Nano-Leitfähige Klebstoffe für Hochleistungselektronik

Ultraschalldispergierer werden als zuverlässige Misch- und Mahltechnik bei der Herstellung von Hochleistungsklebstoffen für die Hochleistungselektronik und Nanoelektronik eingesetzt. Bei der Herstellung von Hochleistungselektronik sind Klebstoffe wie z.B. nano-leitfähige Klebstoffe sehr gefragt. Solche Hochleistungsklebstoffe werden z. B. als alternative Interconnect Verbindungselemente eingesetzt und können Zinn/Blei-Lot ersetzen.

Hochleistungsklebstoffe für Hochleistungselektronik

Für die Herstellung von Hochleistungselektronik werden Klebstoffe mit hoher Metallhaftung und Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeentkopplung sowie Isolierung benötigt. Nanopartikel wie Silber, Nickel, Graphen, Graphenoxid und Kohlenstoffnanoröhren (CNT) werden häufig in Epoxidharze und Polymere eingearbeitet, um die gewünschten funktionellen Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit oder Isolierung, Wärmeleitfähigkeit, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Flexibilität zu erzielen. In Hochleistungs-Klebstoffen, die für die Hochleistungselektronik entwickelt wurden, werden Metallfüllstoffe (wie Silber-, Gold-, Nickel- oder Kupfer-Nanopartikel) verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Um die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialien in vollem Umfang ausschöpfen zu können, muss deren Größe auf Nanomaßstab reduziert werden. Da die Vermahlung und Dispersion von Nanopartikeln eine schwierige Aufgabe ist, ist eine leistungsfähige Mahl- und Dispergiertechnologie der Schlüssel für erfolgreiche Klebstoffformulierungen.

Das Dispergieren mit Ultraschall bietet im Vergleich zu herkömmlichen Misch- und Mahltechniken zahlreiche Vorteile. Aufgrund seiner Zuverlässigkeit und Effektivität hat sich die Beschallung bei der Verarbeitung von Nanomaterialien etabliert und ist in allen Branchen zu finden, in denen Nanopartikel synthetisiert und/oder in Flüssigkeiten eingearbeitet werden. Die Ultraschallbehandlung ist daher die ideale Technik für die Herstellung von nanoleitfähigen Klebstoffen, welche Nanofüllstoffe wie Nanopartikel, Nanodrähte oder Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen-Monolagen (Nanoblätter) enthalten.
ECAs: Ein herausragendes Beispiel ist die Formulierung elektrisch leitfähiger Klebstoffe (ECAs), welche aus einer Polymermatrix und elektrisch leitfähigen Füllstoffen bestehen. Um einen Hochleistungsklebstoff für elektronische Anwendungen zu formulieren, muss ein Polymerharz (z. B. Epoxid, Silikon, Polyimid) physikalische und mechanische Eigenschaften wie Haftung, mechanische Festigkeit und Schlagzähigkeit aufweisen, während der metallische Füllstoff (z. B. Nano-Silber, Nano-Gold, Nano-Nickel oder Nano-Kupfer) eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit erzeugt. Für Klebstoffe mit isolierenden Eigenschaften werden Füllstoffe auf Mineralbasis in den Klebstoffverbund eingearbeitet.

Partikelgrößenverteilung VOR (grün) und NACH (rot) der Ultraschalldispergierung: die grüne Kurve zeigt die Partikelgröße vor der Beschallung, die rote Kurve ist die Korngrößenverteilung des ultraschall-dispergierten Silicas.

Ultraschalldispergierung von Nanomaterialien in viskosen Klebstoffen

Ultraschallhomogenisatoren sind sehr effizient, wenn Partikelagglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel zuverlässig zerkleinert werden müssen. Der Vorteil von Ultraschallmischern liegt in ihrer Fähigkeit, Partikel auf eine sehr kleine und einheitliche Partikelgrößen zu zerkleinern. Die Steuerung der Prozessparameter erlaubt zuverlässig, entweder Mikron- oder Nanopartikel als Prozessergebnis zu erzeugen. Während andere Technologien wie Schaufel- oder Rotor-Stator-Mischer, Hochdruckhomogenisatoren, Perlmühlen usw. zahlreiche Nachteile aufweisen, - wie z. B. die limitierte Fähigkeit, gleichmäßig kleine Nanopartikel zu erzeugen, Verunreinigungen durch Mahlmedien, verstopfte Düsen und hohen Energieverbrauch -, nutzen Ultraschalldispergierer das Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Die durch Ultraschall erzeugte Kavitation hat sich als hochwirksam und energieeffizient erwiesen und ist in der Lage, selbst hochviskose Materialien wie mit Nanopartikeln beladene Pasten zu dispergieren.

Wie funktioniert das Dispergieren mit Ultraschall?

Kavitations-generierte Scherkräfte und Flüssigkeitsströme beschleunigen Partikel in solchem Ausmaß, dass sie heftig miteinander kollidieren. Dies wird als Interpartikelkollision bezeichnet. Die Partikel selbst fungieren als Mahlmedium, wodurch die Kontamination durch Mahlperlen und der anschließende Trennungsprozess, der bei der Verwendung herkömmlicher Perlmühlen erforderlich ist, vermieden wird. Dass die Partikel bei sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 280 m/s durch die Kollision aufgebrochen werden, zeigt welch außerordentlich hohe Kräfte der Ultraschall auf die Partikel hat. Daher ist das ultraschall-basierte Mahlen und Desagglomerieren eine hoch-effektive Methode, um Partikel gleichmäßig in kleinste Fraktionen aufzubrechen. Neben der Kollision sorgen Reibung und Erosion dafür, dass die Partikelfragmente eine polierte Oberfläche sowie eine gleichmäßige Form erhalten. Die Kombination von Scherkräften und Partikelkollisionen ist der besondere Vorteil der Ultraschallhomogenisierung und -dispergierung, wodurch sehr homogene kolloidale Suspensionen und Dispersionen produziert werden!
Ein weiterer Vorteil der durch Ultraschall erzeugten hohen Scherkräfte ist der Effekt der Scherverdünnung. Mit oxidierten CNTs gefüllte und mit Ultraschall homogenisierte Epoxidharze zeigen beispielsweise ein scherverdünnendes Verhalten. Da die Scherverdünnung die Viskosität der Flüssigkeit vorübergehend senkt, wird die Verarbeitung von zähflüssigen Verbundwerkstoffen erleichtert.

Eine Hochgeschwindigkeitssequenz (von a bis f) von Einzelbildern zur Veranschaulichung der ultraschall-basierten (sonomechanischen) Exfolierung einer Graphitflocke in Wasser mit dem UP200S, einem 200-W-Ultraschallgerät mit 3-mm-Sonotrode. Die Pfeile zeigen den Ort der Spaltung (Exfoliation) mit Kavitationsblasen, welche in die Spaltung eindringen.
(Studie und Bilder: © Tyurnina et al. 2020)

Vergleich verschiedener in Härter dispergierter Nanofüllstoffe (Ultraschall-US): (a) 0,5 Gew.-% Kohlenstoff-Nanofaser (CNF); (b) 0,5 Gew.-% CNToxi; (c) 0,5 Gew.-% Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT); (d) 0,5 Gew.-% CNT halbdispers.
(Studie und Bild: © Zanghellini et al., 2021)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Formulierung von Hochleistungsklebstoffen

Hielscher Ultrasonics ist Spezialist, wenn es um Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Verarbeitung von Flüssigkeiten und Slurries geht. Ultraschall-Dispergierer ermöglichen die Verarbeitung von hochviskosen Materialien wie hochgefüllten Harzen und sorgen für die gleichmäßige Verteilung von Nanomaterialien in Verbundwerkstoffen.
Die präzise Steuerung der Ultraschallprozessparameter wie Amplitude, Energieeintrag, Temperatur, Druck und Zeit ermöglicht die maßgeschneiderte Herstellung von Klebstoffen im Nanometerbereich.
Egal ob Sie in Ihrer Formulierung organische oder anorganische Nano-Füllstoffen wie Nanoröhrchen, Cellulose-Nanokristallen (CNC), Nanofasern oder Nanometallen dispergieren wollen, Hielscher Ultrasonics hat die ideale Ultraschallanlage für Ihre Klebstoffformulierung.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern und sind in der Lage, Nanomaterialien auch bei sehr hohen Viskositäten zu deagglomerieren und zu dispergieren. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden.
Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für ihre Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit. Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: