Innowacyjne kleje przewodzące jako alternatywa dla lutowania

Kleje termo- oraz elektroprzewodzące to w istocie żywice epoksydowe lub akrylowe wzbogacone o cząstki metaliczne. Elektroprzewodzące kleje są często stosowane jako bardziej efektywna alternatywa wobec tradycyjnego lutowania.

Ze względu na fakt, iż ich punkt krzepnięcia znajduje się znacznie niżej niż temperatura lutowania, w szczególności są one odpowiednie do wytwarzania połączeń elektrycznych na substratach o wysokiej wrażliwości temperaturowej. Dodatkowo, kleje są bardziej elastyczne od lutowia, a co za tym idzie, lepiej znoszą wibracje. Kolejną przewagą klejów nad lutowiem jest fakt, iż nie zawierają one ołowiu oraz rozpuszczalników.

Kleje przewodzące zawierają cząstki metalowe, najczęściej są to płatki srebra. Wytwarza to efektywny przepływ energii elektrycznej oraz stanowi o wysokiej przewodności. Generalną zasadą jest, iż wyższy stopień nasycenia opisanymi cząstkami metalu, tym lepsza jest przewodność prądu, jednak oznacza to równocześnie wysoki koszt opartych najczęściej na srebrze klejów. Co więcej, standardowe wypełniacze często prowadzą do problemów, występujących w procesie ich dozowania: kleje mogą być zbyt lepkie, mogą pojawiać się pęcherzyki, mogą też wyciekać w nierównych porcjach czy też formować koraliki. Można jednakże znacznie poprawić parametry dozowania klejów przewodzących poprzez odpowiedni dobór płatków srebra, tj. ich wielkości, kształtu płatka oraz samej ich ilości (tj. stopnia ich upakowania). Dzięki innowacyjnym srebrnym wypełniaczom nowo opracowywane kleje termoprzewodzące sprawdzają się doskonale w procesach jetting’u oraz druku szablonowego, nie powodując ciągłego zapychania dyszy.

Pomiar przewodności

Aby odpowiednio opisać przewodność określonego rodzaju kleju, należy zmierzyć jego opór elektryczny po zaschnięciu. Zastosowano następującą metodę pomiaru: próbka kleju jednoskładnikowego została nałożona na substrat (w tym przypadku było to szkło) w ściśle określonym kształcie (tj: długość 90 mm, szerokość 10 mm wysokość 0.25 mm), a następnie utwardzona według zaleceń producenta. Dwuskładnikowe kleje zostały zmieszane przed dozowaniem i utwardzeniem. Celem zapewnienia jednolitej grubości próbki, kleje zostały nałożone za pomocą rakli. Aby zmierzyć konkretną rezystancję, próbka była poddana pomiarom w różnych jej częściach. Elektrody sprzętu pomiarowego zostały rozmieszczone co 10 mm, rezystancja była mierzona w Ωcm. Pomiary kilku klejów przewodzących udowodniły, iż przewodność zależy nie tylko od parametrów samej próbki, lecz także od teperatury oraz czasu utwardzania.


Zdjęcie 1: Pomiar rezystancji próbek klejów przewodzących.

Kleje elektroprzewodzące

Kleje bez metalowych wypełniaczy charakteryzują się rezystancją elektryczną w przedziale od 1012 do 1015 Ωcm. Dodając metalowy wypełniacz rezystancja może zostać zredukowana do poziomu 10-3 / 10-4 Ωcm. Generalnie, wypełniacz to w istocie metalowe płatki o odpowiednio dobranym rozmiarze.

Pierwszym kluczowym czynnikiem, decydującym o przewodności elektrycznej jest stopień nasycenia wypełniaczem, przepływ prądu jest bowiem możliwa w efekcie bezpośredniego kontaktu metalowych płatków. Zasadą jest, iż im więcej zostanie wytworzonych pojedynczych kontaktów, tym większa będzie przewodność.

Należy też zaobserwować zjawisko, iż początkowo, kiedy ilość kontaktów jest niska, również i przewodność jest niska. Później, wraz ze wzrostem ilości pojedynczych połączeń rośnie ona gwałtownie, osiągając punkt maksimum, powyżej którego dodawanie kolejnych porcji wypełniacza nie przynosi już żadnego efektu. Poziom, do którego przewodność gwałtownie wzrasta i osiąga wysoki poziom, nazywany jest progiem perlokacji.

Obraz 2: Perlokacja

Wpływ na przewodność elektryczną

Całkowita przewodność systemu klejącego wysokiej technologii wynika z indywidualnej rezystancji styku pomiędzy cząstkami metalicznego wypełniacza (1). Resztki żywicy, zanieczyszczenia metalicznego wypełniacza, które nie zostały w pełni utwardzone, mogą doprowadzić do tworzenia się warstwy tlenku na cząstkach metalowych, co z kolei może powodować wysoką rezystancję i niską przewodność. Właśnie z tego powodu, używa się zwykle metali szlachetnych jako wypełniacza: warstwa tlenku srebra w dalszym ciągu zapewnia dobrą przewodność i zatem może być pomijalna. Każda pojedyncza przeszkoda w kleju prowadzi do wyższej oporności: prąd elektryczny, aby przepłynąć musi pokonać tę wadliwe obszary. Przeszkody i wady powodują zawężenie ścieżki elektrycznego przepływu, i tym samym prowadzą do wyższej oporności niż ta, która cechuje proste ścieżki przepływu (3).

Obraz 3: Wpływ PSD na rezystancję elektryczną w Ωcm

Wpływ utwardzania na przewodność

Innym aspektem, który ma duży wpływ na przewodność kleju jest proces utwardzania. Równomiernie utwardzony klej epoksydowych redukuje obciążenie matrycy, i także pozwala na obniżenie nierównomiernej oporności warstwie klejącej. Termiczne utwardzanie kleju powoduje usieciowienie polimeru bazowego w którym osadzone są cząstki metalu. Jeśli proces utwardzania okaże się niewystarczający (to znaczy temperatura utwardzania była zbyt niska lub czas utwardzania zbyt krótki) to usieciowienie polimeru bazowego będzie zbyt niskie, co z kolei spowoduje że polimer bazowy będzie zbyt miękki, będzie to powodować przesunięcia wypełniaczach metalowych powodowane przez zewnętrzne czynniki mechaniczne (1).
/*Specyficzna oporność różnych produktów *


Obrazek 4: Kleje przewodzące w zakresie przewodnictwa 10-4 Ωcm.

Obrazek 4 przedstawia wyraźnie zmniejszenie oporu elektrycznego w połączeniu z zastosowaniem wyższej temperaturze utwardzania. Zależy to w dużej mierze od utwardzenia matrycy polimerowej systemu epoksydowego na odpowiednich poziomach temperatury. Wyższa temperatura utwardzania zwykle prowadzi do szybszego utwardzania i zapewnia lepszą trwałość niż utwardzanie w niższych temperaturach (5). Uważa się, że poszczególne odstępy sieci krystalicznej matrycy, lub odstępy pomiędzy matrycą polimerową i cząstkami metalowymi zmieniają się w różnych temperaturach utwardzania. W związku z tym matryca polimerowa jest ściskana gęściej w wyższej temperaturze utwardzania, co tworzy gęstszą strukturę molekularną i deformuje odległości molekularnej strukturze lub pomiędzy łańcuchami polimerowymi i cząstkami metalowymi. W wyniku tego
utworzonych zostaje kilka punktów kontaktu cząstek wypełniacza, tworząc lepszą ścieżkę przepływu dla prądu elektrycznego. Wraz ze wzrostem temperatury, procesy dyfuzyjne stają się ważnym czynnikiem do wytworzenia większej przewodności elektrycznej.

Inna teoria mówi, że środki powierzchniowo czynne na powierzchni cząstek metalu zmniejszają się przy wyższych temperaturach utwardzania a tym samym nie stwarzają dodatkowej przeszkody dla prądu.

Jednoskładnikowe systemy klejące potrzebują ciepła w celu utwardzenia (5) (zazwyczaj od 125° C do 180° C). Produkt klejący nr 3 na obrazku 1 stanowi dobry przykład tego zjawiska Produkt charakteryzuje się bardzo niską temperaturę utwardzania i utwardza ​​się jedynie 100° C, zaś jego rezystancja spada gwałtownie w tej samej temperaturze.

Dla utwardzenia kleju przewodzącego kilku układów utwardzających testowano je (środek kationowo czynny, amina, dicyjanodiamid) w różnych temperaturach utwardzania. Zaobserwowano tutaj związek pomiędzy systemem wybranego utwardzania a późniejszą przewodnością utwardzonych klejów

Wpływ wilgotności

Dobrze utwardzony klej jest niezbędny aby zapobiec awariom przewodności związanym z wilgotnością. Woda lub wilgoć mogą reagować z matrycą polimerową w sposób, który uszkadza lub niszczy matrycę. To również może prowadzić do zmian temperatury zeszklenia do niższych wartości, co z kolei zwiększa ryzyko uszkodzeń termicznych. W najgorszym przypadku, woda może działać jako środek zmiękczający i powodujący zmniejszenie mechanicznej stabilności kleju (2). Jeżeli matryca polimerowa jest rozszerzona w związku z zatrzymywaniem wody lub ze względu na ciągłe zmiany temperatury, to rezystancja styku materiału wypełniacza ulega zwiększeniu. Może to prowadzić do uszkodzenia produktu klejącego (1).

Wpływy klimatyczne

Przewodność utwardzonych klejów może znajdować się pod silnym wpływem czynników atmosferycznych. W szczególności wilgoć i wysoka temperatura mogą wpływać na przewodność kleju. Jednakże nowe kleje przewodzące są bardziej odporne na wartość tych zmiennych, wykazując zmniejszenie oporu elektrycznego przy badaniu po poddaniu wpływowi (Tabela 5), co powodowało wzrost przewodnictwa.

Wyniki te dowodzą, że kleje zostały w pełni utwardzone, bez pozostawienia w nich ilości śladowych płynów, takich jak pozostałości żywicy W związku z tym woda nie może być przechowywana w matrycy polimerowej co doprowadziłoby do powstania uszkodzeń w matrycy, zwiększając tym samym opór kontaktu cząstek wypełniacza.
/*wpływ klimatu na przechowywanie
Reference – odniesienie
7 days – 7 dni */


Tabela 5: Rezystancja przed i po 168 godzinach przechowywania w temperaturze 40° C / 40% RH i 85° C / 85% RH

Utwardzanie wodą i utwardzanie na zimno

Nowe i innowacyjne kleje na bazie żywic organicznych,mogą nawet iść o krok dalej: te kleje przewodzące mogą być utwardzane pod wodą lub w chłodnej temperaturze 5° C. Oprócz tych korzyści klejów organicznych, procesy utwardzania mogą otworzyć zupełnie nowe obszary zastosowań.

Błyskawiczne utwardzanie

Utwardzanie klejów przewodzących było zwykle długim procesem. Dzięki nowo testowanym systemom utwardzającym Wiele jednoczęściowych produktów pozwala na utwardzenie w przeciągu minut w wysokiej temperaturze. Tabela 6 pokazuje czasy utwardzania badanego produktu i jego oporność właściwą określoną w Ωcm. Tak więc okazuje się, że klej ten jest w pełni utwardzony w ciągu dwóch minut, w temperaturze 180° C.

/* Szybkie utwardzanie: czasy utwardzania produktu 5
specific resistance in – oporność właściwa w */


Tabela 6: Szybkie utwardzanie nowym utwardzaczem w ciągu kilku minut

Zastosowanie

Jak pokazano powyżej, skład materiału wypełniającego ma istotny wpływ na przewodność utwardzonego kleju. Ponadto materiał wypełniający ma również wpływ na lepkość kleju. Regulacja lepkości jest czynnikiem decydującym o zastosowaniu kleju za pomocą natryskiwania lub sitodruku. Zbyt niska wartość lepkości prowadzi do przeciekania lub niestabilności kleju na krawędziach w sitodruku, zbyt wysokie lepkości mogą prowadzić do niepowodzeń w stosowaniu kleju. Wysoka lepkość może również blokować dysze zaworów wtryskowych. Poza lepkością ważnym czynnikiem jest jednorodność kleju. Jednorodnie wypełniony klej zapobiega sedymentacji pojedynczych cząstek wypełniacza i rozdzieleniu materiału podczas nakładania. Do optymalnego zastosowania potrzebna jest optymalna lepkość, optymalny poziom napełniania i jednorodność. Jednorodne rozłożenie materiału wypełniającego w kleju wraz ze stałymi warunki utwardzania prowadzą do uzyskania najlepszych wyników przewodnictwa (1).


Zdjęcie 7: Sitodruk


Zdjęcie 8: Dozowanie

Podsumowanie

Wiele parametrów wpływa na przewodnictwo utwardzonych klejów. Nowe technologie i nowe wypełniacze otwierają nowe możliwości dla przewodzących klejów, lub klejów, które zostały specjalnie opracowane do poszczególnych zastosowań. Nowe kleje mogą być używane nawet do innowacyjnych zastosowań, wliczając w to kleje organiczne, epoksydy, które są odporne na klimat, kleje szybko utwardzalne lub zastosowanie klejów za pomocą dysz lub sitodruku (zdjęcia 7 i 8).

Arykuł uzyskany dzięki uprzejmości © C.H. Erbslöh Polska Sp. z o.o.