DE4221115A1 - Vor elektrostatischen entladungen geschuetzte abdeckung fuer elektronische komponenten und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine vor elektrostatischen Entladun­ gen (ESD - electrostatic discharge) geschützte Abdeckung für elektronische Komponenten und ein Verfahren zu ihrer Herstel­ lung. Insbesondere betrifft die Erfindung gegen elektrostati­ sche Entladung geschützte Abdeckungen für elektronische Kom­ ponenten, die aus einem Kunststoff und Metallfüllteilchen ge­ fertigt sind.

Es ist wünschenswert, elektronische Erzeugnisse gegen durch elektrostatische Entladung verursachtes Versagen zu schüt­ zen. Elektrostatische Ladungen können sich in einem Menschen bis zu Pegeln in der Höhe von 20 kV aufbauen. Wenn derartige Ladungen auf ein elektrisches Gerät gerichtet werden durch Berühren eines freiliegenden Abschnitts des Erzeugnisses wie einer Front-Bedienungstafel, einer Abdeckung oder eines Dec­ kels können die elektrostatischen Ladungen durch irgendwel­ che offene Gebiete wie z. B. zwischen Knöpfen und Zierdeckeln oder durch Ventilationsöffnungen eindringen und die empfind­ lichen elektronischen Bestandteile in dem Gerät beschädigen und dadurch das Gerät unbrauchbar machen.

Ein bekanntes Verfahren, elektronische Bestandteile in einem Gerät gegen die Auswirkungen von ESD zu schützen, besteht darin, einen Ableitungsschirm oder einen Erdleiter zwischen den Ursprung der ESD-Ladung und der elektronischen Schaltung anzuordnen, um die Ladung an Masse und von den Bestandteilen weg zu leiten, die für eine Beschädigung empfindlich sind.

Zu einem derartigen Verfahren gehört der Einsatz eines dünnen Blechs aus Kupfer oder Nickel, das direkt hinter der vorderen Abdeckung, der Frontplatte oder einer freigesetzten Fläche sandwichartig eingesetzt ist und von der Schaltung abgelegen am äußeren Stahlgehäuse oder einer anderen brauch­ baren Masse geerdet ist. Ein anderes bekanntes Verfahren be­ steht darin, ein leitendes Beschichtungsmaterial auf die Rückseite der vorderen Abdeckung oder einer freiliegenden Fläche aufzutragen.

Es bestehen zahlreiche Nachteile bei solchen bekannten Ver­ fahren. Der Einsatz eines dünnen Blechs aus Kupfer oder Nickel als Abschirmung ergibt ein zusätzliches Teil bei dem Zusammenbau des Elektronik-Gerätes und auch mehr Schritte bei dem Montagevorgang. Die Nachteile des Beschichtens der Rückseite der Frontabdeckung mit einem leitenden Material be­ stehen darin, daß wieder ein zusätzlicher, kostenträchtiger Schritt dem Zusammenbauvorgang hinzugefügt wird. Weiter führt das Auftragen oder Aufbringen der leitenden Beschich­ tung zu erheblichen Abtragungen und neigt dazu, die Seiten­ teile von Steuereinrichtungen wie Knöpfen oder Tasten zu ver­ kratzen, wenn die Plattierung auf die Knopf- oder Tastenauf­ lagefläche aufgebracht wird. Um dies zu verhindern, muß die Rückseite der Abdeckung maskiert und selektiv in solcher Weise beschichtet werden, daß das Beschichtungsschema nicht die sich bewegenden Teile verformt, jedoch die Abschirmung des Erzeugnisses gegen ESD bewirkt.

Es ist bekannt, daß ESD-Schutz vorgesehen werden kann durch Hinzufügen von leitenden organischen Zusätzen zu der Kunst­ stoffmasse für das Gehäuse eines Elektronikgerätes. Jedoch ergeben aus solchen Massen gefertigte Geräte ESD-Schutz nur für eine nach Tagen oder gar Stunden bemessene Zeit.

Das Aufnehmen von irgendwelchen leitenden Materialien in ein Kunststoffmaterial, das zu einem Deckel oder einer Abdeckung für elektronische Komponenten geformt werden soll, ergibt nicht immer ein zufriedenstellendes Erzeugnis oder bedeutet nicht immer ein wünschenswertes Verfahren zur Herstellung desselben. Die Aufnahme von Kohlenstoff- oder Graphitfüllun­ gen in ein Kunststoffmaterial für das Formen eines Kunst­ stoffziergehäuses oder eine solchen Abdeckung hat auch schon zu Kurzschluß-Durchschlägen des Gerätes bei Aussetzen an elektronische Entladungen geführt.

Weiter bestimmt die Menge der Metallfüllteilchen, die in das bestimmte Kunststoffmaterial aufgenommen werden, die Wirksam­ keit des geformten Teils als ESD-Schirm und die Möglichkeit seiner Herstellung. Die Aufnahme eines zu großen Gewichtsan­ teils von Metallfüllteilchen ergibt eine herabgesetzte Eig­ nung der Kunststoffmasse zum richtigen Einspritzen in beste­ hende Formen. Die Aufnahme von zu geringem Gewichtsnanteil von Metallfüllteilchen ergibt ein unzureichendes Verhalten des Deckels oder der Abdeckung als elektrostatischer Entla­ dungsschirm. Weiter wird eine Veränderung des Anteils der in der Formmasse aufgenommenen Metallfüllstoffe die Schrumpfgrö­ ße des geformten Teils beeinflussen und damit die Fähigkeit, Kunststoffteile mit konsistenter und verläßlicher Schrump­ fung auf eine vorbestimmte gewünschte Teilgröße zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine ESD-Abschirmung für elektronische Komponenten mit einem Deckel, einer Abdeckung oder einer Frontplatte gerichtet, die aus einem Kunststoffma­ terial hergestellt sind, das Metallfüllteilchen enthält, welche nickelbeschichtete Graphitfüller umfassen. Die ESD- Schirme können aus einer Masse hergestellt werden, die etwa 4 bis 12% Metallfüllteilchen enthält. Vorzugsweise werden die Abdeckungen aus Massen hergestellt, die 4 bis 9% nickel­ beschichtete Graphitfüllteilchen in einer Grundmasse enthal­ ten, welche mit Polyphenylenoxid gebildet ist. Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger ESD-Ab­ schirmungen, wie später beschrieben. Die Erfindung enthält auch Einsatzverfahren, wie sie später beschrieben oder bean­ sprucht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Darstellung einer bekannten Einrichtung mit einem dünnen Metallblech als ESD-Schirm,

Fig. 2 eine Darstellung eines Geräts gemäß der vor­ liegenden Erfindung mit einer leitfähigen Ab­ deckung als ESD-Schirm, die an einem Metall­ gehäuse oder durch andere entsprechende Mittel geerdet ist.

Fig. 1 stellt ein bekanntes Gerät 10 dar, das ein dünnes Me­ tallblech als eine Abschirmung gegen elektronische Entladun­ gen benutzt. Das bekannte Gerät 10 enthält Tasten oder Knöpfe 12, die in einer Abdeckung 14 sitzen, und ein dünnes Metallblech 16, das zwischen der freigelegten Abdeckung 14 und einer Schaltplatine 18 mit empfindlichen zu schützenden elektronischen Bestandteilen vorgesehen ist. Das Gerät ent­ hält auch ein aus Stahl bestehendes Metallgehäuse 20, das, wie dargestellt, bei 22 geerdet ist.

Fig. 2 ist eine Darstellung eines elektronischen Geräts 30 erfindungsgemäßer Art mit Knöpfen oder Tasten 32, die von einer Abdeckung 34 umgeben sind, und einer Schaltplatine 36 hinter der Abdeckung, die mit den Knöpfen oder Tasten 12 in Verbindung ist. Die Abdeckung 34 kann durch Schnapp-Passung oder durch (nicht dargestellte) L-Clips mit einem Metallge­ häuse 38 in auf dem Fachgebiet bekannter Weise verbunden sein. Das Gerät 30 enthält auch das Metallgehäuse 38, das wie dargestellt bei 40 geerdet ist. Der Aufbau des Geräts 30 schafft einen kontinuierlichen Stromweg von der Abdeckung 34 zu Erde.

Die zur Herstellung des ESD-Abschirm-Deckels oder der -Abdec­ kung 34 benutzte Masse kann erfindungsgemäß von etwa 4 Gew.-% bis etwa 12 Gew.-% Metallfüllteile enthalten. Die Me­ tallfüllteile bestehen aus nickelbeschichtetem Graphit. Ge­ eignete Metallfüllteile besitzen eine Länge von etwa 6,35 mm (0,250") bis etwa 7,62 mm (0,300") und einen Durchmesser von etwa 0,102 mm (0,004").

Der geformte Gegenstand kann aus einer Kunststoffmasse herge­ stellt werden, die mindestens einen Kunststoff aus der aus Polyestern, Polycarbonaten, ABS und Polyphenylenoxid-Monome­ ren und Harzen besteht. Eine besonders bevorzugte Masse ent­ hält ein Gemisch mit Polyphenylenoxid.

Wenn Edelstahl als Metallfüllung für einen ESD-Schirm be­ nutzt wird, enthält die Kunststoffmasse Polyester oder Poly­ carbonate. Der Edelstahlanteil kann von etwa 5 Gew.-% bis etwa 12% reichen, und bevorzugterweise werden etwa 5 bis etwa 8 Gew.-% verwendet, am meisten bevorzugt 6 Gew.-%. Wenn nach der vorliegenden Erfindung nickelbeschichteter Graphit für die Metallfüllteilchen benutzt wird, enthält die bevor­ zugte Masse Polyphenylenoxide mit vorzugsweise von 4 bis 9 Gew.-% Metallfüllteilchen.

Eine besonders bevorzugte Masse zur Herstellung von ESD- Schirmen mit Edelstahl-Füllteilchen enthält ein Polycarbo­ nat/ABS-Gemisch einschließlich 6 Gew.-% Edelstahlfüllteil­ chen. Eine derartige Masse ist von der Firma Polymer Composi­ tes, Inc., Winona, Minnesota, USA unter der Handelsbezeich­ nung CELSTRANE (Warenzeichen), Produktnummer PCS-8-04-4 er­ hältlich.

Typischerweise können ESD-Abschirm-Deckel oder -Abdeckungen hergestellt werden aus Massen, die etwa 4 bis etwa 12 Gew.-% Metallfüllteilchen in einem Kunststoffmonomeren wie den vor­ stehend beschriebenen enthalten. Die Formmischung mit den Me­ tallfüllteilchen aus nickelbeschichtetem Graphit kann auf eine Temperatur im Bereich von etwa 271°C (520°F) bis etwa 260°C (500°F) erhitzt werden. Die Masse wird in die Form mit einem Druck eingespritzt, der ausreicht, daß zum Ende des Formzyklus eine verwirbelte Matte aus Metallstückchen aus nickelbeschichtetem Graphit erzeugt wurde, so da8 diese Me­ tallfüllteilchen-Matte einen kontinuierlichen Stromweg durch die gesamte geformte Abdeckung ergibt. Typischerweise rei­ chen derartige Druckwerte von etwa 5515,81 kPa (800 psi) bis 7584,24 kPa (1 100 psi) bei einer typischen Einspritzöffnung von etwa 1,59 mm (1/16"). Vorzugsweise wird die Formeinsprit­ zung so durchgeführt, daß die Metallfüllteilchen aus nickel­ beschichtetem Graphit in dem Formteil allgemein in der glei­ chen Richtung angeordnet sind. Diese Richtung ist vorzugswei­ se die Richtung, mit der die Masse in den Formhohlraum ein­ strömt. Ein derartiges Verfahren kann erfolgreich Teile erge­ ben mit einer Dicke im Bereich von etwa 1,52 mm (0,090") bis 9,52 mm (0,375") und einem Gewicht von etwa 0,0372 kg/Teil (0,082 1b/Teil) bei einem Formzyklus von etwa 34 s Länge.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß in einem Formbestüc­ kungssystem, das zur Erzeugung einer Schrumpfung von 0,1778 mm (0,007")+ 0,0381 mm (0,0015") ausgelegt ist, etwa 5 bis etwa 7 Gew.-% und vorzugsweise 6 Gew.-% Edelstahlfüllteil­ chen in das Formgemisch aufgenommen werden können zur Erzeu­ gung einer wirksamen ESD-Abschirmung und zum Herstellen von Teilen mit Abmessungen innerhalb der ausgelegten Schrumpfto­ leranzwerte. Gleichartige Ergebnisse wurden mit nickelbe­ schichteten Graphitfüllteilchen nach der vorliegenden Erfin­ dung erzielt.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die erfindungs­ gemäßen ESD-Abschirmungen eine bessere Ableitung von elektro­ statischen Entladungen bei höheren Spannungen mit geringerem Versagen als bekannte ESD-Abschirmung ergeben. Es hat sich überraschend gezeigt, daß eine erfindungsgemäß hergestellte ESD-Abschirmung eine Entladung von 25 kV bei 33 pF ohne Be­ schädigung des Geräts überstehen kann, entsprechend den in­ ternen Prüfvorschriften von General Motors mit dem Titel "Susceptibility to Electrostatic Discharge EMC-Component Test Procedure, GM9109P", auf die hier zu Referenzzwecken verwiesen wird.

ESD-Abschirmungen nach der vorliegenden Erfindung können mit weniger als einem Drittel der Kosten hergestellt werden im Vergleich mit ESD-Abschirmungen, die unter Benutzung eines Verfahrens mit eingeschlossenem dünnen Metallblech oder durch Plattieren einer leitenden Beschichtung auf die Rück­ seite der Kunststoffabschirmung entstehen.

Wenn hier bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung mit die Bereiche ausdrückenden Bezeichnungen definiert werden, so ist beabsichtigt, daß die Erfindung den gesamten derart bestimmten Bereich enthält, und jeden Unterbereich oder mehr­ fache Unterbereiche innerhalb des ganzen Bereichs. Wenn z. B. die Erfindung beschrieben wird mit einem Anteil von 1 bis etwa 100 Gew.-% eines Bestandteils A, so ist beabsichtigt, daß die Erfindung so angesehen wird, daß sie auch etwa 5 bis etwa 25 Gew.-% des Bestandteils A und gleichfalls etwa 5 bis etwa 75 Gew.-% des Bestandteils A umfaßt. Wenn in gleicher Weise die vorliegende Erfindung hier so beschrieben wurde, daß sie A_1-100B_1-50 enthält, so ist beabsichtigt, daß die Er­ findung auch so angesehen wird, daß sie damit auch A_1-60B_1-20, A_60-100B_25-50 und A₄₃B₃₇ umfaßt.

Claims (13)

1. Elektrostatischer Entladungsschirm für elektronische Be­ standteile mit einer aus einer Kunststoffmasse mit etwa 4 bis etwa 12 Gew.-% Metallfüllteilchenn geformten Abschir­ mung, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllteilchen nickelbeschichtete Graphitfüllteilchen umfassen.

2. Elektrostatischer Entladungsschirm nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Formmasse mindestens ein synthetisches Kunststoffmaterial umfaßt, das ausgewählt ist aus der aus Polyestern, Polycarbonaten, Polyphenylen­ oxiden, Acrylnitril-Butadienstyrol-Monomeren und Harzen bestehenden Gruppe.

3. Elektrostatischer Entladungsschirm nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Metallfüllteilchen eine Länge im Bereich von etwa 6,35 mm (0,250") bis etwa 9,52 mm (0,375") besitzen.

4. Verfahren zum Herstellen eines elektrostatischen Entla­ dungsschirms nach Anspruch 1, der bei dem Formen eine Schrumpfung von 0,1778 mm + 0,0381 mm (0,007" + 0,0015") erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Masse aus einem Kunststoffharz und etwa 4 bis etwa 12 Gew.-% Metallfüll­ teilchen hergestellt wird; daß die Formmasse auf eine Tem­ peratur im Bereich von etwa 271°C bis 304°C (etwa 520°F bis etwa 580°F) erhitzt wird und daß die erhitzte Formmas­ se in einen Formhohlraum eingespritzt und ein Verfestigen der Formmasse zugelassen wird zur Erzeugung eines Teils, das eine Schrumpfung von etwa 0,1778 mm + 0,0381 mm (0,007" + 0,0015" von den Abmessungen des Formhohlraums aus aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung eines elektrostatischen Entla­ dungsschirms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Formmasse bereitgestellt wird, die aus einem Mate­ rial besteht, das mindestens ein Bestandteil aus der aus Polyestern, Polycarbonaten, Polyphenylenoxiden und Acryl­ nitril-Butadien-Styrolen bestehenden Gruppe enthält, wobei die Masse etwa 5 bis etwa 12 Gew.-% Metallfüllteil­ chen enthält; daß die Formmasse auf eine Temperatur im Be­ reich von etwa 271°C bis etwa 304°C (etwa 520°F bis etwa 580°F) aufgeheizt wird und daß die Formmasse mit einem Druck von etaw 5515,81 kPa bis etwa 7584,24 kPa (etwa 800 psi bis etwa 1 100 psi) in einen Formhohlraum einge­ spritzt wird.

6. Verwendungs-Verfahren für einen elektrostatischen Entla­ dungsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da8 die Abdeckung an einem elektronischen Gerät angebracht wird in einer Position, die zur Berührung mit einer elek­ trostatischen Entladung empfänglich ist; und daß die Ab­ deckung so geerdet wird, daß, wenn die Abdeckung einer elektrostatischen Entladung ausgesetzt wird, Strom ohne Beschädigung des elektronischen Geräts durch die Abdec­ kung zu Erde strömt.

7. Elektrostatische Entladungsabschirmung nach Anspruch 1 zum Schützen von elektronischen Bestandteilen vor elektro­ statischen Entladungen, dadurch gekennzeichnet, daß die geformte Abdeckung eine zur Schaffung eines kontinuierli­ chen Stromweges durch die Abdeckung ausreichende Menge von Metallfüllteilchen enthält.

8. Verfahren zum Herstellen einer elektrostatischen Entla­ dungsabschirmung nach Anspruch 1 zur Verwendung als eine Abdeckung für elektronische Komponenten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Harzmasse mit einem ausreichenden Druck und einem ausreichenden Anteil von Metallfüllteil­ chen zum Schaffen einer durch die geformte Abdeckung aus­ gedehnten Matte aus miteinander verwirbelten Metallfüll­ teilchen eingespritzt wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Entla­ dungsabschirmung nach Anspruch 1 unter Benutzung der Me­ tallfüllteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ füllteilchen zu einer harzigen Formmasse hinzugegeben werden; daß die Formmasse in einen Formhohlraum unter Druck eingespritzt wird; daß die Metallfüllteilchen in ausreichender Menge vorhanden sind, um eine durch den ge­ samten Hohlraum ausgedehnte verwirbelte Matte zu ergeben, und daß ein Verfestigen der Masse zugelassen wird, so daß die Matte einen kontinuierlichen Weg für elektrischen Strom durch den verfestigten Gegenstand ergibt.

10. Elektrostatische Entladungsabschirmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllteilchen in einer Menge vorhanden sind, die von etwa 5 bis etwa 7 Gew.-% der Masse reicht.

11. Elektrostatische Entladungsabschirmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllteilchen in einer Menge von etwa 6 Gew.-% der Masse vorhanden sind.

12. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Entla­ dungsabschirmung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anteil der Metallfüllteilchen von 5 bis etwa 7 Gew.-% der Masse reicht.

13. Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Entla­ dungsabschirmung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anteil der Metallfüllteilchen etwa 6 Gew.-% der Masse beträgt.