Mechanismen thermisch härtbarer Wärmehärtender Klebstoff (Vernetzungsreaktionen und ihre Typen)

Was sind thermohärtende Klebstoffe?

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei thermohärtenden Klebstoffen um Klebstoffe, die durch Hitzeeinwirkung aushärten. Einige Klebstoffe sind in Filmform erhältlich, die meisten jedoch in flüssiger Form. Materialien mit unterschiedlichem Molekulargewicht werden der Flüssigkeit beigemischt. Diese härten aus und haften durch Vernetzungsreaktionen, bei denen die funktionellen Gruppen dieser Moleküle durch Hitze dreidimensional miteinander verbunden werden und polymerisieren.

Die Vernetzungsreaktion ist eine „irreversible Reaktion“

Vernetzungsreaktionen sind irreversibel. Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir das Gegenteil der reversiblen Reaktionen. Nachfolgend sind einige gängige Klebstoffkategorien aufgeführt – Klebstoffe wie Zellophanband werden auch als druckempfindlich eingestuft. Wir konzentrieren uns hier jedoch nur auf Fälle, in denen sich der Klebstoff selbst verändert.

Einige häufige Beispiele für Klebstoffe, die reversible Reaktionen eingehen, sind Stärkekleister und Klebestifte für Schulbastelarbeiten, Holzleim für Heimwerkerprojekte und Schmelzklebstoffe. Schmelzklebstoffe, auch Heißkleber genannt, schmelzen bei Hitze und werden nach dem Abkühlen und Erstarren zum Befestigen von Teilen verwendet. In den letzten Jahren werden sie oft mit Heißklebepistolen verwendet, um Dinge wie Accessoires in Handarbeit herzustellen. Der Hauptbestandteil dieses Heißklebers ist thermoplastisches Harz, das bei Hitze vom harten in den weichen Zustand übergeht. Mit anderen Worten: Die Veränderung ist reversibel. Das liegt daran, dass die Reaktion der Harzmoleküle auf Hitze keine Vernetzungsreaktion ist, sondern eine Veränderung der zwischenmolekularen Kräfte, ähnlich wie Eis zu Wasser schmilzt – die Molekularstruktur selbst verändert sich nicht.

Wärmehärtende Klebstoffe unterliegen jedoch irreversiblen Reaktionen, wie z. B. einer durch Hitze ausgelösten Vernetzungsreaktion, die den flüssigen in den festen Zustand überführt (Phasenwechsel). Nach dem Wechsel führt erneutes Erhitzen des Harzes nicht zu einer Zustandsänderung. Dies liegt daran, dass die durch die intermolekulare Vernetzungsreaktion entstehende Struktur extrem fest und stabil ist. Bei der Herstellung wärmehärtender Klebstoffe können Art und Verhältnis der Materialien angepasst werden, um die Vernetzungsdichte zu erhöhen. Dies führt zu einer höheren Hitzebeständigkeit nach der Aushärtung sowie zu einer höheren chemischen und feuchtigkeitsbeständigen Beständigkeit.

Daher zeichnen sich wärmehärtbare Klebstoffe nach dem Anhaften durch eine hohe Zuverlässigkeit aus und werden häufig als Industrieklebstoffe eingesetzt, beispielsweise in Halbleitermontagematerialien für elektronische Teile.

Die fünf wichtigsten Arten von wärmehärtenden Klebstoffen für elektronische Bauteile

Bei der Herstellung elektronischer Bauteile kommen fünf Arten wärmehärtender Klebstoffe zum Einsatz. Im Folgenden betrachten wir die Eigenschaften der einzelnen Klebstoffe.

■Epoxid-Säureanhydrid-System

Bei diesem Klebstofftyp reagieren Imidazol und Säureanhydrid, verbinden sich und polymerisieren anschließend mit Epoxidharz, um auszuhärten. Viele Säureanhydride haben eine niedrige Viskosität und können daher mit einer Vielzahl anderer Inhaltsstoffe gemischt werden. Füllstoffe, die die Funktionalität von Klebstoffen erhöhen, lassen sich problemlos hinzufügen. So können Klebstoffe hergestellt werden, die ihre nützlichen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behalten, indem Füllstoffe hinzugefügt werden, die die mechanischen Eigenschaften verbessern.

