Nanoleitfähige Klebstoffe für Hochleistungselektronik

Ultraschalldispergierer werden als zuverlässige Misch- und Mahltechnik bei der Herstellung von Hochleistungsklebstoffen für Hochleistungselektronik und Nanoelektronik eingesetzt. Bei der Herstellung von Hochleistungselektronik sind Klebstoffe wie nanoleitfähige Klebstoffe stark gefragt. Solche Hochleistungsklebstoffe werden z. B. als alternative elektrische Verbindungen eingesetzt und können Zinn-Blei-Lot ersetzen.

Hochleistungsklebstoffe für Hochleistungselektronik

Für die Herstellung von Hochleistungselektronik werden Klebstoffe mit hoher Metallhaftung und Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeentkopplung und Isolierung benötigt. Nanopartikel wie Silber, Nickel, Graphen, Graphenoxid und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) werden häufig in Epoxidharze und Polymere eingearbeitet, um die gewünschten funktionellen Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit oder Isolierung, Wärmeleitfähigkeit, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Flexibilität zu erzielen. Für die Hochleistungselektronik entwickelte Hochleistungsklebstoffe verwenden metallische Füllstoffe wie Silber-, Gold-, Nickel- oder Kupfernanopartikel, um elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Um die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialien nutzbar zu machen, muss ihre Größe auf den Nanomaßstab reduziert werden. Da die Zerkleinerung und Dispergierung von Nanopartikeln eine anspruchsvolle Aufgabe ist, ist eine leistungsfähige Mahl- und Dispergiertechnik entscheidend für erfolgreiche Klebstoffformulierungen.

Die Ultraschalldispergierung bietet gegenüber herkömmlichen Misch- und Mahlverfahren verschiedene Vorteile. Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Wirksamkeit hat sich die Beschallung bei der Verarbeitung von Nanomaterialien etabliert und wird in allen Branchen eingesetzt, in denen Nanopartikel synthetisiert und/oder in Flüssigkeiten eingearbeitet werden. Die Ultraschallbehandlung ist daher die ideale Technik zur Herstellung nanoleitfähiger Klebstoffe, die Nanofüllstoffe wie Nanopartikel, Nanodrähte oder Kohlenstoffnanoröhren und Graphenmonolagen (Nanoblätter) enthalten.
ECAs: Ein bekanntes Beispiel ist die Formulierung elektrisch leitfähiger Klebstoffe (ECAs), bei denen es sich um Verbundwerkstoffe aus einer Polymermatrix und elektrisch leitfähigen Füllstoffen handelt. Um einen Hochleistungsklebstoff für elektronische Anwendungen zu formulieren, muss ein Polymerharz (z. B. Epoxidharz, Silikon, Polyimid) physikalische und mechanische Eigenschaften wie Haftung, mechanische Festigkeit und Schlagzähigkeit aufweisen, während der metallische Füllstoff (z. B. Nanosilber, Nanogold, Nanonickel oder Nanokupfer) eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit erzeugt. Für Klebstoffe mit isolierenden Eigenschaften werden mineralische Füllstoffe in den Klebstoffverbund eingearbeitet.

Vor und nach der Beschallung: Die grüne Kurve zeigt die Partikelgröße vor der Beschallung, die rote Kurve die Partikelgrößenverteilung von ultraschalldispergiertem Siliziumdioxid.

Ultraschalldispergierung von Nanomaterialien in viskosen Klebstoffen

Ultraschallhomogenisatoren sind sehr wirksam, wenn Partikelagglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel zuverlässig zerkleinert werden müssen. Der Vorteil von Ultraschallmischern liegt in ihrer Fähigkeit, Partikel auf kleinere und gleichmäßigere Partikelgrößen zu vermahlen, unabhängig davon, ob als Prozessergebnis Mikro- oder Nanopartikel angestrebt werden. Während andere Technologien wie Flügel- oder Rotor-Stator-Mischer, Hochdruckhomogenisatoren, Perlmühlen usw. Nachteile aufweisen, etwa die Unfähigkeit, gleichmäßig kleine Nanopartikel herzustellen, Verunreinigung durch Mahlkörper, verstopfte Düsen und hohen Energieverbrauch, nutzen Ultraschalldispergierer das Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Durch Ultraschall erzeugte Kavitation hat sich als hochwirksam und energieeffizient erwiesen und ermöglicht die Dispergierung selbst hochviskoser Materialien wie mit Nanopartikeln beladener Pasten.

