Наноэлектропроводящие клеи для высокоэффективной электроники

Ультразвуковые диспергаторы используются как надежное средство смешивания и измельчения при производстве высокоэффективных клеев для высокоэффективной электроники и наноэлектроники. При производстве высокоэффективной электроники большим спросом пользуются такие клеи, как наноэлектропроводящие клеи. Такие высокоэффективные клеи используются, например, в качестве альтернативных межсоединений и могут заменять оловянно-свинцовый припой.

Высокоэффективные клеи для высокоэффективной электроники

Для производства высокоэффективной электроники требуются клеи с высокой адгезией к металлам и теплопроводностью для тепловой развязки и изоляции. Наночастицы серебра, никеля, графена, оксида графена и углеродные нанотрубки (CNTs) часто вводят в эпоксидные смолы и полимеры для получения желаемых функциональных свойств, таких как электропроводность или изоляция, теплопроводность, прочность при растяжении, модуль Юнга и гибкость. В высокоэффективных клеях, разработанных для высокоэффективной электроники, используются металлические наполнители (например, наночастицы серебра, золота, никеля или меди), обеспечивающие электропроводность. Чтобы раскрыть исключительные свойства этих материалов, их размер необходимо уменьшить до наномасштаба. Поскольку уменьшение размера и диспергирование наночастиц представляют собой сложную задачу, мощная технология измельчения и диспергирования является ключевым условием успешной разработки клеевых составов.

Ультразвуковое диспергирование обладает различными преимуществами по сравнению с традиционными технологиями смешивания и измельчения. Благодаря своей надежности и эффективности обработка ультразвуком прочно утвердилась в обработке наноматериалов и применяется в любой отрасли, где наночастицы синтезируют и/или вводят в жидкости. Поэтому обработка ультразвуком является идеальной технологией для производства наноэлектропроводящих клеев, содержащих нанонаполнители, такие как наночастицы, нанопроволоки или углеродные нанотрубки и монослои графена (нанолисты).
ECAs: Ярким примером является разработка составов электропроводящих клеев (ECAs), представляющих собой композиты из полимерной матрицы и электропроводящих наполнителей. Для разработки высокоэффективного клея для электроники полимерная смола (например, эпоксидная, силиконовая или полиимидная) должна обеспечивать такие физические и механические свойства, как адгезия, механическая прочность и ударная прочность, тогда как металлический наполнитель (например, наносеребро, нанозолото, наноникель или наномедь) обеспечивает превосходную электропроводность. Для получения клеев с изоляционными свойствами в клеевой композит вводят наполнители на минеральной основе.

До и после обработки ультразвуком: зеленая кривая показывает размер частиц до обработки ультразвуком, красная кривая представляет распределение по размерам частиц диоксида кремния, диспергированного ультразвуком.

Ультразвуковое диспергирование наноматериалов в вязких клеях

Ультразвуковые гомогенизаторы очень эффективны, когда необходимо надежно уменьшить размер агломератов, агрегатов и даже первичных частиц. Преимущество ультразвуковых смесителей заключается в их способности измельчать частицы до меньших и более однородных размеров независимо от того, являются ли целевым результатом процесса микро- или наночастицы. В то время как другие технологии, такие как лопастные или роторно-статорные смесители, гомогенизаторы высокого давления, бисерные мельницы и т. д., имеют такие недостатки, как неспособность получать одинаково мелкие наночастицы, загрязнение мелющими телами, засорение сопел и высокое энергопотребление, ультразвуковые диспергаторы работают на основе акустической кавитации. Доказано, что кавитация, создаваемая ультразвуком, высокоэффективна, энергоэффективна и способна диспергировать даже высоковязкие материалы, такие как пасты с наночастицами.

Как работает ультразвуковое диспергирование?

Кавитационные силы сдвига и потоки жидкости ускоряют частицы, заставляя их сталкиваться друг с другом. Это явление известно как межчастичные столкновения. Сами частицы выступают в роли мелющей среды, что позволяет избежать загрязнения мелющими шариками и последующего процесса отделения, необходимого при использовании обычных бисерных мельниц. Поскольку частицы разрушаются при межчастичных столкновениях на очень высоких скоростях до 280m/sec, на них действуют чрезвычайно большие силы, вследствие чего они распадаются на мельчайшие фрагменты. Трение и эрозия придают этим фрагментам частиц полированную поверхность и однородную форму. Сочетание сил сдвига и межчастичных столкновений обеспечивает преимущество ультразвуковой гомогенизации и диспергирования, позволяя получать высокооднородные коллоидные суспензии и дисперсии!
Еще одним преимуществом высоких сил сдвига, создаваемых ультразвуком, является эффект снижения вязкости при сдвиге. Например, эпоксидные смолы, приготовленные с помощью ультразвука и наполненные окисленными CNTs, проявляют снижение вязкости при сдвиге. Поскольку этот эффект временно снижает вязкость жидкости, обработка вязких композитов облегчается.

Последовательность кадров высокоскоростной съемки (от a до f), иллюстрирующая ультразвуковое механическое расслоение чешуйки графита в воде с помощью UP200S – ультразвукового аппарата мощностью 200W с сонотродом размером 3-mm. Стрелки показывают место расщепления (расслоения), в которое проникают кавитационные пузырьки.
(Исследование и изображения:© Tyurnina et al. 2020)

Сравнение различных нанонаполнителей, диспергированных в отвердителе (обработка ультразвуком – US): (a) 0,5 wt% углеродных нановолокон (CNF); (b) 0,5 wt% CNToxi; (c) 0,5 wt% углеродных нанотрубок (CNT); (d) 0,5 wt% частично диспергированных CNT.
(Исследование и изображение: © Zanghellini et al., 2021)

Мощные ультразвуковые аппараты для разработки высокоэффективных клеевых составов

Hielscher Ultrasonics специализируется на высокоэффективном ультразвуковом оборудовании для обработки жидкостей и суспензий. Ультразвуковые диспергаторы позволяют обрабатывать высоковязкие материалы, такие как смолы с высоким содержанием наполнителя, и обеспечивают равномерное распределение наноматериалов в композитах.
Точный контроль параметров ультразвукового процесса, таких как амплитуда, подводимая энергия, температура, давление и время, позволяет целенаправленно настраивать клеевые составы в нанометровом диапазоне.
Независимо от того, требуется ли для вашего состава диспергирование органических или неорганических нанонаполнителей, таких как нанотрубки, нанокристаллы целлюлозы (CNCs), нановолокна или нанометаллы, у Hielscher Ultrasonics есть идеальная ультразвуковая установка для вашего клеевого состава.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды и способны выполнять деагломерацию и диспергирование наноматериалов даже при очень высокой вязкости. Непрерывная работа с амплитудами до 200µm в режиме 24/7 легко осуществима.
Ультразвуковые аппараты Hielscher известны своим качеством, надежностью и прочностью. Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокоэффективным ультразвуковым аппаратам с передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.
Таблица ниже дает представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: