Νανοαγώγιμες κόλλες για ηλεκτρονικά υψηλών επιδόσεων

Οι διασπορείς υπερήχων χρησιμοποιούνται ως αξιόπιστη τεχνική ανάμειξης και άλεσης στην παραγωγή κολλών υψηλών επιδόσεων για ηλεκτρονικά και νανοηλεκτρονικά υψηλών επιδόσεων. Στην παραγωγή ηλεκτρονικών υψηλών επιδόσεων, κόλλες όπως οι νανοαγώγιμες κόλλες έχουν μεγάλη ζήτηση. Τέτοιες κόλλες υψηλών επιδόσεων χρησιμοποιούνται π.χ. ως εναλλακτικές διασυνδέσεις και μπορούν να αντικαταστήσουν το κράμα συγκόλλησης κασσιτέρου/μολύβδου.

Κόλλες υψηλών επιδόσεων για ηλεκτρονικά υψηλών επιδόσεων

Για την παραγωγή ηλεκτρονικών υψηλών επιδόσεων απαιτούνται κόλλες με υψηλή πρόσφυση στα μέταλλα και θερμική αγωγιμότητα για θερμική αποσύζευξη και μόνωση. Νανοσωματίδια όπως ο άργυρος, το νικέλιο, το γραφένιο, το οξείδιο του γραφενίου και οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) ενσωματώνονται συχνά σε εποξειδικές ρητίνες και πολυμερή για την επίτευξη των επιθυμητών λειτουργικών ιδιοτήτων, όπως ηλεκτρική αγωγιμότητα ή μόνωση, θερμική αγωγιμότητα, αντοχή σε εφελκυσμό, μέτρο ελαστικότητας Young και ευκαμψία. Οι κόλλες υψηλών επιδόσεων που αναπτύσσονται για ηλεκτρονικά υψηλών επιδόσεων χρησιμοποιούν μεταλλικά πληρωτικά υλικά (όπως νανοσωματίδια αργύρου, χρυσού, νικελίου ή χαλκού) για να παρέχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα. Για να αξιοποιηθούν οι εξαιρετικές ιδιότητες αυτών των υλικών, το μέγεθός τους πρέπει να μειωθεί στη νανοκλίμακα. Καθώς η μείωση του μεγέθους και η διασπορά των νανοσωματιδίων αποτελούν απαιτητικό έργο, μια ισχυρή τεχνολογία άλεσης και διασποράς είναι καθοριστική για επιτυχημένες συνθέσεις κολλών.

Η διασπορά με υπερήχους προσφέρει διάφορα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνικές ανάμειξης και άλεσης. Χάρη στην αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητά της, η κατεργασία με υπερήχους έχει καθιερωθεί στην επεξεργασία νανοϋλικών και χρησιμοποιείται σε κάθε βιομηχανικό κλάδο όπου νανοσωματίδια συντίθενται ή/και ενσωματώνονται σε υγρά. Επομένως, η κατεργασία με υπερήχους αποτελεί την ιδανική τεχνική για την παραγωγή νανοαγώγιμων κολλών που περιέχουν νανοπληρωτικά υλικά, όπως νανοσωματίδια, νανοσύρματα ή νανοσωλήνες άνθρακα και μονοστιβάδες γραφενίου (νανοφύλλα).
ECAs: Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η παρασκευή ηλεκτρικά αγώγιμων κολλών (ECAs), οι οποίες είναι σύνθετα υλικά αποτελούμενα από μια πολυμερική μήτρα και ηλεκτρικά αγώγιμα πληρωτικά υλικά. Για την παρασκευή μιας κόλλας υψηλών επιδόσεων για ηλεκτρονικές εφαρμογές, μια πολυμερική ρητίνη (π.χ. εποξειδική ρητίνη, σιλικόνη, πολυϊμίδιο) πρέπει να παρέχει φυσικές και μηχανικές λειτουργικές ιδιότητες, όπως πρόσφυση, μηχανική αντοχή και αντοχή σε κρούση, ενώ το μεταλλικό πληρωτικό υλικό (π.χ. νανοάργυρος, νανοχρυσός, νανονικέλιο ή νανοχαλκός) προσδίδει ανώτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Για κόλλες με μονωτικές ιδιότητες, πληρωτικά υλικά με βάση ορυκτά ενσωματώνονται στο σύνθετο συγκολλητικό υλικό.

Πριν και μετά την κατεργασία με υπερήχους: Η πράσινη καμπύλη δείχνει το μέγεθος των σωματιδίων πριν από την κατεργασία με υπερήχους, ενώ η κόκκινη καμπύλη απεικονίζει την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων διοξειδίου του πυριτίου που έχουν διασπαρεί με υπερήχους.

Διασπορά νανοϋλικών σε παχύρρευστες κόλλες με υπερήχους

Οι ομογενοποιητές υπερήχων είναι πολύ αποτελεσματικοί όταν απαιτείται αξιόπιστη μείωση του μεγέθους συσσωματωμάτων, συσσωματώσεων και ακόμη και πρωτογενών σωματιδίων. Το πλεονέκτημα των αναμεικτήρων υπερήχων είναι η ικανότητά τους να αλέθουν σωματίδια ώστε να αποκτούν μικρότερο και πιο ομοιόμορφο μέγεθος, είτε το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα της διεργασίας είναι μικροσωματίδια είτε νανοσωματίδια. Ενώ άλλες τεχνολογίες, όπως αναμεικτήρες με πτερύγια ή ρότορα-στάτορα, ομογενοποιητές υψηλής πίεσης, μύλοι σφαιριδίων κ.λπ., παρουσιάζουν μειονεκτήματα όπως αδυναμία παραγωγής ομοιόμορφα μικρών νανοσωματιδίων, επιμόλυνση από τα μέσα άλεσης, φραγμένα ακροφύσια και υψηλή κατανάλωση ενέργειας, οι διασπορείς υπερήχων βασίζονται στην αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης. Έχει αποδειχθεί ότι η σπηλαίωση που παράγεται από υπερήχους είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική, ενεργειακά αποδοτική και ικανή να διασπείρει ακόμη και υλικά πολύ υψηλού ιξώδους, όπως πάστες με νανοσωματίδια.

Πώς λειτουργεί η διασπορά με υπερήχους;

Οι δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από τη σπηλαίωση και τα ρεύματα υγρού επιταχύνουν τα σωματίδια, με αποτέλεσμα αυτά να συγκρούονται μεταξύ τους. Αυτό είναι γνωστό ως διασωματιδιακή σύγκρουση. Τα ίδια τα σωματίδια λειτουργούν ως μέσο άλεσης, αποτρέποντας έτσι την επιμόλυνση από σφαιρίδια άλεσης και την επακόλουθη διαδικασία διαχωρισμού, η οποία είναι απαραίτητη όταν χρησιμοποιούνται συμβατικοί μύλοι σφαιριδίων. Καθώς τα σωματίδια θρυμματίζονται μέσω διασωματιδιακών συγκρούσεων σε πολύ υψηλές ταχύτητες έως και 280m/sec, ασκούνται πάνω τους εξαιρετικά υψηλές δυνάμεις, με αποτέλεσμα να διασπώνται σε πολύ μικρά θραύσματα. Η τριβή και η διάβρωση προσδίδουν σε αυτά τα θραύσματα σωματιδίων στιλβωμένη επιφάνεια και ομοιόμορφο σχήμα. Ο συνδυασμός των δυνάμεων διάτμησης και των διασωματιδιακών συγκρούσεων προσδίδει στην ομογενοποίηση και τη διασπορά με υπερήχους συγκριτικό πλεονέκτημα, παρέχοντας εξαιρετικά ομοιογενή κολλοειδή αιωρήματα και διασπορές!
Ένα ακόμη όφελος των υψηλών δυνάμεων διάτμησης που παράγονται από τους υπερήχους είναι το φαινόμενο της μείωσης του ιξώδους υπό διάτμηση. Για παράδειγμα, εποξειδικές ρητίνες που παρασκευάζονται με υπερήχους και περιέχουν οξειδωμένους CNTs παρουσιάζουν συμπεριφορά μείωσης του ιξώδους υπό διάτμηση. Καθώς το φαινόμενο αυτό μειώνει προσωρινά το ιξώδες του ρευστού, διευκολύνεται η επεξεργασία παχύρρευστων σύνθετων υλικών.

Μια ακολουθία καρέ υψηλής ταχύτητας (από a έως f) που απεικονίζει την ηχομηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη σε νερό με χρήση του UP200S, μιας συσκευής υπερήχων 200W με ηχοτρόδιο 3-mm. Τα βέλη δείχνουν το σημείο διαχωρισμού (απολέπισης), με φυσαλίδες σπηλαίωσης να διεισδύουν στη σχισμή.
(Μελέτη και εικόνες:© Tyurnina et al. 2020)

Σύγκριση διαφορετικών νανοπληρωτικών υλικών διασπαρμένων σε σκληρυντή (κατεργασία με υπερήχους–US): (a) 0,5 wt% νανοΐνες άνθρακα (CNF)· (b) 0,5 wt% CNToxi· (c) 0,5 wt% νανοσωλήνες άνθρακα (CNT)· (d) 0,5 wt% μερικώς διασπαρμένοι CNT.
(Μελέτη και εικόνα: © Zanghellini et al., 2021)

Συσκευές υπερήχων υψηλής ισχύος για την παρασκευή κολλών υψηλών επιδόσεων

Η Hielscher Ultrasonics ειδικεύεται στον εξοπλισμό υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία υγρών και πολφών. Οι διασπορείς υπερήχων επιτρέπουν την επεξεργασία υλικών πολύ υψηλού ιξώδους, όπως ρητίνες με υψηλή περιεκτικότητα σε πληρωτικά υλικά, και εξασφαλίζουν την ομοιόμορφη κατανομή των νανοϋλικών μέσα στα σύνθετα υλικά.
Ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας υπερήχων, όπως το πλάτος ταλάντωσης, η εισαγόμενη ενέργεια, η θερμοκρασία, η πίεση και ο χρόνος, επιτρέπει την προσαρμογή των κολλών στην κλίμακα των νανομέτρων.
Είτε η σύνθεσή σας απαιτεί τη διασπορά οργανικών είτε ανόργανων νανοπληρωτικών υλικών, όπως νανοσωλήνων, νανοκρυστάλλων κυτταρίνης (CNCs), νανοϊνών ή νανομετάλλων, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει την ιδανική διάταξη υπερήχων για τη σύνθεση της κόλλας σας.
Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης και είναι ικανοί να αποσυσσωματώνουν και να διασπείρουν νανοϋλικά ακόμη και σε πολύ υψηλά ιξώδη. Πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm μπορούν εύκολα να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7.
Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher αναγνωρίζονται για την ποιότητα, την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητά τους. Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και είναι εύχρηστες. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις UL, CSA και RoHs.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: