Использование проводящих наполнителей для компонентов функционального формования сжатия в электронике

Типы проводящих наполнителей

Выбор наполнителя зависит от требуемого уровня проводимости, ограничений по стоимости, условий обработки и механических свойств, требуемых в конечном компоненте. В следующей таблице приведены наиболее часто используемые проводящие наполнители:

Среди них серебро и медь популярны для высокопроизводительных применений, в то время как углеродный черный и графит широко используются, когда приемлема умеренная проводимость и стоимость является основной проблемой. Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT) набрали тягу, потому что они достигают перколяции при очень низких нагрузках (часто < 1 мас.%), сохраняя механические свойства полимера.

Как работают проводящие наполнители: теория перколяции

Когда проводящие частицы диспергируются в изоляционном полимере, композит остается изоляционным до тех пор, пока концентрация наполнителя не достигнет критического уровня. При этом пороге перколяции частицы соприкасаются или подходят достаточно близко, чтобы обеспечить электронное туннелирование, образуя трехмерную проводящую сеть. За порогом проводимость прыгает на много порядков. Форма, размер и соотношение сторон частиц наполнителя сильно влияют на порог перколяции. Например, наполнители с высоким коэффициентом аспекта, такие как углеродные нанотрубки и металлические волокна, достигают перколяции при гораздо меньших фракциях объема, чем сферические частицы. Это означает, что при правильной геометрии наполнителя проводимость может быть передана без серьезного ухудшения потока полимера или механической прочности.

Роль проводящих наполнителей в формовании сжатия

Обзор формования компрессии

Компрессионное формование представляет собой производственный процесс, в котором предварительно нагретое полимерное соединение (часто в форме преформы или листа) помещается в полость с подогревом формы, и давление применяется для того, чтобы заставить материал заполнить полость и вылечить. Он широко используется для термореактивных полимеров (например, эпоксидных, фенольных, силиконовых), а также некоторых термопластов. Процесс ценится за его способность производить детали со сложной геометрией, отличной стабильностью размеров и высоким содержанием волокна в композитах. Функциональное компрессионное формование добавляет новое измерение: включение проводящих наполнителей так, чтобы сама формованная часть проводила электричество.

Включение проводящих наполнителей в состав формования

Проводящий наполнитель должен равномерно диспергироваться по всей полимерной матрице перед формованием. Это обычно достигается путем смешивания наполнителя в смоловую систему с использованием высокосшивающего смешивания, двухвинтовой экструзии или трехролльной фрезерования. Для термосетов наполнитель смешивается с системой смолы и затвердевания, затем соединение предварительно формируется или непосредственно помещается в форму. Во время цикла сжатия давление и температура помогают дополнительно распределить наполнитель и разбить любые агломераты, способствуя более равномерной проводящей сети.

Соображения для обработки соединений, заполненных проводниками

Добавление проводящих наполнителей изменяет реологическое поведение полимерного соединения. Ключевые соображения по обработке включают:

• Повышенная вязкость: Наполнители, особенно при высоких нагрузках, повышают вязкость расплава или соединения, что может замедлить заполнение формы и потребовать более высоких давлений зажима.
• Разрыв частиц: Высокие силы сдвига при смешивании или формовке могут разрушать хрупкие наполнители (например, углеродные нанотрубки или металлические хлопья), снижая проводимость.Тщательный выбор параметров смешивания имеет важное значение.
• Эффекты ориентации: В некоторых формовочных геометриях фиброзные или тромбоцитные наполнители могут ориентироваться в направлении потока, что приводит к анизотропной проводимости.
• Теплопроводность: Многие проводящие наполнители также повышают теплопроводность, что может способствовать рассеиванию тепла, но также влияет на профиль отверждения термореактивных установок.

Ключевые применения кондуктивно-наполненных компрессионно-формованных компонентов

Электромагнитная интерференция (EMI) Щит

Электромагнитные помехи могут нарушать работу чувствительных электронных схем. Щитирование требуется в бесчисленных устройствах — смартфонах, медицинском оборудовании, автомобильной электронике и аэрокосмических системах. Проводимо-наполненные компрессионные формованные корпуса и корпуса обеспечивают эффективное экранирование EMI путем отражения и поглощения электромагнитных волн. По сравнению с металлическими щитами полимерные композиты легче, более коррозионно-стойкие и могут быть формованы в сложные формы со встроенными монтажными функциями. Например, заполненные углеродным волокном эпоксидные композиты часто используются для EMI-щитовых корпусов в оборонных приложениях. Исследование, проведенное журналом Carbon , показало, что композиты, заполненные никель-покрытыми углеродными волокнами, достигли эффективности экранирования, превышающей 60 дБ в широком диапазоне частот.

Многие электронные устройства генерируют значительное тепло, которое должно рассеиваться, чтобы предотвратить ухудшение или отказ производительности. Проводящие наполнители, которые являются электрически и теплопроводными (такие как графит, нитрид бора или металлические порошки) позволяют компрессионным формованным частям служить в качестве теплоотводов, тепловых распредвалов или материалов теплового интерфейса. Например, формованный графитовый полимер может быть сформирован в специальную теплоотвод, который также обеспечивает электрическую изоляцию, где это необходимо. Теплопроводность таких композитов может быть настроена типом наполнителя и загрузкой. Недавние разработки в графеновых полимерах подтолкнули значения теплопроводности выше 10 Вт / м · К, что делает их жизнеспособными альтернативами алюминию в некоторых приложениях (см. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018 ).

Сенсорные дома с встроенными сенсорными возможностями

Тщательно контролируя проводящую наполнительную сеть, можно создать компоненты, электрическое сопротивление которых изменяется в ответ на механическое напряжение, температуру, влажность или химическое воздействие. Эти пьезорезистивные или хемирезистивные свойства могут быть использованы для построения интегрированных датчиков. Например, корпус сжатого формованного датчика может включать в себя углеродный силикон, который изменяет сопротивление при деформации, позволяя датчику давления без дополнительной проводки. Этот подход уменьшает количество деталей и упрощает сборку.

Коннекторы и контактные точки

Формованные проводящие детали могут служить интегрированными соединителями, электрическими контактами или заземляющими элементами. В автомобильных системах освещения корпуса компрессионных формованных соединительных элементов с серебряными полимерными контактами устраняют необходимость в штампованных металлических вставках. Проводящий композит обеспечивает необходимую электропроводность, в то время как полимерная матрица обеспечивает коррозионную стойкость и гибкость конструкции. Эти детали могут быть формованы в сложных формах, которые было бы трудно или дорого достичь с металлическим штампом.

Статические диссипативные и антистатические компоненты

При изготовлении и обращении с электронными компонентами статический разряд может нанести катастрофический ущерб. Компрессионные формованные лотки, носители и рабочие поверхности, изготовленные с проводящими наполнителями (часто углеродно-черными), обеспечивают контролируемое статическое рассеивание. В отличие от металла эти материалы не замыкают цепи; они безопасно отводят статические заряды. Диапазон удельного сопротивления для таких применений обычно составляет 105-109 Ом/кв., легко достигается при умеренных углеродно-черных нагрузках.

Преимущества использования проводящих наполнителей при формовке компрессии

Интеграция проводящих наполнителей в формованные детали сжатия дает несколько неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными многокомпонентными подходами:

• Сокращение сборочных стадий: Поскольку сам компонент проводит электричество, отсеиваются отдельные проводки, проводящие покрытия или металлические вставки. Это упрощает производственную линию и уменьшает количество поставщиков.
• Сложные трехмерные формы могут быть сформированы непосредственно с проводящими свойствами. Это позволяет создавать инновационные геометрии, которые улучшают производительность или вписываются в плотные пространства — что трудно достичь с металлическими частями, которые требуют вторичного формирования.
• Снижение веса: Проводящие полимерные композиты обычно легче, чем эквивалентные металлические детали. Для портативной электроники и транспортных приложений каждый грамм имеет значение.
• Коррозионная стойкость: Многие полимеры, используемые в формовании компрессии (например, эпоксиды, силиконы), по своей природе устойчивы к химическим веществам и влаге. Инкапсуляция проводящего наполнителя в матрице защищает проводящие пути от окисления и коррозии.
• Эффективность затрат: В то время как высокопроизводительные наполнители, такие как серебро, могут быть дорогими, общая стоимость системы часто снижается, потому что требуется меньше деталей и сборочных операций. Кроме того, использование более дешевых наполнителей, таких как углеродный черный, для менее требовательных приложений снижает материальные затраты.
• Тепло и механическая тарка: Один и тот же наполнитель может придавать как проводимость, так и усиленные тепловые или механические свойства (например, жесткость, прочность), обеспечивая многофункциональные детали.