ЭЛАСТИЧНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОНТАКТЫ ДЛЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ДИСПЛЕЕВ

Резюме: Описаны свойства эластичных контактов типа «Зебра», позволяющие снизить трудоемкость и повысить надежность конструкций с применением жидкокристаллических дисплеев и индикаторов. Показана возможность применения отечественного сырья и технических решений, использующих импортозамещающие технологии.

Ключевые слова: многослойные контакты, соединитель, дисплей, кремнийорганическая резина, эластичность, остаточная деформация, боковая изоляция, токопроводящая композиция на основе кремнийорганической резины.

ELASTIC POLYMER CONNECTORS FOR LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAYS)

N. Shubin. Doctor in Chemistry Sci., Professor. Head of Industrial Ecology and Chemistry Department of the Bauman Moscow State Technical University, Kaluga

Abstracts: In article describes the properties of multilayer’s elastic contacts ZEBRA which are more stable to environment conditions and decrease labour input for LCD (liquid crystal displays) compare with another ones. Undeniable competitive advantage of the Russia researchers is an implementation of Russian raw materials and processes instead of foreign materials and technologies.

Key words: multilayer’s contacts, connector, display, silicon rubber, elastic, residual deformation, side isolation, conductive silicone rubber composition.

Появление наноразмерных порошков и новых технологий их обработки вызвали рост научных исследований гетеросистем пониженной размерности. Большое внимание уделяется особым формам модификаций углерода от графена до нанотрубок и фуллеренов, область применения которых распространяется от прочных композиций до новых полупроводниковых приборов. Установлено, что хорошо известные в электронике электроизоляционные составы при достижении их структурными элементами наноразмеров под действием поверхностной энергии подложки переходят в проводящее состояние. Формирование наноразмерных токопроводящих дорожек с использованием таких составов позволяет оперировать с отдельными молекулами и создавать уникальные приборы наноэлектроники. Полимеры, как класс материалов, широко используемый в производстве компонентов электронной техники, впервые в последние годы стали использоваться как активные функциональные материалы, значение которых ставит их в один ряд с соединениями для оптоэлектроники А3В5[1].

В тоже время, не потеряли своей значимости полимерные микрогетерогенные композиции, содержащие дисперсную фазу порошков традиционных наполнителей, какой, например, является углеродная сажа. Добиться получения токопроводящих свойств – задача, традиционно хорошо решаемая при достаточно высоком содержании сажи в полимерной матрице. Сложности появляются при создании вулканизированной системы с заданным низким модулем упругости, отличающуюся отсутствием остаточной деформации при длительном воздействии нагрузок. Дополнительные ограничения в поисках оптимального состава и технологии получения вносят необходимость сохранения эластичности в широком диапазоне температур (-50÷+60 0С), одинаковый модуль упругости для токопроводящего и изоляционного слоев, четкие геометрические размеры и параллельность слоев, имеющих низкую толщину (от 50 мкм и выше), отсутствие коррозии на поверхности раздела вулканизованная резина - металлическая токопроводящая контактная площадка и т.д. В настоящей статье имеются ссылки на список патентов российских авторов, в которых приводится описание конкретных составов и особенности процесса диспергирования мелкодисперсных наполнителей, а также формирования тонких эластичных слоев, которые позволяют создать технологию и организовать производство материалов с заранее заданными свойствами. Эти работы являются итогом многолетних исследований, что затрудняет полное их изложение в рамках одной статьи. Тем не менее, представляется полезным рассмотрение особенностей и применения подобных полимерных композиций, которые ввиду их уникальных свойств по-прежнему имеют широкий спрос на рынке современных технологий.

Эластичные электрические соединители применяют в производстве электронных часов, микрокалькуляторов и других приборов с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ) (Рисунок 1).

Дисплеи могут быть подключены к плате тремя различными способами: с помощью металлических штырей, пайкой или сваркой и через специальные токопроводящие эластичные соединители (Рисунок 2).

Таблица 1 

Виды присоединения дисплеев

Эластичный тип разъема иногда называют полосами (контактами) ZEBRA благодаря своей конструкции. Контакты состоят из чередующихся параллельных слоев проводящего/непроводящего материала (обычно кремнийорганические резины, наполненные углеродным или металлическим наполнителем). Нужная высота и толщина определяются требованиями, задаваемыми конструкцией приборов с ЖК-дисплеем. Эластичные соединители выполняют роль поглотителей вибрации и ударов в промежутке между платой и индикатором. Повышенная точность, миниатюризация, облегченный монтаж межсоединений делают гибкие электрические контакты с боковой изоляцией наиболее эффективными для повышения плотности монтажа и для разного рода применений в области дисплеев. Хорошие упругие свойства этого типа контактов в сочетании с высокой эластичностью могут компенсировать неправильность формы других компонентов, участвующих в сборке прибора, что снижает затраты и уменьшает количество брака. Простота сборки отличает контакты с боковой изоляцией (т.е. не требуется специальных инструментов и приспособлений для работы с ними, не требуется пайка и тем самым исключается нагрев. Достаточно небольшого нажима, чтобы ЖК-индикатор начал работать).

Высокая эксплуатационная эффективность эластичных контактов с боковой изоляцией обеспечивает возможность приборам с ЖКИ выдерживать суровые условия среды: температура, коррозия, химикалии, влажность и т.д.

Надежное присоединение обеспечивается плотностью проводящих слоев эластомера, приходящихся на одну контактную площадку (принятые стандартные показатели соответствуют 100, 160, 200 и 240 контактов(Рисунок 3).

Важнейшей характеристикой эластичных контактов, обеспечивающей плотный контакт с токопроводящими площадками в течение всего срока эксплуатации, является сопротивление накоплению остаточной деформации. На величину остаточной деформации сжатия влияют структура макромолекулы каучука, природа и концентрация вулканизующего агента, катализатора отверждения, наполнителей. Недостатком резин из диметилсилоксанового каучука (типа СКТ) [2-4] является склонность их к накоплению остаточных деформаций при длительном сжатии и деструкции при высоких температурах в замкнутом контуре без доступа воздуха. Резины на основе диметилвинилсилоксановых каучуков (типа СКТВ и СКТВ-1) в значительно меньшей степени обладают такими недостатками. Они работают в неподвижных соединениях при деформациях сжатия до 20% в среде воздуха, озона и электрического поля при температуре от —50 до +250 °С длительно и 300—330 °С кратковременно в любых климатических условиях [4] (Табл.2).

 Таблица2

Свойства слоев «ZEBRA»

Остаточное сжатие может быть понижено введением 0,1 - 0,5% метилвинилсилоксановых звеньев [3]. Кроме регулирования плотности вулканизационной сетки, при этом сохраняются теплостойкость и относительное удлинение. Положительно влияет и применение мелкодисперсных наполнителей.

Технологические режимы изготовления [4-8]

Во многих случаях переработка сырых резиновых смесей осуществляется такими способами, как прямым прессованием, экструзией или каландрированием. Условия последующего отверждения (вулканизации) определяются исходя из способа вулканизации и требуемой толщины. Соответственно, меняются температура (от 80 до 4000С) и время (от 10 сек до 30 дней) вулканизации. Удельное объемное сопротивление токопроводящих слоев составляет от 1,0 до 0,01 Ом·м.

Например, листы электропроводящей резины толщиной 0,03 мм получают поливом из растворов или совместным каландрированием с изолирующим слоем на несущей пленке ПЭТ с последующим отслаиванием двухслойного силиконового резинового ламината от ПЭТ  пленки. Полученные  листы резиновых ламинатов собираются в стопу с образованием многослойного блока. Блок под давлением подвергают тепловой обработке для первичной вулканизации при 165°С в течение 10 часов с последующей нарезкой блока на пластины перпендикулярно к слоям. Для достижения твердости по Шору порядка 60Н силиконовые резиновые листы дополнительно подвергают тепловой обработке при 120°С в течение 1 часа с достижением полного отверждения. Резиновые блоки разрезают на отдельные соединители требуемого размера.

Токопроводящую резину получают наполнением техническим ацетиленовым углеродом, изоляционную

- белой сажей и двуокисью титана.

Блоки выдерживают при 25±5°C в течение 24 ч с последующим завершением реакции между оставшимися функциональными группами при 50±5°С в течение 5-8 ч. Наличие функциональных групп в соединяемых слоях пластин приводит к монолитизации блока за счет процесса «химической сварки» примыкающих поверхностей. Механическая прочность слоев ZEBRA «политых» и «сваренных» (каландрированных) идентична.

Из готовых блоков вырезают контакты необходимых размеров. Боковая изоляция

На многослойные эластичные пластины, полученные из блоков эластичных типа " ZEBRA ", наносят боковую изоляцию. Известны способы изготовления эластичных электрических соединителей с одно- и двухсторонней боковой изоляцией (соединители типа S фирмы Shin-Etsu Polymer (Япония), " ZEBRA -1000" фирмы Tecknit Inc США. Dongguan Daliwei Silicone Tech Co., Ltd (Китай) и др.[10,11].

Особое место занимает отечественный способ изготовления многослойных эластичных контактов типа " ZEBRA ", который включает операции с использованием тонких многослойных пластин. Как показала практика, при использовании незащищенных контактов возможно замыкание между знаковым и сигнальным электродами ЖКИ, что приводит к повышенному потреблению тока ЭП и снижению выхода годных изделий.

Выполняя защитную роль многослойных эластичных контактов, боковая изоляция слоев повышает надежность их работы в ЭП и ЖКИ.

Из готовых пластин с тонкой боковой изоляцией вырезают контакты заданных размеров. Использование автоматизированного способа нанесения тонкой боковой изоляции методом напыления на многослойные эластичные электрические контакты повышает производительность труда, улучшает эксплуатационные характеристики гибких электрических контактов за счет снижения остаточной деформации и повышения надежности их работы.

Многослойные гибкие контакты с тонкой боковой изоляцией имеют следующие свойства (Табл.3):

Таблица 3 

Свойства контактов с боковой изоляцией

Низкоомные токопроводящие слои [12]

Для снижения удельного объемного электрического сопротивления до 1∙10-2 Ом∙см нужны низкоомные эластичные соединители, работающими с приборами при больших управляющих токах и высоких частотах питающих напряжений. В качестве проводящего наполнителя во многих случаях применяют мелкодисперсный порошок серебра. Форма частиц достаточно разнообразна: от частиц неправильной формы до дендритов и других геометрических форм, получаемых измельчением, химическими, электрохимическими и др. способами. Также используют стеклянные или фенольные частицы сферической формы, поверхность которых покрыта тонким слоем серебра.

Кроме серебра, используют более дешевые и доступные металлы или их производные. Так, токопроводящая композиция, включающая диметилсилоксановый каучук, в качестве наполнителя содержит мелкодисперсный порошок карбонильного никеля и дополнительно содержит раствор дибутиллаурата олова в этилсиликате-32, взятых в массовом соотношении 1:1, и моноглицидный эфир (Табл.4):

 Таблица 4

Состав токопроводящей композиции, масс.ч.

Удельное объемное электрическое сопротивление наполненного композита находится в пределах 5 ·10-2 ÷ 1 ·10-3 Ом· см (Табл.).

Остаточная деформация сжатия вулканизатов, ɛост=3,0-3,5%, твердость по Шору А = 50-75. Толстая боковая изоляция

На поверхности многослойных эластичных пластин, вырезанных из эластичных блоков типа Зебра, также наносят поддерживающие, придающие геометрическую устойчивость при сборке и эксплуатации ЭП, боковые слои (Рисунок 4).

Рис.4. Образец контакта ZEBRA c пористыми боковыми слоями

Пористый изоляционный слой толщиной 0,4 ÷ 4,5 мм с низким модулем упругости (для обеспечения плотного прилегания токопроводящих слоев к металлическим контактным площадкам) возникает при разложении порообразователя, вводимого в кремнийорганические каучуки.

Сопротивление проводящих, изоляционных слоев и боковой изоляции контактов сохраняют свои значения также после воздействия влаги и термоциклов.

Остаточная деформация (не более 3-5%) пористого слоя находится на уровне первичного многослойного материала.

Список литературы

1.     Н.Е. Шубин. От микроэлектроники к функциональной полимерной наноэлектронике. Учебное пособие, Владикавказ, изд. «Терек», 2013. с. 180.

2.     Р.Д. Джатиева, Н.Е. Шубин. Композиционные материалы на основе кремнийорганических каучуков для многослойных контактов. ХII Андриановская конференция «Кремнийорганические соединения. Синтез, свойства, применение». 25-27 сентября 2013г.//Сб. Тезисов докладов. М., ИНЭОС РАН. с.136.

3.     О.Н. Долгов, М.Т. Воронков, М.П. Гринблат. Кремнийорганические жидкие каучуки и материалы на их основе. «Химия», Ленинградское отделение,1975. С.64.

4.     М.В. Соболевский, О.А. Музовская, Г.С. Попелева. Свойства и области применения кремнийорганических продуктов. М., «Химия», 1975. С.77.

5.     Р.Д. Джатиева, Л.А. Кравченко, Ю.И. Чернышенко, Г.А. Воробьев, А.Н. Тимофеева, Н.Е. Шубин. Способ изготовления многослойных эластичных контактов типа «зебра». Ас СССР № 1410145 кл. Н 01 r 13/40, 1986.

6.     Р.Д. Джатиева, Л.А. Кравченко, Ю.И. Чернышенко, А.Н. Тимофеева, Н.Е. Шубин. Способ изготовления многослойных эластичных контактов типа «зебра». Ас СССР №1737586, кл. Н01r 13/40,1990.

7.     В.С. Ерыгина, А.В. Зорин, Р.Д. Джатиева, Н.Е. Шубин, В.П. Царев и Л.А. Туаева. Способ изготовления многослойных эластичных контактов типа "зебра". Ас СССР №1769279, кл. Н 01 r 13/40, 1986.

8.     А.В. Зорин, Л.А. Кравченко, Н.E. Шубин, Е.Л. Шубина, О.А. Степанова и Н.А. Киянко. Способ изготовления многослойных эластичных контактов типа «Зебра». Патент СССР №. 1820964, кл. Н 01 r 13/40, 1992.

9.     Н.Е. Шубин, Е.Л. Шубина, Т.Б. Протазанова. Электропроводящая композиция. Ас СССР №1801971, 1991г.

10. Masaharu Тakahashi; Тomiyoshi Тsuchida, Hiroshi Matsukawa. Conductive silicone rubber composition. Пат. США № 5447661, 1995.

11. Tsuyoshi Imai. Shin-Etsu polymer Co. Rubber connector. Пат. США №6358615, 2002.

12. Микио Иинo, Цутому Накамура, Кадзухико Аоки. Shin-etsu polymer сo. Проводящая силиконовая резиновая смесь и разъем с низким сопротивлением. Пат. США №6309563 В1, 2001г.