用于可分离电触头接口的金属复合材料的制作方法

1.本发明涉及一种应用于可分离连接器接口的金属聚合物复合材料。具体地，本发明涉及一种电连接器，其电触头包括具有可选的镀金属层的贱金属合金和包括沉积在其上的导电颗粒的金属聚合物复合材料涂层。


背景技术：

2.在已知的可分离连接器接口中，硬镀饰面或涂层被施加到触头或表面以提供所需的电接触电阻、耐久性和免受环境暴露的保护。然而，由于镀金属饰面的高硬度，在接触配合时提供稳定的电连接所需的法向力相当高。连接器配合力与每个触头插针的法向力(例如》25g)和每个连接器的触头插针数量成正比。例如，微电子芯片插座可以包含数千个触头插针，集合的连接器配合力可以非常高(有时超过100kg)。因此，具有能够在低法向力(例如《每个触头10g)下提供稳定且可靠的接触电阻(包括低水平接触电阻(llcr))的触头和触头接口的能力将是有益的。
3.因此，需要提供一种硬度相对较低的金属聚合物复合材料，其沉积在可分离连接器接口或电触头上，其允许即使在较低的法向力下也建立稳定且可靠的接触电阻。


技术实现要素：

4.根据本发明，公开了一种可分离连接器接口，其具有至少一个导电元件，该至少一个导电元件上沉积有金属聚合物复合材料。金属聚合物复合材料包括散布在基聚合物粘合剂内的导电颗粒。
5.通过下面结合附图对说明性实施例更加详细的描述，本发明的其它特征和优点将会变得明显，附图通过举例的方式说明本发明的原理。
附图说明
6.图1是其上沉积有金属聚合物复合材料的导电元件的横截面。
7.图2是用于测量接触电阻的测试设备的示意图。
8.图3是显示了说明性金属聚合物复合材料的接触电阻关于法向载荷的函数的测量的图像。
9.图4是显示了说明性金属聚合物复合材料的接触电阻关于触头擦拭长度的函数的测量的图像。
10.图5是显示了硬金镀层的接触电阻关于法向载荷的函数的测量的图像。
11.图6是显示了硬金镀层的接触电阻关于触头擦拭长度的函数的测量的图像。
具体实施方式
12.根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在联系附图阅读，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。本文公开的发明的实施例的描述中，任何方向或取向的引用仅旨在
描述方便，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语如“下”、“上”、“水平的”、“竖直的”、“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶”、“底”以及其派生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为指如所描述的或如所讨论的附图所示的取向。这些相对术语仅用于描述方便，并不要求设备在特定的取向上被搭建或操作，除非明确指出。术语例如“附接”、“固定”、“连接”、“联接”、“相互连接”，以及类似术语，指的是其中结构直接地或通过中间结构间接地彼此固定或附接的关系，以及可移动或刚性的附接或关系，除非另有明确说明。
13.而且，本发明的特征和优点通过引用优选的实施例说明。因此，本发明显然不应限于这些实施例，这些实施例说明了一些可能的非限制性的特征组合，这些特征可以单独存在或以其他特征组合存在，本发明的范围由所附权利要求限定。
14.如图1所示，金属聚合物复合材料10作为涂层被沉积在导电元件上，例如可分离连接器接口、印刷电路板或封装或配合垫或电触头构件12。可分离连接器接口或电触头构件12可以由贱金属或金属合金制成，但不限于贱金属或金属合金，贱金属或金属合金例如但不限于：铜或铜合金，或钢，带有可选的镀金属层，例如但不限于镍、锡或其他导电涂层15。电触头构件可以是但不限于导电弹簧梁。在本发明中可以使用任何其他电触头构件。
15.金属聚合物复合材料10具有分散在保护性粘合剂16中的小导电颗粒14。导电颗粒14在形状和大小上可以不同，但通常直径在几纳米到几微米的范围内，优选地直径在0.2到10μm的范围内。导电颗粒可以是但不限于银、金、铂、钯或锡。导电颗粒的其他可能的变型包括：涂覆在银颗粒和薄片上的金；涂覆在铜或镍颗粒/薄片上的银；银合金颗粒(例如包括带有钯、铜、锌或其他元素的银)；碳或石墨或其他形式的碳颗粒与银的混合物；或其他金属颗粒或其合金(例如金、镍、锡、铂)。
16.保护性粘合剂16包括聚合物或聚合物树脂。聚合物可以从包括热塑性或热固性树脂或不同聚合物树脂的混合物的组中选择。树脂可以是刚性的或柔性的。应认为的是，金属聚合物复合材料10中的保护性粘合剂将复合材料中的导电颗粒粘合在一起，降低复合材料的整体硬度，有助于降低或消除粘性磨损或冷焊，并降低复合材料在接触配合期间的摩擦系数。作为热固性粘合剂的保护性粘合剂的示例包括但不限于：环氧树脂、丙烯酸酯、氰酸酯、聚氨酯、苯氧树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯、间苯二甲酸二烯丙酯、硅树脂和或用适当的固化剂或交联剂使用热或光固化的聚合物的混合物。作为热塑性粘合剂的保护性粘合剂的示例包括但不限于：丙烯酸酯、丙烯酸树脂、纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯(tpu)、苯氧树脂、聚醚酰亚胺、聚醚和或任何上述聚合物的混合物。
17.可以用于本发明中沉积金属聚合物复合材料的油墨(ink)的示例包括但不限于：
18.热固性环氧树脂银油墨成分a：
[0019][0020]
热固性环氧树脂银油墨成分b：
[0021][0022][0023]
柔性热塑性树脂银油墨成分c：
[0024][0025]
热固性树脂银油墨成分d：
[0026][0027]
与其他传统的电镀饰面，例如软金、硬金(例如钴硬化的)、银、锡、镍等或无电镀饰面，例如无电镀镍浸金(enig)、无电镀镍无电镀钯浸金(enepig)等相比，金属聚合物复合材料10具有相对低的硬度。由于可以在微观水平接触的a点或凸点(微观粗糙度)的数量更高，允许充足的电流流经接触配合接口，金属聚合物复合材料10使得形成在低法向力下的稳定且可靠的接触，而硬饰面可能是不可靠的，因为在低法向载荷下，可用于电流流动的接触a点或凸点的数量更低。
[0028]
金属聚合物复合材料10即使在低载荷下也具有优异的低水平接触电阻(llcr)稳定性。llcr优选地在大约1毫欧(mohms)到大约100毫欧范围之内，更优选地在大约1毫欧到大约50毫欧范围之内，更优选地在大约1毫欧到大约20毫欧范围之内。
[0029]
llcr用接触电阻探针测量，如图2所示。llcr测量在约0.5g到约5g法向力的各种载荷下、在与有不同涂层的平板片(flat coupon)配合的半球形帽上进行。llcr也作为触头擦拭距离的函数被测量。
[0030]
llcr也在带有金属聚合物复合材料涂层的平板片的环境老化之后被测量。在135℃下热老化1000小时。温度和湿度测试在85℃、相对湿度85％下进行1000小时。样品还暴露在eia-364-65b混合流动气体(mfg)，iia级环境中长达5天。在一些应用中，llcr通过标准小于或等于10毫欧，而对于其他应用，llcr通过标准可以小于或等于20毫欧或50毫欧或甚至100毫欧。
[0031]
与硬金镀层相比，金属聚合物复合材料10在降低的法向力下仍可以维持稳定且可靠的接触。金属聚合物复合材料10所需的法向力为每个连接或触头低于大约20克，每个连接或触头低于大约10克，或甚至每个连接或触头低于大约5克。
[0032]
金属聚合物复合材料10可以从溶剂型油墨中利用涂覆技术被沉积，涂覆技术例如但不限于：刮涂(doctor blading)、丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、喷射印刷、移印、喷墨印刷和喷涂。金属聚合物复合材料10可以以各种厚度沉积，包括但不限于大约1μm和大约100μm之间的厚度，优选大约10μm和大约50μm之间的范围内。沉积的金属聚合物复合材料10在高温下固化一段时间以控制涂层的导电性。固化温度和时间由特定的金属聚合物复合材料10和金属聚合物复合材料10所用于的特定应用确定。例如，固化温度可以在从大约80℃到大约275℃的范围内，固化时间可以在从几秒钟到几小时的范围内。
[0033]
在镀覆1.5um厚的镍的磷青铜平板片上施加大约24μm厚度的说明性银环氧树脂涂层与镀覆1.5um的ni、再镀覆0.76um硬金的磷青铜帽的接触电阻或llcr关于载荷的函数如图3所示。施加到上述触头的说明性的银环氧树脂涂层的接触电阻关于擦拭长度的函数如图4所示。作为对比，在镀覆1.5um厚的镍的磷青铜帽上施加大约0.76μm厚度的说明性硬金镀层与带有相同的镀层堆叠的平的磷青铜板片的接触电阻关于载荷的函数如图5所示。同样作为对比，施加到上述触头的说明性的硬金镀层的接触电阻关于触头擦拭长度的函数如图6所示。如图所示，在5克载荷下的所有9次测量中，说明性的银环氧树脂涂层具有一致更好的llcr稳定性(平坦响应)，而在0.76μm的金控制例的9次测量中有2次观察到不稳定的接触电阻或高的llcr，表明较差的可靠性。
[0034]
由于金属聚合物复合材料10中存在保护性粘合剂，限制了腐蚀性气体在复合材料涂层主体中的扩散和进一步扩散到基板，从而允许金属聚合物复合材料10是环境稳定的，即使在eia-364-65b mfg iia级环境中。mfg是混合流动气体测试，其中样品置于有腐蚀性气体混合物(例如，iia级：在30℃且相对湿度70％，10ppb cl2、200ppb no2、10ppb h2s、100ppb so2)的腔室中不同时间以寻找腐蚀。复合材料中的保护性聚合物粘合剂还通过物理保护导电颗粒14来降低导电颗粒14的污损或腐蚀。作为对比的示例，虽然银环氧树脂复合材料涂层在mfg iia级环境中可以表现出良好的稳定性，但由于硫化银和氯化银的形成，电镀银层将严重腐蚀。这些腐蚀产物可以使镀银表面在这样的腐蚀性环境暴露之后不可用于电用途。
[0035]
金属聚合物复合材料10中的保护性粘合剂的存在可以降低或消除导电颗粒14的粘性磨损或冷焊并可以降低摩擦系数。摩擦系数的优选范围在大约0.1到大约1.0之间。例如，银环氧树脂涂层有助于降低或消除银的粘性磨损或冷焊，并且与电镀银的触头与另一
个电镀银的触头相配合的大于1.0的摩擦系数相比，具有大约0.46的更低的摩擦系数。
[0036]
如前所述，金属聚合物复合材料涂层中的聚合物降低了mfg环境中的污损或腐蚀。然而，复合材料表面的金属颗粒可能在触头的滑动磨损或擦拭时(在两个连接器半部的配合期间)暴露出来，这可能导致保护颗粒的表面聚合物层的去除。因此，金属聚合物复合材料表面处未受保护的颗粒在腐蚀性环境中容易污损。为了提供额外的腐蚀保护，可以在金属聚合物复合材料10的表面施加含有防腐蚀添加剂的原油和碳氢基润滑剂。与没有任何防腐蚀添加剂的润滑剂相比，有防腐蚀添加剂的润滑剂被发现显著降低了涂层表面的污损。例如，商业润滑剂zc 026ht(可从zip-chem获得)被施加到银环氧树脂涂层的表面，经受多次触头配合擦拭循环，然后被暴露在mfg iia级环境中5天。即使在创建触头擦痕的局部区域内，带有润滑剂zc 026ht的涂层显示了表面污损的显著降低。相比之下，带有矿物油润滑剂(即，没有任何防腐蚀添加剂)的样品在暴露于mfg iia级环境后，在触头擦痕的局部区域内显示了显著的污损。然而，在没有触头擦拭或磨损的情况下，所有银环氧树脂样品在mfg iia级环境中、在5天后显示了最小的污损。上述比较示例显示，即使在触头擦拭或磨损的情况下带有防腐蚀添加剂的润滑剂的有益效果。在另一种变型中，防腐蚀添加剂还可以被直接添加到油墨中，使得防腐蚀添加剂嵌入生成的金属聚合物复合材料涂层中。例如，可以在油墨内提供防腐蚀添加剂，例如但不限于磺酸钙(例如，可从朗盛工程公司获得的calcinate
tm or)或磺酸钡来降低污损。优选地，向基础油墨成分中添加多至2个重量百分比且更优选地多至0.25个重量百分比的防腐蚀添加剂。虽然增加涂层中的防腐蚀添加剂含量改进了抗污损性能，但是添加剂可能不期望地降低涂层的导电性。因此，优化添加剂含量是重要的考虑因素。
[0037]
金属聚合物复合材料上可以包括其他涂层，例如但不限于薄金层。此外，取决于接口使用的环境，还可以在金属聚合物复合材料的顶部包括其他添加剂。这些涂层或添加剂完全在本领域普通技术人员的技术范围内。
[0038]
作为涂层可以沉积在可分离连接器接口或电触头构件上的金属聚合物复合材料即使在低力水平下也提供接触电阻的稳定性和可靠性。因此，金属聚合物复合材料允许以较低的配合力达成稳定的电连接(在高插针数的微电子芯片插座等应用中)，因为金属聚合物复合材料需要比标准镀饰面或涂层降低的法向力。
[0039]
根据本发明，公开了一种电连接器，其有至少一个导电触头，该至少一个导电触头上沉积有金属聚合物复合材料。如上所述，金属聚合物复合材料包括散布在基聚合物粘合剂内的导电颗粒。

技术特征：
1.一种可分离连接器接口，包括：至少一个导电元件(12)，所述至少一个导电元件(12)具有沉积在其上的金属聚合物复合材料(10)；其中，所述金属聚合物复合材料(10)具有温度和湿度稳定性，所述金属聚合物复合材料(10)包括：导电颗粒(14)，分散在保护性粘合剂(16)内并且具有大约等于或小于100毫欧的接触电阻。2.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述可分离连接器接口是电连接器的配合面，且所述至少一个导电元件(12)是导电触头。3.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述金属聚合物复合材料(10)具有大约等于或小于20毫欧的接触电阻。4.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述金属聚合物复合材料(10)的保护性粘合剂(16)从包括热固性聚合物或热塑性聚合物或其混合物的组中选择。5.根据权利要求4所述的可分离连接器接口，其中，所述热固性聚合物从包括以下的组中选择：环氧树脂、丙烯酸酯、氰酸酯、聚氨酯、苯氧树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯、间苯二甲酸二烯丙酯、硅树脂和或用适当的固化剂或交联剂使用热或光固化的聚合物的混合物、或其混合物。6.根据权利要求4所述的可分离连接器接口，其中，所述热塑性聚合物从包括以下的组中选择：丙烯酸酯、丙烯酸树脂、纤维素、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、苯氧树脂、聚醚酰亚胺、聚醚、及其混合物。7.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述至少一个导电元件(12)是导电弹簧梁。8.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述至少一个导电元件(12)是导电印刷电路板垫。9.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，由于复合材料的低硬度，所述金属聚合物复合材料具有充足数量的a点或凸点，以促进在大约10克或更少的法向载荷下稳定的电连接。10.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述金属聚合物复合材料(10)具有比重大约为65％至95％的导电颗粒(14)。11.根据权利要求1所述的可分离连接器接口，其中，所述金属聚合物复合材料(10)具有比重大约为0.10％至15％的聚合物树脂。12.根据权利要求5所述的可分离连接器接口，其中，所述金属聚合物复合材料(10)具有比重大约为0.10％至15％的环氧树脂。

技术总结
一种可分离连接器接口，包括至少一个导电元件(12)，该至少一个导电元件具有沉积在其上的金属聚合物复合材料(10)。金属聚合物复合材料具有分散在保护性粘合剂(16)内的导电颗粒(14)。(14)。(14)。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：泰科电子连接解决方案有限责任公司
技术研发日：2023.02.20
技术公布日：2023/8/28