Multifunktionale Composite für Elektronik-Anwendungen

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1 Multifunktionale Composite für Elektronik-Anwendungen Stefan R. Lüthi Institut für Mikro- und Nanotechnologie NTB Institut MNT März

2 Gliederung Kurzvorstellung: Innerstaatliche Hochschule Institut für Mikro- und Nanotechhnologie Polymerics-Gruppe Warum multifunktionale Composite? Drei Fallbeispiele aus der angewandten Forschung & Entwicklung Transparenter, hochbrechender Optik-Klebstoff Elektrisch leitender Klebstoff Thermisch leitende Vergussmasse Industrie- & Projektpartner: Institut MNT März

3 NTB Buchs Fachhochschule, Mitglied der FHO NTB Bachelorstudiengang Systemtechnik NTB ca. 450 Studierende ca. 200 Mitarbeiter in 7 Instituten Mission: Ausbildung & Technologietransfer Institute: ICE Computational Engineering ESA Elektronik, Sensorik & Aktorik IES Energiesysteme EMS Entwicklung mechatronischer Systeme INF Ingenieurinformatik MNT Mikro- & Nanotechnologie PWO Produktionsmesstechnik, Werkstoffkunde & Optik Institut MNT März

4 Institut für Mikro- & Nanotechnologie 5 Dozenten 30 Mitarbeiter Gesamte Prozesskette der Entwicklung von Mikrosystemen Mikrostrukturierung Advanced Materials Photonics NanoBiotech Polymerics Simulation Mikrosysteme Analytik Packaging Prozesstechnologie Kundennutzen Sensoren Aktoren Bauteile Materialien Oberflächen Institut MNT März

5 Polymerics Gruppe Chemie & Technologie von Polymerwerkstoffen Werkstoffanalysen, Schadensaufklärung Expertisen Gutachten Dienstleistungen Angewandte F&E: Funktionale Werkstoffe & Materialprüfung Funktionspolymere, Nanocomposite Oberflächenmodifikation Mikrostrukturierung Langzeitbeständigkeit, Reintegration Industrietaugliche Prüfmethoden Formgebung Reintegration Institut MNT März

6 Warum multifunktionale Composite? Chemischer Aufbau bestimmt Werkstoffeigenschaften Physikalisches Eigenschaftsprofil von Polymerkwerkstoffen durch Modifikation von Rohharzen & Additiven manipulierbar Zusatzstoffe insbesondere Mikro- & Nanopartikel können Eigenschaften schon bei geringen Füllgraden signifikant verändern Wichtige Aspekte: Verträglichkeit Verteilung der Zusatzstoffe Gute Anbindung Form, Grösse, Füllgrad Verständnis für Matrix & Zusatzstoffe Beherrschen der Synthese- & Verarbeitungstechniken Institut MNT März

7 Hochbrechender Optik-Klebstoff Klebstoffe & Vergussmassen mit angepasstem Brechungsindex verbessern Leistung transmissiver Optiken Brechungsgesetz von Snellius: n 1 I 0 nn 2 nn 1 = sin ββ 1 sin ββ 2 β 1 I R Hochbrechende Materialien ermöglichen maximale Aufweitung des Strahlenganges Hoher Brechungsindex durch: stark polarisierbare Atomgruppen hochbrechende Nanopartikel Polarisierbarkeit α von Atomen und Bindungen: EE nn 2 1 nn 2 +2 MM ρρ = 1 NN 3 εε AA αα λλ = RR MM 0 kk Extinktion [OD] transparent n 2 Reflexion R (senkrechter Einfall): RR = nn 2 2 nn 1 nn 2 +nn 1 zunehmende Trübung β 2 I T Quelle: W. Caseri / ETHZ J. Mater. Chem. 20 (2010) Partikeldurchmesser [nm] Institut MNT März

8 Hochbrechender Klebstoff Anwendung Klebefuge Nahezu vollflächige Abbildung dank hochbrechender Klebefuge Anwendung Vergussmasse Optischer Sensor in hochbrechender Vergussmasse mit Linsenwirkung Institut MNT März

9 Elektrisch leitender Klebstoff Herausforderung: Elektrisch leitende Klebstoffe basieren meist auf Metall-Füllstoffen & hohem Füllgrad Elektrische Leitfähigkeit hat Perkolationsschwelle Kohlenstoff-Nanoröhrchen, TEM-Aufnahme Lösungsansatz: Einsatz von funktionalisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) Hohe elektrische Leitfähigkeit Grosses Aspektverhältnis ergibt Leitpfade bei tiefem Füllgrad Reduzierter Füllgrad, tiefere Materialkosten Erhalt/Verbesserung mechan. Eigenschaften Elektr. Leitfähigkeit [S/m] Epoxid-CNT-Klebstoff Silberleitklebstoff Füllstoffkonzentration [wt.%] Institut MNT März

10 Elektrisch leitender Klebstoff Ausbildung eines makroskopischen CNT-Netzwerks in Abhängigkeit von Füllgrad Funktionalisierung Elektr. Leitfähigkeit [S/m] Füllstoffkonzentration [wt.%] CNT-Konzentration: 0.5 wt% Institut MNT März

11 Thermisch leitender Klebstoff Bachelor-Arbeit an der NTB für den Industriepartner Thermisch leitende aber elektrisch isolierende Vergussmasse Maximale Viskosität in nicht ausgehärteten Zustand: 40 Pa s (Scherrate 3 s -1 ) Lösungsansatz: Bimodales System Plättchenförmiger Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit für Leitpfade "Kugeliger" Zweitfüllstoff zur Viskositätskontrolle Plättchen mit: hoher Kristallinität elektrischer Isolation guten Kontaktflächen REM-Aufnahme Ref.: Th. Rupp, Bachelor Arbeit "Thermal Composites", NTB Bereich Polymerics, 2013 Institut MNT März

12 Thermisch leitender Klebstoff 3.5 System "41" 1 Wärmeleitfähigkeit [W m -1 K -1 ] System "11" 2 Referenz Füllgrad [vol.%] System mit hoher Wärmeleitfähigkeit & elektrischer Isolation bei tiefer Viskosität Institut MNT März

13 Chemie Matrix Wechselwirkung Additiv Verarbeitung Eigenschaften Institut MNT März