DE3787907T2

DE3787907T2 - Elektrischer Verbinder für Oberflächenmontage und Verfahren zu dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE3787907T2
Application number: DE87400589T
Authority: DE
Inventors: Richard Beck; Edward Hu; Chune Lee; James C K Lee
Original assignee: Digital Equipment Corp
Current assignee: Digital Equipment Corp
Priority date: 1986-03-18
Filing date: 1987-03-17
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2007-03-18
Also published as: FI871178A0; DK135987D0; EP0238410B1; JPS62290082A; US4754546A; JPH0234156B2; FI871178A; AU597946B2; EP0238410A2; DK135987A; AU7007787A; DE3787907D1; EP0238410A3; CA1273073A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gegenstände und Verfahren zum elektrischen Verbinden elektronischer Bauteile. Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von anisotropen elektrisch leitenden Materialien, die eine elektrische Schnittstelle zwischen Bauteilen bilden können, die auf einer ihrer Seiten untergebracht sind.
Im Verlauf der letzten zehn Jahre haben elektrisch leitende Elastomere zunehmende Verwendung als Schnittstellen-Verbinder zwischen elektronischen Bauteilen gefunden, wobei diese Elastomere als Alternative zu herkömmlichen Lötverbindungen und Steckverbindungen dienen. Elastomere Leiter können eine Vielfalt von Formen annehmen, müssen aber allgemein eine anisotrope Elektrizitätsleitung zur Verfügung stellen. Anisotrope Leitung bedeutet, daß sich der in einer Richtung durch das Material hindurch gemessene elektrische Widerstand von dem in einer anderen Richtung gemessenen Widerstand unterscheidet. Allgemein waren die elastomeren Leiter des Standes der Technik Materialien, die einen hohen Widerstand in wenigstens einer der orthogonalen Richtungen des Materials zur Verfügung stellen, während sie einen niedrigen Widerstand in den übrigen ein oder zwei Richtungen zur Verfügung stellen. Auf diese Weise kann ein einziges Materialstück oder eine einzige Materiallage Vielfach-Verbindungen erzeugen, vorausgesetzt, daß die Anschlüsse der anzuschließenden Bauteile geeignet ausgerichtet sind.

Beschreibung des Standes der Technik

Die anisotropen elastomeren Leiter des Standes der Technik bestehen im allgemeinen aus einem elektrisch leitenden Material, das in einem elektrisch isolierenden Material verteilt oder angeordnet ist. Bei einer Erscheinungsform sind abwechselnde Lagen von leitenden und nichtleitenden Materialien übereinandergeschichtet, um einen Block zu bilden, und es können einzelne Verbinderstücke in einer zu der Grenzfläche der Lagen senkrechten Richtung aus dem Block geschnitten werden. Dieser Verbindertyp ist in der Druckschrift US-A-3 982 320 gezeigt. Verbinderstücke, die übereinandergeschichtete Verbinder darstellen, sind unter dem Handelsnamen "Zebra" von Tecknit, Cranford, New Jersey und dem Handelsnamen "Stax" von PCK Elastomerics Inc., Hatboro, Pennsylvania verkauft worden. Derartige Verbinder werden allgemein abgehandelt in Suchoff, "Oberflächenmontage von Bauelementen mit elastomeren Verbindern", Electri-Onics, Juni 1983; Buchoff, "Elastomere Verbindungen zum Testen & Voraltern", Microelectronics Manufacturing and Testing, Oktober 1980; Anon., "Leitende elastomere Verbinder eröffnen neue Montage-Gestaltungsmöglichkeiten für einzelne Kontakte oder für ein vollstandiges Verbindungssystem", Insulation/Circuits, Februar 1975; und Anon., "Leitende Elastomere laden zur Übernahme bei Zusammenschaltungen ein", Product Engineering, Dezember 1974. Obwohl sie in einer Anzahl von Fällen nützlich sind, stellen solche geschichteten anisotropen elastomeren Leiter elektrische Leitfähigkeit in zwei orthogonalen Richtungen zur Verfügung, wobei sie eine Isolierung lediglich in der dritten orthogonalen Richtung zur Verfügung stellen. Daher sind die geschichteten anisotropen elastomeren Leiter ungeeignet, Oberflächen-Schnittstellenverbindungen herzustellen, bei denen eine zweidimensionale Anordnung von Anschlüssen auf einer Oberfläche mit einer ähnlichen zweidimensionalen Anordnung von Anschlüssen auf einer zweiten Oberfläche verbunden werden soll. Eine solche Situation erfordert einen anisotropen elastomeren Leiter, der Leitfähigkeit in nur einer Richtung zur Verfügung stellt.
Wenigstens zwei Hersteller erzeugen anisotrope elastomere Leiter, die nur in einer Richtung Leitung ermöglichen. Tecknit, Cranford, NJ, stellt eine Verbindersorte unter dem Handelsnamen "Conmet" her. Die Conmet-Verbinder weisen elastomere Elemente auf, in denen zwei parallele Reihen von elektrisch leitenden Drähten eingebettet sind. Die Drähte sind alle parallel, und es können elektrische Verbindungen hergestellt werden, indem der Verbinder so zwischen zwei Oberflächen gelegt wird, daß ein guter Kontakt hergestellt wird. Der Conmet-Verbinder dient zum Zusammenschalten von Leiterplatten, aber auch zum Verbinden von Chip-Trägern und dergleichen mit gedruckten Leiterplatten. Die Matrix ist Silicongummi.
Ein zweiter anisotroper elastomerer Leiter, der nur in einer Richtung leitet, wird von der Shin-Etsu Polymer Company, Ltd., Japan, hergestellt und ist in den US-PSen 4 252 391, 4 252 990, 4 210 895 und 4 199 637 beschrieben. Besonders mit Bezug auf die US-PS 4 252 391 wird eine drucksensitive elektrizitätsleitende Verbundlage hergerichtet, indem eine Vielzahl elektrisch leitender Fasern in einer elastomeren Matrix, etwa Silicongummi, verteilt wird. Die Kombination aus der Gummimatrix und den leitenden Fasern wird unter Scherbedingungen gemischt, welche die Fasern in Längen von im allgemeinen zwischen 20 und 80% der Dicke der herzurichtenden Lage auseinanderbrechen. Die Fasern werden dann parallel zueinander ausgerichtet, indem die Mischung einem Scherverformungsakt wie Pumpen oder Extrudieren unterworfen wird. Die Verbundmischung wird dann erhärtet, und es werden durch Abschneiden von der erhärteten Struktur Lagen hergestellt. Die elektrisch leitenden Fasern durchlaufen nicht die gesamte Dicke der sich ergebenden Lagen, und ein elektrischer Kontakt durch die Schicht hindurch wird erst durch Druckanwendung hergestellt.
Wenn auch nützlich, so sind die anisotropen elastomeren Leiter des Standes der Technik jedoch allgemein schwierig und kostenaufwendig herzustellen. Insbesondere in dem Fall, daß die elastomeren Leiter eine Vielzahl von leitenden Fasern aufweisen, ist es schwierig, die Faserdichte an einer bestimmten Stelle in der Matrix zu steuern, wobei sich dieses Problem verschärft, wenn die Dichte der leitenden Fasern sehr hoch ist.
Aus diesen Gründen wäre es wünschenswert, Ersatzverfahren zur Herstellung von anisotropen elastomeren Leitern zu schaffen, die nur in einer Richtung Leitfähigkeit zur Verfügung stellen. Insbesondere wäre es wünschenswert, ein Verfahren zum Herrichten solcher elastomeren Leiter zu schaffen, bei denen sich einzelne leitende Fasern in einem exakt gesteuerten gleichförmigen Muster in einer elastomeren Matrix befinden.

Abriß der Erfindung

Es wird ein neuer anisotroper elastomerer Leiter geschaffen, der einfach hergestellt und auf einen weiten Merkmalsbereich zugeschnitten werden kann. Der Leiter weist eine elastomere Matrix mit einer Vielzahl paralleler elektrisch leitender Elemente auf, die überall gleichmäßig verteilt sind. Der Leiter kann in der Form eines Blocks oder eines relativ dünnen Streifens vorliegen, und die elektrisch leitenden Elemente erstrecken sich quer durch den Leiter, so daß sie an einander entgegengesetzten Seiten des Leiters enden. Auf diese Weise ist der anisotrope elastomere Leiter dazu geeignet, eine Schnittstellenverbindung zwischen elektronischen Bauelementen zu bilden, insbesondere Bauelementen, bei denen eine Vielzahl von Anschlüssen in einer zweidimensionalen oder ebenen Anordnung angeordnet ist. Der anisotrope elastomere Leiter kann weiterhin als Grenzfläche zwischen einem wärmeerzeugenden Bauteil, etwa einem Bauteil einer elektronischen Schaltung, und einem Kühlkörper Verwendung finden. Soweit es als elektrisch leitende Schnittstelle oder als thermisch leitende Grenzfläche dient, hat das elastomere Material den Vorteil, daß es sich beiden Oberflächen, die zusammengekoppelt werden, eng anpassen kann.
Die anisotropen elastomeren Leiter der vorliegenden Erfindung können aus ersten und zweiten Material lagen hergestellt werden, wobei die erste Materiallage eine Vielzahl elektrisch leitender Fasern (als die Elemente) enthält, die so angeordnet sind, daß sie parallel zueinander liegen und elektrisch voneinander isoliert sind. Im ersten Ausführungsbeispiel enthält die erste Lage ein Drahtgewebe mit in einer Richtung laufenden Metallfasern, die lose mit isolierenden Fasern verflochten sind, die in der Querrichtung verlaufen. Die zweite Lage besteht aus elektrisch isolierenden Fasern, die lose in beiden Richtungen verflochten sind. Die ersten und die zweiten Lagen sind aufeinandergestapelt, typischerweise in einem abwechselnden Muster, so daß die zweiten Lagen die Isolierung für die elektrisch leitenden Fasern in den benachbarten ersten Lagen bilden. Nach Übereinanderstapeln einer gewünschten Anzahl von ersten und zweiten Lagen wird die Schichtstruktur mit einem flüssigen, aushärtbaren Elastomerharz, etwa einem Silicongummi- Harz durchtränkt, um die in der Schichtstruktur der lose geflochtenen ersten und zweiten Lagen verbleibenden Lücken zu füllen. Typischerweise wird mittels wohlbekannter Spritzpreßtechniken Druck ausgeübt, und der Elastomer wird ausgehärtet, typischerweise durch Wärmeanwendung. In der sich ergebenden Blockstruktur sind dann die elektrisch leitenden Fasern in einer massiven Matrix eingebettet, die zwei Komponenten aufweist, nämlich die isolierenden Fasern und das Elastomermaterial.
Die anisotropen elastomeren Leiter der vorliegenden Erfindung können weiterhin aus Metallagen oder -folien hergestellt werden, die in ein gleichförmiges Muster von parallelen, mit Zwischenraum angeordneten Leitern umgeformt werden, typischerweise durch Ätzen oder Stanzen. Die Metallagen werden dann mit einem elastomeren Isoliermaterial beschichtet und übereinandergestapelt, um einen Block zu bilden, bei dem die Leiter elektrisch voneinander isoliert sind und in paralleler Richtung laufen. Normalerweise werden die beschichteten Metallagen außerdem durch eine Lage aus einem Elastomer mit einer vorgewählten Dicke voneinander getrennt. Auf diese Weise kann der Abstand oder die Teilung zwischen benachbarten Leitern in Richtung sowohl der Höhe als auch der Breite des Blocks sorgfältig gesteuert werden. Nach Übereinanderstapeln einer gewünschten Anzahl von Metallagen und wahlweise Elastomerlagen wird die Schichtstruktur durch Anwendung von Wärme und Druck ausgehärtet, um einen massiven Block zu bilden, bei dem die Leiter in einer isolierenden Matrix eingebaut sind, die aus den elastomeren Überzügen und normalerweise den Elastomerlagen zusammengesetzt ist.
Für die meisten Anwendungen werden Streifen von dem Block abgeschnitten, der durch eines dieser Verfahren auf die für die gewünschte Anwendung als Schnittstelle bzw. Grenzfläche geeignete Dicke gebracht wurde. Im Falle der geschichteten Gewebestruktur ist es häufig wünschenswert, wenigstens einen Teil des faserigen Materials in der Matrix aufzulösen, um Hohlräume in den elastomeren Leiter einzubringen, damit seine Komprimierbarkeit erhöht wird.
Die Erfindung richtet sich im wesentlichen auf ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen elastomeren Leiters, mit den Schritten:
(a) Bilden eines Stapels aus ersten und zweiten Lagen, so daß wenigstens eine zweite Lage zwischen benachbarten ersten Lagen liegt, wobei jede erste Lage ein Drahtgewebe mit in einer Richtung laufenden leitenden Fasern aufweist, welche lose mit isolierenden Fasern verflochten sind, die in der Querrichtung verlaufen, und wobei jede zweite Lage aus elektrisch isolierenden Fasern besteht, die lose in beiden Richtungen verflochten sind;
(b) Einbringen eines verflüssigten aushärtbaren Elastomerharzes in den Stapel, um die in der Schichtstruktur der lose geflochtenen ersten und zweiten Lagen verbleibenden Lücken zu füllen;
(c) Aushärten des Elastomerharzes, um eine massive Matrix zu bilden, bei der die elektrisch leitenden Fasern elektrisch voneinander isoliert sind und sich von einer Seite der Matrix zu der gegenüberliegenden Seite erstrecken.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein anisotroper elastomerer Leiter, der mehrere erste und zweite Lagen aufweist, die übereinandergestapelt sind, so daß wenigstens eine zweite Lage benachbarte erste Lagen voneinander trennt, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß:
(a) jede erste und zweite Lage ein Drahtgewebe ist, das lose aus Fasern geflochten ist, so daß zwischen benachbarten Fasern Zwischenlücken gebildet werden;
(b) jede erste Lage elektrisch leitende Fasern und elektrisch isolierende Fasern enthält, wobei die elektrisch leitenden Fasern in einer Richtung verlaufen und die elektrisch isolierenden Fasern in der Querrichtung verlaufen;
(c) jede zweite Lage aus einem Drahtgewebe besteht, das lose aus elektrisch isolierenden Fasern geflochten ist; und
(d) ein Elastomerharz zwischen benachbarten Lagen und innerhalb der Zwischenlücken angeordnet ist, wodurch ein massiver Block gebildet wird, bei dem die elektrisch leitenden Fasern elektrisch voneinander isoliert sind und sich von einer Seite des Blocks zu der anderen erstrecken.
Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen elastomeren Leiters, mit den Schritten
(a) Erzeugen mehrerer leitender Metallagen und Bilden elektrisch leitender Elemente aus den Metallagen, so daß die leitenden Elemente durch Kanäle getrennt sind und nur in einer Richtung laufen;
(b) Bilden eines Stapels aus ersten und zweiten Lagen, so daß wenigstens eine zweite Lage zwischen benachbarten ersten Lagen liegt, wobei jede erste Lage eine im Schritt (a) erzeugte Metallage ist und jede zweite Lage aus elektrisch isolierendem Material besteht;
(c) Erzeugen eines aushärtbaren Elastomerharzes innerhalb des Stapels, indem die leitenden Elemente mit einem flüssigen Elastomerharz beschichtet werden; und
(d) Aushärten des Elastomerharzes, um eine massive Matrix zu bilden, bei der die elektrisch leitenden Elemente elektrisch voneinander isoliert sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 veranschaulicht die übereinandergestapelten ersten und zweiten Lagen der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Zusammendrücken und Spritzpressen.
Fig. 2 ist eine Detailansicht der ersten Materiallage der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Detailansicht der zweiten Materiallage der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 veranschaulicht den Block anisotropen elastomeren Leitermaterials der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, von dem ein einzelner Streifen entfernt ist.
Fig. 5 veranschaulicht das anisotrope elastomere Leitermaterial der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie es bei der Bildung einer Schnittstelle zwischen einem elektronischen Bauteil mit einer ebenen Anordnung von Anschlußflächen und einem Bauteil-Trägersubstrat mit einer passenden Anordnung von Anschlußflächen verwendet würde.
Fig. 6 ist eine Detailansicht, die die Anordnung der elektrisch leitenden Elemente bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine Explosionszeichnung, die den Stapelvorgang veranschaulicht, der dazu dient, den elastomeren Leiter der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die die Schichtstruktur der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Fig. 9 ist eine Detailansicht, die die endgültige Schichtstruktur der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden anisotrope elastomere Leiter aus ersten und zweiten Lagen lose geflochtenen Gewebematerials hergestellt. Die ersten Material lagen sind sowohl aus elektrisch leitenden als auch aus elektrisch isolierenden Fasern zusammengestellt, wobei die elektrisch leitenden Fasern parallel zueinander ausgerichtet sind, so daß keine zwei Fasern einander an irgendeinem Punkt berühren. Die elektrisch isolierenden Fasern laufen allgemein quer zu den elektrisch leitenden Fasern, um das Gewebe zu vervollständigen. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, elektrisch isolierende Fasern, die parallel zu den elektrisch leitenden Fasern verlaufen, zusätzlich zu den oder anstelle von elektrisch leitenden Fasern mit einzubauen, um die Dichte der leitenden Fasern im Endprodukt einzustellen. Die zweite Materiallage wird ein lose geflochtenes Gewebe, das lediglich elektrisch isolierende Fasern aufweist. Die zweite Materiallage ist daher dazu fähig, als Isolierschicht zwischen benachbarten ersten Schichten zu wirken, in denen sich elektrisch leitende Fasern befinden.
Geeignete elektrisch leitende Fasern umfassen praktisch jedes Fasermaterial mit einem Bahnwiderstand von weniger als etwa 50 uΩ-cm, gebräuchlicher etwa 4 uΩ-cm. Typischerweise sind die elektrisch leitenden Fasern leitende Metalle wie Kupfer, Aluminium, Silber und Gold und ihre Legierungen. Alternativ können geeignete elektrisch leitende Fasern angefertigt werden, indem elektrisch isolierende Fasern modifiziert werden, etwa durch Einbringen eines leitend machenden Mittels in ein natürliches oder synthetisches Polymer, d. h. durch Einbringen von Metallteilchen. Die bevorzugten elektrisch leitenden Fasern sind Drähte aus Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und ihren Legierungen, normalerweise Kupfer.
Die elektrisch isolierenden Fasern sowohl in den ersten als auch in den zweiten Material lagen können aus einer breiten Vielfalt von Materialien hergestellt sein, zu denen Naturfasern wie Zellulose, d. h. Baumwolle, Protein, d. h. Wolle und Seide, und Synthetikfasern gehören. Geeignete Synthetikfasern sind Polyamide, Polyester, Acryle, Polyolefine, Nylon, Rayon, Acrylnitril und ihre Mischungen. Im allgemeinen erhalten die elektrisch isolierenden Fasern Bahnwiderstände im Bereich von etwa 10¹¹ bis 10¹&sup7; Ω-cm, normalerweise oberhalb von etwa 10¹&sup5; Ω-cm.
Die ersten und die zweiten Material lagen werden mittels herkömmlicher Techniken aus den einzelnen Fasern gewoben. Die Größe und der Abstand der Fasern in der ersten Materiallage hängt von der Größe und dem Abstand der elektrischen Leiter ab, die in dem herzustellenden elastomeren Leiter benötigt werden. Typischerweise erhalten die elektrisch leitenden Fasern einen Durchmesser im Bereich von etwa 2·10&supmin;² bis 2·10&supmin;³ cm (8 Milli-Inch bis 0,8 Milli-Inch). Der Abstand zwischen benachbarten Leitern liegt typischerweise im Bereich von etwa 6·10&supmin;³ bis 3·10&supmin;² cm (2 1/2 Milli-Inch bis 12 Milli-Inch). Der Abstand der isolierenden Fasern in der ersten Materiallage ist weniger kritisch, ist aber typischerweise etwa der gleiche wie der Abstand der elektrisch leitenden Fasern. Der Faserdurchmesser der elektrisch isolierenden Fasern wird so gewählt, daß ein genügend festes Gewebe geschaffen wird, um den nachfolgenden Bearbeitungsschritten standzuhalten. In jedem Fall macht man das Gewebe lose genug, daß Spalte oder Lücken zwischen benachbarten Fasern verbleiben, so daß flüssiges Elastomerharz in einen Stapel geflochtener Lagen eingebracht werden kann, wie nachstehend beschrieben wird.
Indem nun auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen wird, wird eine Vielzahl von ersten Lagen 10 und zweiten Lagen 12 in einem abwechselnden Muster übereinandergestapelt. Die Abmessungen der Lagen 10 und 12 sind nicht kritisch und hängen von den gewünschten Endmaßen des elastomeren Leitererzeugnisses ab. Im allgemeinen haben die einzelnen Lagen 10 und 12 eine Länge L zwischen etwa 1 und 100 cm, gebräuchlicher zwischen etwa 10 und 50 cm. Die Breite W der Lagen 10 und 12 liegt normalerweise zwischen 1 und 100 cm, gebräuchlicher zwischen 10 und 50 cm. Die Lagen 10 und 12 werden auf eine Endhöhe im Bereich von etwa 1 bis 10 cm übereinandergestapelt, gebräuchlicher im Bereich von etwa 1 bis 5 cm, entsprechend einer Gesamtzahl von Lagen im Bereich von etwa 25 bis 500, gebräuchlicher von etwa 25 bis 200.
Die ersten Lagen 10 sind aus elektrisch leitenden Fasern 14 gebildet, die mit elektrisch isolierenden Fasern 16 verflochten sind, wie im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Die ersten Lagen 10 sind so ausgerichtet, daß die elektrisch leitenden Fasern 14 in jeder Lage parallel zueinander liegen. Die zweite Materiallage besteht aus einem Gewebe aus elektrisch isolierenden Fasern 16, wie in Fig. 3 dargestellt. Sowohl bei der ersten Materiallage als auch bei der zweiten Materiallage sind Lücken 18 zwischen den einzelnen Fasern des Gewebes gebildet. Abhängig von der Größe der Fasern 14 und 16 wie auch vom Abstand zwischen den Fasern können die Abmessungen der Lücken 18 im Bereich von 5·10&supmin;³ bis 5·10&supmin;² cm (2 bis 20 Milli-Inch) variieren.
Beim Bilden der Stapel der ersten und der zweiten Materiallagen ist es möglich, das in Fig. 1 dargestellte Muster innerhalb gewisser Grenzen zu ändern. Beispielsweise ist es möglich, zwei oder mehr der zweiten Lagen 12 zwischen benachbarte erste Lagen 10 zu setzen, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In allen Fällen ist es jedoch notwendig, daß sich wenigstens eine der zweiten isolierenden Lagen 12 zwischen benachbarten ersten leitenden Lagen 10 befindet. Darüberhinaus ist es nicht notwendig, daß sämtliche der in einem einzelnen Stapel verwendeten ersten Lagen 10 übereinstimmen, und es können zwei oder mehr Lagen 10 mit verschiedenem Aufbau verwendet werden. Ähnlich ist es nicht notwendig, daß die zweiten Lagen 12 alle den gleichen Aufbau haben, und es ist eine gewisse Variationsbreite erlaubt.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, bei der Herstellung der Materialien der vorliegenden Erfindung kommerziell erhältliche Filtergewebe zu verwenden, die von Lieferfirmen bezogen werden können. Die zweiten Lagen können Nylon-Filtergewebe mit einer Maschenzahl von etwa 80 bis 325 Maschen sein. Die ersten Material lagen können kombinierte Draht/Nylon- Maschengewebe mit einem ähnlichen Maschenformat sein.
Nachdem der Stapel gebildet worden ist, wie in Fig. 1 dargestellt, ist es erforderlich, den Stapel zu einem massiven Block aus elastomerem Material zu formen. Dies lädt sich erreichen, indem ein aushärtbares Elastomerharz in die Lücken 18 der übereinandergeschichteten Material lagen 10 und 12 eingebracht wird. Geeignete Elastomerharze sind aushärtbare Harze wie Silicongummi, Urethangummi, Latexgummi und dergleichen. Besonders bevorzugt werden Silicongummi wegen ihrer Stabilität über einen breiten Temperaturbereich hinweg, ihrem geringen Kompressions-Verformungsrest, hoher elektrischer Isolation, geringer Dielektrizitätskonstante und Haltbarkeit.
Das Durchtränken der ersten und der zweiten Lagen mit dem Elastomerharz kann mit herkömmlichen Verfahren bewerkstelligt werden, typischerweise mit herkömmlichen Spritzpreßtechniken. Die Schichtstruktur der Fig. 1 wird in eine umgebende Preßform gesetzt die als Preßspritzform bezeichnet wird. Verflüssigtes Elastomerharz wird unter Druck in die Preßspritzform eingebracht, so daß der Preßform-Hohlraum vollständig mit dem Harz ausgefüllt wird. Es kann entweder eine kalte oder eine erwärmte Preßform verwendet werden. Im Falle einer kalten Preßform ist es erforderlich, nachträglich Wärme anzuwenden, um das Harz auszuhärten, so daß sich ein verfestigter Verbundblock aus dem Harz und den übereinandergeschichteten Material lagen ergibt. Dieses Aushärten nimmt größenordnungsmäßig eine Stunde in Anspruch. Die Verwendung einer erwärmten Preßform verkürzt die Aushärtzeit auf die Größenordnung von Minuten.
Indem nun auf Fig. 4 Bezug genommen wird, ist das Ergebnis des Spritzpreßvorgangs ein verfestigter Block 20 aus dem geschichteten Verbundmaterial. Wie dargestellt, sind die einzelnen Leiter 14 in der Axialrichtung des Blocks 20 ausgerichtet. Um relativ dünne elastomere Leiter zu erhalten, die für die meisten Anwendungen geeignet sind, können einzelne Streifen 22 vom Block 20 abgeschnitten werden, indem er in einer auf der Richtung, in der die Leiter verlaufen, senkrechten Richtung in Streifen geschnitten wird. Dies führt zu einem dünnen Materialstreifen mit einzelnen Leitern, die überall gleichmäßig verteilt sind und die sich über die Dicke T des Streifens 22 erstrecken. Falls gewünscht, kann der Streifen 22 weiter unterteilt werden, indem er in kleinere Stücke für spezielle Anwendungen zerschnitten wird. Die Dicke T ist nicht kritisch, liegt aber normalerweise im Bereich von etwa 0,02 bis 0,4 cm.
Der sich ergebende dünne Abschnitt eines elastomeren Leiters 22 weist daher eine Zwei-Komponenten-Matrix auf, die sowohl das isolierende Fasermaterial 16 als auch das elastomere isolierende Material, das durch den Spritzpreßvorgang hineingebracht wurde, enthält. In manchen Fällen ist es wünschenswert, wenigstens einen Teil des isolierenden Fasermaterials 16 zu entfernen, um Hohlräume in den Leiter 22 einzubringen. Solche Hohlräume steigern die Komprimierbarkeit des Leiters, was unter bestimmten Umständen nützlich sein kann. Das Fasermaterial kann durch eine Vielfalt chemischer Mittel aufgelöst werden, die typischerweise Oxidationsreaktionen verwenden, oder mit Trockenplasma-Ätztechniken. Die spezielle Oxidationsreaktion hängt natürlich von der Art der isolierenden Faser ab. Im Falle von Nylon und den meisten anderen Fasern genügt es im allgemeinen, sie einer relativ starken Mineralsäure wie Salzsäure auszusetzen. Nach der Säureoxidation wird das Leitermaterial vor einer weiteren Behandlung oder Verwendung natürlich gründlich gewaschen.
Indem nun auf die Fig. 5 und 6 Bezug genommen wird, findet der anisotrope elastomere Leiter der vorliegenden Erfindung seine umfassendste Verwendung dabei, als elektrische Schnittstelle zwischen einem Halbleiterbauteil 30 und einem Halbleiter-Trägersubstrat 32 zu dienen. Das Halbleiterbauteil 30 ist vom Typ mit einer zweidimensionalen oder ebenen Anordnung von elektrischen Kontaktflächen 34 an einer seiner Seiten. Das Trägersubstrat 32, das typischerweise eine Mehrschichtverbinderplatte ist, ist ebenfalls durch eine Vielzahl von Kontaktflächen 36 gekennzeichnet, die in einer ebenen Anordnung angeordnet sind. Im allgemeinen entspricht das Muster, in dem die Anschlußflächen 34 auf dem Halbleiterbauteil 30 angeordnet sind, demjenigen, in dem die Kontaktflächen 36 auf dem Trägersubstrat 32 angeordnet sind. Der anisotrope elastomere Leiter 22 wird zwischen das Bauteil 30 und das Substrat 32 gelegt, und das Bauteil 30 und das Substrat 32 werden in geeigneter Ausrichtung zusammengebracht, so daß entsprechende Flächen 34 und 36 auf einander direkt entgegengesetzten Seiten des Leiters 22 angeordnet sind. Durch Anwenden eines gewissen-minimalen Kontaktdrucks zwischen dem Bauteil 30 und dem Substrat 32 wird ein dauerhafter elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktflächen und dem dazwischenliegenden Leiter 22 hergestellt. Normalerweise sind im Leiter 22 genügend elektrisch leitende Fasern vorgesehen, damit wenigstens zwei Fasern und vorzugsweise mehr als zwei Fasern inmitten jedes Paares von Kontaktflächen 34 und 36 liegen.
