TW201327581A

TW201327581A - 包括聚合物材料、第一金屬及嵌入於第一金屬中之第二金屬之金屬粒子的導電金屬／塑膠混合物及其製造方法

Info

Publication number: TW201327581A
Application number: TW101128668A
Authority: TW
Inventors: Helge Schmidt; Dominique Freckmann
Original assignee: Tyco Electronics Amp Gmbh; Tyco Electronics Corp
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2013-07-01

Abstract

本發明係關於導電金屬/塑膠混合物，其包括聚合物材料基質；嵌入於該基質中且由具有第一熔融溫度之金屬製得之網狀物；及位於該網狀物內具有高於該第一熔融溫度之第二熔融溫度的金屬粒子。此外，本發明係關於製造此一金屬/塑膠混合物之方法。已自先前技術得知上述類型之金屬/塑膠混合物，但為達成高導電率，該等混合物含有高百分比之較高熔點金屬粒子，此使其具有高密度及高熱容量。本發明藉由使用鋁作為該等金屬粒子之一種組份來提供具有較低密度及較低熱容量之金屬/塑膠混合物。另外，提供製造此一金屬/塑膠混合物之方法。

Description

包括聚合物材料、第一金屬及嵌入於第一金屬中之第二金屬之金屬粒子的導電金屬/塑膠混合物及其製造方法

本發明係關於導電金屬/塑膠混合物，其包括聚合物材料基質；嵌入於基質中且由金屬製得之網狀物，該金屬具有第一熔融溫度；及網狀物內具有第二熔融溫度之金屬粒子，第二熔融溫度高於第一熔融溫度。此外，本發明係關於製造此一金屬/塑膠混合物之方法。

已自先前技術得知上述類型之金屬/塑膠混合物，但為達成高導電率，該等混合物含有高百分比之較高熔點金屬粒子。由於該等較高熔點金屬通常非常緻密，因此整個金屬/塑膠混合物亦非常緻密。此外，用於較高熔點金屬粒子之金屬可為昂貴的，此增加金屬/塑膠混合物之價格。另外，該等金屬通常具有高熱容量，此使得所得金屬/塑膠混合物(具體而言)在模製處理時難以處理。

因此，本發明之目標係提供展現較低密度之金屬/塑膠混合物。本發明之另一目標係提供較低廉之金屬/塑膠混合物。本發明之再一目標係提供(具體而言)在模製處理時易於處理之金屬/塑膠混合物。

根據本發明，該目標係藉由使用含有鋁之金屬粒子作為較高熔點金屬粒子來達成。

藉由使用鋁作為金屬粒子之材料，可顯著降低所得金屬/塑膠混合物之密度。另外，鋁通常比經常用於金屬粒子之金屬(例如銅、鎳、鐵或銀)低廉。另外，由於鋁具有低熱容量，因此含有鋁之金屬/塑膠混合物易於處理，且由於所得金屬/塑膠混合物之容積熱容量較低，因此可製得精細結構。具體而言，由於熱量之負面作用可減至最小，因此可較容易地實施兩步法。尤其若假定製得精密小型結構，則較低熱容量可達成更好結果。

由於鋁及含鋁化合物之毒性比通常用於金屬/塑膠混合物中之材料小，因此可產生健康及環境益處。

可將本發明之解決方案以任一方式與以下各別其他有利實施例中之一或若干者組合。

在本發明之第一有利發展中，金屬粒子主要含有鋁，此意味著鋁係主要組份。

在本發明之一發展中，金屬粒子僅由鋁及不可避免之雜質組成。雜質之百分比較佳小於3重量%、更佳小於1重量%。

含鋁金屬粒子可用第二金屬塗覆。較佳地，在將粒子混合至低熔點金屬中之前進行金屬粒子之塗覆。此一塗層可藉由(例如)減少或去除可存於金屬粒子之外部上之氧化物層有助於在金屬粒子與低熔點金屬之間達成更好接觸。具體而言，塗層可含有亦可在低熔點金屬中發現之金屬。在極特定情形下，金屬粒子塗層僅含有一種元素，且低熔點金屬係此元素與其他元素之混合物。

可使用若干種方法來達成含鋁金屬粒子之塗覆。優先地，使用化學方法(例如藉由鍍鋅)來塗覆金屬粒子。然而，亦可使用其他塗覆方法，例如物理氣相沈積(PVD)、原子層沈積(ALD)或濺鍍。

在本發明之優先發展中，含鋁金屬粒子之塗層可係鋅。鋅係許多金屬(具體而言鋁)之通用塗層材料。因此，人們已熟知若干種產生此一鋅塗層之方法，且易於獲得相應物質或裝置。另外，已獲知大量知識，例如用於達成一定厚度之方法參數。此一塗層可藉由(例如)濕式化學方法或物理方法來達成。由於鋁及鋅往往形成混合晶體，因此可獲得兩者之間之密切連接及鋅與含鋁金屬粒子之良好黏結。

在本發明之另一有利發展中，使用錫作為金屬粒子之塗層材料。鋁及錫不會於固相中混合，因此可藉由使用錫來避免塗層金屬擴散至鋁粒子中。經常採用錫作為低熔點金屬之組份。因此，使用錫作為塗層材料可有助於在粒子與低熔點金屬之間達成良好接觸。可藉由若干種方法(例如以化學方式或物理方式)來施加錫塗層。

在本發明之又一有利發展中，含鋁金屬粒子可含有兩個或甚至更多個塗覆層。例如，可在第一步驟中使用鋅且在第二步驟中使用錫來塗覆含鋁金屬粒子。由於鋁及鋅於固相中互混，因此鋅將易於黏結至鋁粒子。由於鋅及錫可形成共熔系統，因此可在低至約200℃之溫度下對該等粒子實施進一步處理。由於低溫，因此進一步利於製造金屬/塑膠混合物，尤其係若使用錫作為低熔點金屬之組份。另外，錫將不會擴散至鋁粒子中。

在本發明之又一有利實施例中，在第一步驟中使用錫且在第二步驟中使用鋅來塗覆金屬粒子。具體而言，若在較高溫度下處理金屬/塑膠混合物，則此一組合可有利。若低熔點金屬含錫，則使用鋅作為第二層將有助於在金屬粒子與低熔點金屬之間達成良好接觸。

藉由使用焊料中所採用之材料(例如錫)作為塗層材料，可有利於(例如)藉由焊接接觸此金屬/塑膠混合物，此乃因用於接觸之額外焊料會易於與塗層材料接觸。

在本發明之又一發展中，金屬粒子之塗覆層含有低熔點金屬。若將足夠的低熔點金屬施加至金屬粒子上，則可避免在另一步驟中添加其他低熔點金屬之步驟，且可直接混合金屬粒子與聚合物材料。

在本發明之另一有利發展中，可使用銅作為含鋁金屬粒子之第一或額外塗層材料。由於可能難以藉由化學方法來施加銅，因此在此情形下，藉由物理方法之沈積較佳。

在本發明之甚至又一有利發展中，聚合物材料可係熱塑性材料，且第一金屬可在100℃至400℃範圍內熔融。

在本發明之有利發展中，具體而言，若含鋁金屬粒子未經塗覆，則向金屬/塑膠混合物中添加熔劑可有助於在含鋁金屬粒子與低熔點金屬之間達成良好接觸，此乃因此一熔劑可去除可存於含鋁金屬粒子上之氧化層，且另外可改良呈液相之低熔點金屬之流動特性。

至少部分地包括本發明金屬/塑膠混合物之成形主體(尤其係電性或電子元件)可用於大範圍之應用。具體而言，其可作為電遮蔽或電磁遮蔽、作為可模製插頭、外罩、射頻(RF)連接器或天線用於電路中。

將在下文中使用有利實施例並參照附圖來更詳盡地且以例示性方式闡述本發明。然而，所闡述實施例僅係可能組態，其中可彼此獨立地提供或可省略如上所述之個別特徵。

在圖1中，繪示本發明金屬/塑膠混合物1之剖面圖。本發明金屬粒子2形成為含鋁3之金屬粒子，其嵌入於低熔點金屬4中。金屬粒子2可具有基本上球形形狀。然而，其可具有任何其他形狀，具體而言，其可係絲狀體、立方體、薄片、桿狀、硬幣狀或諸如此類。金屬粒子2與低熔點金屬4一起形成導電相，且可形成金屬/塑膠混合物1內之導電網狀物，從而使得整個金屬/塑膠混合物1導電。此處，金屬照例藉由導電來定義。因此，金屬可係元素、合金、化合物或與金屬之混合物。金屬/塑膠混合物1亦可包括可包括一或多種塑膠材料之聚合物材料5，該一或多種塑膠材料可在高溫下塑性變形，舉例而言熱塑性材料或樹脂。

根據本發明，金屬粒子2含有鋁，具體而言鋁可係主要或唯一組份。然而，金屬粒子中亦可存在其他元素。藉由使用鋁作為金屬粒子2之一種組份，可降低金屬粒子2之密度。鋁之另一優點係，其通常比用於製造金屬/塑膠混合物之其他金屬(例如銅、鎳、鐵或銀)低廉。

作為另一優點，鋁具有低熱容量，此可有助於促進製造包括此一金屬/塑膠混合物1之部件。具體而言，若該部件之其他組份受熱量之負面影響，則使用本發明金屬/塑膠混合物1可有助於使此部件之製造更容易，省力並省時，因此節約金錢且另外節約能量，此乃因需要較少能量即可加熱本發明金屬/塑膠混合物1。另外，由於本發明金屬/塑膠混合物具有低熱容量，因此可使用其來製造極精細結構。具體而言，可更有效地實施其中第二部分可受熱量或溫度負面影響或其中使用較低溫度或較少熱量有利之方法，廢棄較少，速度較快且耗能較少。

在本發明之有利實施例中，金屬/塑膠混合物1亦可含有熔劑。熔劑可有助於去除可位於鋁粒子上且可致使難以或不可能建立金屬粒子2與低熔點金屬4之間之連接之氧化層。另外，此一熔劑可使得低熔點金屬4具有較高黏度，此進一步改良金屬粒子2與低熔點金屬4之間之互連。

優先實施例中之金屬粒子2之大小可小於200 μm。若假定製造極精細結構，則可進一步減小金屬粒子2之大小。然而，若期望(例如)較高體積與表面積比，則可增加含鋁3之粒子之大小。為更有效封裝及因此更高之金屬粒子載量及/或更容易處理，亦可使用具有各種粒徑(例如精細及粗糙)之混合物。

儘管在圖1中含鋁3之金屬粒子未在粒子周圍以其於金屬/塑膠混合物1中之最終狀態經塗覆層6覆蓋，但在製造過程期間可有利於塗覆含鋁3之金屬粒子。例如，可使用錫來塗覆可在外部上展現氧化層之含鋁3之金屬粒子。此一塗層可使用(例如)濕式化學方法(如鍍鋅)或藉由物理方法(如物理氣相沈積(PVD))來達成。由於錫經常含於金屬/塑膠混合物1之低熔點金屬4中，因此錫之塗覆層6可與低熔點金屬4中之錫互混。此一塗覆步驟可有助於在含鋁3之金屬粒子與低熔點金屬4之間達成更好接觸。

在本發明之有利實施例中，塗覆層6中之一者較佳含有大量低熔點金屬4。因此，可避免添加低熔點金屬4或將金屬粒子2與低熔點金屬4互混，此乃因塗覆層6提供足夠的低熔點金屬4。因此，該等經塗覆粒子可與聚合物材料摻和或摻和至其中，從而在製造過程中跳過一個步驟。

藉由使用低熔點材料(例如銅焊料或鉛)作為塗層材料，使得更易於將材料連接至外部部件。

在圖2中繪示本發明之另一有利實施例。在此示意性剖面圖中，本發明金屬/塑膠混合物1包括含鋁3之金屬粒子，其中額外塗覆層6位於含鋁3之金屬粒子與低熔點金屬4之間之界面上。另外，可觀察到聚合物材料5，例如熱塑性材料或樹脂。

此外，含鋁3之金屬粒子之較佳大小範圍小於200 μm。然而，藉由以塗覆層6之恆定厚度來改變含鋁3之金屬粒子之大小，可改變塗層材料與含鋁3之金屬粒子之材料之比率。

在本發明之第一實施例中，鋁係金屬粒子之主要組份，此進一步降低金屬粒子之密度。

在本發明之優先實施例中，鋁係金屬粒子2中之唯一組份。該等簡單粒子可易於製造或易於購買，此降低製造時間及成本。

在本發明之優先實施例中，含鋁3之金屬粒子具有含鋅之塗覆層6。此一鋅塗層可藉由若干種方法(例如藉由濕式化學方法(如鍍鋅)或藉由物理方法)來達成。該等方法已為人們所知且廣泛使用，因此，存在該等方法之大量知識且可容易獲得用於此方法之物質。由於鋁及鋅可藉由形成混合晶體而容易地互混，因此在金屬粒子中之鋁與塗覆層6之間達成緊密且密切之接觸。

在許多種情形下，錫係低熔點金屬之組份，此使得使用鋅作為塗覆層6甚至更有利，乃因鋅及錫可形成熔點低至約200℃之共熔系統。此一低熔點有助於使金屬/塑膠混合物1之製造過程所使用之能量最小化。另外，藉由此一低熔點亦減少製造時間及精力。

在本發明之另一有利實施例中，使用錫作為含鋁3之金屬粒子之塗覆層6。由於鋁及錫不會於固相中互混，因此可避免錫經時擴散至含鋁3之金屬粒子之鋁中。因此，可預期在自金屬/塑膠混合物1製得之部件之壽命期間此金屬/塑膠混合物1具有恆定特性。另外，由於在許多情形下使用錫作為低熔點金屬4之組份，因此可促進含鋁3之金屬粒子與低熔點金屬容易接觸。可使用各種方法(例如化學方法或物理方法)來使用錫塗覆含鋁3之金屬粒子。

在本發明之甚至更有利之實施例中，可將含鋁3之金屬粒子塗覆一個以上之塗覆層6。舉例而言，第一塗覆層可係鋅，其與鋁形成混合晶體且因此與其他組份建立良好接觸。第二層可自錫製得，該錫可與鋅形成共熔系統，該共熔系統具有低熔點且使得鋅與錫層達成良好連接。由於經常使用錫作為低熔點金屬4之組份，因此亦藉由使用錫作為第二塗覆層6來提供第二層與低熔點金屬4之間之良好接觸。第二塗覆層6可僅存於製造金屬/塑膠混合物之方法中，具體而言若低熔點金屬4含有錫作為組份。

亦可使用銅作為塗覆層6。若使用銅作為塗層材料，則物理塗覆方法(如物理氣相沈積(PVD))可較佳，此乃因藉由化學方法(如濕式化學方法)來施加銅可較難。

至少部分地自本發明金屬/塑膠混合物1製造或至少部分地包括本發明金屬/塑膠混合物1之部件或成形主體可用於多種應用中。由於此一金屬/塑膠混合物1之導電率，其可容易地用於電路中，具體而言若假定電路或電部件可藉由包含尤其在高溫下塑膠形成該等電路或部件之方法來製造。此外，此方法在2步法(如2K)或雙射料模製法中非常有利，此乃因本發明金屬/塑膠混合物1具有低熱容量，此容許更快且更有效地加以處理，同時耗能更少且更精確。

亦可使用自此金屬/塑膠混合物1製得之部件作為電場或電磁場之遮蔽。自此一金屬/塑膠混合物1製得之部件之另一例示性應用可係模製於電路、射頻(RF)連接器、天線或外殼之導電元件上之插頭。

1‧‧‧金屬/塑膠混合物

2‧‧‧金屬粒子

3‧‧‧鋁

4‧‧‧低熔點金屬

5‧‧‧聚合物材料

6‧‧‧塗覆層

圖1係本發明金屬/塑膠混合物之第一實施例之示意性剖面圖；圖2係本發明金屬/塑膠混合物之第二實施例之示意性剖面圖。