図７ａは、図７のコネクタの接触構造の一つの態様の一部の立面図で あり、 図８は、発明により作られたエッジカード・コネクタを示し； 図９ａから図９ｄは、発明を構成する端子ピンのコネクタのそれぞれ の斜視図を示し； 図１０は、発明を構成するテストプローブを示し； 図１１ａと図１１ｂは、発明を構成するエラストメリックのインター コネクトを示し； 図１２ａから図１２ｄは、発明を構成する電気スイッチデバイスを示 し； 図１３は、発明を構成する音波またはマイクロウエーブ・デバイスを 示し； 図１４は、発明により作られた金属化されたダイアフラムを示し； 図１５は、発明を構成する電気的にシールドされたエンクロージャー を示し；そして、 図１６は、発明による一つの製造方法を略図的に示す。 詳細な記述 前記の例においては、化学的グラフティングにより基板面に電導性領 域または電導性面が付与される。グラフティング技術は、ポリマー・ニュース、 II巻、第11/12，頁19-25の”純粋な化学的手段によるポリマーのグラフティング ”と題する論文に記載されており、この論文を参考文献として、ここに組み込む ものである。 基板にグラフトされる電導性マテリアルは、銀または他の金属といっ た電導性粒子からなり、これら粒子それぞれは、電導性または非電導性ポリマー マテリアルで被覆されている。一つの好ましい実施例においては、これらの粒子 は、スラリーまたは他の担体内に含まれており、該担体により前記粒子が基板面 に施される。例えば、前記粒子を含むスラリーは、基板に印刷されるか、または 、スプレーされて、意図する電導領域を形成する。施されたマテリアルは、液状 担体を除去し、前記粒子が基板面に化学的に接合されるように、ある温度で、か つ、十分な時間で加熱される。オプションとして、銅のような金属を前記グラフ トされた層に、例えば無電極めっきによりめっきすることができる。電導性粒子 は、互いに十分接近して意図した電導性の層になる。導電性粒子を非電導性ポリ マーで被覆した場合、該被膜は、極めて薄く、その電気固有抵抗が極めて低くな っていて、ポリマーマトリックスの内部に緊密にパックされた粒子間に電導性を 付与し、グラフトされた前記層の導電率を意図したレベルにする。前記グラフト された層の導電率のレベルは、導電性ポリマーを用いた場合、高いのが通常であ る。 前記粒子は、図１６に示すように、押し出し成形その他により均質な 電導性マテリアルに形成される。該導電性粒子は、押し出し成形機に供給されて 、所定形状の均質な押し出し成形体が作られる。 前記電導性層は、代表的な例では、厚さが約０．１ミルから約２ミル の範囲にある。前記粒子の被膜の代表的な厚さは、非電導性被膜では、約１０オ ングストロームから約５０オングストローム、導電性被膜では、約１０オングス トロームから約２５０オングストロームである。被覆されていない前 記粒子の代表的な導電率は、約５０から約１０４パーセントIACSである。被覆さ れた前記粒子の導電率の代表的なものは、非電導性の被覆では、２０から６０パ ーセントIACSの範囲であり、電導性被覆では、約６０から１１０パーセントIACS の範囲である。 以下に示す実施例においては、電気デバイスは、化学的にグラフトさ れた被膜からなる一つ、または、複数の電導性領域を有する。 図１ａと図１ｂとを参照すると、プリント回路板１０が示されており 、該回路板は、めっきされたスルーホール１２を有し、このスルーホールは、既 知の態様で回路板の上または内部に設けられた一つ、または、複数のサーキット トレース１４と電気的に接続している。めっきされたスルーホールへの電気的接 続は、ピン１６によりなされるもので、このピンは、熱硬化性のマテリアルのコ ア１８を有し、該コアは、ピン１６のシリンドリカルの面と丸くなった端部２２ にグラフトされた電導性層２０を有している。イニシャルの条件における前記ピ ンは、前記めっきされたホールに挿入されるサイズであって、挿入後加熱される と、前記ピンのコア１８が膨張し、グラフトされた電導性層２０と、これを囲む スルーホールのめっきマテリアルとの間がガスタイトの状態にシールされる。前 記熱硬化性マテリアルは、加熱による膨張後も膨張した状態を保ち、これによっ て永久的なガスタイトのシールが維持される。ピン１６の形状は、永久的な電気 接続状態を作る他の電気接点エレメントに合致する形状のものにすることもでき る。 図２を参照すると、グラフトされた環状リング３０が示されており、 このリングは、プリント回路板３４のサーキットトレース３２に接続している。 該リングは、回路板を貫通するホールのまわりに正合しており、電気デバイスま たは電子デバイスのリード部がこれに挿入される。前記グラフトされたリングは 、シリコンラバーのようなマテリアルの弾性コアを備え、前記コアの面に化学的 にグラフトされたフレキシブルな電導性マテリアルを有している。環状リングを 貫通する開口部は、そこに挿入される電気リード部またはピンの直径よりも僅か に細い直径であり、挿入されたリード部と、これを囲むリング との間に圧縮力が作用して、前記リード部を所定位置に維持する。回路板に接続 するデバイスのリード部パターンに対応するパターンで、弾性リングを配列する ことができる。 電導性被膜は、フレキシブルで弾性に富み、前記コアのマテリアルの 弾性を阻害しない。前記リングは、相手の電気リード部と接触すれば、収縮し、 接触が解除されれば、膨張するもので、その際、前記リングの面の電導性被膜が 剥離したり、クラッキングが入ったりしない。 前記弾性のインターコネクト・リングは、前記コアのマテリアルを所 望の形状に成形することで作ることができる。好ましくは化学的グラフティング により前記リング面を金属化処理し、ついで粒子層を金属化処理した層の面へ施 す。オプショナルには、銅または他の金属を前記粒子層の形成に先立ち前記金属 化層に無電解めっきしてもよい。 図３を参照すると、電導性エレメント４０が示されており、このエレ メントは、回路板４６のシグナルパッド４４に係合しているシグナル接点４２と 、回路板のグランドパッド５０に係合するグランド接点４８とを有している。導 電性エレメントは、燐青銅またはベリリウム銅のような接点マテリアルから作ら れるのが代表例である。絶縁層５１が前記接点エレメントの一部に配置され、こ れの上に電導性層５３がグラフトされてグランドプレーンとなる。このように形 成された接点構造体は、その寸法と、使用のマテリアルによって特定されるコン トロールされた電気インピーダンスを有する。 図４と図５とは、多層のプリント回路板６０を示し、該回路板は、そ の内部に電導パターン６２が三段になっていて、所定の回路配置を構成し、該回 路パターンの一つは、図示の電導経路６４またはスルーホールに電気的に接続さ れている。前記回路板の一つの面には、電導性接点８６が配列されている。ある パターンのサーキットトレースも回路板の一方の外面または両外面に形成するこ とができる。多層の回路板の電導エレメントのすべてをケミカル・グラフティン グにより設けれることができる。また、電導エレメントのいくつかをグラフティ ングにより形成する一方、電導エレメントのいくつかを他の手 段で形成することができる。 図６は、フレキシブルな回路板７０を示し、この回路板は、フレキシ ブルな基板の面にグラフティングにより形成した平行に配列のトレース７２およ び接点領域７４を有する。フレキシブルな回路板の反対面に、さらには、多層の 回路板内部に埋設した層に、同じようなサーキットトレースおよび／または接点 領域を形成できる。 別な実施例が図７に図示してあり、図７においては、回路板コネクタ に対し直角配置の回路板が示してあり、この回路板コネクタは、適当な絶縁マテ リアルのコネクタ本体８０を含み、このコネクタ本体は、第１の面８２に所定の パターンで配置された複数の導電性接点領域８４を有し、これら接点領域は、導 電トレース８６を介して前記本体の直交する面９０に設けられた対応する接点領 域と電気的に接続している。実際の使用に当たっては、接点領域８４は、プリン ト回路板１００の対応する接点領域に合致し、接点領域８８は、プリント回路板 １０２のの対応する接点領域に合致する。該二つの回路板とコネクタ本体との接 続組み合わせ構造は、適切なメカニズム（図示せず）により維持されるもので、 コネクタ技術において知られているものである。 前記接点領域およびトレースは、前記本体の基部となる面に化学的に グラフトされる。前記接点領域が形成される前記本体の複数の面は、隆起した台 部領域を有し、この台部領域は、電導層８１が設けられる弾性層を有している。 図７ａを参照すれば、電導層８１は、隆起した台部８５の上の弾性層８３にグラ フトされている。該電導層８１は、それぞれの電導トレース８７と電気的に接続 しあっている。前記コネクタ本体８０は、前記接点領域が関連し合った回路板に 係合している間圧縮され、接触圧力を付与するような弾性マテリアルまたはエラ ストマーマテリアルのものでもよい。また別に、前記接点領域と対応する電導ト レースとをリジッドなマテリアルに支持された弾性シートに形成してもよい。 図８を参照すると、エッジカード・コネクタが示されており、これは 、多数の隆起した畝部１１２を有するエラストマー・マテリアルの本体１０ を有し、前記畝部の面それぞれには、グラフトされたコンダクタ１１４が設けら れている。これらコンダクタは、図示のように、前記本体のそれぞれの面にそっ て下方へ延びており、前記本体の底部の開口部を通り、前記本体の底面に達して いる。前記コネクタの接点領域に対応する接点領域を有する回路板または回路カ ードが前記コネクタ本体に挿入され、前記コネクタのそれぞれの接点領域１１５ と係合する。図示のエッジカード・コネクタは、対向するサイドにコネクタを有 し、ダブルサイドの回路板または回路カードの接点領域の対向する列に係合する 。シングルサイドの回路カードに係合し、接触するシングルサイドのコネクタも この発明により設けることができる点に留意されたい。種々の電気接続、電子接 続用途ならびに接続構造に合った其の他種々のコネクタ構造が考えられる。 別の実施例が図９ａから図９ｄに示してあり、該実施例においてはグ ラフトされた導電領域が雌ソケットまたはインターコネクタの開口部内に設けら れている。インターコネクタ本体１２０は、多数のホール１２２を有し、それら のそれぞれは、合体するコネクタ１２８の対応する電気ピンと電気的に接触する グラフトされた導電面を有している。インターコネクトする開口部の導電領域の それぞれは、適当な回路板または他の相互接続体に接続する為、環状接点領域１ ３０における背面に達している。前記コネクタ開口部のそれぞれは、外方向へ広 がった入り口部１３２を有し、該入り口部にも導電被膜が施される。 図１０を参照すると、そこには、電気テストプローブが図示されてお り、このプローブは、一端に固定されたエラストマーの球形プローブチップ１４ ２をもつプローブ本体１４０を有している。このチップは、エラストメリックの ボールであって、グラフトされた導電面を有している。該プローブ本体は、導電 面を有するか、又は、金属のような導電マテリアルで作られている。該プローブ 本体は、適当な固定具に保持されて、前記チップが前記接点領域に位置し、該チ ップを前記接点領域に押し付ければ、電気的に係合するようになっている。 グラフトされた導電面をもつ前記エラストメリックの球体を図１１ａ と図１１ｂに示すように、インターコネクション・デバイスとすることができる 。前記球体１５０は、適切なハウジング（図示せず）内に保持され、該ハウジン グを導電パッド１５４を有するプリント回路板１５２と導電パッド１５８を有す る電子ダバイス１５６との間に介挿する。電子ダバイスを前記エラストメリック の球体のバネカに抗しながら、前記プリント回路板に向け押しつけると、前記電 子デバイスと前記回路板とは、介在する導電球体によって相互に電気的に接続し 合う。適切なソケットメカニズム（図示せず）により、前記電子デバイスと前記 回路板との接続係合が維持される。 この発明は、図１２ａから図１２ｄに示すように、電気スイッチの製 造にも有効に使用できる。これらのスイッチのそれぞれにおいて、導電接触領域 は、プラスチックまたは他の非導電性マテリアルのアクチュエーターにグラフト される。スイッチハウジングの電気端子は、コンベンショナルのスタンプされた 金属ものでよく、これらの端子は、接点領域を有し、これら領域は、スイッチ・ アクチュエーターの動作に応じて選択的に係合して、それぞれのスイッチ接点構 造により、スイッチ閉とスイッチ開とを行う。また別に、ケーズに応じてスイッ チ端子を化学的にグラフトできる。プッシュボタン・スイッチ図１２ａに示され ており、そこでは、グラフトされた導電接点領域がアクチュエーター１６２に設 けられている。このアクチュエーターを手で押し込むと、前記接点領域がスイッ チ端子の対面する接点領域１６４に接触する。種々のスイッチ構造により、意図 するスイッチ操作が行えることを理解されたい。スライドスイッチが図１２ｂに 示され、そこでは、スライドするアクチュエーター１６６のそれぞれの端部に接 点領域１６７がグラフトされている。トグルスイッチが図１２ｃに示され、そこ では、トグル機構１６８にグラフトされた接点領域１７０が含まれている。図１ ２ｄは、スイッチの電気端子および接点領域となるグラフトされた導電パスを有 するスイッチケースまたはスイッチハウジングを図解する。図１２ｄの構造にお いては、グラフトされた端子１７１は、多段階成形プロセスで作ることがきる。 プラスチックのポストの面に導電被膜 がグラフトされ、ついで、これらのポストをプラスチックのハウジング１７３内 にモールドし、該ハウジングにグラフトされた接点領域１７５を図示のように設 けて、グラフトされた端子と電気的に接続するようにする。前記端子１７５は、 トグル機構１７９により作動される導電ストリップ１７７により選択的に相互接 続される。 この発明は、また、図１３に示すような地上波デバイスに実施できる もので、これは、例えば、サーフェース音波用途またはマイクロウエーブ用途な どのためのものである。代表的には、アルミナで作られた基板の上に音波または マイクロウエーブの伝播に適した一つ、または、複数のマテリアルのパターンを 形成する。音波が目的であれば、前記パターンは、アンチモニーとビスマスとで 作られるのが代表例であり、これら両者をセラミックの基板にデポジットし、化 学的にグラフトする。 別の実施例が図１４に示されており、そこでは、その一例がドーム形 状で示してある非導電性の基板面に導電性パターン１８１が化学的グラフティン グにより設けられる。前記ダイアフラムは、熱、振動または圧力などような意図 された特性に対しセンシティブなものであり、ゆがんだり、変形し、これにとも ないパターン１８１の電導トレースを相対運動させ、電気的に感知できるシグナ ル変化を生じさせる。 図１５は、電子回路板のエンクロージャーまたはケースを示し、該エ ンクロージャーは、該ケースまたはエンクロージャーの二つの半体の内面にケミ カルグラフティングによって設けられた電気シールド層を有する。前記ケースは 、プラスチック成形などにより二つの半体２００，２０２に形成されており、そ れらの内部に回路板２０４が納められるようになっている。電導被膜２０６が前 記ケースの内面にグラフトされ、ＲＦＩおよび／またはＥＭＩシールディングを 形成する。このシールド被膜は、代表的にはスクリーン印刷により前記ケースの 内面に施され、ついで加熱されて前記被膜をキャタライズし、グラフトされた層 を付与する。この発明は、図示され、記載されたものに限定されるものではなく 、別の実施もこの発明の実の範囲から逸脱することなしに 当業者によりなしうるものであるからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピクルス，チャールズ，エス. アメリカ合衆国 02760 マサチューセッ ツ州 ナンバー アトレボーロー レッジ ブルック ドライブ 42

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 請求項 １ 以下の構成を備える電気デバイス： 面を有する基板； 多数の導電粒子からなり、それぞれの粒子が電導性被膜を有して いる電導層； 互いに化学的に接合され、前記基板面に化学的に接合されている 前記粒子の電導性被膜。 請求項 ２ 前記電導層が多数の粒子から構成され、該粒子のそれぞれが電導 性ポリマー被膜を有している請求項１の電気デバイス。 請求項 ３ 以下の構成を備える電気マテリアル： 面を有する基板； 前記基板面に化学的にボンドされた電導性被膜で、電導性粒子を 含む化学的にボンドされたポリマーマトリックスからなる電導性被膜。 請求項 ４ 前記基板が非電導性である請求項３の電気マテリアル。 請求項 ５ 前記基板がリジッド（硬質）のものである請求項４の電気マテリ アル。 請求項 ６ 前記基板がフレキシブルなものである請求項４の電気マテリアル 。 請求項 ７ 前記電導性被膜は、前記基板面の選択された領域に施されている 請求項４の電気マテリアル。 請求項 ８ 前記基板が電導性のものである請求項３の電気マテリアル。 請求項 ９ 電導層の上に施された付加された電導層を含む請求項３の電気マ テリアル。 請求項１０ 前記電導性粒子は、金属である請求項３の電気マテリアル。 請求項１１ 前記基板がフレキシブルであり、前記電導性被膜がフレキシブル である請求項３の電気マテリアル。 請求項１２ 以下の構成を備える電気的に相互接続する構造： 対応する電気接点エレメントに合致する形状の熱硬化性のマテリ アルからなる長い本体； 熱硬化性マテリアルの面の少なくとも一部に化学的にグラフトさ れた電導性層； 合致する電気接点エレメントに挿入できるサイズであって、加え られた熱に応答して膨張し、前記グラフトされた導電面と前記電気接点エレメン トの合体する電導面との間を永久的にガスタイトシールする前記熱硬化性マテリ アル。 請求項１３ 以下の構成を備える電気的に相互接続する構造： 弾性コアと、その上に化学的にグラフトされた電導層とを有する 少なくとも一つの環状リング； 基板における開口部まわりに配置され、該開口部と正合する前記 環状リングで、前記環状リングの電導層が前記基板における電導エレメントと電 気的にコンタクトしているもの； 前記環状リングを貫通する前記開口部で、前記挿入された電気端 子と、これを囲むリングとの間に圧縮力が作用するように、前記開口部に挿 入される電気端子の径よりも細くなっている前記開口部。 請求項１４ 以下の構成を備える電気的に相互接続する構造： 基板の一つの面の少なくとも一部の上に弾性マテリアルの第２の 基板を有するリジッドなマテリアルの基板；および 前記弾性マテリアルの露出した面に化学的にグラフトされて、フ レキシブルな電導接点領域を設けるるもので、前記電導マテリアルが電導性粒子 を含む化学的にボンドされたポリマーマトリックスからなるもの。