Analysis of Contact Resistance Change of Embroidered Interconnections

Diplomarbeit von Erik Simon

Einleitung:

Integration von Elektronik in Textilien ist ein Thema, das zunehmend in den Blickpunkt verschiedener Forschungsinstitute und Unternehmen rückt. Für diese sehr aktuelle Technik werden allerdings bisher nur herkömmliche Methoden der Verdrahtung verwendet. Um die Beschaffenheit eines Textils nicht zu verändern, und damit den Tragekomfort und das Erscheinungsbild nicht negativ zu beeinflussen, müssen neue Technologien verwendet werden.

Ein Ansatz ist die Verwendung von gesticktem, elektrisch leitfähigem Garn. Dieses hat die gleichen mechanischen Eigenschaften wie herkömmliche Garne und stellt damit keinen Fremdkörper in einem Textil dar. Zusätzlich leitet es den elektrischen Strom und kann direkt durch Sticken mit einem elektronischen Modul verbunden werden. Dadurch dient das Garn als elektrischer Leiter für Signale und kann gleichzeitig eine Verbindung zu elektronischen Modulen herstellen.

In vorangegangenen Forschungsprojekten wurde die Machbarkeit und Zuverlässigkeit von gestickten Kontakten untersucht. Es hat sich gezeigt, dass das Ankontaktieren und Verbinden von Substraten mit elektrisch leitfähigen Fäden eine mögliche Alternative zu den herkömmlichen Verdrahtungstechniken darstellt. Allerdings zeigten sich starke Schwankungen und auch Ausfälle der gemessenen Kontakwiderstände während der Zuverlässigkeitstests.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Ursachen der Widerstandschwankungen und Ausfälle von gestickten Kontakten. Ziel ist es, diese zu analysieren und gezielt Verbesserungsvorschläge zu machen. Die erhöhte Zuverlässigkeit der verbesserten Kontakte soll abschließend im Experiment validiert werden.

Anfangs werden die thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften des verwendeten Garns analysiert und der Zusammenhang beider Größen erläutert. Dies geschieht auf Basis von thermomechanischen Analysen und Widerstandsmessungen, sowohl bei konstanter Temperatur als auch im Temperaturzyklentest. Weiterhin werden die gestickten Kontakte betrachtet. Das verwendete Messverfahren und ein theoretisches Modell des Kontaktwiderstands werden vorgestellt. Um die Einflussgrößen des gestickten Kontakts zu reduzieren, wird ein vereinfachtes physikalisches Modell eingeführt. Beide Strukturen werden anschließend in Temperaturzyklentests mit In-situ-Messsystemen untersucht. Die Ergebnisse des Experiments zeigen, dass sich der Widerstand der Kontakte anfangs verbessert, dann aber mit der Zeit verschlechtert. Die Degradation führt bis hin zum Ausfall. Dies kann auf die besonderen Eigenschaften des Garns zurückgeführt werden. Die beteiligten Effekte eines negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten, reversibler und irreversibler Schrumpf sowie Kriech- und Relaxationseffekte sind dafür verantwortlich.

Es wird geschlussfolgert, dass die getesteten Kontakte keine ausreichende Zuverlässigkeit in den Temperaturzyklentests zeigen. Auf Grundlage der gewonnenen Kenntnisse werden verschiedene Verbesserungsmaßnahmen vorgeschlagen und deren Zuverlässigkeit getestet. Abschließend wird gezeigt, dass Widerstandsschwankungen durch die Verbesserungen sehr stark begrenzt werden können. Somit ist es möglich, gestickte Kontakte mit hoher Zuverlässigkeit herzustellen.

Table of Contents:

Text Sample:

Chapter 5.8, Configuration of Shieldex:

(…) The yarn is fully manufactured as a typical Nylon yarn. For confidential reasons, however, no detailed information by the manufacturer is available. Statex then carries out the coating process on the twisted and plied yarn. The resulting layer consists of 99 % pure silver. K. Bertuleit who is the founder of Statex is claiming in to have found a new method for silver-coating. Polyamide fibers are used as core material because of their rough surface. They give an advantage over the smoother surfaces of polyester and polystyrol fibers because the silver particles would anchor in the rough surface and increase the adhesion. The exact process is not known but from personal communications with Statex, it is evident that they are using an electroless plating process. The yarn is metalized after the twisting process still giving homogeneously coated fibers. Additionally, it is known that the silver layer thickness is limited which points out that the used process is not an autocatalytic reaction. An electroless plating process of silver has been presented in. The amount of silver on each fiber can be calculated from the given linear densities from the datasheet as has been done in. The result of 123 µg/m on a single fiber would result in a very thin film of about 62 nm. Measurements with an electron microscope, however, show thicknesses in the range of about 100 nm. Hence, the layer must be either porous or no pure silver is applied. An investigation on the configuration of the silver layer and how its structure changes due to different conditions is currently done in another study. A cross-section view taken with an electron microscope is shown in. Part (a) of the figure shows a sketch of how the images were taken. It assists in interpreting what can be seen in pictures (b) and (c). Figure (c) is the magnified detail ‘A’ from (b). Preparation of the fiber has been done using a Focused Ion Beam (FIB). At first, a thin platinum layer is deposited locally on the fiber to enhance the smoothness of the cutting edge. Then a trench is milled in the fiber surface. To be able to see the cross-section of the silver layer the sample is tilted by 54°. Hence, the scale in y-direction needs to be cosine corrected.

In b and even better in…, one can see the rather rough surface of the Shieldex yarn. Grooves, which are introduced by the drawing process of the polyamide, are clearly visible. In the detailed picture, it is evident that the silver layer is not homogenous at all, but rather consists of a partially connected structure of silver conglomerates. These vary, as can be seen, widely in their thickness. In the shown example, the smallest silver particles have extensions less than 50 nm. The largest, however, reach to about 200 nm. As the high variance in the shown detail reveals, even much smaller and much larger particles can be expected to be found on a fiber. In addition, no deep linkages to the polyamide surface are visible, as described in. The contact areas are rather small and do not imply a high adhesion of the silver layer. Another detailed image, taken at a right angle to the fiber surface, confirms the statement of the inhomogeneous silver layer.