ES2298852T3 - Hibrido de metal-material sintetico y cuerpo moldealdo fabricado a partir del mismo. - Google Patents
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Abstract
Híbrido de metal-material sintético, que comprende un termoplasto, un compuesto metálico exento de plomo, que funde en el intervalo comprendido entre 100ºC y 400ºC, en una cantidad comprendida entre un 20 y un 50 % en peso y fibras de cobre en una cantidad comprendida entre un 30 y un 70 % en peso, que puede ser obtenido a partir de una aleación en fusión, que comprende el compuesto metálico y el termoplasto, a la que se añaden las fibras de cobre, presentándose las fibras de cobre con el compuesto metálico, que funde en el intervalo comprendido entre 100ºC y 400ºC, en el híbrido conjuntamente en forma de red de fibras.
Description
Híbrido de metal-material
sintético y cuerpo moldeado fabricado a partir del mismo.
La invención se refiere a un híbrido de
metal-material sintético así como a un cuerpo
moldeado fabricado a partir del mismo.
Para muchas aplicaciones de los materiales
sintéticos en la electrónica/electrotecnia se requiere una
conductibilidad eléctrica y/o electromagnética y/o térmica. En la
actualidad existe una pluralidad de mixturas de materiales
sintéticos que cubren un intervalo de la resistencia de paso
específica comprendida entre 10^{10} \Omegacm hasta 10^{-1}
\Omegacm. Un reducido número de productos especiales, que
contienen por ejemplo fibras de carbono como material de carga,
alcanzan aproximadamente 2 x 10^{-2} \Omegacm. Como materiales
de carga eléctricamente conductores se emplean, por ejemplo, el
hollín, las fibras de carbono, las partículas metálicas, las fibras
metálicas o los polímeros intrínsecamente conductores. Sin embargo
no se conoce hasta ahora ninguna mixtura termoplástica que tenga una
resistencia de paso específica menor que 10^{-2} \Omegacm y que
pueda ser transformada, por ejemplo, según un procedimiento de
colada por inyección.
Con objeto de ajustar un aislador, como los
materiales sintéticos, de manera que sea conductora, se consiguen
sendas conductoras interconectadas por medio de materiales de carga
eléctricamente conductores, es decir que las partículas conductoras
se tocan físicamente en el caso ideal. Se sabe que puede realizarse
una red conductora en material sintético, en el mejor de los casos,
mediante la introducción de fibras de metal o de fibras de carbono.
En este caso, cuanto mayor sea la longitud de las fibras tanto menor
es la proporción en peso de fibras que se requiere para una
conductibilidad determinada. Desde luego a medida que aumenta la
longitud de las fibras se hace más problemática también la
transformación puesto que la viscosidad de la mixtura aumenta en
gran medida. De este modo las mixturas, que pueden ser obtenidas en
el mercado, con una longitud de las fibras de acero de 10 mm,
únicamente pueden ser transformadas hasta un contenido máximo en
peso de fibras de aproximadamente un 25 hasta un 30% según un
procedimiento de colada por inyección. Las mixturas con fibras más
cortas pueden transformarse todavía en un procedimiento de colada
por inyección con proporciones en peso mayores de fibras, desde
luego esto no produce ninguna reducción de la resistencia de paso
específica en comparación con las fibras largas. Un comportamiento
similar es válido para los termoplastos cargados con fibras de
carbono y cargados con partículas de metal. Otro problema consiste
en que, en función de los diversos coeficientes de dilatación, la
red de fibras de los termoplastos cargados se ensancha bajo la
acción de la temperatura y se interrumpen las sendas
conductoras.
De igual modo, se ha intentado incorporar
únicamente metales de bajo punto de fusión (fusible alloys) en el
material sintético, de este modo se alcanzan, sin embargo,
únicamente grados de carga comprendidos entre un 40 y un 50% en
peso, con una resistencia de paso específica del orden de magnitud
de 10^{5} \Omegacm. Quedan excluidos mayores grados de carga
debido a la mala compatibilidad y a la gran diferencia de densidad
de los dos componentes que deben ser mezclados.
La publicación
EP-A-942436 A D2 divulga (véase el
ejemplo 6 en la tabla 1) un híbrido de
metal-material sintético, que comprende un
termoplasto (nilón 12), un compuesto metálico exento de plomo, que
funde en el intervalo comprendido entre 100ºC y 400ºC (nonleaded
solder Sn-Cu-Ni con un punto de
fusión de 225ºC, véase el párrafo) y fibras de cobre en una cantidad
de un 50% en peso (véase la tabla 1).
Así pues, la tarea de la presente invención
consiste en conseguir un material transformable por medio de los
procesos tradicionales para el moldeo de los materiales sintéticos
(colada por inyección, etc.), que tenga una elevada conductibilidad
eléctrica y térmica.
El objeto de la invención es un híbrido de
metal-material sintético, que comprende un
termoplasto, un compuesto metálico exento de plomo, que funde en el
intervalo comprendido entre 100ºC y 400ºC, en una cantidad
comprendida entre un 20 y un 50% en peso, y fibras de cobre en una
cantidad comprendida entre un 30 y un 70% en peso, que puede ser
obtenido a partir de una aleación en fusión, que comprenda el
compuesto metálico y los termoplastos, a la que se añaden las fibras
de cobre, presentándose las fibras de cobre en forma de red de
fibras conjuntamente en 1 híbrido con el compuesto metálico que
funde en el intervalo comprendido entre 100ºC y 400ºC.
De igual modo constituye un objeto de la
invención un cuerpo moldeado fabricado a partir del híbrido de
metal-material sintético así como el empleo del
híbrido en la electrotecnia, en la electrónica, en componentes
electromagnéticos y/o para la disipación del calor.
De una manera completamente sorprendente se ha
puesto de manifiesto que puede realizarse, mediante la combinación
de un compuesto metálico de bajo punto de fusión con un material de
carga eléctricamente conductor y/o metálico un grado de carga en el
termoplasto, desconocido hasta el presente, con partículas o fibras
eléctricamente conductoras y/o con metal y que pueden fabricarse de
manera estable.
Como material de carga eléctricamente conductor
y/o metálico se emplean fibras de cobre. La longitud de las fibras
se encuentra preferentemente comprendida entre 1 y 10 mm, debiendo
ser el espesor de manera preferente < 100 \mum.
Como termoplastos pueden emplearse todos los
termoplastos ofrecidos en el mercado, que pueden ser elegidos según
el perfil exigido de propiedades.
El híbrido de metal/material sintético contiene
a título de termoplasto, por ejemplo (de manera preferente) uno de
los polímeros siguientes: materiales sintéticos en masa tales como
un poliestireno (PS) o un polipropileno (PP), etc. y/o un
termoplasto industrial tal como la poliamida (PA) o el tereftalato
de polibutileno (PBT), etc. o como termoplastos a elevada
temperatura una poliéterimida (PEI), un sulfuro de polifenileno
(PPS), una poliamida parcialmente aromática, etc. Evidentemente
pueden emplearse también todas las mixturas y los elastómeros
termoplásticos usuales.
Se entenderá por una aleación metálica de bajo
punto de fusión, un compuesto metálico cuyo punto de fusión o bien
cuyo intervalo de fusión se encuentre comprendido entre 100ºC y
400ºC, de manera preferente comprendido entre 100ºC y 300ºC. Para
los termoplastos a elevada temperatura, que requieren en parte
temperaturas de transformación > 400ºC, pueden encontrar
aplicación también los compuestos metálicos con un punto de
fusión/intervalo de fusión
> 300ºC. Tanto las aleaciones metálicas de bajo punto de fusión con un intervalo de fusión así como también aquellas con un punto de fusión pueden emplearse de conformidad con la invención. El compuesto metálico abarca fundamentalmente metales pero puede tener sin embargo cualquier tipo de materiales acompañantes, de manera especial incluso materiales acompañantes y aditivos no metálicos.
> 300ºC. Tanto las aleaciones metálicas de bajo punto de fusión con un intervalo de fusión así como también aquellas con un punto de fusión pueden emplearse de conformidad con la invención. El compuesto metálico abarca fundamentalmente metales pero puede tener sin embargo cualquier tipo de materiales acompañantes, de manera especial incluso materiales acompañantes y aditivos no metálicos.
Una característica de la aleación metálica de
bajo punto de fusión con punto de fusión consiste en un descenso de
la viscosidad inmediato y drástico hasta < 50 mPa s cuando se
sobrepase el punto de fusión. Esta viscosidad extremadamente baja,
casi similar a la del agua, contribuye en la mixtura decisivamente a
su elevada capacidad de fluencia con elevados grados de carga de
materiales de carga. En el caso de una aleación metálica de bajo
punto de fusión (compuesto para soldadura blanda) con un intervalo
de fusión, la viscosidad desciende en el intervalo de fusión de
manera continua y solamente después de que se sobrepase el intervalo
de fusión alcanza un valor < 50 mPa s. De conformidad con la
invención pueden emplearse tanto los compuestos metálicos de bajo
punto de fusión con un punto de fusión así como también aquellos con
un intervalo de fusión. De manera preferente se emplearán los
compuestos metálicos de bajo punto de fusión, que estén exentos de
metales pesados, de manera especial aquellos que estén exentos de
plomo, es decir que no sean cuestionables desde un punto de vista
toxicológico. A título de ejemplo, los compuestos metálicos de bajo
punto de fusión empleados contienen al menos también estaño, cinc
y/o bismuto.
De acuerdo con las exigencias, pueden variarse
dentro de amplios límites las proporciones en compuesto metálico de
bajo punto de fusión y los materiales de carga eléctricamente
conductores, en general comprendidas entre un 1 y
> 95% en peso, de manera especial entre un 10 y un 80% en peso y entre un 20 y un 75% en peso.
> 95% en peso, de manera especial entre un 10 y un 80% en peso y entre un 20 y un 75% en peso.
Para alcanzar la máxima conductibilidad se ha
observado que la proporción de la aleación metálica de bajo punto de
fusión debe estar comprendida entre un 20 y un 50% en peso, de
manera ventajosa debe estar comprendida entre un 22 y un 48% en peso
y, de manera especialmente preferente, debe estar comprendida entre
un 25 y un 45.
La proporción del o de los materiales de carga
conductores se encuentra comprendida, de manera preferente, entre un
30 y un 70% en peso, de manera especialmente preferente comprendida
entre un 33 y un 68% en peso y, de manera especialmente preferente,
está comprendida entre un 35 y un 65% en peso.
La proporción total de los componentes
conductores (compuesto metálico de bajo punto de fusión y/o material
de carga) supone, por regla general, \geq 60% en peso, de manera
preferente \geq 70% en peso, de manera especialmente preferente
\geq 80% en peso, alcanzándose incluso > 95% en peso inclusive.
De este modo se alcanzan resistencias de paso específicas \leq
10^{-3} \Omega cm. De igual modo pueden alcanzarse elevadas
conductibilidades térmicas. Las exigencias relativas a las
conductibilidades (eléctrica/térmica) dependen del campo de
aplicación del híbrido y pueden variar dentro de amplios límites.
Sin embargo, las indicaciones de las conductibilidades no deben
limitar en modo alguno la invención.
Cuando se utilicen fibras de cobre a título de
material de carga conductor, se produce en combinación con la
aleación metálica de bajo punto de fusión un "estañado" de las
fibras de Cu, que se mantiene incluso en estado enfriado,
solidificado. Esto tiene la ventaja especial en el caso de un
componente o de un cuerpo moldeado ulterior, que esté sometido a
cambios de temperatura, de que se mantiene perfectamente el
"contactado de la red de fibras" y, por lo tanto, la
conductibilidad.
Debe reseñarse que estas mixturas con una
proporción total en componentes conductores (compuesto metálico de
bajo punto de fusión + material de carga) de \geq 80% en peso
pueden ser transformadas todavía en un procedimiento de colada por
inyección. Esto se consigue únicamente mediante la combinación de
los dos componentes conductores en el termoplasto.
Por medio de las bajas resistencias de paso
específicas se limita en gran medida la formación de calores de
pérdida en los componentes, que se disipan además de una manera muy
efectiva en combinación con la elevada conductibilidad térmica de la
mixtura, que, de manera preferente, toma valores por encima de 5
W/mK y de hasta > 10 W/(mK) inclusive (la refrigeración de los
componentes electrónicos es uno de los problemas más acuciantes de
la microelectrónica).
De manera ventajosa se fabricará y se
transformará el material a una temperatura a la que se presenten en
estado líquido fundido tanto la aleación metálica de bajo punto de
fusión así como también el termoplasto. Esta aleación en fusión, que
comprende un componente inorgánico y un componente orgánico, tiene
una capacidad de fluencia extremadamente elevada de tal manera que
pueden admitirse todavía materiales de carga, es decir partículas
y/o fibras en una elevada proporción en peso sin que se pierdan las
buenas propiedades de fluencia o bien de transformación, es decir
sin que se produzca un aumento demasiado elevado de la
viscosidad.
La obtención de las mixturas puede llevarse a
cabo tanto de manera discontinua en un amasador así como también de
manera continua en una extrusora. La medida de la resistencia de
paso específica (véanse los ejemplos de realización) se llevó a cabo
en probetas con unas dimensiones de 50 x 6 x 4 mm, se fabricaron en
un procedimiento de colada por inyección.
Los cuerpos moldeados, fabricados a partir del
híbrido de conformidad con la invención, se produjeron por medio de
los procesos usuales para el moldeo de los materiales sintéticos
tales como la colada por inyección, la extrusión, la embutición
profunda, etc.
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Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200 de la firma HEK GmbH, Lübeck, Alemania, punto de fusión
200ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
PA 6 : MCP 200 : fibras de Cu = 20 : 20 : 60
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\vskip1.000000\baselineskip
PA 6 : MCP 200 : fibras de Cu = 15 : 25 : 60
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\vskip1.000000\baselineskip
PA 6 : MCP 200 : fibras de Cu = 10 : 35 : 55
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200, punto de fusión 200ºC.
Material acompañante: fibras de acero; longitud
aproximada 4 mm, espesor aproximado 10 \mum.
PA 6 : MCP 200 : fibras de acero = 20 : 30 :
50
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
220, intervalo de fusión 97-300ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
PA 6 : MCP 220 : fibras de Cu = 10 : 35 : 55
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200 A, intervalo de fusión 197-208ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
PA 6 : MCP 200 A : fibras de Cu = 10 : 30 :
60
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200 B, intervalo de fusión 197-225ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
PA 6 : MCP 200 B : fibras de Cu = 10 : 30 :
60
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200, punto de fusión 200ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
Material acompañante: fibras de acero; longitud
aproximada 4 mm, espesor aproximado 10 \mum.
PA 6 : MCP 200 : fibras de Cu : fibras de acero
= 15 : 25 : 30 : 30
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\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200, punto de fusión 200ºC.
Material acompañante: bolas de cobre;
\diameter aproximado 32 \mum.
PA 6 : MCP 200 : bolas de Cu = 10 : 15 : 75
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200, punto de fusión 200ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
Material acompañante: bolas de cobre;
\diameter aproximado 32 \mum.
\newpage
PA 6 : MCP 200 : fibras de Cu : bolas de Cu = 15
: 15 : 60 : 10
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\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200 A, intervalo de fusión 197-208ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
ABS : MCP 200 : fibras de cobre = 25 : 35 :
40
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200, punto de fusión 200ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
PPS : MCP 200 : fibras de cobre = 15 : 35 :
50
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
200, punto de fusión 200ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum.
PA 66 : MCP 200 : fibras de cobre = 20 : 25 :
55
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aleación metálica de bajo punto de fusión: MCP
220, intervalo de fusión 97-300ºC.
Material acompañante: fibras de cobre; longitud
aproximada 2 mm, espesor aproximado 80 \mum
PEI : MCP 220 : fibras de cobre = 25 : 30 :
45
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Con las mixturas descritas se alcanzan
resistencias de paso específicas que se encuentran en el orden de
magnitud correspondiente al de los conductores metálicos puros. Por
medio de la elevada aptitud a la fluencia, simultánea, de las
mixturas se abre un espectro de aplicación novedoso, entre otras
cosas, en el sector de la colada con microinyección, en el sector de
la colada por inyección con 2 componentes (colada por inyección
2-K), en el sector de la mecatrónica, en el sector
del establecimiento de contactos y en el sector del montaje de
componentes. De este modo pueden integrarse directamente en un
componente por ejemplo bandas conductoras según el procedimiento de
colada por inyección de 2-K, lo cual ofrece
perspectivas completamente nuevas por ejemplo en el caso de la
fabricación de los componentes 3D-MID. De igual modo
puede integrarse en el componente directamente el establecimiento de
los contactos por ejemplo por medio de un recubrimiento por
inyección directo de los cables. En este caso se elimina el
establecimiento de contacto con los cables por medio de un proceso
de atornillado, de sujeción por medio de bornas o de estañado. De
igual modo es posible la integración de clavijas de contacto sobre
el componente por medio del proceso de colada por inyección. De
igual modo se ofrecen nuevas posibilidades para el montaje de los
elementos de construcción (diodos, condensadores, circuitos
integrados, etc.) sobre placas conductoras y sobre bandas
conductoras. Puesto que estas nuevas mixturas tienen una elevada
proporción de un compuesto metálico de bajo punto de fusión, los
elementos de construcción pueden montarse de una manera más
sencilla, por ejemplo mediante el estañado directo de los contactos
con soldadura blanda, o mediante precalentamiento de las clavijas y
simple compresión o mediante calentamiento puntual (por ejemplo
láser) de las bandas conductoras en la zona de montaje y a
continuación se asienta el elemento de construcción.
Son interesantes las nuevas mixturas también
para componentes y dispositivos a los que se exija un elevado
apantallado electromagnético. Por un lado es asegura, de manera
duradera, el apantallado por medio del "estañado"
precedentemente citado de las fibras metálicas incluso en el caso de
solicitaciones debidas a cambios de temperatura, lo cual constituye
un gran problema en las mixturas disponibles en la actualidad. Por
otro lado puede realizarse por medio de la técnica de colada por
inyección durante la fabricación de los componentes, es decir que se
elimina un montaje ulterior por ejemplo de chapas de apantallado.
Otro problema de las carcasas de apantallado constituidas por las
mixturas usuales en el comercio reside en la mala posibilidad de
establecimiento de contacto de la carcasa en función de la baja
conductibilidad eléctrica. Mediante la conductibilidad eléctrica
extremadamente elevada de las nuevas mixturas pueden realizarse los
establecimientos de contacto de una manera sencilla y, ante todo,
fiable.
Por medio de la elevada conductibilidad térmica
y de las posibilidades de variación en el moldeo, los nuevos
híbridos pueden emplearse también para la disipación del calor.
Son posibles empleos en la electrónica, en la
electrotecnia, en los componentes electromagnéticos, en la
disipación del calor, etc. A modo de ejemplo, el híbrido puede
emplearse en bandas conductoras, en clavijas de contacto, en
fusibles térmicos, en los establecimientos de contacto con los
cables, en EMS, etc.
La invención se refiere a un híbrido de
metal-material sintético según la reivindicación 1
así como a un cuerpo moldeado fabricado a partir del mismo según la
reivindicación 6. Mediante la combinación de los materiales
acompañantes metálicos en el material sintético se muestra aquí por
primera vez que pueden realizarse resistencias de paso específicas
menores que 10^{-2} \Omegacm simultáneamente con una buena
aptitud a la transformación de las mixturas en el proceso de colada
por inyección. De igual modo pueden emplearse también otros procesos
de moldeo tales como la extrusión, la embutición profunda, etc. para
las mixturas.
Con ayuda de la invención es posible por primera
vez la fabricación de mixturas termoplásticas que tienen una
resistencia de paso específica menor que 10^{-2} \Omegacm y que,
por ejemplo, pueden ser transformadas en el procedimiento de colada
por inyección. De igual modo pueden realizarse con la invención, por
primera vez, aplicaciones tales como bandas conductoras inyectadas
y/o clavijas de contacto y/o el establecimiento de contacto con el
cable mediante un recubrimiento directo por inyección, etc., con
estas mixturas.
Claims (7)
1. Híbrido de metal-material
sintético, que comprende un termoplasto, un compuesto metálico
exento de plomo, que funde en el intervalo comprendido entre 100ºC y
400ºC, en una cantidad comprendida entre un 20 y un 50% en peso y
fibras de cobre en una cantidad comprendida entre un 30 y un 70% en
peso, que puede ser obtenido a partir de una aleación en fusión, que
comprende el compuesto metálico y el termoplasto, a la que se añaden
las fibras de cobre, presentándose las fibras de cobre con el
compuesto metálico, que funde en el intervalo comprendido entre
100ºC y 400ºC, en el híbrido conjuntamente en forma de red de
fibras.
2. Híbrido de metal-material
sintético según la reivindicación 1, en el que la proporción del
compuesto metálico, que funde en el intervalo comprendido entre
100ºC y 400ºC y de las fibras de cobre es \geq 60% en peso.
3. Híbrido de metal-material
sintético según una de las reivindicaciones precedentes, que tiene
una resistencia de paso específica menor que 10^{-2} \Omegacm
y/o una conductibilidad térmica > 5 W/mK.
4. Híbrido de metal-material
sintético según la reivindicación 1, en el que la longitud de las
fibras está comprendida entre 1 y 10 mm, el espesor es < 100
\mum y/o el tamaño de las partículas es < 100 \mum.
5. Híbrido de metal-material
sintético según una de las reivindicaciones precedentes, en el que
el compuesto metálico, que funde en el intervalo comprendido entre
100ºC y 400ºC, abarca proporciones de bismuto, de cinc y/o de
estaño.
6. Cuerpo moldeado, fabricado por medio de un
proceso usual para el moldeo de los materiales sintéticos, que se
fabrica, al menos en parte, a partir de un híbrido de
metal-material sintético según una de las
reivindicaciones 1 a 6.
7. Empleo de un híbrido según una de las
reivindicaciones 1 a 6 en la electrotecnia, en la electrónica, en
los componentes electromagnéticos y/o para la disipación del
calor.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10358342 | 2003-12-12 | ||
| DE10358342 | 2003-12-12 |
Publications (1)
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