專利名稱：膜接觸開關(guān)用厚膜導(dǎo)電組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)的厚膜導(dǎo)電組合物。特別是對那些在膜接觸開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域抗銀遷移的組合物。
背景技術(shù)：
聚合物的厚膜油墨由含分散在有機(jī)賦形劑或介質(zhì)中的導(dǎo)電物質(zhì)的顆粒組成，有機(jī)賦形劑或介質(zhì)含有揮發(fā)性溶劑和聚合物樹脂。絲網(wǎng)印刷后，該組合物通常在高達(dá)150℃的溫度下加熱干燥，其中的有機(jī)溶劑被干燥去除。
導(dǎo)電物質(zhì)的作用是提供厚膜物質(zhì)要求程度的電阻。電阻通常限于小于0.02Ohm/sq/mil。導(dǎo)電顆粒通常包括銀金屬，以導(dǎo)電高電導(dǎo)率和良好的抗氧化性，它們可以是薄片或者呈非薄片形態(tài)。
干燥以后，聚合物樹脂的主要作用是將導(dǎo)電顆粒粘合在一起，形成導(dǎo)電線路圖。此外，需要這樣的粘合體系來給予要求的基材必需的粘合性。對于那些可以進(jìn)行也可以不進(jìn)行表面處理的柔性的基材，通常要使用熱塑性粘合體系。一般來說，它們包括聚酯、丙烯酸類、乙烯基聚合物或者聚氨酯聚合物組成，也可以是它們的組合物，以得到優(yōu)化的性能。
而且，樹脂組分也為導(dǎo)電組合物提供了所需的表面硬度，抗環(huán)境變化的能力以及柔韌性。
歷史上，線性聚酯，丙烯酸類，乙烯基共聚物基樹脂通常被用作聚合物粘合劑，用于膜接觸開關(guān)(MTS)傳導(dǎo)性糊狀物。其他類型的樹脂，諸如聚氨基甲酸乙酯樹脂也被用在膜接觸開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。
U.S.4,595,605公開了可釬焊的和柔性的導(dǎo)電組合物，該組合物可以直接與基材結(jié)合。這些組合物由只有薄片形式銀與氯乙烯/乙酸乙烯酯共聚物的組合制成。
U.S.4,371,459介紹了一種對在膜接觸開關(guān)組合物有用的可絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電組合物，它是柔性的，含有(a)含有銀和賤金屬粉末的導(dǎo)電相，所述粉末分散于溶液中，該溶液是(b)一種用乙酸乙烯酯，氯乙烯和烯鍵不飽和二羧酸共聚制備的共聚物，和線性芳族聚酯樹脂溶解在(c)揮發(fā)性非烴溶劑中的溶液。
授予Towison的U.S.5,653,918公開了一種高柔性和機(jī)械穩(wěn)定的可絲網(wǎng)印刷的導(dǎo)電組合物，含有(a)導(dǎo)電相，包含Ag，Au，Cu，Ni，Pd，Pt，C或者石墨以及它們的混合物，分散在聚合物溶液中，該溶液含(b)溶解在揮發(fā)性溶劑中的聚乙酸乙烯酯，氯乙烯和極性組分的三元共聚物。
盡管上述專利體現(xiàn)了在組合物與所需基材的粘合性和耐久性方面的改進(jìn)，但是所列專利中沒有一個可以述及改進(jìn)觸摸開關(guān)的整體壽命以及對銀遷移的控制。本發(fā)明提供了一種優(yōu)良的厚膜導(dǎo)電組合物，該組合物通過減少金屬導(dǎo)體的遷移來提高M(jìn)TS壽命。
發(fā)明的概述本發(fā)明涉及一種厚膜導(dǎo)電組合物，該組合物包含(a)導(dǎo)電銀粉料；(b)PVDF/HFP聚合物樹脂，PVDF/HFP聚合物樹脂的共聚物，和它們的混合物；溶解在(c)有機(jī)溶液中，條件是PVDF/HFP樹脂的熔體粘度為0.2-0.7千泊，DSC熔解溫度在85-98℃范圍。
本發(fā)明還涉及制造膜接觸開關(guān)的方法，包括(A)制備上述組合物；(B)將組合物(A)施涂到基材上；(C)干燥組合物(B)形成電路，和(D)電路(C)上施加電壓。
此外，本發(fā)明還涉及使用在此及以上描述的組合物的膜接觸開關(guān)，以及用在此描述的方法制造的膜接觸開關(guān)。
發(fā)明的詳細(xì)描述總的來說，厚膜組合物包含功能相，給予組合物適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電功能性質(zhì)。該功能相包括分散在有機(jī)介質(zhì)中的導(dǎo)電功能的粉末，有機(jī)介質(zhì)用作功能相的載體。一般來說，該組合物經(jīng)過焙燒，燒盡有機(jī)物質(zhì)，從而得到導(dǎo)電功能性。但是，對于聚合物厚膜，在干燥后有機(jī)物仍然是組合物的組成部分。在焙燒之前，加工要求可以包括任選的熱處理，諸如干燥，固化，逆流和其他厚膜技術(shù)專業(yè)人士所熟知的處理方法?！坝袡C(jī)物”包括聚合物或者厚膜組合物的樹脂組分。
厚膜導(dǎo)電組合物的主要組分是分散在以及介質(zhì)中的導(dǎo)電粉末，有機(jī)介質(zhì)由聚合物樹脂和溶液組成。下面討論這些組分。
A.導(dǎo)電粉末本發(fā)明厚膜組合物中的導(dǎo)電粉末是Ag導(dǎo)體粉末，并包含Ag金屬粉末，Ag金屬粉末合金，以及它們的混合物。金屬粉末只要適合應(yīng)用方式，其顆徑和形狀并不特別重要。實際上，任何形狀的銀粉末，包括球形顆粒，和薄片(棒狀，錐形，片形)，都可以用于實施本發(fā)明。
金屬顆粒的粒度分布本身對于本發(fā)明的效果并非至關(guān)重要。但是，在實踐中，粒度優(yōu)選在1到100微米，最好是2-10微米范圍。
此外，銀顆粒的表面積/重量比優(yōu)選在0.1-1.0m2/g范圍。
而且，已知，少量其他金屬可以加入銀導(dǎo)體組合物，提高導(dǎo)體性能。這樣的金屬的一些例子包括金，銀，銅，鎳，鋁，鉑，鈀，鉬，鎢，鉭，錫，銦，鑭，釓，硼，釕，鈷，鈦，釔，銪，鎵，硫，鋅，硅，鎂，鋇，鈰，鍶，鉛，銻，導(dǎo)電碳，和它們的混合物，以及在厚膜組合物工藝中常用的其他物質(zhì)。例如，鈀經(jīng)常被加入銀導(dǎo)電組合物中。其他金屬最多為組合物總重量的1.0％。
B.有機(jī)介質(zhì)粉末通常通過機(jī)械混合與有機(jī)介質(zhì)(賦形劑)混合，形成糊狀組合物，稱為“糊狀物”，具有適用于印刷的稠度和流變能力。各種惰性液體都可以用作有機(jī)介質(zhì)。有機(jī)介質(zhì)必須是那種固體在其中能充分穩(wěn)定分散的介質(zhì)。介質(zhì)的流變性能必須能夠提供組合物良好的應(yīng)用性能。這些性能包括具有充分穩(wěn)定性的固體的分散體，組合物具有良好的應(yīng)用性能，適當(dāng)?shù)恼扯?，觸變性，對基材和固體具有良好的潤濕性，良好的干燥速率，足以承受粗加工的干膜強(qiáng)度。有機(jī)介質(zhì)并不是本領(lǐng)域常規(guī)使用的，它通常是聚合物在溶劑中的溶液，并提供組合物獨(dú)有的性能。
本發(fā)明中的聚合物樹脂特別重要。在本發(fā)明中使用的樹脂是氟碳樹脂、聚偏二氟乙烯/六氟丙烯(PVDF/HFP)和它們的共聚物家族的一員，由1，1-二氟乙烯(H2C＝CF2，一種無色氣體)聚合而成。樹脂在高溫下具有熱穩(wěn)定性，比其他氟塑料具有更高強(qiáng)度，更耐磨，更容易在傳統(tǒng)熱塑設(shè)備上加工。此外，本發(fā)明的聚合物樹脂具有以下物理特性(1)熔體粘度為0.2-0.7千泊；(2)DSC熔解溫度85-98℃；(3)六氟丙烷(HFP)在整個樹脂組合物中的摩爾％為約12-16摩爾％。
在厚膜組合物中應(yīng)用最多的溶劑是乙酸乙烯酯和萜烯如α或β-萜品醇，或者它們與其他溶劑如煤油，苯二甲酸二丁酯，丁基卡必醇，丁基卡必醇乙酸酯，己二醇和高沸點(diǎn)醇和醇酯等的混合物。此外，賦形劑中可以包含用于提高在涂敷到基材上后快速硬化的揮發(fā)性液體。在本發(fā)明的許多實施方案中，可以使用溶劑如乙二醇醚，酮類，酯類和其他具有同樣沸點(diǎn)(180-250℃范圍)的溶劑，以及它們的混合物。優(yōu)選的介質(zhì)基于乙醚(glycol ethers)和β-萜品醇。這些溶劑和其他溶劑多種結(jié)合，得到滿足預(yù)期要求的粘度和揮發(fā)性。
用一個行星式攪拌器使固體與有機(jī)介質(zhì)通過機(jī)械混合方式混合，然后分散在三輥碾磨機(jī)中，形成具有適合絲網(wǎng)印刷的稠度和流變性的糊狀物狀組合物。采用厚膜技術(shù)領(lǐng)域所熟知傳統(tǒng)方法，將后者作為一層“厚膜”印刷到基材上。
厚膜組合物中有機(jī)介質(zhì)和分散體中的無機(jī)固體的比例取決于應(yīng)用糊狀物的方式和所用有機(jī)介質(zhì)的種類。通常為了實現(xiàn)好的覆蓋率，分散體會包含如上所述互補(bǔ)的50-91重量％無機(jī)固體和50-9重量％賦形劑。當(dāng)然，可以通過加入不影響其有益特性的其他物質(zhì)的方法對本發(fā)明的組合物進(jìn)行改進(jìn)。這樣的配方仍然在領(lǐng)域范圍。
糊狀物可以在三輥碾磨機(jī)上方便地制成。當(dāng)在Brookfield HBT粘度儀上以低、中，高剪切速率測量時，得到的該糊狀物的粘度通常在以下范圍剪切速率(RPM) 粘度(Pa’s)0.5 50-2500150-1000 較好300-750 最好1020-20050-125較好60-100最好100 5-7512.5-60 較好25-50 最好組合物的應(yīng)用本發(fā)明中的組合物可以被用于膜接觸開關(guān)的配料。膜接觸開關(guān)可以通過包括以下步驟的方法形成(a)制備本發(fā)明的組合物；(b)將組合物(a)施用到基材上；(c)干燥組合物(b)，形成電路，再(D)施加電壓通過電路(c)此外，本發(fā)明還涉及使用上述組合物的膜接觸開關(guān)，以及用上述方法制成的膜接觸開關(guān)。
實施例通過實施例和比較例(實施例1-2)更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
實施例1(代表本發(fā)明)25.0克實驗室VDF/HFP共聚物(由Solvay Solexis提供，在前面詳細(xì)說明中描述)溶解在75.0克二甘醇乙醚乙酸酯中，在95℃攪拌直到所有樹脂溶解，然后冷卻到室溫。25.0克這種有機(jī)賦形劑接著與75.0克銀薄片(平均粒度5微米)混合30分鐘。此后，混合物在三輥碾磨機(jī)上在大約150PSI壓力下通過數(shù)次。接著，加入大約5.0克上述溶劑以降低所得糊狀物的粘度，此糊狀物被稱為銀糊“A”。然后用一個含有0.5mil感光乳劑的280不銹鋼網(wǎng)篩，絲網(wǎng)印刷銀遷移試驗部件，在一個箱形烘箱內(nèi)在130℃干燥10分鐘。嘗試模擬典型的膜接觸開關(guān)(MTS)電路中，線路圖是被隔開約40mil的大約2英寸的長銀跡。
所用的基材是MYLAR，為MTS工業(yè)中常用的一種。應(yīng)用的電壓為10V DC，這些部件被暴露在大約85℃/85％相對濕度下，直到達(dá)到失靈點(diǎn)。失靈點(diǎn)被定義為由于銀遷移造成的相鄰跡線間的“短路”。失靈前經(jīng)歷的小時數(shù)越長，銀導(dǎo)體的抗銀遷移的性能越好。
實施例2(現(xiàn)有技術(shù)的比較實驗)按照與上述類似過程進(jìn)行，不同之處是，使用Du Pont銀導(dǎo)電組合物5007(由位于Wilmingyon，Delaware的E.I.du Pont de Nemours and Company購得)代替上述的銀糊“A”，該導(dǎo)電組合物包含63.0重量％薄片銀和溶解在和上述相同溶劑中的聚酯樹脂。它將被稱為銀糊“B”。
銀遷移測試結(jié)果在85℃/85％相對濕度下，10V DC測試達(dá)到失靈點(diǎn)的小時數(shù)

從上述對比可以看出，標(biāo)準(zhǔn)MTS導(dǎo)體(5007)和銀糊“A”(本發(fā)明組合物)有明顯的差別。后者有大得多的抗銀遷移性。在85℃/85％相對濕度下的測試通常稱作加速老化，它在短得多的時間里模擬了數(shù)年的壽命。運(yùn)用已建立的規(guī)則，可以大致估計用上述組合物制造的電路的壽命。采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的公式，可以大致估計應(yīng)用銀糊“A”制造的電路壽命為30.2年，而銀糊“B”的壽命是4.2年。
權(quán)利要求
1.一種厚膜導(dǎo)電組合物，包含a)導(dǎo)電銀粉；b)PVDF/HFP聚合物樹脂，PVDF/HFP聚合物樹脂的共聚物，和它們的混合物；溶解在c)有機(jī)溶劑，條件是，PVDF/HFP樹脂的熔體粘度為0.2-0.7千泊，DSC熔解溫度在85-98℃范圍。
2.權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，-PVDF/HFP樹脂包含樹脂組合物總量的約12-16摩爾％的六氟丙烷(HFP)。
3.權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)在180-250℃范圍。
4.權(quán)利要求1所述的組合物，其特征在于，有機(jī)溶劑選自乙二醇醚，酮類，酯類，及它們的混合物。
5.權(quán)利要求1所述的組合物在膜接觸開關(guān)中的應(yīng)用。
6.形成膜接觸開關(guān)的方法，包括a)制備權(quán)利要求1所述的組合物；b)將組合物a)施用到基材上；c)干燥組合物b)，形成電路，d)施加電壓通過電路c)。
7.一種膜接觸開關(guān)，使用權(quán)利要求1所述的組合物。
8.一種膜接觸開關(guān)，采用權(quán)利要求6所述的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種厚膜導(dǎo)電組合物，含有(a)導(dǎo)電銀粉；(b)PVDF/HFP聚合物樹脂，PVDF/HFP聚合物樹脂的共聚物，和它們的混合物；溶解在(c)有機(jī)溶劑，附帶條件是PVDF/HFP樹脂的熔體粘度為0.2－0.7千泊，DSC熔解溫度在85－98℃范圍內(nèi)。
文檔編號B05D5/12GK1624810SQ20041010017
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者J·R·多弗曼 申請人:E.I.內(nèi)穆爾杜邦公司