Bei einer anderen Anwendung können die elastomeren Leiter der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, eine thermische Kopplung zwischen einer wärmeerzeugenden Einrichtung, typischerweise einem elektronischen Bauteil, und einem Kühlkörper zu schaffen. Wenn sie für einen solchen Zweck verwendet werden, haben die leitenden Fasern 14 im allgemeinen einen relativ groben Durchmesser, typischerweise in der Größenordnung von 10&supmin;² cm. Der elastomere Leiter der vorliegenden Erfindung ist für derartige Anwendungen besonders geeignet, da er sich sowohl leichten als auch stärker ausgeprägten Abweichungen in der Oberflächenlinearität sowohl des elektronischen Bauteils als auch des Kühlkörpers anpaßt, was einen niedrigen thermischen Widerstand zwischen den beiden gewährleistet.
Indem nun auf die Fig. 7 bis 9 Bezug genommen wird, wird ein ersatzweises Verfahren zur Herstellung der elastomeren Leiter der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Verfahren verwendet eine Vielzahl von Metallagen 60, in denen eine Vielzahl einzelner leitender Elemente 62 ausgebildet ist. Die Lagen 60 sind aus einem leitenden Metall wie Kupfer, Aluminium, Gold, Silber oder ihren Legierungen, vorzugsweise Kupfer, gebildet, und sie haben eine Dicke im Bereich von etwa 0,002 bis 0,25 mm, gebräuchlicher etwa 0,01 bis 0,07 mm. Die leitenden Elemente 62 werden gebildet, indem in der Lage 60 längliche Kanäle oder Hohlräume 64 gebildet werden, die für Zwischenraum zwischen benachbarten Elementen sorgen. Die Breite der Elemente und der Hohlräume hängt vom gewünschten Abstand der leitenden Elemente im elastomeren Leiter ab. Typischerweise haben die leitenden Elemente 62 eine Breite im Bereich von etwa 0,1 bis 1,27 mm, gebräuchlicher im Bereich von 0,127 bis 0,5 mm, und die Kanäle 64 haben eine Breite im Bereich von 0,01 bis 1,27 mm, gebräuchlicher im Bereich von 0,127 bis 0,5 mm.
Die Kanäle 62 können mittels irgendeines geeigneten Verfahrens wie Stanzen oder Ätzen in den Lagen 60 gebildet werden. Chemisches Ätzen ist das bevorzugte Verfahren, um die oben genannten kleinen Abmessungen exakt zu formen. Es können herkömmliche chemische Ätztechniken eingesetzt werden, typischerweise photolithographische Techniken, bei denen eine Photoresist-Maske über der Metallage gebildet und mit einem Muster versehen wird, indem es Strahlung einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt wird.
Außer zum Bilden der Kanäle 64 in der Metallage 60 wird der Ätzschritt verwendet, um Ausrichtlöcher 66 zu bilden. Die Ausrichtlöcher 66 werden dazu verwendet, die Metallagen 60 exakt übereinanderzustapeln, wie nachstehend beschrieben wird.
Elastomere Lagen 70 werden auch in dem ersatzweisen Herstellungsverfahren der Fig. 7 bis 9 verwendet. Die Lagen 70 können aus irgendeinem aushärtbaren Elastomer, etwa Silicongummi, bestehen, und haben normalerweise eine Dicke im Bereich von etwa 0,01 bis 0,5 mm, gebräuchlicher etwa 0,25 bis 0,127 mm. Die Lagen 70 enthalten ferner Ausrichtlöcher 72, um die Herstellung der elastomeren Leiter zu erleichtern.
Ein elastomerer Leiterblock 80 (Fig. 8) kann in herkömmlicher Weise auf einer Montagetafel 82 (Fig. 7) montiert werden, welche Ausrichtstifte 84 aufweist, die in einem Muster angeordnet sind, das den Ausrichtlöchern 66 und 72 in den Lagen 60 bzw. 70 entspricht. Der Block 80 wird gebildet, indem die elastomeren Lagen 70 und die Metallagen 60 abwechselnd auf die Montagetafel 82 gesetzt werden. Die Metallagen 60 sind mit einem flüssigen Elastomerharz beschichtet, typischerweise einem flüssigen Silicongummi, der zusammen mit den elastomeren Lagen 70 ausgehärtet werden kann, um einen massiven Block zu bilden. Nachdem eine gewünschte Anzahl von Metallagen 60 übereinandergestapelt worden ist, normalerweise von 25 bis 500, gebräuchlicher von 100 bis 300, wird die Schichtstruktur ausgehärtet, indem sie der Wärme und dem Druck ausgesetzt wird, die von dem speziellen verwendeten Harz benötigt werden.
Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 8 dargestellt. Die leitenden Elemente 62 der Lagen 60 werden in einer kontinuierlichen elastomeren Matrix festgehalten, die aus den elastomeren Lagen 70 und aus Schichten 90 besteht, die das ausgehärtete flüssige Elastomer aufweisen, mit dem die Metallagen 60 beschichtet sind. Das Ergebnis ist ein elastomerer Block 80, der dem elastomeren Block 20 der Fig. 4 ähnlich ist.
Der elastomere Block 80 kann auf eine Art und Weise, die der für den Block 20 beschriebenen ähnlich ist, ebenfalls in Streifen geschnitten werden, was Lagen 92 ergibt. Einen Abschnitt einer Lage 92 zeigt Fig. 9. Die Lage 92 weist parallele entgegengesetzte Seiten 94 auf, wobei die leitenden Elemente 62 im wesentlichen senkrecht zu den Seiten verlaufen.
Die Lagen 92 des elastomeren Leiters können auf die gleiche Weise wie die Lagen 22 verwendet werden, wie in Fig. 5 dargestellt.
Obwohl die vorstehende Erfindung anhand von Darstellungen und Beispielen detailliert beschrieben wurde, um sie klar verständlich zu machen, können im Rahmen der beigefügten Ansprüche selbstverständlich manche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines anisotropischen elastomeren Leiters, mit den Schritten:

(a) Bilden eines Stapels aus ersten und zweiten Lagen (10, 12) so daß wenigstens eine zweite Lage zwischen benachbarten ersten Lagen liegt, wobei jede erste Lage (10) ein Drahtgewebe mit in einer Richtung laufenden leitenden Fasern (14) aufweist, welche lose mit isolierenden Fasern (16) verflochten sind, die in der Querrichtung verlaufen, und wobei jede zweite Lage (12) aus elektrisch isolierenden Fasern (16) besteht, die lose in beiden Richtungen verflochten sind;

(b) Einbringen eines verflüssigten aushärtbaren Elastomerharzes in den Stapel, um die in der Schichtstruktur der lose geflochtenen ersten und zweiten Schichten (10, 12) verbleibenden Lücken (18) zu füllen;

(c) Aushärten des Elastomerharzes, um eine massive Matrix zu bilden, bei der die elektrisch leitenden Fasern (14) elektrisch voneinander isoliert sind und sich von einer Seite der Matrix zu der gegenüberliegenden Seite erstrecken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt aufweist, den massiven Block (20) in einer quer zu der Richtung der elektrisch leitenden Fasern (14) verlaufenden Richtung in Streifen zu schneiden, damit sich einzelne Streifen (22) ergeben, durch die die Fasern quer hindurchlaufen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin den Schritt aufweist, wenigstens einen Teil des elektrisch isolierenden Materials in den einzelnen Streifen aufzulösen, um Hohlräume in die Streifen (22) einzubringen, um Komprimierbarkeit vorzusehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die leitenden Fasern Metallfasern umfassen.

5. Anisotropischer elastomerer Leiter, der mehrere erste und zweite Lagen (10, 12) aufweist, die übereinandergestapelt sind, so daß wenigstens eine zweite Lage (12) benachbarte erste Lagen (10) voneinander trennt, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß:

(a) jede erste und zweite Lage ein Drahtgewebe ist, das lose aus Fasern geflochten ist, so daß zwischen benachbarten Fasern Zwischenlücken gebildet werden;

(b) jede erste Lage elektrisch leitende Fasern (14) und elektrisch isolierende Fasern (16) enthält, wobei die elektrisch leitenden Fasern in einer Richtung verlaufen und die elektrisch isolierenden Fasern in der Querrichtung verlaufen;

(c) jede zweite Lage aus einem Drahtgewebe besteht, das lose aus elektrisch isolierenden Fasern geflochten ist; und

(d) ein Elastomerharz zwischen benachbarten Lagen und innerhalb der Zwischenlücken angeordnet ist, wodurch ein massiver Block (20) gebildet wird, bei dem die elektrisch leitenden Fasern (14) elektrisch voneinander isoliert sind und sich von einer Seite des Blocks zu der anderen erstrecken.

6. Anisotropischer elastomerer Leiter nach Anspruch 5, bei dem die elektrisch leitenden Fasern (14) einen Durchmesser im Bereich von 0,002 bis 0,0020 cm einschließlich aufweisen und sich in einem Abstand von zwischen 0,006 cm und 0,030 cm voneinander befinden, und bei dem die Zwischenlücken zwischen den Fasern eine Größe zwischen 0,005 cm und 0,050 cm aufweisen.

7. Anisotropischer elastomerer Leiter nach Anspruch 4, bei dem die Anordnung elektrisch leitender Fasern an wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen zwischen den benachbarten ersten Lagen verschieden ist.

8. Anisotropischer elastomerer Leiter nach Anspruch 4, bei dem der Block Hohlräume enthält, die die Komprimierbarkeit fördern.

9. Anisotropischer elastomerer Leiter nach Anspruch 4, bei dem die leitenden Fasern Metallfasern umfassen.

10. Verfahren zur Herstellung eines anisotropischen elastomeren Leiters, mit den Schritten

(a) Erzeugen mehrerer leitender Metallagen (60) und Bilden elektrisch leitender Elemente (62) aus den Metallagen, so daß die leitenden Elemente (62) durch Kanäle (64) getrennt sind und nur in einer Richtung laufen;

(b) Bilden eines Stapels aus ersten und zweiten Lagen (60, 70), so daß wenigstens eine zweite Lage (70) zwischen benachbarten ersten Lagen (60) liegt wobei jede erste Lage (60) eine im Schritt (a) erzeugte Metallage ist und jede zweite Lage (70) aus elektrisch isolierendem Material besteht;

(c) Erzeugen eines aushärtbaren Elastomerharzes innerhalb des Stapels, indem die leitenden Elemente (62) mit einem flüssigen Elastomerharz beschichtet werden; und

(d) Aushärten des Elastomerharzes, um eine massive Matrix zu bilden, bei der die elektrisch leitenden Elemente elektrisch voneinander isoliert sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß der leitende Elemente erzeugende Schritt den Schritt umfaßt, die Kanäle in die ersten Lagen zu ätzen.

12. Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß der leitende Elemente erzeugende Schritt den Schritt umfaßt, die Kanäle in die ersten Lagen zu stanzen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 und 12, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die isolierenden Schichten ununterbrochene Elastomerlagen sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die Elastomerlagen Silicongummi sind.

15. Verfahren nach Anspruch 10, das weiterhin gekennzeichnet ist durch den Schritt, jede der ersten und der zweiten Lagen mit Ausrichtlöchern (66, 72) zu versehen, und dadurch, daß der Stapelbildungsschritt den Schritt umfaßt, eine Montagetafel (82) zu verwenden, die Ausrichtstifte (84) aufweist, die in die Ausrichtlöcher (66, 72) eingreifen, um während des Aushärtens des Elastomerharzes eine Ausrichtung der ersten und der zweiten Lagen (60, 70) aufrechtzuerhalten.