АДГЕЗИВЫ ДЛЯ СБОРКИ КОМПОНЕНТОВ ИНЕРТНОГО МАТЕРИАЛА
ADHESIVES FOR ASSEMBLING COMPONENTS OF AN INERT MATERIAL

Область техники
Настоящее изобретение относится к способам и составам для сцепления компонентов инертного материала. Более конкретно, настоящее изобретение относится к сцеплению компонентов пропитанного или гидроизолированного, соответственно, материала, демонстрирующего хорошую силу сцепления после отверждения и хорошую стойкость к воде и растворителям.
Предпосылки изобретения
Инертность материала, в частности пропитанного пористого материала, может быть проблемой для сцепления компонентов. Это связано с отсутствием реакционноспособных групп на материалах, подлежащих сцеплению, и на которых клей должен способствовать некоторым химическим взаимодействиям.
За последние несколько лет произошла революция в разработке высокоэффективных технических адгезивов. Технологические достижения в области химии адгезивов для блокировки, уплотнения, удержания и получения конструкции привели нас к эпохе быстрых инноваций в сборке и обслуживании механических компонентов.
Компания Hernon Manufacturing, Inc. разработала акриловые и эпоксидные смолы, которые использовались для целей адгезации. Акрилы обладают уникальными характеристиками, их высокая стойкость к отслаиванию и высокая ударная вязкость объединены для обеспечения прочных, долговечных и ударопрочных связей. Они обладают способностью сцеплять широкий спектр материалов, имеют отличные зазоры и характеризуются быстрым временем схватывания.
Из публикации McGraw-Hill Chemical engineering (2006) «Ероху Adhesive Formulations)) известен ряд эпоксидных, акриловых составов, а также состав на основе гибрида эпоксидной смолы и акрила для адгезии разнообразного класса материалов.
В частности, когда сцепленные структуры используются в среде с химическим растворителем, связующий материал в идеале должен быть стабильным на весь срок службы системы, в которой он используется, для предотвращения любого дефекта применения, для которого он используются.
Целью настоящего изобретения является обеспечение системы и способа, направленных на решение этих потребностей и устраняющих недостатки предшествующего уровня техники.
Краткое описание изобретения
Вышеупомянутые проблемы и недостатки традиционных концепций решаются посредством предмета изобретения вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Согласно одному аспекту в настоящем изобретении предусмотрен адгезионный состав для сцепления материалов, содержащий
40-80 вес. % эпоксидного мономера;
15-30 вес. % оксетанового мономера;
0,1-10 вес. % усилителя адгезии;
0,1-5 вес. % сенсибилизатора и
1-10 вес. % фотоинициатора, активируемого излучением и температурой, или смеси фотоинициатора и термического инициатора.
Состав согласно настоящему изобретению способен укреплять сцепление даже между частями двух сильно инертных материалов.
Обнаруживали, что такой адгезионный состав согласно настоящему изобретению имеет высокую прочность после отверждения и хорошую стойкость к воде и растворителям.
При помощи такого состава предпочтительно можно достичь хорошей степени сцепления различных компонентов, таких как микроэлектронные компоненты и/или кремниевые микросхемы.
Даже при использовании пропитанных сильно инертных материалов можно добиться хорошего сцепления. Пропитка или гидроизолирование, соответственно, обычно используются для ограничения проникновения жидкости в пористый материал.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения эпоксидный мономер выбран из группы, включающей Araldite 9699(Huntsman), Celloxide 2021P (Daicel), 3,4-эпоксициклогексанкарбоксилат 3,4-эпоксициклогексилметила (Sigma-Aldrich), 1,2-циклогександикарбоксилат диглицидила (Sigma-Aldrich), циклогексаноксид (Sigma-Aldrich), 1,2,5,6-диэпоксициклооктан (Sigma-Aldrich) и/или поли[(фенилглицидиловый простой эфир)-со-формальдегид] (Sigma-Aldrich).
Хорошие результаты получали в случае, когда оксетановый мономер выбран из группы, включающей OXT221(Toagosei Chemical), 3-этил-3-оксетанметанол (Sigma-Aldrich), 3,3-диметилоксетан (Sigma-Aldrich) и/или 3-этил-3-[(2-этилгексилокси)метил]оксетан (ОХТ 212)(Toagosei Chemical).
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения усилитель адгезии представляет собой усилитель адгезии на основе силана и эпоксидной смолы, предпочтительно выбранный из группы, включающей Silquest A187(Momentive), (3-глицидилоксипропил)триэтоксисилан (Sigma-Aldrich), (3-глицидилоксипропил)триметоксисилан (Sigma-Aldrich) и/или триметокси[2-(7-оксабицикло[4.1.0]гепт-3-ил)этил]силан (Sigma-Aldrich).
Преимущественно, сенсибилизатор представляет собой сенсибилизатор для повышения чувствительности в УФ и видимом диапазоне излучения, предпочтительно выбранный из группы, включающей Anthracure UVS 1331 (Kawasaki Chemical), антрацен (Sigma-Aldrich), 9-флуоренон (Sigma-Aldrich), перилен (Sigma-Aldrich) и/или 9,10-диэтоксиантрацен (UVS 1101) (Kawasaki Kasei Chemicals).
Более того, фотоинициатор, активируемый излучением и температурой, представляет собой предпочтительно катионный фотоинициатор, более предпочтительно - PAG GSID26-1 (BASF).
Если для состава согласно настоящему изобретению используется смесь фотоинициатора и термического инициатора, термический инициатор предпочтительно представляет собой ангидрид, предпочтительно выбранный из группы, включающей фталевый ангидрид (Sigma-Aldrich); малеиновый ангидрид (Sigma-Aldrich); циклобутан-1,2,3,4-тетракарбоксиловый диангидрид (Sigma-Aldrich); бензойный ангидрид (Sigma-Aldrich) и/или олеиновый ангидрид (Sigma-Aldrich), а фотоинициатор представляет собой катионный фотоинициатор, предпочтительно выбранный из группы, включающей PAG Irgacure 290 (BASF), гексафторфосфат дифенилйодония (Sigma-Aldrich), гексафторантимонат дифенилйодония (Sigma-Aldrich), соли гексафторфосфата триарилсульфония (Sigma Aldrich) и/или трифлат трифенилсульфония (Sigma-Aldrich).
Можно получить хорошие результаты в случае, когда состав дополнительно содержит фторированный эпоксидный мономер, предпочтительно выбранный из группы, включающей 3-перфтороктил-1,2-пропеноксид (Fluorochem), 3-перфторгексил-1,2-эпоксипропан (Sigma-Aldrich) (Chemical Co., Ltd) и/или 3-[2-(перфторгексил)этокси]-1,2-эпоксипропан (TCI American).
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к способу сцепления по меньшей мере двух частей, из которых одна часть представляет собой по меньшей мере инертный материал, включающему следующие этапы:
нанесения на одну часть адгезионного состава согласно любому из предыдущих вариантов осуществления;
помещения другой части, подлежащей сцеплению, на первую часть;
подвергания частей воздействию УФ-светового излучения; и
тепловой обработки части.
После перекрытия частей, подлежащих сцеплению, при помощи адгезива согласно настоящему изобретению, некоторая часть адгезива выступает. Благодаря наличию фотоинициатора в качестве части состава этот экспонированный или выступающий фотоинициатор ретикулируется под воздействием УФ-излучения, обеспечивая позиционирование и выравнивание микросхемы на следующих этапах производства. Затем выполняют тепловую обработку с целью усиления ретикуляции «экранированной области» (области между двумя частями) адгезива.
Адгезив согласно настоящему изобретению можно, например, использовать для сцепления кремниевых микросхем с пропитанным/гидроизолированным, инертным материалом.
Поскольку состав может также быть термически отвержденным, высокие показатели, например, стойкость к растворителям, могут быть достигнуты также в областях, где адгезив защищен от УФ-излучения.
Состав приводит к сцеплению с высокой химической стойкостью к воде и, например, к краскам на водной основе, после отверждения.
Более того, состав характеризуется хорошей адгезией в отношении инертного материала.
Согласно настоящему изобретению используют эпоксидный мономер, поскольку он демонстрирует высокую вязкость, ретикулируется под воздействием света/тепла и улучшает стойкость к растворителям.
Наличие оксетанового мономера, который можно сшивать под воздействием света/тепла, снижает окончательную вязкость адгезива.
Усилитель адгезии преимущественно улучшает адгезию адгезионного состава.
Сенсибилизатор может преимущественно сенсибилизировать состав к длинам волн, к которым фотоинициатор не является чувствительным.
Фотоинициатор в качестве части состава фотоиницирует сшивание мономера в составе.
Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к применению состава для сцепления пропитанного/гидроизолированного графитового материала с кремниевым материалом.
Краткое описание графических материалов
С целью лучшего понимания настоящее изобретение будет описано посредством иллюстративных вариантов осуществления. Данные варианты осуществления можно лучше понять, беря во внимание следующие графические материалы. В пределах фигур данных графических материалов одинаковые ссылочные позиции используются для признаков, которые являются одинаковыми или имеют одинаковую или схожую функцию. На данных фигурах,
на фиг. 1 показано поперечное сечение печатающей штанги;
на фиг. 2 показан график конверсии эпоксидных и оксетановых функциональных групп, содержащихся в предпочтительном составе во время УФ-излучения;
на фиг. 3 показан график конверсии эпоксидных и оксетановых функциональных групп, содержащихся в предпочтительном составе во время тепловой обработки;
на фиг. 4 показан предпочтительный вариант осуществления установки кремниевой микросхемы на пропитанный графит;
на фиг. 5-10 показана химическая структура примеров компонентов состава согласно предпочтительным вариантам осуществления.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Например, для разработки системы струйной печати для красок на водной основе и/или на основе растворителей необходимо иметь набор материалов, совместимых с жидкостями, подлежащими печати посредством системы печати. Жидкости не должны повреждать составляющие части системы печати и сцепления их частей для предотвращения неисправностей, возникающих в течение срока службы печатной машины.
Как правило, печатающая штанга системы печати содержит ряд модулей (1) печати, таких как представленные на фиг. 1.
В такой печатающей штанге краска поступает из резервуара для краски и попадает в эжекторные группы, проходя через отверстия, вырезанные в пористом материале (4).
Печатающая штанга состоит из одного или более графитовых модулей (1), каждый из которых присоединен к макрогидравлическому каналу (2), проходя через отверстия (3). Канал направляет краску в модули и, в частности, в каждую эжекторную группу (5).
Предпочтительные материалы, используемые для компонента (4), имеют линейный коэффициент термического расширения, схож, насколько это возможно, на коэффициент кремния (≈3*10-6 °С-1), поскольку печатающая головка будет содержать кремниевые части, которые будут сцеплены с компонентом (4). Схожесть двух термических коэффициентов предотвращает повреждения кремниевых чипов, как только их сцепляют с материалом (4), данные повреждения могут быть следствием термических нагрузок вследствие процесса производства.
Существует не так много материалов на рынке, которые имеют приемлемую цену и их легко обрабатывать на основе известных методик, при этом их линейный коэффициент термического расширения близок 10-6 °С-1. Одним из этих материалов является графит.
Данные материалы часто характеризуется высокой пористостью (в микро- и нанометровом масштабе), что может быть проблемой с точки зрения проницаемости для жидкостей и совместимости с клеями или инкапсулянтами, используемыми в процессе сборки.
Следовательно, используются жидкие составы, подходящие для применения и совместимые с процессом производства.
Материал предпочтительно совместим с красками на водной основе и на основе растворителей без каких-либо повреждений после контакта в течение 7 недель при 45°С. Этот композитный полимерно-графитовый материал очень инертен и не выделяет загрязняющих веществ в жидкости в течение срока службы системы печати.
Эта инертность может быть проблемой для процедур сцепления компонентов (кремниевых микросхем) на графитовом материале (4) вследствие отсутствия реакционноспособных групп на пропитывающем материале, на котором клей должен способствовать некоторым химическим взаимодействиям. Для решения этой проблемы разработан специальный клей на основе эпоксидной смолы, отверждаемый под воздействием света и тепла, с высокой устойчивостью и стабильностью.
Некоторые полученные составы на основе эпоксидной смолы приведены в следующей таблице.
Каждый состав, приведенный в таблице, является светочувствительным к излучению в диапазоне от 250 нм до 420 нм.
Было замечено, что состав L125, содержащий фотоинициатор PAG GSID26-1, способен ретикулироваться при температурах, равных или превышающих 180°С, без какого-либо воздействия энергии УФ-излучения. Состав L117 способен к ретикуляции только при воздействии УФ-излучения.
Состав L125 анализировали с помощью спектроскопии пропускания FTIR, собирая данные на фиг. 2 и 3.
-1
-1
На фиг. 2 изображена конверсия эпоксидной смолы (912 см) и оксетана (980 см) (в %) L125 в зависимости от воздействия энергии УФ-излучения. Квадраты показывают конверсию эпоксидной смолы, тогда как ромбы конверсию оксетана.
-1
-1
На фиг. 3 показана конверсия эпоксидной смолы (912 см) и оксетана (980 см) (в %) L125 в зависимости от температур (180°С, 190°С и 200°С) во время нагревания (в мин.). Квадраты показывают конверсию эпоксидной смолы при 180°С, ромбы - конверсию оксетана при 180°С, треугольники - конверсию оксетана при 190°С, кресты - конверсию эпоксидной смолы при 190°С, звезды -конверсию оксетана при 200°С, и круги конверсию эпоксидной смолы при 200°С.
После ретикуляции под воздействием энергии УФ-излучения, превышающей 1000 мДж/см2 и/или термического отверждения до температур, равных или превышающих 180°С в течение 60 минут, материал становится очень твердым и химически устойчивым к краскам на водной основе и на основе растворителей. После ретикуляции он не набухает красками даже после 7-недельного контакта при 45°С.
Термическая реакционная способность L125 при температурах, превышающих или равных 180°С, делает этот состав идеальным для нанесения на пропитанный графит для сцепления.
Состав идеально подходит для этого применения по двум причинам:
он хорошо сцепляет пропитанный графитовый материал и кремниевую микросхему, обладающую высокой стойкостью к краскам;
он отверждается как под воздействием тепла, так и УФ-излучения. Это обеспечивает высокую химическую стойкость и высокую адгезионную прочность по отношению к пропитанному графиту даже в областях, которые не могут быть достигнуты УФ-излучением.
Клей наносили на графитовый материал, в частности, на края входного отверстия (5) для краски, на котором перекрывается кремниевая микросхема.
При расположении микросхемы на клеящем кольце (фиг. 4) область клея останется не подвергнутой воздействию УФ-излучения. УФ-отвержденная область гарантирует стойкость к жидкости, которая в конечном итоге присутствует в верхней части системы печати, и в то же время поддерживает положение выравнивания микросхемы во время процесса производства.
На фиг. 4 показано сцепление кремниевых эжекторных групп, используемых в процессе производства одного модуля типовой печатающей штанги.
На первом этапе (9) клеящее кольцо (7) (серая область на фиг. 4) распределяли на пропитанный модуль (4), в частности, на края входного отверстия (6) для краски, встроенного в пористый материал, который в данном случае представляет собой пропитанный графит (4), на котором кремниевая микросхема (8) перекрывается только на втором этапе (10).
Выравнивание кремниевой микросхемы на следующих этапах производства гарантируется этапом подвергания воздействию УФ-излучения, который индуцирует фоторетикуляцию неэкранированной области непокрытой окружной области клея.
Возможно, было бы полезно подвергнуть заднюю сторону собранной части воздействию УФ-излучения, чтобы вызвать ретикуляцию под воздействием света клея также на внутренних краях отверстия для краски.
После этих этапов клей может быть термически отвержден, чтобы завершить ретикуляцию во всех областях устройства без потери выравнивания эжекторных групп.
Важно обеспечить хорошую степень ретикуляции неподвергаемой области клея, чтобы достичь высокой адгезии и стойкости к растворителям. В частности, важно достичь определенной степени ретикуляции, чтобы осуществить сцепление с пропитанным графитом.
После отверждения клей достигает очень высокой химической стойкости к краскам на водной основе и на основе растворителей, сохраняя при этом его адгезионные и механические свойства даже после 7-недельного контакта с красками при 45°С.
Пропитанный графит с кремниевыми микросхемами, сцепленными сверху клеем L125, обеспечивает высокую выдержку в условиях давления (2 бар) в течение 2 недель при комнатной температуре без каких-либо повреждений.
На фиг. 5-10 показана химическая структура примеров компонентов состава согласно предпочтительным вариантам осуществления.
На фиг. 5 показана структура Araldite 9699, используемая согласно предпочтительному варианту осуществления, в виде ароматического эпоксидного олигомера. Структура 9,10-дибутоксиантрацена, фотосенсибилизатора, показана на фиг. 6. На фиг. 7 показана структура Silquest А187, используемая в качестве усилителя адгезии согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Структура ОХТ 221, оксетановый мономер, может быть взята из фиг. 8. На фиг. 9 изображена структура фторированного эпоксидного мономера, а именно 3-перфтороктил-1,2-пропеноксида. На фиг. 10 показана структура циклоалифатического эпоксидного мономера (Celloxide 2021P).
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
1 модуль печати
2 макрогидравлический канал
3 сквозное отверстие
4 пористый материал
5 эжекторная группа
6 входное отверстие
7 клей
8 кремниевая микросхема