DE19851166A1

DE19851166A1 - Elektrisch- und wärmeleitfähige Dicht- und Klebstoffe und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE19851166A1
Application number: DE1998151166
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Schneider
Original assignee: HERMANN OTTO GmbH
Current assignee: HERMANN OTTO GmbH
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2018-11-07
Also published as: DE19851166C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft aufschäumbare, elektrisch- und wärmeleitfähige Dicht- und Klebstoffe, welche für Dichtungs- und Klebzwecke gebräuchliche schäumbare Kunststoffe und Hilfsstoffe, leitfähige Füllstoffe und zum Schäumen geeignete Gase oder gasbildende Stoffe enthalten, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Dicht- und Klebstoffe und deren Verwendung.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind verschäumbare, elektrisch- und wärmeleitfähige Dicht- und Klebstoffe und ihre Verwendung zur Verbindung, Abdichtung und Abschirmung von elektronischen Bauteilen.

Es ist bekannt, elektronische Bauteile in elektrisch- und wärmeleitfähige Gehäuse aus Metall oder leitfähig gemachtem Kunststoff einzubauen, um sie gegen atmo sphärische Störungen, Feuchtigkeit und elektromagnetische Strahlung zu schüt zen. Ein Problem stellt dabei die Abdichtung der Nähte zwischen den verschie denen Gehäuseteilen dar, welche üblicherweise mit Dicht- und Klebstoffen auf Basis polymerer oder polymerisierbarer Kunststoffe verklebt werden, die durch einen Zusatz von elektrisch- und wärmeleitfähigem Füllstoff, insbesondere Metall pulvern wie z. B. Silberpartikel, leitfähig gemacht sind. Verschiedene Dicht- und Klebstoffe sowie entsprechend leitfähige Füllstoffe sind beispielsweise in den folgenden Patenten beschrieben:
Aus der EP 0 608 529 sind Kabelabschirmungen bekannt, wobei die elektrischen Leiter zunächst mit einer einzelnen Isolierschicht und anschließend mit einem klebfähigen Kunststoffbelag überzogen werden, der aus Polystyrol, Vinylacetat, AVB-Harz, Polyethylen, Polypropylen, Polyester oder einem Polyamid-Schmelz kleber, einem Kautschuk-Klebesystem, einem Acrylatsystem, einem Vinylklebstoff oder einem Silikonklebstoff besteht und mit Metallfüllstoffen wie Nickelpulver, Kupferpulver, Silberpulver, Lötmetallpulver, Glas- oder Kohlenstoffasern, die mit Metall überzogen sind, gefüllt ist. 20 bis 300 Teile Metallfüllstoff mit einer Korn größe bis zu 20 µm werden dabei mit 100 Teilen Klebstoffharz gemischt und unter Erhitzen auf die isolierten Leiter aufgepreßt.

Aus der US 5,384,075 sind Organopolysiloxanmischungen als Dichtungsmaterial bekannt, welche ein Organopolysiloxan mit mindestens zwei Alkenylgruppen in einem Molekül und ein Organohydrodien-Polysiloxan mit mindestens zwei SiH- Gruppen pro Molekül enthalten, welche mit einem Metallkatalysator der Platin gruppe unter Mikrowellenstrahlung gehärtet werden können, und einen elektrisch leitfähigen Füllstoff aus gepulvertem Metall oder leitfähigem Metalloxyd enthalten.

Aus der EP 0 653 463 sind elektrisch leitfähige Silikongummimischungen bekannt, welche ebenfalls ein Organopolysiloxan mit mindestens zwei Alkylgruppen pro Molekül und ein Bindemittel aus Organohydrogensiloxan mit mindestens zwei SiH-Gruppen pro Molekül enthalten, sowie auf 100 Teile Kunststoff 50 bis 2000 Teile eines Silberpulvers und einen Katalysator aus der Platin-Metall-Gruppe ent halten. Diese Produkte werden als elektrisch leitfähige Klebstoffe und elektro magnetische Abschirmmaterialien beschrieben.

Aus der EP 0 558 044 sind elektrisch leitfähige feuchtigkeitshärtbare Organo siloxanmischungen bekannt, welche als elektrisch leitfähiges Füllstoffmaterial ein leitfähiges Metalloxid enthalten, welches hell gefärbt ist und damit die Nachteile der bekannten dunklen leitfähigen Materialien wie Leitruß oder Silberpulver ver meidet. Die Produkte sollen als Dichtungsmaterialien für Verbindungen und Nähte in Wandungen und Böden von elektrostatisch abgeschirmten Räumen oder zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit integrierten Schaltungen verwendet werden.

Aus der JP 06 049 269 ist es bekannt, die elektrisch leitfähigen Füllstoffe, insbe sondere Silber-Platin-Legierungen, durch Abplatten entsprechender Metallpulver in eine Lamellarstruktur zu bringen. Die Pulver sollen dabei bei einer durchschnitt lichen Länge von 15 µm eine Breite von 0,55 µm und eine Dicke von 0,3 µm auf weisen. Durch diese lamellare Struktur erhält das durch Mischen mit Silicongummi oder Polyurethanharz hergestellte leitfähige Polymermaterial eine höhere Leit fähigkeit.

Aus der WO 97/23 555 ist weiterhin bekannt, daß man die Leitfähigkeit von Silikon elastomeren, die aus Polyorganosiloxanmischungen und leitfähigen Füllstoffen hergestellt werden, dadurch erhöhen kann, daß man den elektrisch leitfähigen Füllstoff in mindestens zwei von der Partikelgröße abweichenden Gruppen, beispielsweise mit einer Partikelgröße von 10 bis 40 µm und einer Partikelgröße von unter 5 µm, zusetzt. Diese Mischungen sollen benutzt werden, um Autoteile, elektrische Haushaltsgeräte und elektronische Bauteile herzustellen.

Alle diese bekannten Dicht- und Klebstoffe haben jedoch den Nachteil, daß, um eine ausreichende Leitfähigkeit zu erreichen, der Anteil des Füllstoffes mindestens 30% der Masse ausmachen muß, wodurch die ausgehärteten Dicht- und Kleb stoffe eine Shore-Härte von 40 und höher aufweisen und damit eine wenig elasti sche Verbindung der Gehäuseteile bewirken. Weiterhin können als elektrisch leitfähige Partikel nur solche Metallpulver verwendet werden, die sich nicht an der Luft unter Ausbildung einer isolierenden Oberflächenschicht oxydieren, wenn die gute elektrische Leitfähigkeit auch über eine Lebensdauer von z. B. 5 Jahren gewährleistet bleibt. Für elektrische Abschirmungen wurden daher bisher nur Edelmetalle, insbesondere Silberpulver und Platin-Legierungen eingesetzt, was bei dem hohen Preis dieser Metalle die Dichtstoffe erheblich verteuert. Darüber hinaus ist auch die Viskosität von solchen hochgefüllten Klebstoffen vergleichs weise hoch, so daß man zur sicheren Abdichtung diese in größeren Mengen auf die Kontaktstellen aufbringen muß.

Beispielhaft für solche Vorrichtungen seien Mobiltelefone genannt, bei denen ca. 1 g Dichtungsmasse (mit einem Materialwert von 500-1000,- DM/kg) pro Gerät zur Anwendung kommt und trotzdem bei der üblichen automatischen Verarbeitung die Ausschußrate in vielen Gehäusefertigungen bis zu 10% beträgt.

Es stellte sich daher die Aufgabe, neue Dicht- und Klebstoffe zu finden, welche trotz guter elektrischer Leitfähigkeit eine geringere Härte und damit hohe Elastizi tät aufweisen und gleichzeitig den Verbrauch teurer leitfähiger Zuschlagstoffe zu senken.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs bzw. der Neben ansprüche gelöst und durch die Merkmale der Unteransprüche gefördert.

Überraschenderweise weist der erfindungsgemäße dichtende und klebende Schaum, welcher bis zu 75%, vorzugsweise 30-60%, Gasanteil berechnet auf das Volumen der Dichtmasse aufweist, teilweise sogar eine bessere Leitfähigkeit auf als der nicht aufgeschäumte Schaum, obwohl zu erwarten war, daß durch die elektrisch isolierenden Gasbläschen der elektrische Widerstand stark zunehmen würde. Es wird angenommen, daß dies auf einer stärkeren Orientierung der leit fähigen Füllstoffpartikel zu leitenden Brücken in den dünnen Kunststoffwänden um die Gasblasen herum zurückzuführen ist. Durch die Schaumstruktur wird gleich zeitig eine erhöhte Elastizität der ausgehärteten Gesamtschicht und eine gleich mäßigere Ausfüllung der zu verklebenden und abzudichtenden Zwischenräume erreicht und entsprechend dem Gasanteil Dichtmasse eingespart.

Als Dicht- und Klebmasse können die üblichen für Kleb- und Dichtungszwecke gebräuchlichen schäumbaren Kunststoffe wie Epoxy- oder Acrylatharze, Poly styrol, Polyvinylacetat, Polyester, Polyolefin, Polyamid etc. verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Dichtmaterialien auf Basis von Silikonen und insbe sondere einkomponentige Silikonkleber.

Als leitfähige Zusätze werden Metallpulver oder mit Metallüberzügen leitfähig gemachte Glas-, Keramik- oder Kohlenstoffasern oder -pulver verwendet. Als Metalle kommen insbesondere Edelmetalle wie Silber, Gold, Metalle der Platin gruppe und entsprechende Legierungen infrage, die keine isolierenden Oxyd schichten an ihrer Oberfläche bilden, wobei Silber oder Silberlegierungen aus preislichen Gründen bevorzugt sind. Nichtedle Metalle wie Kupfer, Nickel, Chrom, Zinn, Wolfram, Vanadium, Aluminium, Blei etc., die nur sehr langsam oxydiert werden bzw. durch Ausbildung einer dünnen, die Leitfähigkeit nur wenig beeinflus senden Oxydoberflächenschicht sich selbst passivieren, können ebenfalls einge setzt werden. Kohlenstoffasern oder Leitruß seien als Beispiele für nichtmetalli sche leitfähige Zusätze genannt. Die mittlere Teilchengröße der elektrisch leitfähi gen Zuschläge beträgt von 1-100 µm, vorzugsweise 5-50 µm und insbesondere etwa 10-20 µm, wobei es auch möglich ist, zwei oder mehr Fraktionen unter schiedlicher Korngröße, beispielsweise feine Pulver mit bis zu 5 µm und gröbere Pulver mit 10-50 µm zusammen einzusetzen, um dadurch die Leitfähigkeit zu steigern (vgl. WO 971 23 555). Der Anteil der leitfähigen Füllstoffe, bezogen auf den Kunststoffanteil, beträgt üblicherweise 20-300 Gew.-%, vorzugsweise etwa 50-150%. Faserige oder plättchenförmige leitfähige Partikel, die längere leitfähige Brücken bilden, werden dabei bevorzugt (vgl. auch JP 06049269).

Zur weiteren Modifizierung können der Masse noch andere gebräuchliche, nicht leitende Füllstoffe wie beispielsweise Kieselgel, Kreide, Aluminiumoxid, Quarz sand etc. zugesetzt werden, wie sie für Dichtstoffe üblich sind. Durch solche Zusätze wird in bekannter Weise die Verarbeitbarkeit der Massen verändert und die Eigenschaften des ausgehärteten Dichtungsmaterials in Richtung einer höhe ren Härte modifiziert. Der Hauptvorteil solcher Zusätze ist jedoch der Ersatz vergleichsweise teurer Kunststoffe durch billige Füllstoffe.

Das Aufschäumen der Dichtungsmaterialien kann in für solche Kunststoffe üblicher Weise erfolgen, indem man entweder das entsprechende Gas durch eine chemische Reaktion, beispielsweise die Zersetzung von Azodicarbonamid, Toluol sulfohydrazit, Azoisobuttersäurenitril, Ammoniumcarbonat bei höheren Tempera turen, oder durch Einpressen von Luft oder Stickstoff in die Klebstoffmasse ein bringt. Die Untermischung von Luft oder anderen Gasen in an sich bekannten Schaummischanlagen wird bevorzugt, da sie ein Aufbringen des Schaums bei beliebigen Temperaturen, insbesondere Zimmertemperatur, erlaubt. Vorausset zung ist jedoch, daß das Kunststoffmaterial nach dem Schäumen chemisch aushärtet, wie es z. B. bei Siliconklebern bekannt ist. Die chemische Bildung des Treibgases ist insbesondere bei thermoplastischen Materialien bevorzugt, die zur Verklebung sowieso auf die notwendige Temperatur aufgeschmolzen werden.

Aus US-P 4,059,714 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der Heißschmelzkleber bei Temperaturen 100 bis 150°C verflüssigt und unter hohem Druck (< 30 kg/cm²) mittels einer dynamischen Mischvorrichtung (Zahnradpumpe) mit einem inerten Gas, wie Luft oder Stickstoff, homogen gemischt wird, wobei das Gas gelöst oder in feine Bläschen zerteilt wird und die Mischung durch eine Düse auf die zu verklebenden Teile ausgebracht wird. Durch die feine Verteilung des Gases entsteht ein geschlossenzelliger Schaum, der an der Düse nicht verspritzt und sich großflächiger und gleichmäßiger auf der zu verklebenden Fläche verteilen läßt, wodurch die Haltbarkeit der Verklebung verbessert und Klebematerial gespart wird.

US-P 5,480,589 beschreibt eine weitere Vorrichtung mit der polymere Materialien wie Klebstoffe und Dichtstoffe in flüssiger Form über statische Mischer unter einem Druck von z. B. 250 kg/cm² mit Gas vermischt und als nicht verspritzender Schaum ausgebracht werden können. Plastisole und Siliconkleber werden bei spielhaft als polymere Materialien genannt. Gasdruck, Durchströmgeschwindigkeit und vor allem die Anzahl und Art der Mischelemente müssen an den jeweiligen Kunststoff angepaßt werden, um ein einwandfreies Ergebnis zu erhalten.

Die vorstehend genannte Vorrichtungen können auch für die Verarbeitung der erfindungsgemäßen Dicht- und Klebstoffe eingesetzt werden. Für die apparative Ausgestaltung der Vorrichtungen soll durch Referenz auf diese Schriften bzw. die darin genannte Literatur verwiesen werden.

Die erfindungsgemäßen Dicht- und Klebstoffe haben beispielsweise folgende Zusammensetzung:

Polymere, insbesondere Siliconpolymere	15-70%, vorzugsweise 30-50%,
Weichmacher	0-20%, vorzugsweise 1-10%,
Vernetzer, Polymerisationskatalysatoren	0-5%, vorzugsweise 1-3%,
Haftadditive	0-3%,
leitfähige Füllstoffe, insbesondere Silberpulver	15-50%, vorzugsweise 20-40%,
nichtleitende Füllstoffe	0-30%, vorzugsweise 0-10%

Die Komponenten werden unter Vakuum in bekannten Misch- und Knetanlagen zu einer homogenen Paste vermischt, ggf. gasbildende Komponenten in 1-10%, vorzugsweise 2-5%, der Masse zugefügt und in die Verarbeitungsvorrichtung bzw. eine Lagerkartusche abgefüllt.

Die Aufschäumung erfolgt in den Verarbeitungsvorrichtungen, wie oben beschrieben, durch thermische Zersetzung der gasbildenden Komponenten oder Untermischen von Gas unter Druck.

Claims

1. Verschäumbare, elektrisch- und wärmeleitfähige Dicht- und Klebstoffe, enthaltend

a) für Dichtungs- und Klebzwecke gebräuchliche schäumbare Kunststoffe und Hilfsstoffe,
b) leitfähige Füllstoffe,
c) zum Schäumen geeignete Gase oder gasbildende Stoffe.

2. Dicht- und Klebstoffe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähige Füllstoffe Metallpulver, mit Metallüberzügen leitfähig gemacht Glas-, Keramik- oder Kohlenstoffasern oder -pulver verwendet werden.

3. Dicht- und Klebstoffe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoffe Epoxy- oder Acrylatharze, Polystyrol, Polyvinylacetat, Polyester, Polyolefin oder Polyamid verwendet werden.

4. Dicht- und Klebstoffe gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein Silikonkleber, insbesondere ein Einkomponenten-Silikonkleber, eingesetzt wird.

5. Verfahren zur Herstellung von Dicht- und Klebstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Komponenten a) und b) zu einer viskosen Paste mischt und die gasbildenden Stoffe zumischt oder geeignete Gase in einer Schaummischanlage zufügt.

6. Verwendung von Dicht- und Klebstoffen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Abdichtung und Verklebung von Gehäusen für elektronische Anlagen.

7. Verwendung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse von Mobiltelefonen verklebt werden.