KR20110111421A

KR20110111421A - 고성능 커넥터

Info

Publication number: KR20110111421A
Application number: KR1020117017375A
Authority: KR
Inventors: 안토니 데카르민
Original assignee: 알케마 인코포레이티드
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-10-11
Also published as: EP2389411A1; JP5567598B2; EP2389411A4; CN102282204B; JP2012516022A; CN102282204A; WO2010085419A1; US20110287225A1

Abstract

리플로우 솔더링 또는 리워크를 받는 회로 기판들에 사용하기 위해 의도된 전기 커넥터들 또는 가혹한 작동 조건에 사용되기 위한 광섬유 커넥터들과 같은, 고성능 커넥터들이 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 함유하는 폴리머 조성물을 사용하여 제조된다. 이 폴리머 조성물은 고온에서 우수한 치수 안정성을 가지는 커넥터를 제공하며 얇거나 미세한 상세 형상을 가지는 커넥터의 정밀하고 고품질의 몰딩을 용이하게 한다.

Description

고성능 커넥터{HIGH PERFORMANCE CONNECTORS}

본 발명은 높은 온도에 대한 노출을 필요로 하는 적용들 및 어셈블리들에 사용하기 위한 커넥터에 관한 것이며, 커넥터는 전기 전도성 부재들, 광학 섬유들, 또는 기체나 액체를 운반하는 파이프들이나 라인들과 같은 하나 이상의 전도성 부재들을 지지한다. 특히, 본 발명은 회로 기판이 리플로우 솔더링(reflow soldering)이나 리워크(rework) 작업을 받을 때와 같이 최소의 변형이나 비틀림으로 높은 온도에 대한 반복되는 노출에 견딜 수 있는 폴리머 조성물로 이루어지는 본체를 가지는 커넥터에 관한 것이다.

커넥터는 부품들이 상호 간에 전기, 빛, 기체, 또는 액체 등을 전달하는 것을 허용하는 방식으로 개개의 부품들을 연결시키는데 자주 이용된다.

예를 들어, 전기 커넥터는 인쇄 회로 기판과 같은 전기 장치를 서로 통전되게 배치하는데 사용된다. 전기 커넥터는 일반적으로 두 개의 부분을 가지며, 이의 하나의 부분은 제1 전기 장치에 연결되며 이의 제2의 부분은 제1 장치와 통전되도록 제2 전기 장치에 연결된다. 두 개의 장치들을 연결하기 위해, 전기 커넥터의 두 개의 부분들이 결합된다.

커넥터의 각각의 부분은 전기 장치에 통전되게 결합되도록 구성된 한 세트의 접점이나 터미널 및 다른 커넥터 부분에 짝을 지어 결합되도록 구성된 제2 세트의 접점이나 터미널을 포함한다. 이는 다른 커넥터 부분의 "암형" 접점이나 터미널에 결합되도록 구성된 "숫형" 접점이나 터미널을 가지는 것으로 커넥터의 한 부분을 지정함으로써 쉽게 달성될 수 있다. 접점이나 터미널의 설계의 구체적인 형상에 관계 없이, 두 개의 커넥터 부분은 이들이 연결되는 전기 장치들을 각각 전기적으로 연결하고 이의 연결을 해제하기 위해 서로 쉽게 연결되고 분리되도록 구성되어야 한다.

따라서, 각각의 커넥터 부분은 이의 남아있는 세트의 접점이나 터미널을 통해 전기 장치에 고정되게 연결된다. 접점이나 터미널은 전기 장치에 제거 가능하게 연결할 수 있거나 영구히 연결할 수 있지만, 커넥터 부분이 몇몇 물리적 메커니즘을 통해 전기 장치에 장착되는 것이 종종 바람직하다. 일반적으로, 커넥터 부분들은 전기 장치에 형성되는 패드나 이와 유사한 것에 접촉하기 위해 접점이나 터미널을 솔더링하거나 그렇지 않으면 융합함으로써 전기 장치들에 장착된다.

전기 커넥터를 포함하는 어셈블리의 제조 중, 이와 같은 어셈블리의 수리나 변경, 및/또는 이와 같은 어셈블리의 사용이나 작동과 같이, 전기 커넥터가 높은 온도에 노출되는 다수의 적용들이 있다. 전기 커넥터는 일반적으로 수용할 수 없을 정도의 비틀림, 변형 또는 크래킹을 나타내지 않고 이와 같은 조건 하에서 치수 안정성과 기계적 강도를 유지할 수 있어야 한다.

최근에, 전기 커넥터를 인쇄 회로 기판과 같은 전기 장치에 장착하기 위해 리플로우 기술을 사용하는 경향이 증가하였다. 예를 들어, (또한 플럭스를 함유하는 솔더 페이스트의 형태일 수 있는) 솔더의 부분들은 전기 커넥터의 접점들 및/또는 인쇄 회로 기판의 접촉 패드들에 배치될 수 있다. 솔더 부분들은 예를 들어, 볼의 형태일 수 있다. 그 다음에 전기 커넥터 접점들은 이들 사이에 있는 솔더 부분들을 가지는 접촉 패드들에 대응하여 배치되며, 그 다음에 어셈블리(또는 이의 국소적인 부분)는, 솔더 부분들을 용융시켜서 이들이 리플로우되게 하는데 효과적인 온도까지 가열된다. 어셈블리를 냉각하면, 솔더 부분들은 고형화되며, 그에 의해 전기 커넥터 접점들과 인쇄 회로 기판 접촉 패드들 사이에 전기 연결부들을 형성한다. 유사하게, 핀 인 홀 관입 리플로우 어셈블리 기법들(pin in hole intrusive reflow assembly techniques)이 개발되었으며, 솔더 페이스트는 관통공 패드들을 가지는 인쇄 회로 기판의 표면의 위에 스텐실 인쇄되어 관통공들로 침투한다. 전기 커넥터들 상의 핀들은 그 후에 관통공들로 삽입되며, 그 결과로 나온 어셈블리를 가열하여 솔더를 리플로우한다.

또한, 종래의 납 함유 솔더와 관련된 독성과 환경 문제 때문에, 최근에 이와 같은 적용들에 무연 솔더를 사용하는 것에 대한 관심이 증가되었다. 그러나, 무연 솔더는 일반적으로 초기 조립, 리플로우, 리워크 및 웨이브 솔더링 중에서와 같이, 상당히 높은 처리 온도를 이용할 필요가 있다. 전기 커넥터는 일반적으로 개개의 전기 장치들을 전기적으로 연결하기 위해 사용되는 금속성 전도체 부재들을 유지하거나 지지하기 위해 플라스틱 몸체를 사용하여 제조되므로, 무연 솔더로 작업하는 것은 플라스틱(심지어 고성능 엔지니어링 플라스틱)이 무연 솔더의 충분한 유동 또는 리플로우를 달성하는데 필요한 조건들 하에서 변형되거나, 비틀리거나 또는 심지어 크랙이 일어나는 경향 때문에 매우 어렵다. 이와 같은 변형, 크랙킹 또는 비틀림은, 이런 부품들 사이의 원하는 전기 연결부들이 형성되고 유지되도록 상응하는 인쇄 회로 기판 접촉 패드들을 가지는 개개의 전기 커넥터 접점들을 적절하게 정렬하는 능력을 저해한다. 이 문제는 커넥터에 있는 일정한 배열의 핀들이 회로 기판에 있는 일정한 배열의 관통공들로 삽입되는 핀 인 홀 리플로우(PIHR: pin-in-hole reflow) 방법이 이용될 때 특히 심각하다. 이상적으로는, 관통공의 크기는 관통공에 삽입되고 리플로우 솔더링에 의해 전기로 연결되는 커넥터 핀의 최대 직경보다 단지 0.010 내지 0.015 인치 크다. 이런 작은 허용 오차는 핀들과 관통공들의 배열의 매우 정밀한 정렬을 필요로 한다. 만약 핀들을 지지하는 본체가 열 변형 때문에 아주 약간이라도 비틀린다면, 특히 핀 배열이 다수의 핀들을 가지는 경우 및/또는 본체가 상대적으로 길며/길거나 넓으며 상대적으로 얇은 경우에, 이 정렬을 유지하기가 매우 어려울 수 있다.

게다가, 일단 솔더 상호 연결부들이 완성되면, 부품들은 서로로부터 분리될 필요가 있을 수 있다. 전자 기기 제조 공정은, 예를 들어, 진단 테스트를 수행하거나, 하나 이상의 부품들을 교체하거나 수리하거나, 부품들을 업그레이드하거나, 실제 제품 출시 이전에 제품 성능 및 신뢰성을 평가하는데 사용되는 테스트 비이클들(test vehicles)이나 얼리 유저 하드웨어(early user hardware)로부터 전기적으로 양호한 기판을 회수하기 위해 조립된 부품들의 분해를 종종 필요로 한다.

회로 기판들로부터 전기 부품들을 제거하기 위한 현재의 접근 방법은 고온 기체에 의한 제거를 포함한다. 이와 같은 고온 기체 방법에서, 질소나 다른 불활성 기체와 같은 가열된 기체의 흐름이, 기판에 부착된 전기 부품으로 노즐을 통해 전달되거나 유도된다. 추가적인 편향 열이 다른 열 입력을 보완하기 위해 기판의 배면에 위치하는 히팅 블록이나 히팅 유닛을 통해 적용될 수 있다. 기판에 전기 부품을 결합하는 솔더 상호 연결부에서 발생된 열은 솔더 조인트를 용융시키며, 이에 의해 이와 같은 전기 부품이 리워크를 위해 회로 기판으로부터 제거되는 것을 허용한다. 단지 원하는 솔더 상호 연결부들만이 고온에 노출되도록 가열을 제어하는 것이 어렵기 때문에, 전기 부품의 임의의 플라스틱이나 수지 부분들이 가열될 때 치수적으로 안정화되는 것이 중요하다(즉, 수용할 수 없을 정도의 비틀림, 변형 또는 크랙킹을 나타내지 않고 리워크 중에 겪게 되는 고온을 견딜 수 있어야 한다).

솔더 상호 연결부가 무연 솔더 상호 연결부인 경우에, 이 상호 연결부 장치들은 일반적으로 종래의 납 함유 솔더가 이용될 때에 필요한 것보다 리워크 처리를 위해 상당히 더 높은 온도의 사용을 필요로 한다. 거의 공정 및 공정 무연 솔더 합금들(Sn/Ag, Sn/Ag/Cu, Sn/Cu)에 대한 더 높은 리워크 온도는 일반적으로 약 217℃에서부터 약 227℃까지의 범위에 있으며, 227℃ 초과의 온도에서와 같이, 앞서 말한 합금들의 과공정 조성물들(hyper-eutectic compositions)에 대해 더 높을 수 있다. 고품질 전기 커넥터를 재현 가능하게 달성하기 위해, 250℃나 260℃ 또는 더 높은 리워크 온도를 사용하는 것이 일반적이다. 무연 솔더에 대한 이 더 높은 리워크 온도는 전기 커넥터의 본체를 제조하기 위해 종래에 사용되는 열가소성 플라스틱을 회복 불가능하게 손상시킬 수 있다. 현재 이와 같은 전기 커넥터에 사용되는 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정 폴리머(LCP), 및 폴리페닐렌 설파이드(PPS)와 같은 고성능 열가소성 플라스틱 재료들은, 회로 기판과 커넥터를 포함하는 어셈블리가 리플로우 또는 리워크 솔더링 기법을 사용하여 제조될 때 비틀림 및 크랙킹을 회피하는데 필요한 요구되는 열 및 기계적 안정성을 보이는데 실패하였다.

커넥터는 접합(splicing)보다 더 빠른 연결 및 분리를 가능하게 하기 때문에, 커넥터는 또한 광섬유의 상이한 부분들을 결합시키는데 종종 사용된다. 커넥터는 광이 섬유의 일부분으로부터 다른 부분으로 통과될 수 있도록 섬유의 코어를 기계적으로 결합하며 정렬한다. 섬유 단부면은 섬유 단부의 정렬 및 직접적인 접촉(예를 들어, 유리 대 유리 또는 플라스틱 대 플라스틱)이 달성되며, 더 큰 커넥터 손실을 초래할 수 있는, 유리 대 공기 또는 플라스틱 대 공기의 경계면들을 회피하도록 매우 정밀한 방식으로 함께 고정되거나 압착되어야 한다. 이 꼭 맞는 정렬 및 접촉이 연결부가 초기에 만들어질 때뿐만 아니라 광섬유 케이블의 사용 기간 중에 유지되는 것이 중요하다. 일반적으로, 광섬유 커넥터는 섬유 정렬 메커니즘으로 작용하는 길고 얇은 원통인 페룰(ferrule)을 가진다. 페룰은 이의 내부에 광섬유가 고정되는 중심 구멍을 가지며, 광섬유의 단부가 페룰의 단부에 위치한다. 하나 이상의 조립된 부품들을 포함할 수 있는(때때로 커넥터 하우징으로 언급되는) 커넥터 몸체는 일반적으로 페룰(그에 따라 광섬유)을 소정의 위치에 고정하는데 사용된다. 페룰은 일반적으로 커넥터를 다른 커넥터에 연결시키는데 사용되는 (정렬 슬리브와 같은) 커플링 장치 내로 또는 커넥터를 광섬유 트랜스미터나 리시버에 연결시키는데 사용되는 피드-스루 벌크헤드 어댑터(feed-through bulkhead adapter)에 슬립되기 위해 커넥터 몸체를 지나 연장된다. 페룰, 커넥터 몸체, 커플링 장치 및/또는 벌크헤드 어댑터를 제조하는데 사용되는 재료는, 광섬유 케이블을 분리하고 다시 연결하거나 연결되어 있는 광섬유 단부들 사이의 요구되는 정밀한 정렬 및 접촉을 유지하는 능력을 저하시킬 수 있는, 상당한 변형이나 비틀림 없이 특정한 광섬유 단부-사용 적용들에서 고온에 대한 노출에 견딜 수 있어야 한다.

커넥터가 간헐적이거나 본질적으로 연속적인 방식의 고온 및 다른 가혹한 환경 조건에 대해 노출되는 단부-사용 적용들은 또한, 예를 들어, 자동차의 후드 아래의 적용들, 항공기 엔진들, 중장비의 엔진 컴파트먼트들 및 이와 유사한 것, 화학 약품 및 오일 처리 작업 및 설비뿐만 아니라 지하 관정 공구들(다운홀 공구들) 및 오일 및 가스 관정 작업에 사용되는 설비 및 다른 장치들을 포함한다.

따라서, 더 큰 열 저항성을 가지는 개선된 커넥터의 개발이 매우 바람직하다.

본 발명의 일 양상에서, (예를 들어, 인쇄 회로 기판의 표면에 있는 전기 요소와 전도체들 사이를 전기적으로 연결하거나 광섬유들을 연결하는데 적합한) 커넥터가 제공된다. 커넥터는 전기 절연 본체의 표면으로부터 돌출될 수 있는 하나 이상의(예를 들어, 하나의 배열의) 전도성 부재들을 (직접적으로나 간접적으로) 지지하는 절연 본체로 구성된다. 본체는 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어진다. 전도성 부재는 전기를 전도할 수 있거나, 광(예를 들어, 정보를 전송하기 위해 변조되는 전자기 반송파를 형성할 수 있는 광의 펄스)을 전달할 수 있거나, 기체나 액체를 이송할 수 있다. 커넥터는, 예를 들어, 싱글-핀 커넥터, 멀티-핀 커넥터, 숫형 커넥터, 암형 커넥터, 회전 가능한 커넥터 또는 암수 일체형 커넥터와 같은 전기 커넥터일 수 있거나, FC 커넥터, FDDI 커넥터, LC 커넥터, MT 어레이 커넥터, SC 커넥터, SC 듀플렉스 커넥터, 또는 ST 커넥터 등과 같은 광섬유 커넥터일 수 있다. 본 발명은 또한 엣지 커넥터들, 와이어-대-기판 커넥터들, 기판-대-기판 커넥터들, 전력 커넥터들, 전기 신호 커넥터들, RF 커넥터들, 절연 변위 커넥터들 및 동축 커넥터들에 대해 이용될 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 회로 기판의 표면에 있는 전기 요소와 전도체들 사이를 전기적으로 연결하는데 유용한 전기 커넥터와 같은, 커넥터를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 몰드의 내부에 원하는 위치와 형태로 유지되는 하나 이상의 전도성 부재들을 제공하는 단계, 폴리에테르케톤케톤 및 나노튜브들로 이루어지는 폴리머 조성물을 몰드 내로 도입하는 단계(여기서 폴리머 조성물은 압력 하에서 유동할 수 있는 상태가 되게 하는데 효과적인 온도까지 가열되었음), 전도성 부재들의 길이의 적어도 일부분을 둘러싸면서 전도성 부재들의 단부들은 접근 가능하게 남도록 폴리머 조성물로 몰드를 채우는 단계, 폴리머 조성물을 고형화하고 커넥터를 형성하는데 효과적인 온도까지 폴리머 조성물을 냉각시키는 단계, 및 몰드로부터 커넥터를 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상은 회로 기판과 전기 커넥터를 포함하는 어셈블리를 제공한다. 전기 커넥터는 본체의 표면으로부터 돌출될 수 있는 전기 전도성 접점들의 배열을 지지하는 전기 절연 본체를 포함하며, 전기 전도성 접점들은 회로 기판의 위에 있는 전도체들에 솔더링되며 전기 절연 본체는 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어진다.

어셈블리를 제조하는 방법이 본 발명에 의해 추가로 제공된다. 이 방법은 다음의 단계들로 이루어진다:

a) 이의 표면의 위에 복수의 전도체들을 가지는 회로 기판을 제공하는 단계;

b) 전기 절연 본체의 표면으로부터 돌출될 수 있는 전기 전도성 접점들의 배열을 지지하며, 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어지는 전기 절연 본체를 포함하는 전기 커넥터를 제공하는 단계;

c) 각각의 전기 전도성 접점들이 중간 어셈블리를 형성하기 위해 회로 기판의 표면에 있는 전도체와 고형 솔더 또는 솔더 페이스트의 부분 모두에 인접하도록 전기 커넥터와 회로 기판을 서로 정렬시키는 단계;

d) 고형 솔더 또는 솔더 페이스트의 부분이 용융되고 유동하도록 하는데 효과적인 온도까지 고형 솔더 또는 솔더 페이스트의 부분을 가열하는 단계(그에 의해 각각의 용융된 솔더 부분이 전기 전도성 접점과 전도체 모두와 긴밀히 접촉한다); 및

e) 솔더의 부분이 다시 고형화되고 전기 전도성 접점들과 전도체들 사이에 전기 전도성 연결부들을 형성하게 하는데 효과적인 온도까지 중간 어셈블리를 냉각시키는 단계.

본 발명은 추가적으로 회로 기판으로부터 전기 커넥터를 분리시키기 위한 방법을 제공하며 전기 커넥터는 솔더로 이루어지는 상호 연결부들의 세트를 통해 회로 기판에 부착되며, 이 방법은 솔더를 용융시키는데 효과적인 온도까지 상호 연결부들의 세트를 가열하는 단계 및 회로 기판으로부터 전기 커넥터를 제거하는 단계를 포함하며, 전기 커넥터는 전기 전도성 접점들의 배열을 지지하며 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어지는 전기 절연 본체로 이루어진다.

본 발명은 또한 회로 기판에 전기 커넥터를 부착하고 이로부터 제거하며, 동일한 전기 커넥터를 다시 부착하거나 제2 전기 커넥터로 전기 커넥터를 교체하기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 다음의 단계를 포함한다:

b) 전기 전도성 접점들의 배열을 지지하며 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어지는 전기 절연 본체를 포함하는 제1 전기 커넥터를 제공하는 단계;

c) 이 배열에 있는 각각의 전기 전도성 접점들이 중간 어셈블리를 형성하기 위해 회로 기판의 표면에 있는 전도체와 고형 솔더 또는 솔더 페이스트의 부분 모두에 인접하도록 제1 전기 커넥터와 회로 기판을 서로 정렬시키는 단계;

d) 고형 솔더 또는 솔더 페이스트의 부분이 유동할 수 있는 액상의 솔더의 부분을 형성하도록 하는데 효과적인 온도까지 고형 솔더 또는 솔더 페이스트의 부분을 가열하는 단계;

e) 액상 솔더의 부분이 고형화되고 전기 전도성 접점들과 전도체들 사이에 전기 전도성 연결부들을 형성하도록 하는데 효과적인 온도까지 액상 솔더의 부분을 냉각시키는 단계;

f) 솔더를 용융시키는데 효과적인 온도까지 상호 연결부들의 세트를 가열하는 단계;

g) 회로 기판으로부터 제1 전기 커넥터를 제거하는 단계; 및

h) 제1 전기 커넥터나 제2 전기 커넥터를 사용하여 단계 b) 내지 e)를 반복하는 단계, 제2 전기 커넥터는 전기 전도성 접점들의 배열을 지지하며 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어지는 전기 절연 본체를 포함한다.

또한 제2 광섬유, 광섬유 트랜스미터 및 광섬유 리시버로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 추가 구성요소, 제1 광섬유, 및 제1 광섬유와 추가 구성요소를 연결시키며 하나 이상의 광섬유들을 (직접적으로 또는 간접적으로) 지지하는 절연 본체를 포함하는 커넥터를 포함하는 어셈블리가 본 발명에 의해 제공되며, 절연 본체는 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어진다.

본 발명의 또 다른 양상에서, 제2 광섬유, 광섬유 트랜스미터 및 광섬유 리시버로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 추가 구성요소, 제1 광섬유, 제1 광섬유와 추가 구성요소를 연결시키며 하나 이상의 광섬유들을 (직접적으로 또는 간접적으로) 지지하는 절연 본체를 포함하는 커넥터, 및 추가 구성요소에 제1 광섬유를 결합하기 위해 구성되는 커플링 장치를 포함하는 어셈블리가 제공되며, 절연 본체나 커플링 장치 중의 적어도 하나가 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어진다.

본 발명은 특히 커넥터의 일부분인 하나 이상의 전도성 부재들이 초기 조립 및 다음에 오는 열에 대한 반복적인 노출 중에 다른 요소들과 정밀하게 정렬되어야 하는 단부 사용의 적용에 아주 적합하다. 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들로 이루어지는 본체의 열 변형 저항성은 커넥터가 연결되고, 분리되며, 다시 연결되는 것을 허용하며 동시에 전도성 부재들의 원하는 정밀한 정렬을 재현 가능하게 유지하며, 그에 의해 전도성 부재들이 커넥터에 부착되는 다른 요소에 광, 전기 또는 이와 유사한 것을 효율적으로 그리고 효과적으로 전달할 수 있는 것을 보장한다.

본 발명에 따른 커넥터의 본체는 유리하게도 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들로 이루어지는 폴리머 조성물을 사용하여 제조된다. 폴리머 조성물의 성분들의 이런 특정한 조합의 사용은, 특히 사용되는 솔더가 무연 솔더인 경우에, 최소의 변형, 크랙킹 및 비틀림으로, 회로 기판 어셈블리의 리플로우 솔더링 및 리워킹 중에 마주치는 가혹한 조건과 같은, 높은 온도를 반복적으로 견딜 수 있는 치수적으로 안정한 커넥터의 획득에 중요하다는 것이 발견되었다. 폴리머 조성물의 열 저항성이 미네랄 나노튜브들의 첨가에 의해 놀랄 만큼 개선된다. 미네랄 나노튜브들은 다른 필러들과 비교하여 크기가 아주 작고, 심지어 필러의 비교적 높은 부하에서도, 매끄러운 표면을 가지는 커넥터들을 제조하는 것을 가능하게 만드는 추가적인 이점을 제공한다. 게다가, 미네랄 나노튜브들은 유리하게도 폴리에테르케톤케톤의 용융 유동 거동을 바꾸며, 그에 의해 매우 미세한 형태를 가지는 몰드의 완전한 충전을 용이하게 하며 정밀한 치수와 형상을 가지는 커넥터들의 몰딩을 허용한다. 본 발명의 다른 이점은 특히 전도성 부재 표면이 금속성인 경우에, 폴리머 조성물과 전도성 부재들의 표면 사이의 대단히 양호한 접착이 달성된다는 것이다. 따라서 폴리머 조성물/전도성 부재 경계면에서 손상에 대한 우수한 저항성이 획득될 수 있으며, 이는 나아가 높은 온도와 화학 약품, 용매들 및 이와 유사한 것에 대한 노출과 같은 장시간의 가혹한 환경 조건 하에서 커넥터의 계속되는 양호한 성능을 보장하는데 도움을 준다. 더구나, 폴리에테르케톤케톤의 사용은 폴리에테르에테르케톤과 같은 다른 폴리아릴에테르케톤이 사용될 때에 관찰되는 것보다 더 낮은 잔류 응력을 가지는 몰딩된 본체를 제공한다. 더 적은 양의 잔류 응력은 본체가 고온에 노출될 때 더 적은 비틀림을 초래한다. 더구나, 폴리에테르케톤케톤으로 결정화도를 최적화할 수 있으며 그에 의해 폴리에테르에테르케톤으로 수행될 수 없는, 특정한 적용에 대한 녹는점(Tm)을 최적화할 수 있다.

본 발명에 사용하기에 적합한 폴리에테르케톤케톤은 다음의 식 I 및 II로 표시되는 반복 유닛을 함유한다(바람직하게는 기본적으로 구성된다):

-A-C(=O)-B-C(=O)- I

-A-C(=O)-D-C(=O)- II

여기서 A는 p,p'-Ph-O-Ph-기이며, Ph는 페닐렌 라디칼이며, B는 p-페닐렌이며, D는 m-페닐렌이다. 폴리에테르케톤케톤에서 식 I: 식 II (T:I) 이성체 비율은 100:0에서부터 0:100까지의 범위에 있을 수 있으며, 일반적으로 약 70:30 이상이며, 바람직하게는 약 90:10 이하의 T:I 이성체 비율을 가지는 폴리에테르케톤케톤을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 바람직한 일 실시예에서, 폴리에테르케톤케톤은 반결정이다.

폴리에테르케톤케톤은 본 기술분야에 잘 알려져 있으며 각각이 모든 목적을 위해 그 전체가 참고로 여기에 포함되는 다음의 특허들에서 설명되는 방법을 포함하는, 어떤 적당한 중합 기법을 사용하여 제조될 수 있다: 미국 특허 번호 3,065,205; 3,441,538; 3,442,857; 3,516,966; 4,704,448; 4,816,556; 및 6,177,518. 폴리에테르케톤케톤의 혼합물이 사용될 수 있다.

적당한 폴리에테르케톤케톤은, 예를 들어, OXPEKK-C 폴리에테르케톤케톤을 포함하는, Connecticut, Enfield의, Oxford Performance Materials에 의해 상표명 OXPEKK 으로 판매되는 폴리에테르케톤케톤과 같은, 상업적인 공급원으로부터 이용 가능하다.

이전에 언급된 바와 같이, 미네랄 나노튜브들은 본 발명의 커넥터들의 본체에 이용되는 폴리머 조성물의 중요한 성분이다. 여기에 사용되는 바와 같이, 미네랄 나노튜브들은 원통형 형태인(즉, 중공 튜브형 구조를 가지는), 무기 재료들과 탄소 나노튜브들 모두를 포함하며, 내부 직경은 일반적으로 약 10에서부터 약 300 nm까지의 범위에 있으며 그 길이는 일반적으로 나노튜브 직경보다 10 내지 10,000 배 더 크다(예를 들어, 500 nm 내지 1.2 미크론). 일반적으로, 나노튜브의 종횡비(길이 대 직경)는 비교적 클 것이며, 예를 들어, 약 10:1 내지 약 200:1이다. 튜브들은 완전히 폐쇄될 필요가 없으며, 예를 들어, 튜브들은 다수의 벽 층들로 꼭 맞게 감긴 스크롤들의 형태를 가질 수 있다.

나노튜브는 텅스텐 디설파이드, 바나듐 옥사이드, 망간 옥사이드, 구리, 비스무트, 및 알루미늄실리케이트들을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는, 탄소뿐만 아니라 알려진 무기 원소들로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 나노튜브는 탄소, 붕소, 인 및/또는 질소로부터, 예를 들어 탄소 나이트라이드, 붕소 나이트라이드, 붕소 카바이드, 붕소 포스파이드, 인 나이트라이드 및 탄소 나이트라이드 보라이드로부터 만들어진 것을 포함하는, 주기율표의 IIIa, IVa 및 Va 족의 원소들로부터 선택되는 적어도 하나의 화학적 원소로부터 형성되는 것이다. 유용한 알루미늄실리케이트들은 합성으로 제조된 알루미노실리케이트 나노튜브뿐만 아니라 이모고라이트, 실린들라이트, 할로이사이트 및 보울랑거라이트 나노튜브를 포함한다. 나노튜브의 표면은 이들의 특성을 바꾸기 위해 원하는 대로 처리되거나 개질될 수 있다. 나노튜브는 폴리에테르케톤케톤과 결합되기 이전에 정제되거나, 정화되거나 또는 그렇지 않으면 처리될 수 있다(예를 들어, 표면 처리되며/처리되거나 다른 물질이 나노튜브의 내부에 보유되도록 다른 물질들과 결합됨).

폴리에테르케톤케톤과 혼합되는 미네랄 나노튜브들의 양은 원하는 대로 변경될 수 있지만, 일반적으로 폴리머 조성물은 적어도 0.01 중량 퍼센트이지만, 30 중량 퍼센트 이하의 미네랄 나노튜브를 포함할 것이다. 예를 들어, 폴리머 조성물은 유리하게도 약 5에서부터 약 20 중량 퍼센트의 할로이사이트를 포함할 수 있다. 폴리머 조성물은 추가적으로 안정제, 안료, 가공 보조제, 추가적인 필러, 및 이와 유사한 것과 같은, 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브 외의 성분들로 이루어질 수 있다. 본 발명의 특정한 실시예에서, 폴리머 조성물은 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브로 기본적으로 이루어지거나 이루어진다. 예를 들어, 폴리머 조성물은 폴리에테르케톤케톤 외에 어떤 타입의 폴리머가 없거나 기본적으로 없을 수 있으며/있거나 미네랄 나노튜브 외에 어떤 타입의 필러가 없거나 기본적으로 없을 수 있다.

폴리머 조성물은 예를 들어, 이 성분들을 긴밀하게 혼합하는데 효과적인 조건 하에서 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브를 용융 혼합하는 것과 같은, 어떤 적당한 방법을 사용하여 제조될 수 있다.

폴리머 조성물은 사출 성형, 인서트 성형, 오버몰딩 및 이와 유사한 것과 같은, 어떤 적당한 몰딩 방법을 사용하여 커넥터의 본체에 대해 원하는 형태로 형상화될 수 있다. 바람직하게는, 이음매의 존재가 고온 조건 하에서 커넥터의 성능에 악영향을 끼칠 수 있으므로, 본체는 일체화된 부분으로 몰딩된다. 예를 들어, 폴리머 조성물은 폴리에테르케톤케톤을 연화시키거나 용융시키고 폴리머 조성물이 유동될 수 있게 되며 그 다음에 커넥터의 원하는 본체의 형상을 가지는 몰드로 도입되는데 효과적인 온도까지 가열될 수 있다. 압력은 연화된 폴리머 조성물을 몰드로 밀어넣기 위해 가해질 수 있으며, 그에 의해 몰드의 완전한 충전을 용이하게 한다. 몰드는 하나 이상의 전도성 부재들이 구비되며, 전도성 부재들은 요구되는 위치와 형태로 유지된다. 몰드는 일체화된 몰드 또는 몰딩 공정 중에 함께 유지되는 두 개 이상의 부분들로 이루어지는 몰드일 수 있다. 일반적으로, 몰드의 완전한 충전과 몰딩된 본체의 양호한 품질을 조장하기 위해, 몰드는 금속으로 이루어지며 몰딩 중에 몰드로 도입되는 폴리머 조성물의 온도보다 다소 낮은 높은 온도에서 유지된다. 몰드는 전도성 부재들의 단부들이 여전히 접근 가능하도록(노출되도록) 개개의 전도성 부재들의 일부분을 둘러싸기 위해(캡슐화하기 위해) 폴리머 조성물로 채워질 수 있다. 예를 들어, 전기 커넥터가 요구되는 경우에, 전도성 부재의 일 단부는 본체의 표면으로부터 돌출되는 핀의 형태를 가질 수 있으며, 핀은 직선이거나, 굽혀지거나, 곡선이거나, 각을 형성하거나 어떤 다른 적당한 형태일 수 있다. 핀들은 원형, 타원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 이와 유사한 것과 같은 어떤 원하는 또는 적당한 단면 형상을 가질 수 있으며, 핀들이 솔더 상호 연결을 통해 부착되는 회로 기판의 위에 있는 전도체들의 디자인에 따라 요구되거나 필요할 수 있는, 매끄럽거나, 평평하거나, 홈이 형성되거나, 주름이 지거나, 나사산이 형성되거나 또는 몇몇 다른 형태인 표면을 가질 수 있다. 전도성 부재의 끝이 본체의 표면과 같은 평면에 있는 경우에(비록 그 대신에 전도성 부재의 끝이 본체의 표면으로부터 다소 움푹 들어가게 만들어질 수 있거나 심지어 본체의 표면으로부터 어는 정도까지 돌출될 수 있더라도), 전도성 부재의 다른 단부는 핀이나 이와 유사한 것을 받아들일 수 있는 리세스의 형태(즉, 개구부 또는 암형 리셉터클)를 가질 수 있다. 또는, 전도성 부재들의 양 단부는 핀의 형태일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 양 단부는 리세스의 형태일 수 있다. 그 다음에 몰딩된 폴리머 조성물은 연화된 폴리에테르케톤케톤을 고형화하는데 효과적인 온도까지 냉각된다. 그에 의해 형성되는 커넥터는 그 이후에 몰드로부터 제거될 수 있다. 또는, 본체는 사출 성형에 의해 형성될 수 있으며 그 이후에 전도성 부재들이 도입될 수 있다(예를 들어, 몰드는 전도성 부재들이 삽입될 수 있거나 그렇지 않으면 도입될 수 있는 본체에 있는 개구부들을 제공하기 위해 구성될 수 있거나 본체가 솔리드 형상으로 몰딩될 수 있으며 그에 전도성 부재들을 위한 개구부들이 기계 가공이나 드릴링 또는 이와 유사한 것에 의해 형성될 수 있다).

본체는 전기 커넥터 및 광섬유 커넥터로 사용하기 위해 본 기술분야에서 알려지고 개발된 형태들을 포함하지만, 이들에 한정되지는 않는, 어떤 원하는 현태를 가질 수 있다. 본 발명은 커넥터가 고온 조건에 노출될 때 형상들이 보통 비틀림이나 변형에 두드러지게 영향을 받기 쉬울 수 있는 것과 같은, 단면이 비교적 얇으며/얇거나 좁거나, 단면이 비교적 얇으며/얇거나 좁은 형상이나 섹션을 가지는 본체(예를 들면, 본체가 비교적 가늘고 좁은 하나 이상의 섹션이나 부분뿐만 아니라 비교적 두껍고 넓은 하나 이상의 섹션이나 부분을 포함하는)를 가지는 커넥터를 제조하는데 사용하기에 특히 적합하다. 더구나, 미네랄 나노튜브의 도입이 폴리에테르케톤케톤의 유동 거동을 개선시키기 때문에, 이와 같은 형상들의 몰딩은 본 발명의 폴리머 조성물의 사용에 의해 용이해진다.

광섬유 커넥터에서, 폴리머 조성물은 본체를 구성하는 하나 이상의 상이한 부품들에 이용될 수 있다. 예를 들어, 본체는 커넥터 하우징과 페룰 모두를 포함할 수 있으며, 페룰은 광섬유를 유지하고 둘러싸며 커넥터 하우징은 페룰을 유지하고 둘러싼다. 커넥터 하우징과 페룰 중의 하나 또는 모두는 본 발명에 따라 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브를 포함하는 폴리머 조성물을 사용하여 제조될 수 있다.

전도성 부재들은 요구되는 타입의 연결부에 따라 본 기술분야에서 알려진 어떤 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 커넥터가 전기 커넥터로 사용되는 경우에, 전도성 부재는 니켈 합금들, 강철 합금들, 구리 합금들, 크롬 니켈 합금들, 알루미늄 합금들, 및 은 합금들과 같은 금속들과 금속 합금들을 포함하는, 금속이나 금속 합금으로 이루어질 수 있다. 전기 전도성 부재는 하나의 이와 같은 재료로 이루어질 수 있거나 하나 이상의 이와 같은 재료를 함유할 수 있다. 예를 들어, 전도성 부재는 제1 전기 전도성 재료로 이루어질 수 있으며 (이의 표면의 일부분이나 부분들 및 이의 전체 표면에 걸쳐) 하나 이상의 상이한 전기 전도성 재료들로 도금되거나 코팅될 수 있다. 커넥터가 광섬유 커넥터로 사용되는 경우에, 전도성 부재가 유리, 플라스틱 또는 광을 전달하는데 적합한 다른 재료로 이루어질 수 있다. 광섬유는 일반적으로 유리 또는 플라스틱 코어, 코어보다 더 낮은 굴절률을 가지는 유리 또는 플라스틱 클래딩, 및 버퍼(아크릴레이트와 같은 보호 외부 코팅)로 이루어지며, 클래딩은 전체 내부 반사의 방법을 사용함으로써 코어를 따라 광을 안내한다. 싱글 모드뿐만 아니라 멀티 모드 광섬유들이 전도성 부재로 사용될 수 있다. 전도성 부재가 기체 또는 액체를 전달하거나 운반하는데 사용되는 경우에, 일반적으로 전도성 부재는 플라스틱이나 금속과 같은 어떤 적당한 재료로 구성될 수 있는 중공 튜브 또는 파이프의 형태일 것이다. 일반적으로 말해서, 전도성 부재들은 가늘고 긴 형상이며(즉, 일반적으로 전도성 부재의 직경보다 적어도 몇 배 큰 길이를 가지며) 적어도 본체의 제1 표면에서부터 본체의 제2 표면까지 연장될 만큼 충분히 길다(즉, 전도성 부재들이 본체를 통과한다). 이전에 언급된 바와 같이, 각각의 전도성 부재의 일 단부나 양 단부는 핀을 형성하기 위해 본체 표면으로부터 돌출될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 전도성 부재는 일체이지만 다른 실시예에서 개개의 전도성 부재는 상호 연결되는 두 개 이상의 부분들이나 섹션들로 이루어질 수 있다. 제1 표면과 제2 표면은 서로 평행할 수 있거나, 서로에 수직일 수 있거나, 커넥터에 대해 의도된 특정한 적용에 따라 요구될 수 있는 바와 같이, 서로에 대하여 몇몇 다른 형태를 가질 수 있다. 따라서, 전도성 부재들은 직선이거나, 굽혀지거나, 각을 형성하거나, 곡선이거나 어떤 다른 적당한 형상을 가질 수 있으며, 강성이 있거나 유연할 수 있다. 본체 당 전도성 부재들의 수는 원하는 대로 변경될 수 있다.

본체에 더하여, 커넥터의 하나 이상의 다른 구성요소들이, 특히 이와 같이 다른 구성요소들이 고온에 대해 유사하게 노출되며 이와 같은 조건 하에 이 구성요소들의 치수 안정성을 유지하는 것이 바람직한 경우에, 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브로 이루어지는 위에서 설명된 폴리머 조성물을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 커넥터 몸체를 다른 커넥터 몸체에 또는 광섬유 트랜스미터나 리시버에 결합하기 위해 광섬유(예를 들어, 커넥터 몸체)를 지지하는 본체와 조합하여 사용되는 커플링 장치 또는 정렬 슬리브 또는 피드-스루 벌크헤드 어댑터는 폴리머 조성물을 사용하는 사출 성형과 같은 몰딩 기법에 의해 원하는 형태와 치수의 형상으로 만들어질 수 있다.

실시예들:

실시예 1, 전기 적용을 위한 비전도성 커넥터: 1000 g의 폴리에테르케톤케톤(Oxford Performance materials로부터 생산된 OXPEKK C)과 10 내지 200 g의 비전도성 미네랄 나노튜브, 또는 5 내지 약 10 g의 탄소 나노튜브가, 수조에서 냉각되며 1/8" x 1/4" 펠릿으로 잘게 절단되는 1/8" 스트랜드를 만들기 위해, 365℃(피드 단부) 내지 다이의 375℃의 온도에서 작동되는 트윈 스크루 Killion 27 mm 역-회전 압출기를 사용하여 혼합된다. 건조 후에, 6 내지 8 시간 동안 약 120℃에서, 전기 커넥터를 제조하기에 적합한 몰드에 결합된 28 또는 40 톤 Arburg 사출 성형기에 펠릿이 공급된다. 성형기의 배럴과 스크루는 318℃(배면) 내지 노즐의 327℃로 가열되는 반면에 몰드는 150과 175℃ 사이로 유지된다. 전도성 부재는 원하는 위치와 형태로 몰드에 배치될 것이며 유동 가능한 용융물의 PEKK/미네랄 조성물이 전도성 부재들의 적어도 일부분의 길이를 둘러싸며, 동시에 전도성 부재들의 단부들을 접근 가능하게 남기기 위해 폴리머 조성물로 몰드를 채우기에 충분한, 15,000과 20,000 psi 사이의 압력으로 몰드에 도입될 것이다. 그 다음에 몰딩된 커넥터는 커넥터를 형성하기 위해 PEKK/나노튜브 조성물을 고형화하는데 효과적인 온도까지 냉각된다. 그 다음에 커넥터는 몰드로부터 제거된다.

미네랄 나노튜브의 함량은 원하는 몰드를 완전히 채우는 용융물을 제공하기 위해 보여진 범위의 내에서 조절되며 가공된 부분에서 최적의 강성을 제공한다. 더 큰 부하는 더 큰 강성이 있는 부분들을 제공할 것이지만 또한 얇은 섹션들을 가지는 몰드를 적절하게 채울 수 없는 더 강성이 있는 용융물을 제공할 것이다.

실시예 2, 비전도성 적용을 위한 전기산일성 커넥터: 1000 g의 OXPEKK C와 20 내지 약 30 또는 40 g의 탄소 나노튜브가 혼합되며 적용에 적합한 몰드를 사용하여, 실시예 1과 같이 몰딩된다. 이 몰드는 삽입된 전도성 부재들을 가지지 않을 것이지만 케이블 재킷, 또는 커넥터의 다른 부분들 및 그라운딩 장치에 전기 산일성 연결부를 제공할 수 있을 것이다. 탄소 나노튜브와 PEKK의 용융 혼합물과 사출 성형 모두의 조건은 실시예 1과 유사하다.

Claims

하나 이상의 전도성 부재들을 지지하며 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어지는 절연 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 부재들은 광섬유들인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 부재들은 전기 전도성 부재들인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 부재들은 전기 전도성 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 부재들은 기체나 액체를 운반할 수 있는 중공 튜브의 형태인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 절연 본체는 전기 전도성 부재들의 배열을 지지하는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 미네랄 나노튜브들은 주기율표의 IIIa, IVa 및 Va 족의 원소들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 폴리머 조성물은 0.01 내지 30 중량 퍼센트의 미네랄 나노튜브들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 폴리머 조성물은 5 내지 20 중량 퍼센트의 미네랄 나노튜브들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 폴리에테르케톤케톤은 반결정인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 폴리에테르케톤케톤은 70:30 내지 90:10의 T:I 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 전도성 부재들의 적어도 일부분은 상기 본체의 표면으로부터 돌출되는 단부들을 가지는 전기 전도성 부재들인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항에 있어서,
상기 커넥터는 상기 본체를 관통하는 하나 이상의 전기 전도성 부재들을 포함하며 각각의 상기 전기 전도성 부재들은 일 단부에 전기 요소에 연결하기 위한 연결 부분 및 타 단부에 전도체에 연결하기 위한 터미널 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 커넥터.
제13항에 있어서,
상기 터미널 부분들은 핀들의 형태인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제13항에 있어서,
상기 연결 부분들은 핀들을 받아들일 수 있는 리세스들인 것을 특징으로 하는 커넥터.
제1항의 상기 커넥터를 제조하는 방법으로서,
상기 방법은:
몰드의 내부에 원하는 위치와 형태로 지지되는 하나 이상의 전도성 부재들을 제공하는 단계,
폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들로 이루어지는 유동 가능하며 가열된 폴리머 조성물을 상기 몰드 내로 도입하는 단계,
상기 전도성 부재들의 길이의 적어도 일부분을 둘러싸면서 상기 전도성 부재들의 단부들은 접근 가능하게 남도록 상기 폴리머 조성물로 상기 몰드를 채우는 단계,
상기 폴리머 조성물을 고형화하고 상기 커넥터를 형성하는데 효과적인 온도까지 상기 폴리머 조성물을 냉각시키는 단계, 및
상기 커넥터를 상기 몰드로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커넥터를 제조하는 방법.
인쇄 회로 기판과 제1항의 상기 커넥터를 포함하는 어셈블리로서,
상기 커넥터는 전기 전도성 접점들의 배열을 지지하는 전기 절연 본체를 포함하며,
상기 전기 전도성 접점들은 상기 인쇄 회로 기판의 위에 있는 전도체들에 솔더링되며 상기 전기 절연 본체는 폴리에테르케톤케톤과 미네랄 나노튜브들을 포함하는 폴리머 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
제17항에 있어서,
상기 전도체들은 상기 인쇄 회로 기판에 있는 리세스들의 형태이며 상기 전기 전도성 접점들은 상기 리세스들로 삽입되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
제17항에 있어서,
상기 고형 솔더나 솔더 페이스트는 무연인 것을 특징으로 하는 어셈블리.