Wie funktioniert die Ultraschalldispergierung?

Kavitationsbedingte Scherkräfte und Flüssigkeitsströmungen beschleunigen Partikel, sodass sie miteinander kollidieren. Dies wird als interpartikuläre Kollision bezeichnet. Die Partikel selbst dienen als Mahlmedium, wodurch eine Verunreinigung durch Mahlperlen und der anschließende Abtrennungsprozess vermieden werden, der beim Einsatz herkömmlicher Perlmühlen erforderlich ist. Da die Partikel durch interpartikuläre Kollisionen bei sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 280m/sec zerbrechen, wirken außerordentlich hohe Kräfte auf sie, sodass sie in kleinste Fragmente zerfallen. Reibung und Erosion verleihen diesen Partikelfragmenten eine polierte Oberfläche und eine gleichmäßige Form. Die Kombination aus Scherkräften und interpartikulären Kollisionen verschafft der Ultraschallhomogenisierung und -dispergierung den entscheidenden Vorteil, hochhomogene kolloidale Suspensionen und Dispersionen zu erzeugen!
Ein weiterer Vorteil der durch Ultraschall erzeugten hohen Scherkräfte ist der Effekt der Scherverdünnung. Beispielsweise zeigen ultraschallbehandelte, mit oxidierten CNTs gefüllte Epoxidharze ein scherverdünnendes Verhalten. Da Scherverdünnung die Viskosität der Flüssigkeit vorübergehend senkt, erleichtert sie die Verarbeitung viskoser Verbundwerkstoffe.

Eine Hochgeschwindigkeits-Bildsequenz (von a bis f) veranschaulicht die sonomechanische Exfoliation einer Graphitflocke in Wasser mit dem UP200S, einem 200W-Ultraschallgerät mit 3-mm-Sonotrode. Pfeile zeigen die Stelle der Aufspaltung (Exfoliation), an der Kavitationsblasen in den Spalt eindringen.
(Studie und Bilder: © Tyurnina et al. 2020)

Vergleich verschiedener in Härter dispergierter Nanofüllstoffe (Ultraschallbehandlung – US): (a) 0,5 wt% Kohlenstoffnanofasern (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% Kohlenstoffnanoröhren (CNT); (d) 0,5 wt% teilweise dispergierte CNT.
(Studie und Bild: © Zanghellini et al., 2021)

Leistungsstarke Ultraschallgeräte zur Formulierung von Hochleistungsklebstoffen

Hielscher Ultrasonics ist Spezialist für leistungsstarke Ultraschallgeräte zur Verarbeitung von Flüssigkeiten und Schlämmen. Ultraschalldispergierer ermöglichen die Verarbeitung hochviskoser Materialien wie hochgefüllter Harze und gewährleisten die gleichmäßige Verteilung von Nanomaterialien in Verbundwerkstoffen.
Die präzise Steuerung von Ultraschallprozessparametern wie Amplitude, Energieeintrag, Temperatur, Druck und Zeit ermöglicht die maßgeschneiderte Gestaltung von Klebstoffen im Nanometerbereich.
Ob Ihre Formulierung die Dispergierung organischer oder anorganischer Nanofüllstoffe wie Nanoröhren, Cellulose-Nanokristalle (CNCs), Nanofasern oder Nanometalle erfordert: Hielscher Ultrasonics bietet die ideale Ultraschallanlage für Ihre Klebstoffformulierung.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen und Nanomaterialien selbst bei sehr hohen Viskositäten deagglomerieren und dispergieren. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden.
Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit bekannt. Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: