EP1897427A1 - Elektrisch leitfähige, mechanisch flexible verbindung zwischen elektrischen bzw. elektronischen bauteilen - Google Patents

Elektrisch leitfähige, mechanisch flexible verbindung zwischen elektrischen bzw. elektronischen bauteilen

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EP1897427A1
EP1897427A1 EP06763104A EP06763104A EP1897427A1 EP 1897427 A1 EP1897427 A1 EP 1897427A1 EP 06763104 A EP06763104 A EP 06763104A EP 06763104 A EP06763104 A EP 06763104A EP 1897427 A1 EP1897427 A1 EP 1897427A1
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EP
European Patent Office
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range
electrical
compound
thermal expansion
connecting material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06763104A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Masoud Habibi
Klaus Zeh
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the size of the component is subject to a constant demand for miniaturization. This also reduces the contact surfaces between the individual electrical or electronic components, so that the connection between these contact surfaces of the individual components is becoming increasingly important.
  • such compounds should meet the requirements of good electrical conductivity, ie have the lowest possible specific electrical resistances, and on the other hand, these compounds should be as robust as possible, so that the contact properties remain unchanged as possible over a long period of time, even under harsh conditions of use.
  • Rough operating conditions are caused, among other things, by large temperature fluctuations, as occur, for example, in applications in the vehicle sector, in particular in an engine compartment. Temperature fluctuations between -40 ° C and + 150 ° C are perfectly normal operating conditions.
  • an interference suppression capacitor which is arranged between two contact lugs of a plug by means of such a connection.
  • the capacitor is, by way of example, an SMD component (Surface Mounted Device), with a much lower
  • solder joints can only be used up to a certain temperature range, preferably up to 125 ° C, since in addition the proper electrical connection between two electrical or electronic components can no longer be guaranteed.
  • Another design concept is the bonding of ceramic SMD components to stamped bars, e.g. in the form of coated copper tracks, using hard epoxy adhesives. Such a composite is then encapsulated by bonding with a hard thermoset to obtain a reliable contact with sufficient mechanical stability. The duroplastic intercepts this mechanical stresses, so that the electrical property of the compound over the entire temperature range away as possible.
  • Adhesives can basically be divided into three classes based on their mechanical properties:
  • Hard, brittle adhesives throughout the application temperature range e.g. Epoxy resins with a maximum elongation at break of 2% to 3%.
  • Adhesives with a hard / soft transition in the application temperature range eg flexibilized epoxy resins or - A -
  • Epoxy-silicone copolymers with a maximum elongation at break of 10%.
  • flexible adhesives e.g. Silicones with one
  • Elongation range that can range from well below 10% to well over 150%.
  • the hard and brittle adhesives can provide good conductivity, they are only suitable for applications in which low mechanical stresses in the compound occur due to small differences in two different coefficients of linear expansion ⁇ .
  • the object of the invention is therefore to improve such a connection between two electrical or electronic components.
  • Expansion coefficient ⁇ l acts, and a second electrical or electronic component, which acts on a second thermal expansion coefficient ⁇ 2, characterized in that the difference D between the first coefficient of thermal expansion ⁇ l and the second coefficient of thermal expansion ⁇ 2 in the range D> about 10 * 10E- 6 / K is.
  • the difference D is even in the range D> about 20 * 10E-6 / K.
  • the thermal energy is even in the range D> about 20 * 10E-6 / K.
  • Expansion coefficient ⁇ V m of the connecting material preferably in the range of ⁇ V m about 420 * 10E-6 / K are.
  • it has an advantageous effect on the connection when the thermal expansion coefficient ⁇ Vm of the connecting material V m is in the range of ⁇ Vm ⁇ approximately 250 * 10E-6 / K.
  • breaking elongation B of a connecting material V m of the compound V is in the range of B> about 15%.
  • thermoplastumspritzten stamped grid made of coated copper it is preferred if the specific electrical resistance R Sp of the connecting material V m in the range of
  • R Sp ⁇ about 1 * 10E-2 ohm * cm at room temperature.
  • the specific electrical resistance R Sp of the connecting material V m even in the range of R Sp ⁇ about l * 10E-3 ohm * cm at room temperature.
  • Such values are possible through the use of silver (AG) as the bonding material V m with a weight proportion G in the range of G> 50% by weight, based on the bonding material.
  • the base material of the bonding material is for this purpose preferably adhesive, based on a mechanically flexible, polymeric matrix which is filled with silver particles, for example in the form of flakes, spheres or the like. This high degree of filling ensures, even with a high elongation of the connecting material V, that the abovementioned low specific electrical resistances can be maintained over the entire temperature application range.
  • adhesives which have a relatively high silver content, these are brittle adhesives with an elongation at break of about 2% to 3%, whose binder is epoxy.
  • conductive fillers preferably in the form of silvered copper particles but also in the form of silver is easy to handle, but they lack eligibility.
  • This inventive, electrically conductive, mechanically flexible connection can thus be used preferably for connecting a first electrical or electronic component in the form of a miniaturized electrical component (SMD component) with a second electrical or electronic component, wherein the second component to a line connection a circuit carrier or to a third electrical or electronic component, a part of such a circuit carrier or the like is more.
  • SMD component miniaturized electrical component
  • FIG. 1 shows a plan view of a connection between an electronic component (SMD) and two plug contact paths fixed in a plug housing;
  • SMD electronic component
  • FIG. 2 shows a section through the connection in FIG. 1 and FIG.
  • Figure 3 shows a plan view of a
  • Plug housing in which two first electronic components according to the invention are attached to two second components.
  • This electrically conductive, mechanically flexible connection 1 is realized by means of the connecting material 4 according to the invention, with which it is possible to obtain a difference D between the first coefficient of thermal expansion ⁇ 1 and the second coefficient of thermal expansion ⁇ 2 in the range of D> approximately 10 * 10E-6 / K over the whole
  • the difference D is even in the range D> about 20 * 10E-6 / K, so that even greater mechanical stresses due to different thermal expansion coefficients can be reliably controlled in comparison with the embodiment set out first.
  • Connecting material V m is preferably in the range of ⁇ V m ⁇ about 450 * 10E-6 / K in a first embodiment and in a second even in the range of ⁇ V m ⁇ about 250 * 10E- 6 / K.
  • the breaking elongation B of the bonding material 4 in the first embodiment is in the range of B> about 15%.
  • This elongation at break B is dependent on the binder used, which is preferably silicone here, and the filler material mixed with it and its degree of filling. Accordingly, the breaking elongation B can also vary. To produce an even more flexible connection, this can even be up to a breaking elongation B of a second, preferred embodiment in the range of B> about 30%.
  • Capacitor effect can be further reduced.
  • the filling material of the connecting material V m plays a role, which is preferably silver (AG), with a weight proportion G in the range of G> 50% by weight, based on the connecting material in a first embodiment.
  • the weight fraction G may even be in the range of G> about 75% by weight.
  • the silver AG as an electrically conductive component in the bonding material 4 is introduced in particulate form, preferably in the form of flakes, spheres or the like. more.
  • the required high elasticity of a connecting material can be achieved in particular by using silicone polymer as adhesive component.
  • This is a mechanically flexible polymeric matrix in which the electrically conductive filler can be arranged. It is important in this case that the electrically conductive filler retains its assigned place in the polymeric matrix even in the uncured state over a long period of time. This ensures a uniform distribution of the electrically conductive components of the connecting material 4 in the polymeric matrix serving as the basic structure, which in turn gives rise to the good electrical properties of the connecting material 4 according to the invention.
  • the adjuvants H can in the form of adhesion promoters, catalysts, inhibitors and the like. more available.
  • FIGS 1 and 2 show, a first with this According to the invention electrically conductive, mechanically flexible connection 1 connected component, preferably a miniaturized, electronic component 2, for example in the form of an SMD component Bl.
  • a line connection L to a circuit substrate S or to a third be provided electrical or electronic component B3, or a part such as a conductor Lb of such a circuit substrate S or the like.
  • the second electrical or electronic component 3 or B2 is fixed in a connector housing 5, the material of which has a thermal expansion coefficient ⁇ 2, which is significantly higher compared to the thermal expansion coefficient ⁇ l of the first electronic component 2, see above.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, auf das ein erster thermischer Ausdehnungskoeffizient (α1) einwirkt, und einem zweiten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, auf welches ein zweiter, thermischer Ausdehnungskoeffizient (α2) einwirkt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1,α2) eine Differenz (D) liegt, die im Bereich von D > ~ 10*10 E-6/K liegt.

Description

"Elektrisch leitfähige, mechanisch flexible Verbindung zwischen elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen"
Stand der Technik
Bei der Herstellung elektrischer bzw. elektronischer Schaltungen unterliegt unter anderem die Bauteilgröße einer ständigen Forderung nach Miniaturisierung. Dadurch reduzieren sich auch die Kontaktflächen zwischen den einzelnen elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen, so dass der Verbindung zwischen diesen Kontaktflächen der einzelnen Bauelemente eine ständig wachsende Bedeutung zukommt.
Einerseits sollen solche Verbindungen die Anforderungen an gute elektrische Leitfähigkeit erfüllen, also möglichst geringe spezifische elektrische Widerstände aufweisen, und andererseits sollen diese Verbindungen möglichst robust sein, so dass die Kontakteigenschaften auch bei rauen Anwendungsbedingungen über einen möglichst langen Zeitraum hinweg möglichst unverändert bleiben.
Raue Betriebsbedingungen entstehen unter anderem durch große Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise bei Anwendungen im Fahrzeugbereich, insbesondere in einem Motorraum auftreten. Dabei sind Temperaturschwankungen zwischen -40° C und +150° C vollkommen normale Betriebsbedingungen .
Zur Erhöhung der Integrationsdichte werden solche elektronischen Bauteile oder Schaltungen oft auch direkt in Gehäuse von Steckverbindungen oder dergleichen eingebaut, die jedoch aus Materialien gefertigt sind, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient α deutlich unterschiedlich von dem der elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente ist. Hierdurch ergeben sich aber thermisch bedingte Spannungen beim Durchwandern des Betriebstemperaturbereichs an den Verbindungsstellen zwischen zwei solchen elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen.
Beispielhaft sei ein Entstörkondensator angeführt, der zwischen zwei Kontaktfahnen eines Steckers mittels einer solchen Verbindung angeordnet ist. Der Kondensator sei, ebenfalls beispielhaft, ein SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) , mit einem wesentlich geringeren
Längenausdehnungskoeffizienten α als der des Material des die beiden Kontaktfahnen fixierenden Gehäuses . Durch diese große Differenz Δα ergeben sich aber bei der Ausdehnung des Gehäuses massive mechanische Belastungen auf die Kontaktstellen zwischen dem Kondensator und den beispielsweise als Stanzgitter ausgebildeten Steckeranschlussfahnen .
Bisher bekannte Ausführungen solcher Verbindungen sind z.B. Lötverbindungen oder auch Klebeverbindungen. Lötverbindungen können nur bis zu einem bestimmten Temperaturbereich, vorzugsweise bis 125° C eingesetzt werden, da darüber hinaus die ordnungsgemäße elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen nicht mehr gewährleistet werden kann. Einsatz findet die Lötverbindung überwiegend in einem Bereich, in dem keramische Chip- Bauelemente mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit α = (6,5 - 10) * 10E - 6/K auf Leiterplattenmaterial (z.B. FR4) α = 16 * 10E - 6/K fixiert werden. Daraus ergibt sich eine Differenz von Δα < 9,5 * 10E - 6/K. Das Kleben von keramischen Chip-Bauelementen mit α = (6,5 bis 10)*10E-6/K auf Al2O3 (Keramik-Schaltungsträger mit einem Ausdehnungskoeffizienten α = 6,5*10E-6/K) ist ebenfalls bekannt, wobei hier eine Differenz von
Δα < 3,5*10E-6/K auftritt. Hierbei werden bevorzugt Epoxid-
Leitklebstoffe mit einer Bruchdehnung A < 2 % verwendet.
Ein weiteres Aufbaukonzept ist das Aufkleben von Keramik-SMD- Bauelementen auf Stanzgittern, z.B. in der Form von beschichteten Kupferbahnen, mittels harter Epoxid-Klebstoffe . Ein solcher Verbund wird anschließend an das Verkleben mit einem harten Duroplast umspritzt, um eine zuverlässige Kontaktierung mit ausreichend mechanischer Stabilität zu erhalten. Das Duroplast fängt hierbei mechanische Spannungen ab, so dass die elektrische Eigenschaft der Verbindung über den gesamten Temperaturbereich hinweg möglichst erhalten bleibt.
Aus der DE 38 37 206 Al ist ein elektrisches Schaltgerät bekannt, bei welchem ein mit einem elektrisch leitenden Material gefüllter Kleber oder eine entsprechende Paste eine kapazitive Ankopplung zwischen zwei elektrischen Leitungen realisiert. Hierbei handelt es sich zwar um eine flexible, elektrisch leitfähige Verbindung, ihre Elastizität und ihr elektrischer Leitwert sind jedoch zu niedrig, um im oben dargelegten Einsatzbereich angewendet werden zu können.
Klebstoffe lassen sich, basierend auf ihren mechanischen Eigenschaften, grundsätzlich in drei Klassen einteilen:
Im gesamten Anwendungs-Temperaturbereich harte, spröde Klebstoffe: z.B. Epoxidharze mit einer Bruchdehnung von maximal 2 % bis 3 %.
Klebstoffe mit einem hart/weich-Übergang im Anwendungs- Temperaturbereich: z.B. flexibilisierte Epoxidharze oder - A -
Epoxidharz-Silikon-Copolymere mit einer Bruchdehnung von maximal 10 %.
Im gesamten Anwendungs-Temperaturbereich flexible Klebstoffe: z.B. Silikone mit einem
Bruchdehnungsbereich, der sich von deutlich unter 10 % bis weit über 150 % hinaus erstrecken kann.
Die harten und spröden Klebstoffe können zwar eine gute Leitfähigkeit bereitstellen, sie sind jedoch nur für Einsatzbereiche geeignet, bei denen geringe mechanische Spannungen in der Verbindung durch geringe Differenzen zweier unterschiedlicher Längenausdehnungskoeffizienten α auftreten.
Die Kleber aus der zweiten Klebstoffgruppe, der mit den hart/weich-Übergängen, sind zwar für mechanisch höher belastetere Anwendungen geeignet, als die der ersten Gruppe, sie weisen jedoch demgegenüber eine Verschlechterung der Bruchdehnung auf und können somit einen Abfall oder sogar einen Ausfall der elektrischen Eigenschaften bei Temperaturen > 120° C verursachen.
Die dritte Gruppe, also die über den gesamten
Anwendungsbereich flexiblen Klebstoffe, können zwar teilweise sogar extreme Dehnfähigkeit aufweisen, diese geht jedoch sehr stark zu Lasten der elektrischen Leitfähigkeit, so dass ihr Einsatzbereich dadurch wiederum sehr stark eingeschränkt ist.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine solche Verbindung zwischen zwei elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer elektrisch leitfähigen, mechanisch flexiblen Verbindung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße elektrisch leitfähige, mechanisch flexible Verbindung zwischen einem ersten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, auf das ein erster thermischer
Ausdehnungskoeffizienten αl einwirkt, und einem zweiten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, auf welches ein zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizienten α2 einwirkt, dadurch aus, dass die Differenz D zwischen dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten αl und dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α2 im Bereich D > etwa 10*10E-6/K liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Differenz D sogar im Bereich D > etwa 20*10E-6/K. Bei der Ausbildung einer solchen Verbindung kann der thermische
Ausdehnungskoeffizient αVm des Verbindungsmaterials bevorzugt im Bereich von αVm etwa 420*10E-6/K liegen. Insbesondere vorteilhaft wirkt es sich auf die Verbindung aus, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient αVm des Verbindungsmaterials Vm im Bereich von αVm < etwa 250*10E-6/K liegt.
Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Bruchdehnung B eines Verbindungsmaterials Vm der Verbindung V im Bereich von B > etwa 15% liegt. Somit kann ein bisher erforderliches, zusätzliches Umspritzen eines solchen Bauteileverbundes mit einem harten Duroplast entfallen, um die so realisierte Kontaktierung gegenüber mechanischen Belastungen aufgrund schwankender Betriebstemperaturen zu schützen .
Insbesondere wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Bruchdehnung B des Verbindungsmaterials Vm der Verbindung sogar im Bereich von B etwa > 30% liegt, wobei die Bruchdehnung grundsätzlich über den gesamten
Lebensdauerbereich der Verbindung zu verstehen ist. Dadurch ist es möglich, die Relativbewegungen zwischen den Bauelementen auszugleichen, ohne das sich dies negativ auf die elektrischen bzw. mechanischen Eigenschaften dieser Verbindung V auswirkt.
So können damit z.B. keramische Chip-Bauelemente mit α = (6,5 bis 10)*10E-6/K auf thermoplastumspritzte Stanzgitter mit einem Längenausdehnungskoeffizienten mit etwa α = (60 bis 100)*10E-6/K aufkontaktiert werden, wobei hinsichtlich des betriebsüblichen Temperaturanwendungsbereichs sichergestellt ist, dass sowohl das keramische Bauelement als auch die Verbindung V deutlich unter ihrem maximal zulässigen, durch thermische Längenausdehnung bedingten mechanischen Belastungen bleiben. Es ist somit erfindungsgemäß eine Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Δα bis in einem Bereich von 90*10E-6/K problemlos bei der Kontaktierung zweier elektronischer Bauteile handhabbar. Grundsätzlich kann diese Grenze sogar noch deutlich ausgedehnt werden, in Abhängigkeit der einzelnen Komponenten des Verbindungsmaterials V.
Um eine ausreichende elektrische Verbindung zwischen dem keramischem Chip-Bauelement und dem beispielsweise als Steckerfahne dienenden, thermoplastumspritzten Stanzgitter aus beschichtetem Kupfer sicherzustellen, wird es bevorzugt, wenn der spezifische elektrische Widerstand RSp des Verbindungsmaterials Vm im Bereich von
RSp < etwa l*10E-2 Ohm*cm bei Raumtemperatur liegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der spezifische elektrische Widerstand RSp des Verbindungsmaterials Vm sogar im Bereich von RSp < etwa l*10E-3 Ohm*cm bei Raumtemperatur.
Solche Werte sind durch die Verwendung von Silber (AG) als Verbindungsmaterial Vm mit einem Gewichtsanteil G im Bereich von G>50 Gewichts%, bezogen auf das Verbindungsmaterial, möglich. Das Grundmaterial des Verbindungsmaterials ist hierzu vorzugsweise Klebstoff, basierend auf einer mechanisch flexiblen, polymeren Matrix, die mit Silberpartikel, beispielsweise in der Form von Flocken, Kugeln oder dergleichen mehr gefüllt ist. Durch diesen hohen Füllgrad ist auch bei einer großen Dehnung des Verbindungsmaterials V sichergestellt, dass die oben angegebenen niedrigen, spezifischen elektrischen Widerstände über den gesamten Temperaturanwendungsbereich hinweg aufrecht erhalten werden können .
Es sind zwar Kleber bekannt, die einen verhältnismäßig hohen Silberanteil aufweisen, hierbei handelt es sich aber um spröde Kleber mit einer Bruchdehnung von ca. 2% bis 3%, deren Binder Epoxid ist. Bei solchen Klebern ist die Anreicherung mit leitfähigen Füllstoffen, vorzugsweise in der Form versilberter Kupferpartikel aber auch in der Form von Silber gut handhabbar, es mangelt ihnen aber an Elatizität.
Demgegenüber ist bei einem über den gesamten
Anwendungstemperaturenbereich hinweg elastischen Kleber, wie dies z.B. Silikonkleber sind, die einen Bruchdehnungsbereich aufweisen, der von deutlich unter 10% bis weiter über 150% reichen kann, bisher aufgrund des Absinkverhaltens der schweren, elektrisch leitfähigen Füllstoffe nicht möglich gewesen. Insbesondere bei Silber, welches hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweist, war bisher eine bleibende Anordnung der einzelnen Partikel in der mechanisch flexiblen, polymeren Matrix nicht möglich. Anhand verschiedener Versuchsreihen wurde nun aber eine entsprechend flexible, polymere Matrix gefunden, mit der die oben angeführten Werte, und sogar noch höhere Füllgrade, z.B. bis zu einem Bereich von über 90 Gewichts% des Verbindungsmaterials möglich sind. Damit gehen extrem verbesserte Leitfähigkeitseigenschaften einher, so dass es nun erfindungsgemäß möglich ist, eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen mit den oben angegebenen Parametern zur Verfügung zu stellen. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, die bisher bekannten Nachteile des Standes der Technik, geringe Flexibilität der Verbindung bei verhältnismäßig guter elektrischer Leitfähigkeit oder geringe elektrische Leitfähigkeit bei entsprechend hoher Elastizität der Verbindung, deutlich zu reduzieren.
Aktuelle Anwendungsversuche zeigten zwar, dass ein Silberanteil beginnend bei etwa 50% insbesondere aber zwischen etwa 75% und 85% für den getesteten Anwendungsfall ausreichend gute elektrische und mechanische Eigenschaften bereitstellt, z.B. eine Bruchdehnung von 30% über den gesamten Temperaturanwendungsbereich hinweg, bei einem spezifischen, elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur von RSp < l*10E-3 Ohm*cm bis RSp < 400*10E-3 Ohm*cm. Es ist aber durchaus denkbar, dass ein noch höherer Füllgrad mit elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere mit Silber, realisiert wird.
Diese erfindungsgemäße, elektrisch leitfähige, mechanisch flexible Verbindung kann also bevorzugt zur Verbindung eines ersten elektrischen bzw. elektronischen Bauteils in Form eines miniaturisierten elektrischen Bauteils (SMD-Bauteil) mit einem zweiten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil eingesetzt werden, wobei das zweite Bauteil eine Leitungsverbindung zu einem Schaltungsträger oder zu einem dritten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, ein Teil eines solchen Schaltungsträgers oder dergleichen mehr ist. Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt, und wird anhand der beigefügten Figuren näher erläutert .
Im Einzelnen zeigen
Figur 1: eine Draufsicht auf eine Verbindung zwischen einem elektronischen Bauelement (SMD) und zwei in einem Steckergehäuse fixierten Steckerkontaktbahnen;
Figur 2 : einen Schnitt durch die Verbindung in der Figur 1 und
Figur 3: zeigt eine Draufsicht auf ein
Steckergehäuse in welchem zwei erste elektronische Bauelemente erfindungsgemäß an zwei zweiten Bauelemente befestigt sind.
Im Detail zeigt nun die Figur 1 eine Draufsicht auf eine elektrisch leitfähige, mechanisch flexible Verbindung 1. Diese ist zwischen einem SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) mit einem verhältnismäßigen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten αl = 6,5*10E-6/K und einem zweiten elektronischen Bauelementen 3, in der Form von thermoplastumspritzten Steckeranschlussbahnen 3 mit einem demgegenüber verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten α2 (60 bis 100)*10E-6/K ausgebildet. Realisiert ist diese elektrisch leitfähige, mechanisch flexible Verbindung 1 mittels des erfindungsgemäßen Verbindungsmaterials 4, mit welchem es möglich ist, eine Differenz D zwischen dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten αl und dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α2 im Bereich von D > etwa 10*10E-6/K über den gesamten
Anwendungstemperaturbereich und über die gesamte Lebensdauer der Verwendung hinweg zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für die erforderlichen elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verbindung 1.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindung 1 liegt die Differenz D sogar im Bereich D > etwa 20*10E-6/K, so dass gegenüber der zuerst dargelegten Ausführungsform noch größere mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sicher beherrschbar sind. Der thermische Ausdehnungskoeffizient αVm des
Verbindungsmaterials Vm liegt dabei vorzugsweise im Bereich von αVm < etwa 450*10E-6/K in einer ersten Ausführungsform und in einer zweiten sogar im Bereich von αVm < etwa 250*10E- 6/K.
Die Bruchdehnung B des Verbindungsmaterials 4 liegt dabei in der ersten Ausführungsform im Bereich von B > etwa 15%. Diese Bruchdehnung B ist abhängig vom verwendeten Binder, welcher hier bevorzugt Silikon ist, und den mit ihm vermengten Füllmaterial sowie dessen Füllgrad. Demnach kann die Bruchdehnung B auch variieren. Um eine noch flexiblere Verbindung herzustellen, kann dies sogar bis zu einer Bruchdehnung B einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform im Bereich von B > etwa 30% sein.
Hinsichtlich des spezifischen, elektrischen Widerstandes RSp des Verbindungsmaterials 4 ist es in einer ersten Ausführungsform bevorzugt, wenn dieser im Bereich von
Rsp < etwa l*10E-2 liegt, insbesondere sogar im Bereich von
RSp < etwa l*10E-3. Dadurch können die bereits bei der ersten
Ausführungsform deutlich reduzierten parasitären elektrischen
Effekte, z.B. Kondensatoreffekt noch weiter verringert werden.
Hierbei spielt insbesondere das Füllmaterial des Verbindungsmaterials Vm eine Rolle, welches bevorzugt Silber (AG) ist, mit einem Gewichtsanteil G im Bereich von G > 50 Gewichts%, bezogen auf das Verbindungsmaterial in einer ersten Ausführungsform. In einer zweiten, demgegenüber bevorzugten Ausführungsform kann der Gewichtsanteil G sogar im Bereich von G > etwa 75 Gewichts% liegen.
Bei einer Vielzahl von durchgeführten Versuchen wurde mit einem Füllgrad des Verbindungsmaterials experimentiert, bei dem der Gewichtsanteil G beispielsweise zwischen 75% und 85% lag. Alle Versuche lieferten sehr gute elektrische Eigenschaften, in Kombination mit sehr guten mechanischen Eigenschaften. Besonders bevorzugte Eigenschaften liefert das erfindungsgemäße Verbindungsmaterial 4 im Bereich von G etwa 81,5% +/- 1%.
Eine Erhöhung dieses Gewichtsanteils G verbesserte zwar auf der einen Seite noch die elektrischen Eigenschaften, auf der anderen Seite mussten aber Einbußen hinsichtlich der mechanischen Flexibilität durch Reduzierung der Bruchdehnung B festgestellt werden. Bei einer Reduzierung des Gewichtsanteils G konnten entgegengesetzte Auswirkungen festgestellt werden.
Das Silber AG als elektrisch leitfähige Komponente im Verbindungsmaterial 4 ist dabei in Partikelform eingebracht, bevorzugt in der Form von Flocken, Kugeln oder dgl . mehr. Die geforderte, hohe Elastizität eines Verbindungsmaterials kann insbesondere durch Verwendung von Silikonpolymer als Klebstoffkomponente erreicht werden. Hierbei handelt es sich um eine mechanisch flexible polymere Matrix, in welcher der elektrisch leitfähige Füllstoff angeordnet werden kann. Wichtig ist es dabei, dass der elektrisch leitfähige Füllstoff den ihm zugeordneten Platz in der polymeren Matrix auch im nicht ausgehärteten Zustand über einen langen Zeitraum hinweg beibehält. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung der elektrischen leitfähigen Komponenten des Verbindungsmaterials 4 in der als Grundgerüst dienenden polymeren Matrix gewährleistet, die ihrerseits wiederum die guten elektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbindungsmaterials 4 begründen.
Dieser hohe Füllgrad mit den oben dargelegten Zahlenwerten für den Gewichtsanteil G konnte durch einen neuen, geeigneten Aufbau der Klebstoffkomponente K^ in der Form von Silikonpolymer erreicht werden, so dass der bisher wesentliche Nachteil, das Absinken der Füllstoffe in der Klebstoffkomponente Kk zumindest deutlich reduziert werden konnte. Der zweite wesentliche Aspekt hinsichtlich der elektrisch guten Eigenschaften liegt in der Verwendung des hohen Anteils an Silber und der damit verbundenen sehr guten elektrischen Eigenschaften in dem Verbindungsmaterial 4.
Neben der Klebstoffkomponente Kk mit einem Gewichtsanteil im
Bereich von G < etwa 20 Gewichts%, insbesondere sogar in einem Bereich von G < etwa 10 Gewichts% sind noch weitere
Hilfsstoffe in einem Gewichtsanteil im Bereich von
G < etwa 2 Gewichts%, insbesondere sogar im Bereich von
G < 0,5 Gewichts% vorgesehen. Die Hilfsstoffe H können dabei in der Form von Haftvermittler, Katalysatoren, Inhibitoren und dgl . mehr vorliegen.
Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, kann ein erstes mit dieser erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen, mechanisch flexiblen Verbindung 1 verbundenes Bauteil, bevorzugt ein miniaturisiertes, elektronisches Bauteil 2 sein, z.B. in der Form eines SMD-Bauteils Bl. Als zweites elektrisches bzw. elektronisches Bauteil 3 kann eine Leitungsverbindung L zu einem Schaltungsträger S oder zu einem dritten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil B3 vorgesehen sein, oder ein Teil z.B. einen Leiterbahn Lb eines solchen Schaltungsträgers S oder dgl . mehr. Insbesondere ist das zweite elektrische bzw. elektronische Bauteil 3 bzw. B2 dabei in einem Steckergehäuse 5 fixiert, dessen Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α2 aufweist, der im Vergleich zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten αl des ersten elektronischen Bauteils 2, siehe oben, wesentlich höher ist.
Durch eine solche Verankerung des zweiten elektrischen bzw. elektronischen Bauteils 3, beispielsweise in einem aus Thermoplast bestehenden Steckergehäuse 5, wie in Figur 3 gezeigt, entstehen bei der Durchwanderung des Betriebstemperaturbereichs vergleichsweise große Spannungen im Verbindungsmaterial 4 zwischen dem ersten Bauteil 2 (Bl) und dem zweiten Bauteil 3 (B2) . Aufgrund der erfindungsgemäß hohen Elastizität bei gleichzeitig sehr guten elektrischen Eigenschaften der Verbindung 1 ist diese Verbindung 1 nun aber in der Lage, diese mechanischen Spannungen auszugleichen, ohne dass die Verbindung 1 dabei Schaden leidet, wobei gleichzeitig auch die sehr gute elektrische Leitfähigkeit zumindest über einen weiten Bereich aufrecht erhalten werden kann.
Im Weiteren sind in der Figur 3 neben dem beispielhaft gezeigten Entstörkondensatoren auch die Anschlussfahnen 3 für den Anschluss eines weiteren Bauelements gut erkennbar, welches ebenfalls in dem Steckergehäuse 5 untergebracht werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Elektrisch leitfähige, mechanisch flexible Verbindung (V) zwischen einem ersten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, auf das ein erster thermischer
Ausdehnungskoeffizient (αi) einwirkt, und einem zweiten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil, auf welches ein zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizient (CX2) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (D) zwischen dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αi) und dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (0*2) im Bereich D > etwa 10*10E-6/K liegt.
2. Verbindung (V) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (D) im Bereich D > etwa 20*10E-6/K liegt.
3. Verbindung (V) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient (αVm) des Verbindungsmaterials (Vm) im Bereich von αVm < etwa 450*10E-6/K liegt.
4. Verbindungsmaterial (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient (αVm) des Verbindungsmaterials (Vm) im Bereich von αVm < etwa 250*10E-6/K liegt.
5. Verbindungsmaterial (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung (B) eines Verbindungsmaterials (Vm) der Verbindung (V) im Bereich von B > etwa 15% liegt.
6. Verbindungsmaterial (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung (B) des Verbindungsmaterials (Vm) der Verbindung (V) im Bereich von B > etwa 30% liegt.
7. Verbindungsmaterial (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand (Rsp) des Verbindungsmaterial (Vm) bei Raumtemperatur im Bereich von Rsp < etwa l*10E-2 Ohm anliegt.
8. Verbindungsmaterial (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand (Rsp) des Verbindungsmaterial (Vm) bei Raumtemperatur im Bereich von Rsp < etwa l*10E-3 Ohm anliegt.
9. Verbindung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (Vm) Silber (AG) mit einem Gewichtsanteil (G) im Bereich von
G > 50 Gewichts% umfasst.
10. Verbindung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (Vm) Silber (AG) mit einem Gewichtsanteil (G) im Bereich von
G > etwa 75 Gewichts% umfasst.
11. Verbindung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial (Vm) eine Klebstoffkomponente (Kk) in der Form von Silikonpolymer umfasst .
12. Verbindung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische bzw. elektronische Bauteil (Bi) ein miniaturisiertes elektronisches Bauteil ist, vorzugsweise ein SMD-Bauteil.
13. Verbindung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrische bzw. elektronische Bauteil (B2) eine Leitungsverbindung (L) zu einem Schaltungsträger (S) oder zu einem dritten elektrischen bzw. elektronischen Bauteil (B3) , ein Teil (Lb) eines solchen Schaltungsträgers (S) oder dgl . ist.
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