Caracterização reológica de adesivos condutores para aplicação em circuitos impressos

Abstract

Os adesivos eletricamente condutores (ECAs) têm demonstrado um interesse crescente na indústria eletrónica, para aplicação na montagem de placas de circuito impresso (PCB) pela tecnologia de montagem em superfície (SMT). O cumprimento das diretrizes de Restrição de Substâncias Perigosas (RoHS) e Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrónicos (WEEE), exigiu novas formulações de pasta de solda que têm uma temperatura de fusão mais elevado do que as antigas soldas baseadas em chumbo. A crescente complexidade dos PCB's, a miniaturização dos componentes eletrónicos e a maior temperatura de fusão contribuem para o aumento de "stress térmico" acumulado durante o processo de soldadura por reflow do PCB montado (PCBA). Os adesivos condutores são uma alternativa à pasta de solda, tendo a vantagem de exigir uma temperatura de processamento mais baixa; além disso, eles podem ser desenvolvidos para serem aplicados usando o mesmo processo de impressão de stencil e os equipamentos usados para aplicação da pasta de solda. A fim de garantir o adequado desempenho do ECA no processo de aplicação, comparado com a pasta de solda, a avaliação reológica é de extrema importância. Para este efeito foram estudadas as etapas e condições do processo utilizados na linha de processamento da empresa, para definir o protocolo experimental reológico. Neste estudo, os ECAs constituídos por uma matriz de resina epóxi carregada com nanopartículas de carbono, nanoplacas de grafite (GNP) e nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT), foram preparados e caracterizados relativamente a i) resposta reológica, ii) comportamento térmico avaliado por calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e iii) para os compostos curados, a sua resistência elétrica. Os resultados obtidos demonstraram que o ECA preparado com 2% de GNP e 0,5% de SWCNT apresentou as características reológicas mais próximas às da pasta de solda utilizada na linha Bosch em Braga, garantindo a eficácia reológica para a aplicação por impressão de stencil para a tecnologia SMT. Este adesivo foi também o que apresentou melhores propriedades em termos de condutividade elétrica. A caracterização térmica realizada demonstrou que todas as formulações são curadas após serem sujeitas a um perfil térmico como o do forno de reflow.

Electrically conductive adhesives (ECAs) are having a growing interest in the electronic industry, for application in the printed circuit boards (PCB) assembly by the most widely used surface mount technology (SMT). Compliance with Restriction of Hazardous Substances (RoHS) and Waste from Electrical and Electronic Equipment (WEEE) directives, required new solder paste formulations that have a higher melting temperature than the former lead based solders. The increasing complexity of PCB's, the miniaturization of electronic components, and the higher melting temperature, contribute to the increasing “thermal stress" build up during the reflow soldering process of the assembled PCB (PCBA). Conductive adhesives are a possible alternative to the solder paste having the advantage of requiring a lower processing temperature; additionally, they can be designed to be applied using the same stencil printing process and equipment used for solder paste. In order to ensure the suitability of the ECA for the application process, as compared to the solder paste, the rheological evaluation is of paramount importance. A study of the process steps and conditions used in the company's processing line was conducted, to define the rheological experimental protocol. In this study, ECAs constituted by a matrix of epoxy resin loaded with carbon nanoparticles, namely graphite nanoplatelets (GNP) and single wall carbon nanotubes (SWCNT), were prepared and characterized for i) their rheological response, ii) thermal behavior assessed by differential scanning calorimetry (DSC), and iii) for the cured composites, their electrical resistivity. The results obtained demonstrated that the ECA prepared with 2 wt% of GNP and 0.5 wt% of SWCNT presented the rheological characteristics closer to those of the solder paste used at the Bosch line in Braga, ensuring the rheological efficacy for the application by stencil printing for SMT technology. The thermal characterization performed demonstrated that all the ECA formulations are cured after being subject to a thermal profile as the one in the reflow oven. The ECA formulation with 2 wt% of GNP and 0.5 wt% of SWCNT presented the best performance at the rheological level, and also in terms of the electrical conductivity.