امروزه چسب رسانا یکی از فناوری های به خصوص در زمینه های مختلف از جمله اتصالات الکتوورنیک است. به همین دلیل در ادامه تلاش می کنیم تا شما را با این فناوری آشنا کنیم. ابتدا در مورد چسب های رسانا، انواع، ساختار، اهمیت و کاربرد آن صحبت میکنیم . سپس چند مورد از انواع پرکاربرد چسب رسانا به همراه کاربرد آن ذکر می کنیم تا به بخوبی با این فناوری به روز و پرکاربرد آشنا شوید.
چسب رسانا چیست؟
چسب های رسانا یکی از مواد پرکاربرد در صنعت هستند که در جهت اتصالات الکترونیکی استفاده میشوند. اغلب با واژه هایی چون چسب و رسانا آشنا هستیم و می دانیم که رسانش به دوسته تقسیم میشود:
رسانش گرمایی: ماده ای که اجازه جابهجایی انرژی گرمایی ار درون ماده را می دهد که اساس تولید و ساخت چسب های الکتریسیته است.
رسانش الکتریکی: ماده ای که اجازه جابه جایی جریان الکتریکی را می دهد.
در واقع چسب های رسانا به وسیله بارگذاری رزین های آلی با ذرات پرکننده غیرآلی که به طور کلی شامل فلزات، اکسیدهای فلزی و نیترید های فلزی هستند، تولید میشوند.
چسب رسانا الکتریکی چیست؟
فناوری چسب رسانای الکتریسیته، از سری فناوری های جایگزین لحیم کاری به منظور اجتناب از به کارگیری سرب است. این نوع چسب ها، از مخلوط شدن یک چسب پلیمری و یک ماده پرکننده رسانا تولید می شوند. در واقع چسب های پلیمری به دلیل خاصیت دی الکتریک عالی، به عنوان عایق محسوب می شوند که با مخلوط شدن آنها با ذرات رسانا پرکننده میتوانند پیوستگی الکتریکی را فراهم کنند.
اهمیت و کاربرد چسب رسانا
فناوری لحیم کاری، همواره به دلیل مشکلات زیر سبب ایجاد مشکلاتی در تولید محصولات الکترونیکی می گردد:
- خوردگی
- مقامت کم درزها
- تولید گرمای زیاد که مانع از استفاده از قطعات حساس به دما می شود
- انعطاف ناپذیری مفصل ها
- آثار مخرب زیست محیطی
به همین منظور، انتخاب جایگزینی برای فناوری لحیم کاری مورد توجه قرار گرفته است.
چسب های رسانای الکتریکی به دلایل زیر، کارایی بالای خود را به عنوان فناوری جایگزین لحیم کاری ثابت کرده اند:
- دمای پخت آنها از دمای لحیم کاری کمتر است
- انعطاف پذیری بالاتری نسبت به لحیم دارند
- در برابر لرزش بهتر از لحیم می توانند مقاومت کنند
- این چسب ها فاقد سرب و یا هرگونه حلال دیگر هستند
با توجه به این که، این چسب ها در جهت اتصالات الکترونیکی استفاده می شوند، شاید تصور کنید که این چسب ها صرفا به صنعت الکترونیک، به منظور مونتاژ بردهای الکترونیکی، محدود می شوند؛ درحالی که کاربرد این چسب ها فقط به این صنعت محدود نمی شود. چسب های رسانا در صنایعی چون هوا و فضا، تجهیزات پزشکی ، مخابرات و خودرو و… استفاده میشود.
ساختار چسب های رسانای الکتریسیته
فرمول بندی چسب های رسانای الکتریسیته شامل اجزای زیر است:
- رزین : ماتریس های پلیمری که خواص مکانیکی و فیزیکی چسب های رسانا را تشکیل می دهد. چسب های رسانای همسانگرد تجاری، اغلب بر پایه رزین گرماسخت ساخته می شوند. رزین های اپوکسی رایجترین رزین ها، در فرمول بندی این چسب ها است.
- پرکننده رسانا : از طرفی به دلیل خاصیت دی الکتریک بالای ماتریس های پلیمری، این ذرات خواص رسانایی الکتریکی را تامین می کنند؛ به گونه ای که کارایی این چسب ها به شدت میزان بارگذاری این ذرات و نوع آن وابسته است. میزان غلطت این ذرات است که میزان رسانایی این چسب ها را تعیین میکنند.
- عامل پخت
- کاتالیزور
- افزودنی ها
این نوع چسب ها می توانند در ساختار خود، پلیمرهای گرمانرم یا گرماسخت و یا از هردو داشته باشند.
پلیمرهای گرمانرم ساختار مولکولی خطی بلندی دارند که این موضوع باعث می شود تا پس از استفاده از آنها، هنگام گرمادهی تا دمای ذوب، بدون تغییر ویژگی های ذاتی، قابلیت ذوب مجدد داشته باشند. این توع چسب ها عمر کاربری ناحدود در دمای معمولی دارند و قابل استفاده مجدد هستند.
پلیمرهای گرماسخت ساختار پلیمری سه بعدی دارند. این گونه چسب ها در دمای بسیار زیاد، در برابر تغییر شکل مقاوم اند. ایراد اصلی این پلیمرها، محدود به عمر کاربری و عدم قابلیت استفاده مجدد آنهاست.
انواع چسب های رسانا
به طور کلی چسب های رسانا بر اساس مسیر رسانایی به دو دسته تقسیم می شوند:
-
چسب رسانای همسانگرد (ICA, isotropically conductive adhesive):
- ساختار : این نوع چسب ها که به عنوان لحیم پلیمری نیز شناخته میشوند، از همه جهات از خاصیت هدایت الکتریکی برخوردارند. این نوع چسب ها در ساختار خود دارای پلیمر های گرمانرم وگرماسخت هستند. رزین اپوکسی، متداول ترین پلیمر گرماسخت مصرفی در چسب های رسانای همسانگرد است. همچنین در ساختار این نوع چسب ها از موادی چون سیلیکون ها، سیانوآکریلات ها و سیانات استرها نیز استفاده می شود.
- کاربرد : اصلی ترین کاربرد و استفاده این چسب ها در زمینه قطعات الکترونیکی است؛ به عبارتی از این چسب ها به عنوان اتصال میانی الکتریکی روی لایه های غیرقابل لحیم کاری مانند سرامیک ها و پلاستیک ها استفاده می شوند یا جانشین لحیم کاری در اجزای حساس به گرما می شوند. این گونه چسب ها نسبت به فناوری لحیم، مزایایی از قبیل دمای فرآورش کمتر، انعطاف پذیری بالاتر، عملکرد زیست محیطی بهتر و فرآیند پذیری ساده تر است.
-
چسب رسانای ناهمسانگرد (ACA, anisotropically conductive adhesive):
- ساختار : این نوع چسب ها به شکلی است که می توانند از جنس رزین ها یا فیلم های گرمانرم باشد. به طور خلاصه این نوع چسب ها دارای ذرات رسانای خاصی در محدوده میکرومتر هستند که جریان الکتریکی را تنها در یک جهت هدایت می کند. چسبهای رسانای ناهمسانگرد گرماست بیشتر از جنس اپوکسی ها و سیلیکون ها هستند که ساختار شبکه سه بعدی را تشکیل می دهند.
- کاربرد : این چسب ها می توانند جانشینی برای سیم یا لحیم در اتصالات الکتریکی باشند. به عنوان مثال، آنها در اتصالات خازن ها، مقاومت ها یا وسایل نیمه رسانا برای تخته های چاپگر، نمایشگرهای LCD یا اتصال ساختارهای آنتن روی RFID استفاده می شوند.
تا کنون دریافتیم که ماتریس پلیمری(رزین) و پرکننده رسانا دو جزء مهم تشکیل دهنده چسب های رسانا هستند و در ادامه نیز میخواهیم انواع مختلف این دوجزء را ذکر و مقایسه کنیم:
ماتریس پلیمری
یک ماتریس پلیمری ایده آل برای چسب های رسانا همسانگرد باید ویژگی هایی نظیر عمر نگهداری طولانی، پخت سریع، دمای انتقال شیشهای نسبتا زیاد، جذب رظوبت کم و چسبندگی مناسب داشته باشد. هچنین هردو نوع رزین های گرماسخت و گرمانرم، میتوانند در ساختار چسب های رسانای همسانگرد به کار روند. چسب های رسانای گرماسخت، پس از طی چرخه دمایی، استحکام بیشتری نسبت به نوع گرمانرم خود دارند که به دلیل وجود پیوند کوالانسی مازاد بر پیوند ثانویه در رزین های گرماسخت است.
در ابتدای این مقاله ذکر شد که اغلب چسب های رسانای همسانگرد تجاری، بر پایه رزین گرماسخت هستند. هچنین گفته شد که رزین های اپوکسی رایجترین رزین های استفاده شده در ساختار این نوع چسب ها هستند؛ چرا که ویژگی های متعادل تری نسبت به نوع دیگر خود دارند. البته لازم به ذکر است که می توان علاوه بر رزین های اپوکسی، از ماتریس های پلیمری دیگری نظیر سیلیکونها، پلی یورتانها، پلی ایمید ها و سیانات استرها استفاده کرد که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند که در این مقاله به مزایا و معایب هر یک از این ماتریس ها می پردازیم:
۱) اپوکسی:
- مزایا: استفاده در دمای زیاد – مقاومت شیمیایی و رطوبت خوب – خلوص زیاد – خروج گاز کم
- معایب: دورههای پخت طولانی تر با سخت کننده های انیدریدی – گاززدایی مورد نیاز برای سامانه های دو جزئی – گرمازدایی زیاد با عوامل امینی
۲) سیلیکون ها:
- مزایا: بیشترین خلوص – جذب تنش – پایداری گرمایی کم و زیاد
- معایب: مهاجرت به سایر اجزای مدار – انرژی سطح کم – قابلیت تورم با حلال های غیرقطبی
۳) پلی یورتان ها:
- مزایا: انعطاف پذیری خوب در دماهای کم – جذب تنش – شیمی بسیار متنوع
- معایب: پایداری گرمایی و دمای فرآیند کمتر از اپوکسی(C° ۱۵۰-۱۶۳ ) – استحکام پیوند متوسط
۴) پلی ایمید:
- مزایا: پایداری گرمایی بیشتر در مقایسه با اپوکسی – خلوص یونی بیستر
- معایب: حلال حبس شده میتواند شکاف هایی را زیر IC های بزرگ تولید کند – پخت چندمرحله ای مورد نیاز برای تبخیر حلال – مواد با تنش زیاد – امکان جذب رطوبت در شرایط پخت
۵) سیانات استر:
- مزایا: استحکام چسبندگی زیاد – پایداری گرمایی زیاد – Tg زیاد ( دماهای زیر دمای انتقال شیشه ای) – ضریب انبساط گرمایی کم
- معایب: جذب رطوبت کم – احتمال حالت گل ذرتی شدن طی جریان دوباره لحیم
پرکننده های رسانا
همانطور که در ابتدای این مقاله مطرح کردیم، پرکننده های رسانا با وجود خاصیت دی الکتریک ماتریس های پلیمری، در ساختار چسب های رسانای همسانگرد ظاهر میشوند. این ذرات موجب ایجاد خاصیت رسانای الکتریکی در چسب می شوند که میزان غلظت این پرکننده ها، بر میزان رسانایی چسب تاثیر می گذارد. همچنین رایجترین شکل شناسی برای پرکننده های رسانا در چسب رسانای همسانگرد، پولکی است؛ چرا که پولک ها معمولا سطح بزرگ و نقطه تماس بیشتری دارند که موجب بیشتر شدن مسیرهای الکتریکی آنها نسبت به پرکننده های کروی می شود.
حال در ادامه به برخی از این پرکننده های رسانا اشاره میکنیم و خواص و نکات آنها را مطرح می کنیم:
۱) نقره خالص و پرکننده های با پوشش نقره:
نقره (Ag) مشهورترین پرکننده رسانا، تا به امروز است؛ چراکه بیشترین رسانایی گرمایی و الکتریکی در دمای معمولی را در مقایسه با سایر فلزات دارد. اکسید نقره (Ag2O) رسانایی الکتریکی بالاتری نسبت به سایر فلزات به جز طلا دارد. هزینه بالای فلز طلا، تنها دلیل عدم استفاده از آن به عنوان پرکننده رسانا است. با توجه به اینکه نقره بهترین پرکننده رسانای حال حاضر است، اما ایراداتی نیز از قبیل گران قیمت بودن آن نسبت به سایر پرکننده های فلزی دارد.
از طرفی پرکننده های ارزان قیمت، به راحتی اکسید می شوند و اکسید آنها عایق الکترکی خوبی هستند. به همین دلیل، چسب هایی که در ساختار آنها از این نوع پرکننده ها استفاده می شود، پس از طی چند سال رسانایی ضعیفی پیدا می کنند.
۲) مس:
این فلز به دلیل مقاومت و هزینه کم و عملکرد مهاجرت الکتریکی بهبود یافته، می تواند گزینه مناسبی برای فلز پرکننده رسانا باشد؛ اما اکسایش سریع این فلز باعث می شود تا این فلز رسانایی خود را از دست بدهد. البته برای استفاده از این فلز راهکارهایی نظیر استفاده از پوشش معدنی نقره، طلا و مواد لحیم یا استفاده از پوشش دهی آلی از ترکیبات ازول یا تیول وجود دارد که از اکسایش این فلز جلوگیری می کنند.
۳) نیکل:
این فلز به علت سرعت کم اکسایش، می تواند به عنوان پرکننده رسانا در ساختار چسب ها استفاده شود. از طرفی، نیکل، فلزی سخت و دارای قابلیت چکش خواری ضعیف است و نمی تواند به راحتی به شکل های هندسی بهینه ساخته شود. این فلز در چسب های رسانای ناهمسانگرد که ذرات کروی معمولا در آنها استفاده میشود به کار می روند.
۴) پرکننده های با دمای ذوب کم:
برای بهبود ویژگی های مکانیکی و الکتریکی، پرکننده های آلیاژی با دمای ذوب پایین طراحی شد. پودر پرکننده رسانا، با نوعی فلز با دمای ذوب پایین پوشش داده می شود. پودر رسانا، از گروهی متشکل از طلا، مس، نقره، آلومینیوم، پالادیوم و پلایتین و فلز با دمای ذوب کم از گروه فلزات زودگداز نظیر بیسموت Sb،Sn و… انتخاب می شود.
۵) گرافن:
گرافیت به علت قیمت کم و رسانش الکتریکی طبیعی، اغلب به عنوان پرکننده الکترورسانا استفاده می شود. اما در مقایسه با ذرات نقره، رسانش چندانی ندارد.
انواع پرکاربرد چسب های رسانا همسانگرد و مزایای آن ها
حال زمان آن رسیده تا تعدادی از چسب های رسانا را نام ببریم و توضیحاتی در مورد آنها عرض کنیم. در همین راستا از انواع چسب ها می توانیم اشاره کنیم به: چسب نقره، خمیر نقره، جوهر گرافیت، چسب رسانای مسی و…
چسب رسانای مسی
چسب رسانای مسی که جزء پرکننده آن از فلز مس بوده نسبت به چسب رسانای نقره ارزان تر است اما این چسب به دلیل ایراداتی از قبیل اکسید شدن، برای استفاده به مصرف کنندگان توصیه نمی شود. البته به دلیل ویژگی هایی نظیر مقاومت و هزینه کم و عملکرد مهاجرت الکتریکی بهبود یافته، از روکش فلزاتی چون نقره بر روی مس استفاده میشود تا از اکسید شدن سریع مس جلوگیری شود.
چسب رسانای نقره
چسب رسانای نقره یکی از انواع چسب های رسانای همسانگرد است که در صنعت الکترونیک بسیار پرکاربرد است. در واقع این چسب با توجه به ساختار خود می تواند بهترین گزینه برای جایگزین فناوری لحیم باشد؛ چراکه جزء پرکننده آن، نقره است که خاصیت رسانایی بهتری به چسب می دهد. همچنین برخلاف روش قدیمی به اجزای الکترونیکی که به گرما حساس هستند، آسیبی وارد نمی کند. از خواص دیگر آن میتوان به چسبندکی و رسانایی بسیار بالا اشاره کرد. استفاده از فلز گرانبهایی به نام نقره در ساختار این چسب رسانا، آن را به چسبی گران قیمت تبدیل کرده است؛ چه بسا که به دلیل واردات این چسب ها هزینه ای نیز بر آن افزوده می شود.
خمیر نقره رسانا
خمیر نقره رسانا که با استفاده از نانو ساختارهای نقره تولید می شود، دارای خاصیت هدایت الکتریکی بالایی است؛ به عبارتی خمیر نقره رسانا، هدایت کننده جریان الکتریکی است. امروزه شرکت های شیشه سازی خودرویی، از این خمیر به منظور مدار گرمکن و افزایش مقاومت نسبت به خراش و سایش شیشه عقب خودرو استفاده می کنند.
جوهر گرافیت
در سال ۲۰۱۳ شرکتی خارجی اعلام به ساخت جوهری جدید بر پایه گرافن کرد که در آن از هیج فلزی استفاده نشده است. این شرکت بر این عقیده استوار بود که، جوهر مذکور رسانای جریان الکتریکی بوده و عملکرد بالایی دارد و دمای پخت آن پایین است که می توان از آن برای چاپ نمایشگرها استفاده کرد. البته قابل ذکر است که رسانایی این جوهرها در حد نقره نیست. اما به دلیل قیمت پایین، اکسید نشدن و ترک نخوردن در مقابل خم شدن های مداوم، بهترین گزینه برای استفاده در قطعات الکترونیکی انعطاف پذیر است.
اخیرا نیز شرکت نانو فناوری پلیمر رسان( پلی کانداکتیو) توانسته است تا جوهری بر پایه گرافیت را تولید کند. این جوهر که از انواع رنگ های رسانا است و به منظور سرگرمی مورد استفاده قرار می گیرد و لذت نقاشی توسط کودکان را بیش از پیش افزایش میدهد. از خواص جوهر رسانای گرافیت می توان به انعطاف پذیری کم، چسبندگی، شکننده و قابل شست و شو بودن آن با آب، پس از خشک شدن اشاره کرد.
خرید چسب رسانا
امروزه چند شرکت در زمینه فروش چسب های رسانا فعالیت میکنند که شما می توانید برای خرید چسب رسانا مورد نیاز خود به آنها مراجعه کنید. اغلب شرکت ها، فعالیتشان در قالب واردات این چسب ها است که واردات باعث افزایش قیمت تمام شده محصول میشود. همچنین شرکت هایی نیز هستند که فعالیتشان را در قالب بومی سازی این فناوری پیش گرفته اند. یکی از این شرکتها، شرکت نانو فناوری پلیمر رسان (پلی کانداکتیو) است. شرکت نانو فناوری پلیمررسان با بومی سازی این فناوری توانسته است تا قیمت تمام شده این محصولات را بدون تفاوت در کیفیت کاهش دهد و در اختیار مصرف کنندگان قرار دهد.
ممنون از مطالب مفیدی که در سایتتون گذاشتید. من برای اتصالات قطعات الکترونیکی و آزمایشگاهی نیاز به چسب نقره داشتم
مطالبتون منو روشن کرد و اینکه تونستم از خودتون خریدمو هم انجام بدم عالی شد..
خداقوت
ممنون از دیدگاه زیبات ماریای عزیز
در خدمتیم.