Adhésifs nanoconducteurs pour l'électronique haute performance

Les disperseurs à ultrasons sont utilisés comme technique de mélange et de broyage fiable dans la production d'adhésifs de haute performance pour l'électronique de haute performance et la nano-électronique. Dans la production d'électronique de haute performance, les adhésifs tels que les adhésifs nanoconducteurs sont très demandés. Ces adhésifs haute performance sont utilisés, par exemple, comme interconnexions alternatives et peuvent remplacer les soudures à l'étain/au plomb.

Adhésifs haute performance pour l'électronique haute performance

Pour la production d'appareils électroniques de haute performance, il est nécessaire de disposer d'adhésifs à forte adhésivité métallique et conductivité thermique pour le découplage thermique et l'isolation. Des nanoparticules telles que l'argent, le nickel, le graphène, l'oxyde de graphène et les nanotubes de carbone (NTC) sont fréquemment incorporées dans les résines époxy et les polymères pour obtenir les propriétés fonctionnelles souhaitées, telles que la conductivité électrique ou l'isolation, la conductivité thermique, la résistance à la traction, le module d'Young et la flexibilité. Les adhésifs haute performance développés pour l'électronique haute performance utilisent des charges métalliques (telles que des nanoparticules d'argent, d'or, de nickel ou de cuivre) pour assurer la conductivité électrique. Afin de libérer les propriétés extraordinaires de ces matériaux, leur taille doit être réduite à l'échelle nanométrique. La réduction de la taille et la dispersion des nanoparticules étant une tâche difficile, une technologie puissante de broyage et de dispersion est essentielle pour obtenir des formulations adhésives réussies.

La dispersion par ultrasons offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles de mélange et de broyage. En raison de sa fiabilité et de son efficacité, la sonication s'est imposée dans le traitement des nanomatériaux et peut être utilisée dans toutes les industries où des nanoparticules sont synthétisées et/ou incorporées dans des liquides. L'ultrasonication est donc la technique idéale pour la production d'adhésifs nanoconducteurs contenant des nanocharges telles que des nanoparticules, des nanofils ou des nanotubes de carbone et des monocouches de graphène (nanofeuillets).
Les OCE : Un exemple frappant est la formulation d'adhésifs conducteurs d'électricité (ECA), qui sont des composites constitués d'une matrice polymère et de charges conductrices d'électricité. Afin de formuler un adhésif haute performance pour les applications électroniques, une résine polymère (par exemple, époxy, silicone, polyimide) doit fournir des fonctionnalités physiques et mécaniques telles que l'adhésion, la résistance mécanique, la résistance aux chocs, tandis que la charge métallique (par exemple, nanoargent, nano-or, nano-nickel ou nanocuivre) crée une conductivité électrique supérieure. Pour les adhésifs ayant des propriétés isolantes, des charges minérales sont incorporées dans le composite adhésif.

Avant et après la sonication : La courbe verte montre la taille des particules avant la sonication, la courbe rouge est la distribution de la taille des particules de silice dispersée par ultrasons.

Dispersion ultrasonique de nanomatériaux dans des adhésifs visqueux

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très efficaces lorsqu'il s'agit de réduire de manière fiable la taille des agglomérats de particules, des agrégats et même des particules primaires. L'avantage des mélangeurs à ultrasons réside dans leur capacité à broyer les particules pour les réduire à des tailles plus petites et plus uniformes, qu'il s'agisse de micron ou de nanoparticules. Alors que d'autres technologies telles que les mélangeurs à pales ou à rotor-stator, les homogénéisateurs à haute pression, les broyeurs à billes, etc. présentent des inconvénients tels que l'incapacité à produire des nanoparticules uniformément petites, la contamination par les agents de broyage, l'obstruction des buses et une consommation d'énergie élevée, les disperseurs ultrasoniques utilisent le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique. La cavitation générée par les ultrasons s'est avérée très efficace, économe en énergie et capable de disperser même des matériaux très visqueux tels que les pâtes chargées de nanoparticules.

Comment fonctionne la dispersion par ultrasons ?

Les forces de cisaillement de la cavitation et les courants liquides accélèrent les particules de sorte qu'elles entrent en collision les unes avec les autres. C'est ce que l'on appelle la collision interparticulaire. Les particules elles-mêmes font office de milieu de broyage, ce qui évite la contamination par les billes de broyage et le processus de séparation qui s'ensuit, nécessaire lorsque des broyeurs à billes conventionnels sont utilisés. Étant donné que les particules se brisent par collision interparticulaire à des vitesses très élevées (jusqu'à 280 m/s), des forces extraordinairement élevées s'appliquent aux particules, qui se brisent donc en fractions minuscules. La friction et l'érosion donnent à ces fragments de particules une surface polie et une forme uniforme. La combinaison des forces de cisaillement et de la collision interparticulaire confère à l'homogénéisation et à la dispersion ultrasoniques l'avantage de produire des suspensions et des dispersions colloïdales hautement homogènes !
Un autre avantage des forces de cisaillement élevées générées par les ultrasons est l'effet d'amincissement par cisaillement. Par exemple, les résines époxy préparées par ultrasons et remplies de NTC oxydés présentent un comportement d'amincissement par cisaillement. Comme l'amincissement par cisaillement réduit temporairement la viscosité du fluide, le traitement des composites visqueux est facilité.

Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'une paillette de graphite dans l'eau à l'aide de l'UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent l'endroit de la fissuration (exfoliation) avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fissure.
(Étude et photos:© Tyurnina et al. 2020)

Comparaison de différentes nanocharges dispersées dans le durcisseur (ultrasonication-US) : (a) 0,5 % en poids de nanofibres de carbone (CNF) ; (b) 0,5 % en poids de CNToxi ; (c) 0,5 % en poids de nanotubes de carbone (CNT) ; (d) 0,5 % en poids de CNT semi-dispersés.
(Étude et photo : © Zanghellini et al., 2021)

Ultrasons haute puissance pour la formulation d'adhésifs haute performance

Hielscher Ultrasonics est le spécialiste des équipements ultrasoniques de haute performance pour le traitement des liquides et des boues. Les disperseurs à ultrasons permettent de traiter des matériaux très visqueux tels que les résines très chargées et assurent la distribution uniforme des nanomatériaux dans les composites.
Le contrôle précis des paramètres du processus ultrasonique, tels que l'amplitude, l'apport d'énergie, la température, la pression et la durée, permet d'adapter les adhésifs à l'échelle du nanomètre.
Que votre formulation nécessite la dispersion de nanocharges organiques ou inorganiques telles que des nanotubes, des nanocristaux de cellulose (CNC), des nanofibres ou des nanométaux, Hielscher Ultrasonics dispose de l'installation ultrasonique idéale pour votre formulation d'adhésif.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent délivrer des amplitudes très élevées et sont capables de désagglomérer et de disperser des nanomatériaux, même à des viscosités très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Les ultrasons Hielscher sont reconnus pour leur qualité, leur fiabilité et leur robustesse. Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :