Adhésifs nano-conducteurs pour l'électronique de haute performance

Les disperseurs à ultrasons sont utilisés comme technique fiable de mélange et de broyage dans la production d'adhésifs haute performance pour l'électronique haute performance et 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 exemple, comme interconnexions alternatives et peuvent remplacer les soudures à l'étain/plomb.

Adhésifs haute performance pour l'électronique haute performance

Pour la production d'électronique de haute performance, il est nécessaire d'utiliser des adhésifs à haute adhérence aux métaux et à haute 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 (CNT) sont fréquemment incorporées dans les résines époxy et les polymères pour obtenir les propriétés fonctionnelles souhaitées telles que la conductivité ou l'isolation électrique, la conductivité thermique, la résistance à la traction, le module de Young et la flexibilité. Les adhésifs 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 d'exploiter 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 de broyage et de dispersion puissante est essentielle pour réussir les formulations d'adhésifs.

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 toutes les industries où des nanoparticules sont synthétisées et/ou incorporées dans des liquides. La sonication est donc la technique idéale pour la production d'adhésifs nano-conducteurs qui contiennent des nanocharges telles que des nanoparticules, des nanofils ou des nanotubes de carbone et des monocouches de graphène (nano-feuilles).
Les OCE : La formulation d'adhésifs électriquement conducteurs (ECA), qui sont des composites constitués d'une matrice polymère et de charges électriquement conductrices, en est un exemple frappant. 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 à base de minéraux sont incorporées dans le composite adhésif.

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

Dispersion par ultrasons de nanomatériaux dans des adhésifs visqueux

Les homogénéisateurs à ultrasons sont très efficaces lorsque des agglomérats de particules, des agrégats et même des particules primaires doivent être réduits de manière fiable en taille. L'avantage des mélangeurs à ultrasons est leur capacité à réduire les particules 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 de produire des nanoparticules uniformément petites, la contamination par le milieu de broyage, l'obstruction des buses et une consommation d'énergie élevée, les disperseurs à ultrasons 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 par cavitation et les courants liquides accélèrent les particules de sorte qu'elles entrent en collision les unes avec les autres. Ce phénomène est connu sous le nom de collision interparticulaire. Les particules elles-mêmes servent de support de broyage, ce qui évite la contamination par les billes de broyage et le processus de séparation qui s'ensuit, nécessaire lors de l'utilisation de broyeurs à billes classiques. Étant donné que les particules se brisent par collision interparticulaire à des vitesses très élevées, jusqu'à 280 m/sec, des forces extraordinairement élevées s'appliquent aux particules, qui se brisent donc en fractions minuscules. Le frottement 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 par ultrasons 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 époxydes préparées par ultrasons et remplies de CNT 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 d'images à grande 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 ultrasoniseur de 200W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent le lieu de la fente (exfoliation) avec les bulles de cavitation pénétrant dans la fente.
(Étude et photos : © Tyurnina et al. 2020)

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

Ultrasons de haute puissance pour la formulation d'adhésifs de haute performance

Hielscher Ultrasonics est le spécialiste des équipements à ultrasons de 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 très chargées et d'assurer une 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 de personnaliser 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 nano-métaux, Hielscher Ultrasons a la configuration ultrasonique idéale pour votre formulation d'adhésif.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs ultrasoniques industriels 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 200µm peuvent facilement fonctionner 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 société certifiée ISO et met l'accent sur des 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 ultrasonicators: