Adhésifs nano-conducteurs pour l’électronique haute performance

Les disperseurs à ultrasons sont utilisés comme technique fiable de mélange et de broyage dans la production d’adhésifs haute performance destinés à l’électronique haute performance et à la nanoélectronique. Dans la production d’électronique haute performance, les adhésifs tels que les adhésifs nano-conducteurs sont très demandés. Ces adhésifs haute performance sont utilisés par ex. comme interconnexions alternatives et peuvent remplacer la brasure étain/plomb.

Adhésifs haute performance pour l’électronique haute performance

Pour la production d’électronique haute performance, des adhésifs présentant une forte adhérence aux métaux et une conductivité thermique élevée pour le découplage thermique et l’isolation sont nécessaires. Des nanoparticules telles que l’argent, le nickel, le graphène, l’oxyde de graphène et les nanotubes de carbone (CNT) sont fréquemment incorporées dans des résines époxy et des polymères afin d’obtenir les propriétés fonctionnelles souhaitées, telles que la conductivité électrique ou l’isolation, la conductivité thermique, la résistance à la traction, le module de 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 taille et la dispersion des nanoparticules étant une tâche exigeante, une technologie de broyage et de dispersion puissante est essentielle à la réussite des formulations adhésives.

La dispersion par ultrasons offre divers 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 se retrouve dans toute industrie où des nanoparticules sont synthétisées et/ou incorporées dans des liquides. L’ultrasonication est donc la technique idéale pour la production d’adhésifs nano-conducteurs contenant des nanocharges telles que des nanoparticules, des nanofils, ou des nanotubes de carbone et des monocouches de graphène (nanofeuillets).
ECA : Un exemple marquant est la formulation d’adhésifs électriquement conducteurs (ECA), qui sont des composites constitués d’une matrice polymère et de charges électriquement conductrices. Afin de formuler l’adhésif haute performance pour applications électroniques, une résine polymère (par ex. époxy, silicone, polyimide) doit assurer des fonctionnalités physiques et mécaniques telles que l’adhérence, la résistance mécanique et la résistance aux chocs, tandis que la charge métallique (par ex. nano-argent, nano-or, nano-nickel ou nano-cuivre) crée une conductivité électrique supérieure. Pour les adhésifs aux propriétés isolantes, des charges à base minérale sont incorporées dans le composite adhésif.

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

Dispersion par ultrasons de nanomatériaux dans des adhésifs visqueux

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très efficaces lorsque des agglomérats, des agrégats et même des particules primaires doivent être réduits en taille de manière fiable. L’avantage des mélangeurs à ultrasons réside dans leur capacité à broyer les particules jusqu’à des tailles plus petites et plus uniformes, que le résultat visé du procédé soit des microparticules ou des nanoparticules. Alors que d’autres technologies telles que les mélangeurs à pales ou rotor-stator, les homogénéisateurs haute pression, les broyeurs à billes, etc. présentent des inconvénients tels que l’incapacité à produire des nanoparticules uniformément petites, la contamination par les médias de broyage, le colmatage des buses et une consommation d’énergie élevée, les disperseurs à ultrasons reposent sur le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique. Il a été démontré que la cavitation générée par ultrasons est très efficace, économe en énergie et capable de disperser même des matériaux très visqueux tels que des pâtes chargées de nanoparticules.

Comment fonctionne la dispersion par ultrasons ?

Les forces de cisaillement dues à la cavitation et les courants de liquide 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 servent de milieu de broyage, ce qui évite la contamination par les billes de broyage ainsi que le processus de séparation ultérieur, nécessaire lorsque des broyeurs à billes conventionnels sont utilisés. Comme les particules se brisent par collision interparticulaire à des vitesses très élevées allant jusqu’à 280m/sec, des forces extraordinairement élevées s’exercent sur les particules, qui se fragmentent donc en fractions infimes. Le frottement et l’érosion confèrent à ces fragments de particules une surface polie et une forme uniforme. La combinaison des forces de cisaillement et de la collision interparticulaire donne à l’homogénéisation et à la dispersion par ultrasons l’avantage décisif de produire des suspensions et dispersions colloïdales hautement homogènes !
Un autre avantage des forces de cisaillement élevées générées par les ultrasons est l’effet de rhéofluidification (fluidification par cisaillement). Par exemple, les résines époxy préparées par ultrasons et chargées de CNT oxydés présentent un comportement rhéofluidifiant. Comme la rhéofluidification abaisse temporairement la viscosité du fluide, le traitement des composites visqueux s’en trouve facilité.

Séquence d’images à haute vitesse (de a à f) illustrant l’exfoliation sono-mécanique d’un flocon de graphite dans l’eau à l’aide de l’UP200S, un ultrasonicateur de 200W équipé d’une sonotrode de 3-mm. Les flèches indiquent l’endroit de la séparation (exfoliation), où des bulles de cavitation pénètrent dans la fente.
(Étude et images :© Tyurnina et al. 2020)

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

Ultrasonicateurs haute puissance pour la formulation d’adhésifs haute performance

Hielscher Ultrasonics est spécialiste des équipements à ultrasons haute performance pour le traitement des liquides et des boues. Les disperseurs à ultrasons permettent de traiter des matériaux très visqueux tels que des résines fortement chargées et garantissent la distribution uniforme des nanomatériaux au sein des composites.
Le contrôle précis des paramètres du procédé ultrasonique tels que l’amplitude, l’apport d’énergie, la température, la pression et la durée permet d’adapter les adhésifs dans la plage nanométrique.
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 à ultrasons idéale pour votre formulation adhésive.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir 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 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7.
Les ultrasonicateurs Hielscher sont reconnus pour leur qualité, leur fiabilité et leur robustesse. Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et accorde une importance particulière aux ultrasonicateurs haute performance dotés d’une technologie de pointe et d’une grande convivialité. Bien entendu, les ultrasonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :