(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備える電気デバイス：
面を有する基板；
多数の電導性粒子からなり、それぞれの粒子が電導性被膜を有している電導層；
互いに化学的にグラフトされ、前記基板面に化学的にグラフトされている前記粒子の電導性被膜。
【請求項２】
前記電導層が多数の粒子から構成され、該粒子のそれぞれが導電性ポリマー被膜を有している請求項１の電気デバイス。
【請求項３】
以下の構成を備える電気マテリアル：
面を有する基板；
前記基板に化学的にグラフトされた導電性被膜で、電導性粒子を含む化学的にグラフトされた導電性ポリマーマトリックスからなる導電性被膜。
【請求項４】
前記基板が非電導性である請求項３の電気マテリアル。
【請求項５】
前記基板が硬質なものである請求項４の電気マテリアル。
【請求項６】
前記基板がフレキシブルなものである請求項４の電気マテリアル。
【請求項７】
前記電導性被膜は、前記基板の選択された領域に施されている請求項４の電気マテリアル。
【請求項８】
前記基板が導電性のものである請求項３の電気マテリアル。
【請求項９】
電導層の上に施された付加された電導層をふくむ請求項３の電気マテリアル。
【請求項１０】
前記電導性粒子は、金属である請求項３の電気マテリアル。
【請求項１１】
前記基板がフレキシブルであり、前記電導性被膜がフレキシブルである請求項３の電気マテリアル。
【請求項１２】
以下の構成を備える電気的に相互接続する構造：
対応する電気接点エレメントに合体する形状の熱硬化性のマテリアルからなる長い本体；
多数の電導性粒子からなり、それぞれの粒子が電導性被膜を有している電導層であって、熱硬化性マテリアルの面の少なくとも一部に化学的にグラフトされた電導層、そして粒子の電導性被膜は互いに化学的にグラフトされている；
合体する電気接点エレメントに挿入できるサイズであって、加えられた熱に応答して膨張し、前記グラフトされた電導層の外表面と前記電気接点エレメントの合体する電導面との間を永久的にガスタイトシールする前記熱硬化性マテリアル。
【請求項１３】
以下の構成を備える電気的に相互接続する構造：
貫通するホールを有する基板；
弾性コアと、その上に化学的にグラフトされた電導層であって、多数の電導性粒子からなりそれぞれの粒子が電導性被膜を有し、そして粒子の電導性被膜は互いに化学的にグラフトされている電導層とを有する少なくとも一つの環状リング；
前記基板におけるホールまわりに配置され、前記環状リングを貫通する開口部が前記ホール部に正合する前記環状リングで、前記環状リングの電導層は前記基板における電導エレメントと電気的にコンタクトして配置される面を有するもの；
前記環状リングを貫通する開口部が、電気端子とこれを囲むリングとの間の圧縮力が作用するように、前記開口部に挿入される前記電気端子の径よりも細くなっている前記開口部。
【請求項１４】
以下の構成を備える電気的に相互接続する構造：
基板の一つの面の少なくとも一部の上に弾性マテリアルの第２の基板を有する硬質なマテリアルの基板；および
前記弾性マテリアルの露出した面に化学的にグラフトされ、フレキシブルな電導性接点領域を設ける電導性マテリアルであって、前記電導性マテリアルが導電性粒子を含む化学的にグラフトされたポリマーマトリックスからなるもの。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
この発明は、電気デバイスに関し、さらに詳しくは、化学的にグラフトされた電導性被覆を使用するデバイスに関するものである。
発明の背景
電子デバイスまたは電気デバイスおよび電気回路を製造するに当たり、導電パスおよび接触領域は、プリント回路板の製造におけるような化学エッチングとフォトリソグラフ技術および回路板、回路デバイスなどの電気接点または接触領域のように単層または複層の金属層を形成するめっき技術により付与されるのが通常である。このような製造技術は、周知かつ広く使用されている。しかしながら、これらの技術には、多数の工程と、特別な製造設備とが必要であり、製造コスト増となり、製造プロセスが複雑になり、さらに製品も複雑になる。
発明の概要
この発明は、一つのアスペクトにおいては、支持基板に化学的にグラフト（接合）されて、下側の基板マテリアルに永久的に付着する耐久性に富んだ電導性面を作る電導性被覆または電導性層を有する電気デバイスを提供する。この発明は、電気接点として具体化されるもので、この電気接点は、支持基板に化学的にグラフトされた電導性層の一部であるコンタクト（接点）面を有するものである。前記基板は、リジッドまたはフレキシブルな単層または複数層の回路板であり、前記基板に電気的に付着される集積回路または他の電子デバイスまたは電子パッケージのパターンに相当する意図されたパターンで付与されるグラフト化されたコンタクト領域をもつ回路板である。前記回路板の電導性トレースもまた前記基板にグラフトできる。前記基板は、また、一つ、または、複数の接点が化学グラフティングにより形成されるスイッチまたは他の電気デバイスまたは電子デバイスのエレメントでもよい。他のアスペクトにおいては、この発明は、例えば、回路板上または他の支持構造体の上に設けられてシールドエンクロージャーまたはグランドプレーンになる電気シールドまたはグランドプレーンにおいて具体化される。シールドガスケットのようなものもこの発明により提供される。
前記基板は、電導性または非電導性マテリアルでよく、意図される電気デバイスまたは回路条件に合うものであれば、リジッドのもの、フレキシブルなもの、または、弾性があるもののいずれでもよい。電導層は、電導性粒子を含む化学的にボンドされた電導性または非電導性ポリマーマトリックスから構成される。該電導性粒子は、それぞれの粒子がポリマー・マテリアルで被覆されているもので、該ポリマー被覆は、互いに化学的にボンドされ、かつ、基板面に化学的にボンドされる。該グラフトされた層は、一つのマテリアルの単層または異なるマテリアルの二層または複数層のもので、いずれも特定の用途に合致したものである。
前記ポリマー被覆の粒子は、支持基板面の意図する領域に施されるスラリーに含まれているものが代表例である。このスラリーは、ディッピング、スクリーン印刷およびスプレーコーティングが例として含まれる種々の技術により付与される。付与された被膜は、加熱乾燥され、基板面に化学的にボンドされた電導層を形成する。該電導層は、また、ローラーコーティング、刷毛塗り（ブラッシング）、転写パッド印刷、インクジェット印刷および噴霧スプレーなどの他の技術により施すことができる。
均質な導電性粒子の層を粗い面または硬化面を形成するようにグラフト化の電導性面に形成し、これによって、接触する電気接点面における酸化物または他の汚染層が浸透して接点抵抗をなくすようにできる。粒子面接触は、１９９４年１２月２日に出願した、ともに出願中の米国特許出願第０８／３４９，０４２号（代理人整理番号ＡＵＧ−Ｃ−５５６ＸＸ）の主題である。
図面の記述
図１ａと図１ｂは、発明を組成するグラトされた端子ピンが電導性開口部にインサートされ、保持されている一つの実施例を示し；
図２は，発明による弾性環状リング壁が該リングに挿入された電気リード部と接触する一つの実施例を示し；
図３は、発明により作られたコントロールされたインピーダンスコンタクトを示し；
図４は、発明を利用した印刷回路板を示し；
図５は、図４の５−５線にそった断面図を示し；
図６は、発明によるフレキシブルな回路板を示し；
図７は、発明を使用した基板対基板のコネクタを示し；
図７ａは、図７のコネクタの接触構造の一つの態様の一部の立面図であり、
図８は、発明により作られたエッジカード・コネクタを示し；
図９ａから図９ｄは、発明を構成する端子ピンのコネクタのそれぞれの斜視図を示し；
図１０は、発明を構成するテストプローブを示し；
図１１ａと図１１ｂは、発明を構成するエラストメリックのインターコネクトを示し；
図１２ａから図１２ｄは、発明を構成する電気スイッチデバイスを示し；
図１３は、発明を構成する音波またはマイクロウェーブ・デバイスを示し；
図１４は、発明により作られた金属化されたダイアフラムを示し；
図１５は、発明を構成する電気的にシールドされたエンクロージャーを示し；そして、
図１６は、発明による一つの製造方法を略図的に示す。
詳細な記述
前記の例においては、化学的グラフティングにより基板面に電導性領域または電導性面が付与される。グラフティング技術は、ポリマー・ニュース、II巻、第11/12，頁19-25の”純粋な化学的手段によるポリマーのグラフティング”と題する論文に記載されており、この論文を参考文献として、ここに組み込むものである。
基板にグラフトされる電導性マテリアルは、銀または他の金属といった電導性粒子からなり、これら粒子それぞれは、電導性または非電導性ポリマーマテリアルで被覆されている。一つの好ましい実施例においては、これらの粒子は、スラリーまたは他の担体内に含まれており、該担体により前記粒子が基板面に施される。例えば、前記粒子を含むスラリーは、基板に印刷されるか、または、スプレーされて、意図する電導領域を形成する。施されたマテリアルは、液状担体を除去し、前記粒子が基板面に化学的に接合されるように、ある温度で、かつ、十分な時間で加熱される。オプションとして、銅のような金属を前記グラフトされた層に、例えば無電極めっきによりめっきすることができる。電導性粒子は、互いに十分接近して意図した電導性の層になる。導電性粒子を非電導性ポリマーで被覆した場合、該被膜は、極めて薄く、その電気固有抵抗が極めて低くなっていて、ポリマーマトリックスの内部に緊密にパックされた粒子間に電導性を付与し、グラフトされた前記層の導電率を意図したレベルにする。前記グラフトされた層の導電率のレベルは、導電性ポリマーを用いた場合、高いのが通常である。
前記粒子は、図１６に示すように、押し出し成形その他により均質な電導性マテリアルに形成される。該導電性粒子は、押し出し成形機に供給されて、所定形状の均質な押し出し成形体が作られる。
前記電導性層は、代表的な例では、厚さが約２．５から約５０μｍ（約０．１ミルから約２ミル）の範囲にある。前記粒子の被膜の代表的な厚さは、非電導性被膜では、約１nmから約５nm（約１０オングストロームから約５０オングストローム）、導電性被膜では、約１nmから約２５nm（約１０オングストロームから約２５０オングストローム）である。被覆されていない前記粒子の代表的な導電率は、約５０から約１０４パーセントIACSである。被覆された前記粒子の導電率の代表的なものは、非電導性の被覆では、２０から６０パーセントIACSの範囲であり、電導性被覆では、約６０から１１０パーセントIACSの範囲である。
以下に示す実施例においては、電気デバイスは、化学的にグラフトされた被膜からなる一つ、または、複数の電導性領域を有する。
図１ａと図１ｂとを参照すると、プリント回路板１０が示されており、該回路板は、めっきされたスルーホール１２を有し、このスルーホールは、既知の態様で回路板の上または内部に設けられた一つ、または、複数のサーキットトレース１４と電気的に接続している。めっきされたスルーホールへの電気的接続は、ピン１６によりなされるもので、このピンは、熱硬化性のマテリアルのコア１８を有し、該コアは、ピン１６のシリンドリカルの面と丸くなった端部２２にグラフトされた電導性層２０を有している。イニシャルの条件における前記ピンは、前記めっきされたホールに挿入されるサイズであって、挿入後加熱されると、前記ピンのコア１８が膨張し、グラフトされた電導性層２０と、これを囲むスルーホールのめっきマテリアルとの間がガスタイトの状態にシールされる。前記熱硬化性マテリアルは、加熱による膨張後も膨張した状態を保ち、これによって永久的なガスタイトのシールが維持される。ピン１６の形状は、永久的な電気接続状態を作る他の電気接点エレメントに合致する形状のものにすることもできる。
図２を参照すると、グラフトされた環状リング３０が示されており、このリングは、プリント回路板３４のサーキットトレース３２に接続している。該リングは、回路板を貫通するホールのまわりに正合しており、電気デバイスまたは電子デバイスのリード部がこれに挿入される。前記グラフトされたリングは、シリコンラバーのようなマテリアルの弾性コアを備え、前記コアの面に化学的にグラフトされたフレキシブルな電導性マテリアルを有している。環状リングを貫通する開口部は、そこに挿入される電気リード部またはピンの直径よりも僅かに細い直径であり、挿入されたリード部と、これを囲むリングとの間に圧縮力が作用して、前記リード部を所定位置に維持する。回路板に接続するデバイスのリード部パターンに対応するパターンで、弾性リングを配列することができる。
電導性被膜は、フレキシブルで弾性に富み、前記コアのマテリアルの弾性を阻害しない。前記リングは、相手の電気リード部と接触すれば、収縮し、接触が解除されれば、膨張するもので、その際、前記リングの面の電導性被膜が剥離したり、クラッキングが入ったりしない。
前記弾性のインターコネクト・リングは、前記コアのマテリアルを所望の形状に成形することで作ることができる。好ましくは化学的グラフティングにより前記リング面を金属化処理し、ついで粒子層を金属化処理した層の面へ施す。オプショナルには、銅または他の金属を前記粒子層の形成に先立ち前記金属化層に無電解めっきしてもよい。
図３を参照すると、電導性エレメント４０が示されており、このエレメントは、回路板４６のシグナルパッド４４に係合しているシグナル接点４２と、回路板のグランドパッド５０に係合するグランド接点４８とを有している。導電性エレメントは、燐青銅またはベリリウム銅のような接点マテリアルから作られるのが代表例である。絶縁層５１が前記接点エレメントの一部に配置され、これの上に電導性層５３がグラフトされてグランドプレーンとなる。このように形成された接点構造体は、その寸法と、使用のマテリアルによって特定されるコントロールされた電気インピーダンスを有する。
図４と図５とは、多層のプリント回路板６０を示し、該回路板は、その内部に電導パターン６２が三段になっていて、所定の回路配置を構成し、該回路パターンの一つは、図示の電導経路６４またはスルーホールに電気的に接続されている。前記回路板の一つの面には、電導性接点６６が配列されている。あるパターンのサーキットトレースも回路板の一方の外面または両外面に形成することができる。多層の回路板の電導エレメントのすべてをケミカル・グラフティングにより設けれることができる。また、電導エレメントのいくつかをグラフティングにより形成する一方、電導エレメントのいくつかを他の手段で形成することができる。
図６は、フレキシブルな回路板７０を示し、この回路板は、フレキシブルな基板の面にグラフティングにより形成した平行に配列のトレース７２および接点領域７４を有する。フレキシブルな回路板の反対面に、さらには、多層の回路板内部に埋設した層に、同じようなサーキットトレースおよび／または接点領域を形成できる。
別な実施例が図７にあり、図７においては、回路板コネクタに対し直角配置の回路板が示してあり、この回路板コネクタは、適当な絶縁マテリアルのコネクタ本体８０を含み、このコネクタ本体は、第１の面８２に所定のパターンで配置された複数の導電性接点領域８４を有し、これら接点領域は、導電トレース８６を介して前記本体の直交する面９０に設けられた対応する接点領域と電気的に接続している。実際の使用に当たっては、接点領域８４は、プリント回路板１００の対応する接点領域に合致し、接点領域８８は、プリント回路板１０２のの対応する接点領域に合致する。該二つの回路板とコネクタ本体との接続組み合わせ構造は、適切なメカニズム（図示せず）により維持されるもので、コネクタ技術において知られているものである。
前記接点領域およびトレースは、前記本体の基部となる面に化学的にグラフトされる。前記接点領域が形成される前記本体の複数の面は、隆起した台部領域を有し、この台部領域は、電導層８１が設けられる弾性層を有している。図７ａを参照すれば、電導層８１は、隆起した台部８５の上の弾性層８３にグラフトされている。該電導層８１は、それぞれの電導トレース８７と電気的に接続しあっている。前記コネクタ本体８０は、前記接点領域が関連し合った回路板に係合している間圧縮され、接触圧力を付与するような弾性マテリアルまたはエラストマーマテリアルのものでもよい。また別に、前記接点領域と対応する電導トレースとをリジッドなマテリアルに支持された弾性シートに形成してもよい。
図８を参照すると、エッジカード・コネクタが示されており、これは、多数の隆起した畝部１１２を有するエラストマー・マテリアルの本体１０を有し、前記畝部の面それぞれには、グラフトされたコンダクタ１１４が設けられている。これらコンダクタは、図示のように、前記本体のそれぞれの面にそって下方へ延びており、前記本体の底部の開口部を通り、前記本体の底面に達している。前記コネクタの接点領域に対応する接点領域を有する回路板または回路カードが前記コネクタ本体に挿入され、前記コネクタのそれぞれの接点領域１１５と係合する。図示のエッジカード・コネクタは、対向するサイドにコネクタを有し、ダブルサイドの回路板または回路カードの接点領域の対向する列に係合する。シングルサイドの回路カードに係合し、接触するシングルサイドのコネクタもこの発明により設けることができる点に留意されたい。種々の電気接続、電子接続用途ならびに接続構造に合った其の他種々のコネクタ構造が考えられる。
別の実施例が図９ａから図９ｄに示してあり、該実施例においてはグラフトされた導電領域が雌ソケットまたはインターコネクタの開口部内に設けられている。インターコネクタ本体１２０は、多数のホール１２２を有し、それらのそれぞれは、合体するコネクタ１２８の対応する電気ピンと電気的に接触するグラフトされた導電面を有している。インターコネクトする開口部の導電領域のそれぞれは、適当な回路板または他の相互接続体に接続する為、環状接点領域１３０における背面に達している。前記コネクタ開口部のそれぞれは、外方向へ広がった入り口部１３２を有し、該入り口部にも導電被膜が施される。
図１０を参照すると、そこには、電気テストプローブが図示されており、このプローブは、一端に固定されたエラストマーの球形プローブチップ１４２をもつプローブ本体１４０を有している。このチップは、エラストメリックのボールであって、グラフトされた導電面を有している。該プローブ本体は、導電面を有するか、又は、金属のような導電マテリアルで作られている。該プローブ本体は、適当な固定具に保持されて、前記チップが前記接点領域に位置し、該チップを前記接点領域に押し付ければ、電気的に係合するようになっている。
グラフトされた導電面をもつ前記エラストメリックの球体を図１１ａと図１１ｂに示すように、インターコネクション・デバイスとすることができる。前記球体１５０は、適切なハウジング（図示せず）内に保持され、該ハウジングを導電パッド１５４を有するプリント回路板１５２と導電パッド１５８を有する電子ダバイス１５６との間に介挿する。電子ダバイスを前記エラストメリックの球体のバネ力に抗しながら、前記プリント回路板に向け押しつけると、前記電子デバイスと前記回路板とは、介在する導電球体によって相互に電気的に接続し合う。適切なソケットメカニズム（図示せず）により、前記電子デバイスと前記回路板との接続係合が維持される。
この発明は、図１２ａから図１２ｄに示すように、電気スイッチの製造にも有効に使用できる。これらのスイッチのそれぞれにおいて、導電接触領域は、プラスチックまたは他の非導電性マテリアルのアクチュエーターにグラフトされる。スイッチハウジングの電気端子は、コンベンショナルのスタンプされた金属ものでよく、これらの端子は、接点領域を有し、これら領域は、スイッチ・アクチュエーターの動作に応じて選択的に係合して、それぞれのスイッチ接点構造により、スイッチ閉とスイッチ開とを行う。また別に、ケーズに応じてスイッチ端子を化学的にグラフトできる。プッシュボタン・スイッチ図１２ａに示されており、そこでは、グラフトされた導電接点領域がアクチュエーター１６２に設けられている。このアクチュエーターを手で押し込むと、前記接点領域がスイッチ端子の対面する接点領域１６４に接触する。種々のスイッチ構造により、意図するスイッチ操作が行えることを理解されたい。スライドスイッチが図１２ｂに示され、そこでは、スライドするアクチュエーター１６６のそれぞれの端部に接点領域１６７がグラフトされている。トグルスイッチが図１２ｃに示され、そこでは、トグル機構１６８にグラフトされた接点領域１７０が含まれている。図１２ｄは、スイッチの電気端子および接点領域となるグラフトされた導電パスを有するスイッチケースまたはスイッチハウジングを図解する。図１２ｄの構造においては、グラフトされた端子１７１は、多段階成形プロセスで作ることができる。プラスチックのポストの面に導電被膜がグラフトされ、ついで、これらのポストをプラスチックのハウジング１７３内にモールドし、該ハウジングにグラフトされた接点領域１７５を図示のように設けて、グラフトされた端子と電気的に接続するようにする。前記端子１７５は、トグル機構１７９により作動される導電ストリップ１７７により選択的に相互接続される。
この発明は、また、図１３に示すような地上波デバイスに実施できるもので、これは、例えば、サーフェース音波用途またはマイクロウエーブ用途などのためのものである。代表的には、アルミナで作られた基板の上に音波またはマイクロウエーブの伝播に適した一つ、または、複数のマテリアルのパターンを形成する。音波が目的であれば、前記パターンは、アンチモニーとビスマスとで作られるのが代表例であり、これら両者をセラミックの基板にデポジットし、化学的にグラフトする。
別の実施例が図１４に示されており、そこでは、その一例がドーム形状で示してある非導電性の基板面に導電性パターン１８１が化学的グラフティングにより設けられる。前記ダイアフラムは、熱、振動または圧力などような意図された特性に対しセンシティブなものであり、ゆがんだり、変形し、これにともないパターン１８１の電導トレースを相対運動させ、電気的に感知できるシグナル変化を生じさせる。
図１５は、電子回路板のエンクロージャーまたはケースを示し、該エンクロージャーが、該ケースまたはエンクロージャーの二つの半体の内面にケミカルグラフティングによって設けられた電気シールド層を有する。前記ケースは、プラスチック成形などにより二つの半体２００，２０２に形成されており、それらの内部に回路板２０４が納められるようになっている。電導被膜２０６が前記ケースの内面にグラフトされ、ＲＦＩおよび／またはＥＭＩシールディングを形成する。このシールド被膜は、代表的にはスクリーン印刷により前記ケースの内面に施され、ついで加熱されて前記被膜をキャタライズし、グラフトされた層を付与する。この発明は、図示され、記載されたものに限定されるものではなく、別の実施もこの発明の実の範囲から逸脱することなしに当業者によりなしうるものであるからである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７ａ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１５】
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