CN113248922A - 弹性体导电复合材料互连件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于可模制互连件(100)的弹性体导电复合材料。该复合材料具有包含交联聚合物的聚合物基体(124)、用于催化聚合物基体交联的固化剂以及分散在聚合物基体内的导电金属颗粒(126)和非导电可压缩橡胶颗粒(128)。该非导电可压缩橡胶颗粒(128)具有比与所述弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。还提供了包含弹性体导电复合材料的可模制互连件(100)。该互连件可以用于提供两个或更多个相对的触点或触点阵列之间的电连接，以建立至少一个电路。

Description

弹性体导电复合材料互连件
技术领域
本发明总体涉及用于可模制互连件的改进的弹性体导电复合材料。
背景技术
互连装置用于提供两个或更多个相对的触点或触点阵列之间的电连接，以建立至少一个电路，其中各个阵列可以设置在硅封装件、电子设备、印刷电路板或类似的解决方案中。在一互连技术中，电连接由互连装置提供，该互连装置物理地插入在相对的触点阵列的相应电触点之间。
一些已知的互连装置使用支撑在基板上的导电弹性体柱阵列，该柱可以被压缩以建立可靠的接触并在相对的触点之间提供电连接。在其他已知的互连装置中，弹性体柱是非导电的，并且通过单独的触点或迹线提供电连接。
导电弹性体作为用于互连装置的材料对于插入高速硅封装件具有多个优点。它们是可模制的，并且通过便宜工具很轻松地形成定制图案。此外，可以实现小的螺距和触点高度，每个都小至0.5mm，甚至可能更小。模制触点的接触电阻可以非常低，小于15mΩ/pin，并且与金属触点相比，信号完整性极佳。由于所有这些原因，它们被寻求用于各种应用，特别是对于那些通常需要少量定制图案以及极佳电气性能的应用。
美国专利号6271482(David R.Crotzer等人)公开了多种类型的电互连件，其基于由非导电弹性材料形成的导电弹性体，其中分散有一定数量的导电薄片和导电粉末颗粒。
美国专利号7726976和美国公开号2012/0257366A1和2012/0258616A1提供了也基于导电弹性体的金属化颗粒互连(MPI)设备的其他示例。
然而，可模制互连件的材料要求非常具有挑战性。极低的接触电阻必须与极佳的机械性能和可加工性相结合。特别地，材料必须具有良好的可压缩性，尤其是对于大阵列而言，以补偿它们在其间被压缩的基板的不完美平坦度。另外，它们必须在压缩和热暴露下长期保持其性能，这意味着弹性体中的聚合物链必须具有最小的松弛。同样，它们必须模制成具有良好脱模性能的触点阵列几何形状。
过去，替代的硅酮材料已经与导电金属颗粒混合以满足这些具有挑战性的机械和电气要求。可以将所得的导电复合材料模制成触点阵列。然而，由于材料的蠕变和松弛性能，压缩触点阵列所需的力比期望的要大，并且触点阵列的耐久性比期望的要小。此外，可模制的材料配方和几何形状受到材料的脱模性能的限制。
美国专利号5904978公开了一种导电复合材料制品，其在材料的整个结构中是连续导电的，因此适用于诸如EMI屏蔽之类需要柔性和适形材料的应用。该复合材料包括导电颗粒和非导电膨胀空心聚合物颗粒。然而，所得的复合材料在低压缩载荷下是可变形的。另外，所述的复合材料是溶剂加工的并且不能模制。
已经尝试了多种方法，比如调节导电复合材料的交联密度。可以通过降低交联密度来提高导电复合材料的可压缩性。然而，随着交联密度的降低，导电复合材料的蠕变和松弛性能变得更差。
因此，需要新的方法来改善导电复合材料的可压缩性而不恶化其他性能，比如抗蠕变性、抗松弛性、可压缩性、可加工性和接触电阻。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于可模制互连件的弹性体导电复合材料。复合材料包括聚合物基体，其包括交联聚合物，其中聚合物包括弹性体。复合材料还包括用于催化聚合物基体交联的固化剂；以及分散在聚合物基体内的导电金属颗粒和非导电可压缩橡胶颗粒，该非导电可压缩橡胶颗粒具有比与所述弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。
附图说明
图1示出了电互连系统。
图2是压缩(％)相对于力(g/pin)的图，描绘了针对本发明的可模制互连制品的两个实施例在质地分析仪上执行的测试结果。
具体实施方式
在本发明中，提供了一种用于可模制互连件的弹性体导电复合材料，所述复合材料包括：包括交联聚合物的聚合物基体；用于催化聚合物基体交联的固化剂；以及分散在聚合物基体内的导电金属颗粒和非导电可压缩橡胶颗粒。该非导电可压缩橡胶颗粒具有比与所述弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。
这种材料可以有效地用于各种有用的应用中，包括用于数据连接行业的可模制互连装置或在传统结构难以满足信号完整性性能要求的情况下插入高速硅封装件。
通常，聚合物基体材料包括一种或多种单体和交联剂的聚合产物。本发明的聚合物基体包括弹性体交联聚合物。用作本发明的弹性体复合材料的基体的聚合物的示例包括硅酮、氟硅氧烷、氟弹性体、环氧树脂、乙丙二烯单体橡胶(EPDM)、聚烯烃(PO)或聚氨酯(PU)。硅酮基体具有在宽温度范围内提供强度、弹性和性能的出色组合的优势。
在另一实施例中，在添加导电金属颗粒或非导电可压缩橡胶颗粒之前，包含弹性体交联聚合物的聚合物基体具有大于20的肖氏A硬度，以确保在添加金属颗粒之后获得所需的机械性能，例如机械强度、可压缩性以及抗蠕变和松弛之间的平衡。与导电金属颗粒混合之前，聚合物基体的肖氏A硬度应大于20，优选大于30，最优选为在40至90之间。
催化的剂，也可以等效地称为固化剂或硬化剂，用作促进材料的分子组分结合的催化剂，并且可以是诸如过氧化物、铂或锡催化剂之类的催化剂。
通过标准的混合技术，比如间歇、辊式或离心混合，聚合物基体可以吸收高加载量的导电金属颗粒。高加载量使得超过导电金属颗粒的渗透阈值。
根据本发明的另一方面，导电金属颗粒应具有非常低的电阻率以及对热和湿气的良好稳定性。优选的导电颗粒包括银、镍、铝、铂、铜、不锈钢、碳和金。颗粒可以包括金属涂层以增强导电性。优选的金属涂层包括银、镍、铜和金。最优选的是选自由银、涂银颗粒(比如涂银玻璃)、涂银铜、涂银镍、涂银铝、金和涂金颗粒构成的组的颗粒。
导电金属颗粒应该很小，以便它们可以形成较小形状因数的导电网络。平均尺寸应理想地小于50μm，特别地小于40μm，更优选地小于30μm，特别地小于20μm，最优选地小于12μm，其优点是在小几何形状中获得了良好的导电性(所得的接触插脚的直径通常<1mm)，并且在进行环境调节(比如热、热/湿气等)后也可以保持良好的导电性。
导电金属颗粒可以是多种类型的形态和形状的混合物，以促进更高的导电性。例如，它们可以是球形、薄片、颗粒、纤维、层或其他形状以及它们的组合。
在本发明的一实施例中，导电金属颗粒的浓度为15体积％至40体积％，优选为大于20％，更优选为20体积％至35体积％，更优选为30体积％至35体积％，更优选为20体积％至30体积％，更优选为25体积％至30体积％，更优选为20体积％至25体积％。这些浓度范围允许在不牺牲可加工性的情况下实现导电颗粒的渗透网络。
根据本发明的另一改进，要分散在聚合物基体内的优选的非导电可压缩橡胶颗粒(也称为软橡胶颗粒)是硅酮颗粒或硅酮微球。软橡胶颗粒可以是球、微球、粉末、薄片、管、立方体、椭球以及使其适于混合在聚合物基体中的任何其他形状或形态的形式。可用的微球基本上是适于在一定压力作用下变形的球形颗粒。微球可以很容易地在压力下变形并在释放压力后恢复其形状，因此当分布在基体内时，这将对所得复合材料的机械性能产生影响。
非导电可压缩橡胶颗粒的平均尺寸为0.1至1000μm，优选为1μm至100μm，更优选为5μm至30μm。该尺寸必须足够小，以免破坏触点阵列几何形状中的金属颗粒的导电网络(触点的直径通常<100um)或对机械完整性产生负面影响，但还必须足够大以提供可压缩性好处。
非导电可压缩橡胶颗粒的浓度应低于上限(其会破坏导电复合材料的导电网络和/或机械完整性和几何形状)，从而保持机械完整性和导电性，同时还应使得优化可模制性和脱模性能并减少飞边。浓度应为弹性体导电复合材料的1体积％至60体积％，优选应为总导电复合材料的1体积％至20体积％，最优选为5体积％至10体积％，或20体积％至60体积％，更优选为20体积％至50体积％，更优选为25体积％至35体积％，最优选为30体积％至40体积％。具体地，当使用5％至10％的浓度时，可以获得约0.7mm高和约0.3mm宽的导电复合材料的小插脚。
非导电可压缩橡胶颗粒具有比与如上所述的弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。软橡胶颗粒的良好可压缩性允许改善导电复合材料的可压缩性。应当理解，术语可压缩性可以定义为在40g的压缩力下元件的高度减小的百分比(％)。
当元件(例如由中心直径为0.66mm和顶部/底部直径为0.46mm的1.1mm高的支柱)由包括至少20体积％的非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料制成时，与由不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料制成的元件的可压缩性相比，在给定的施加力下，该元件的可压缩性至少增加了10％。
为了形成导电阵列，将所需量的非导电可压缩橡胶颗粒和催化剂添加到聚合物基体中并均匀混合。然后添加所需量的导电颗粒并均匀混合。然后可以将弹性体导电复合材料模制成导电阵列，该导电阵列由每个大致是中心直径为0.66mm和顶部/底部直径为0.46mm的1.14mm高的支柱构成，然后可以在质地分析仪或动态机械分析仪上测试可压缩性。导电阵列也可以具有不同的几何形状，而支柱也可以具有不同的高度和直径。
混合可以通过任何合适的方式进行，包括干混粉末、湿混、离心混合、调和、辊磨等。
图1示出了根据示例性实施例的包括由弹性体导电复合材料制成的互连装置106的可模制互连件100，该弹性体导电复合材料包括聚合物基体124、分散在该聚合物基体内的导电金属颗粒126和非导电可压缩橡胶颗粒128。互连装置(比如图1所示的互连装置)可以是板对板、板对装置或装置对装置类型的互连装置，并用于提供两个或更多个相对的触点阵列之间的电连接，用于建立至少一个电路，其中阵列可以设置在硅封装件、电子设备、印刷电路板等上。特别地，图1是互连装置106的将可模制互连件的电气部件102和104互连的部分的截面图。例如，电气部件104可以是电路板，电气部件102是诸如芯片或处理器之类的电子封装件，而互连装置106可以是安装到电路板上并配置成容纳芯片的插座。示出了处于配合状态的第一电气部件102和第二电气部件104。在示例性实施例中，互连装置106包括以元件触点阵列布置并保持的弹性体导电复合材料的多个可压缩支柱108。“支柱”一词的含义应与“元件”、“柱”或“插脚”的含义相同，并且其用于描述模制的触点形状，该形状为截头圆锥形，中心直径对应于较宽的中间部分，而顶部/底部直径对应于较窄的相对的第一端110和第二端112。阵列内的支柱108以预定图案布置。支柱108具有相对的第一端110和第二端112，其中支柱在第一端和第二端之间导电。互连装置106被安装到第二电气部件104，使得每个弹性体柱108的第一端110接合设置在第一电气部件102上的配合触点114，而每个弹性体柱108的第二端112接合设置在第二电气部件104上的配合触点116。在其他替代实施例中，互连装置106可以固定到第二电气部件104，比如通过使用闩锁、紧固件或将互连装置106机械地保持在第二电气部件104上的其他装置。
元件或弹性体支柱108阵列保持在绝缘基板118中。支柱108可被模制或以其他方式设置在绝缘基板118内。绝缘基板具有相对的第一和第二外表面，第一和第二外表面120和122是平坦的并且彼此平行。
在放大视图中，示出了每个柱的细节，其中弹性体导电复合材料示出为聚合物基体124，其包括分散在其内的导电金属颗粒126和非导电可压缩橡胶颗粒128。
连接器旁边的互连装置的其他应用示例是插座或插入器。弹性体导电复合材料的其他应用示例是电磁干扰(EMI)屏蔽垫片、管材和电缆护套产品。
使用以下过程确定在以下示例中创建的材料的属性：
示例
基于硅酮聚合物基体制备两种配方。在第一配方中，添加30体积％(基于最终配方组合物的总量)的平均直径为30μm的硅酮微球，并使用离心混合器均匀地混合。在第二配方中，不添加微球。然后，在两者中均添加25体积％(相对于硅酮的量)的涂银铜粉并均匀地混合。然后将这些化合物模制成导电阵列样品，其由高约1.14mm、中心直径约0.66mm且顶部/底部直径约0.46mm的支柱构成。然后在质地分析仪上测试导电阵列样品。如图2所示，与不具有微球的配方相比，具有微球的配方在给定法向力下的压缩量更大。当样品由包括至少25体积％的非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料制成时，与由不包含非导电可压缩橡胶颗粒的类似的弹性体导电复合材料制成的元件的可压缩性相比，这些元件的可压缩性在给定作用力下至少增加了10％。可压缩性定义为在40g压缩力下元件高度降低的百分比(％)。由具有微球的配方制成的模制支柱仅具有241mOhm/pin的稍高电阻，相比之下，由不具有微球的配方制成的模制支柱的电阻为75mOhm/pin。每个支柱的电阻均小于1欧姆。电阻是从支柱的顶部到底部进行测量的，并包括与平坦的镀金电极的接触电阻。
基于硅酮聚合物基体制备另一配方，其中添加5体积％(基于最终配方组合物的总量)的平均直径为5μm的硅酮微球并均匀混合。在这种情况下，获得了中心直径为0.24mm且顶部/底部直径为0.17mm的0.69mm高的元件，该元件可以很容易地从模具中脱模，这表明与不具有硅酮微球的类似配方相比，可模制性得到了改善。与不具有硅酮微球的类似配方相比，减少了源于模制过程中插脚之间的飞边。
本发明涉及一种用于可模制互连件的弹性体导电复合材料，所述复合材料包括：包括交联聚合物的聚合物基体；用于催化聚合物基体交联的固化剂；以及分散在聚合物基体内的导电金属颗粒和非导电可压缩橡胶颗粒，该非导电可压缩橡胶颗粒具有比与所述弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。通过常规的混合技术，可以用高加载量的导电和非导电颗粒填充聚合物基体。所得的复合材料提供的优点是，与不具有这种非导电可压缩橡胶颗粒的类似配方相比，对于包括非导电可压缩橡胶颗粒的配方，在给定法向力下的压缩量更大。将软的可压缩橡胶颗粒添加到导电复合材料中可实现出色的可压缩性，同时保持导电复合材料的其他关键性能。尽管过去已经使用软橡胶颗粒来改善抗冲击性、触觉柔软性、光扩散和许多其他材料特性，但在本发明中，软橡胶颗粒的良好可压缩性用于改善导电复合材料的可压缩性。所得的复合材料也易于制造成互连装置。
根据另一实施例，提供了一种可模制互连件，其包括如上所述的弹性体导电复合材料。
在另一实施例中，可模制互连件的用途用于电互连装置，其用于在两个或更多个相对的触点阵列之间提供电连接以建立至少一个电路。
因此，本发明的主要目的是提供一种具有非常低的接触电阻和良好的机械性能的弹性体导电复合材料。本发明的又一个目的是提供一种包括该弹性体导电复合材料的改进的可模制互连件以及该可模制互连件在电互连装置中的用途。

Claims (15)

1.一种用于可模制互连件(100)的弹性体导电复合材料，所述复合材料包括：
包括交联聚合物的聚合物基体(124)，所述聚合物包括弹性体；
用于催化聚合物基体交联的固化剂；以及
分散在聚合物基体内的导电金属颗粒(126)和非导电可压缩橡胶颗粒(128)，该非导电可压缩橡胶颗粒具有比与所述弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。
2.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述聚合物基体(124)包括硅酮。
3.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述聚合物基体(124)的肖氏A硬度大于20。
4.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述导电金属颗粒(126)选自由银、涂银颗粒、金和涂金颗粒构成的组。
5.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述导电金属颗粒(126)的平均尺寸小于50μm。
6.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，相对于所述聚合物基体，所述导电金属颗粒(126)的浓度为15体积％至40体积％。
7.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述非导电可压缩橡胶颗粒(128)包括硅酮微球。
8.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述非导电可压缩橡胶颗粒(128)的平均尺寸为0.1至1000μm。
9.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述弹性体导电复合材料中的非导电可压缩橡胶颗粒(128)的浓度为1体积％至20体积％。
10.根据权利要求1所述的弹性体导电复合材料，其中，所述弹性体导电复合材料中的非导电可压缩橡胶颗粒(128)的浓度为20体积％至60体积％。
11.一种可模制互连件(100)，包括用于可模制互连件(106)的弹性体导电复合材料，所述复合材料包括：
包括交联聚合物的聚合物基体(124)，所述聚合物包括弹性体；
用于催化聚合物基体交联的固化剂；以及
分散在聚合物基体内的导电金属颗粒(126)和非导电可压缩橡胶颗粒(128)，该非导电可压缩橡胶颗粒具有比与所述弹性体导电复合材料相同但不含非导电可压缩橡胶颗粒的弹性体导电复合材料更大的可压缩性。
12.根据权利要求11所述的可模制互连件，其中，所述弹性体导电复合材料为保持在绝缘基板(118)中的元件阵列的形式。
13.根据权利要求12所述的可模制互连件，其中，所述元件是具有相对的第一和第二端(110、112)的支柱(108)，该支柱在所述第一和第二端之间是导电的。
14.根据权利要求13所述的可模制互连件，其中，穿过每个支柱(108)的电阻小于1欧姆。
15.根据权利要求14所述的可模制互连件，其中，所述绝缘基板(118)具有相对的第一和第二外表面(120、222)，所述第一和第二外表面是平面的并且彼此平行。
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