Säureanhydride hingegen haben die Eigenschaft, sich in Verbindung mit Wasser zu zersetzen und dabei freie Säure zu bilden. Ein Nachteil dieses Produkts besteht darin, dass es während der Lagerung leicht Feuchtigkeit aufnimmt und eine geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist, sodass seine Haltbarkeit kurz ist. Allerdings weist dieses Harz auch Nachteile auf, wie etwa seine hohe Aushärtungstemperatur, lange Aushärtungszeit und geringe Reaktivität sowie seine niedrige Viskosität, was bedeutet, dass es während der Aushärtung zur Gasentwicklung neigt.

Trotz dieser Nachteile bleibt die bereits erwähnte hervorragende Hitzebeständigkeit ein attraktiver Vorteil. Epoxidsäureanhydrid-Klebstoffe werden derzeit häufig in Halbleiter-Montagematerialien verwendet und sind als äußerst zuverlässige Klebstoffe bekannt.

■Epoxid-anionisches Polymerisationssystem

Epoxidklebstoffe mit anionischer Polymerisation härten aus, wenn sich Epoxidgruppen mit den als Härter verwendeten Aminmolekülen verbinden. Die Materialien sind seit langem im Einsatz, und es wurden viele Amintypen als Härter entwickelt, wodurch sich ihre physikalischen Eigenschaften leicht steuern lassen.

Klebstoffe lassen sich in zwei Typen unterteilen: Einkomponentenklebstoffe und solche, bei denen zwei Komponenten miteinander vermischt werden. Bei der Herstellung eines Einkomponenten-Epoxidklebstoffs auf Basis anionischer Polymerisation wird häufig ein Härter in Pulverform verwendet, wodurch die gemischte Flüssigkeit eine hohe Viskosität aufweist. Je höher die Viskosität, desto schwieriger wird es, eine hohe Füllstoffdichte zur Erhöhung der Hitzebeständigkeit zu erreichen. Die Folge ist ein höherer linearer Ausdehnungskoeffizient (Änderungskoeffizient der Objektgröße durch Hitze). Nachteile dieser Klebstoffart waren die schwierige Handhabung aufgrund der hohen Viskosität, die hohe Aushärtungstemperatur und die lange Aushärtungszeit. Dexerials hat in den letzten Jahren jedoch Niedrigtemperatur- und schnell aushärtende Klebstoffe entwickelt, um ihre Anwendung für neue Zwecke und Einsatzzwecke zu erforschen.

■ Silikon-Additionsreaktionssystem

Die Moleküle von Silikonadditionsreaktionsklebstoffen weisen im Vergleich zu anderen Klebstoffen relativ lange Molekülbindungen auf, was eine höhere Flexibilität ermöglicht. Der Glasübergangspunkt (Tg) ist extrem niedrig, wodurch Produkte mit einer Aushärtungstemperatur von mehreren zehn Grad unter Null hergestellt werden können. Diese Klebstoffe werden aufgrund ihrer einfachen Handhabung und ihrer hervorragenden Hitze- und Kältebeständigkeit in vielen Anwendungen eingesetzt.

Viele Silikontypen sind Zweikomponentenklebstoffe und bieten den Vorteil niedriger Aushärtungstemperaturen, weisen aber oft auch lange Aushärtungszeiten auf. Zudem enthält die Struktur niedermolekulares Siloxan, wodurch mit der Zeit nach der Verklebung die Gefahr von Kontaktfehlern besteht und das Material sich in einen Isolator verwandelt. Silikon ist zwar stark wasserabweisend, lässt aber auch Feuchtigkeit durch. Diese Eigenschaften müssen bei der Verwendung in Teilen mit elektrischen Leiterbahnen, wie beispielsweise elektronischen Bauteilen, berücksichtigt werden.

■Epoxid-Thiol-System

Epoxid-Thiol-Klebstoffe härten im Vergleich zu anderen wärmehärtenden Klebstoffen relativ schnell aus. Sie verwenden Imidazol und Thiol, zwei Materialien, die häufig in Zweikomponentenfarben für kalte Regionen verwendet werden, als Materialien zum Aushärten von Epoxidharz. Diese Kombination ist durch eine so hohe Reaktivität gekennzeichnet, dass die Aushärtungsreaktion beim Mischen sogar an Orten stattfindet, an denen die Außenlufttemperatur 0 °C beträgt. Dies erschwert jedoch auch die Handhabung, und es galt als schwierig, ihn als Einkomponenten-Klebstoff herzustellen. In den letzten Jahren wurden Anpassungen am Katalysator und Stabilisator vorgenommen, was zur Entwicklung einer Einkomponenten-Version führte, die eine wesentlich schnellere Aushärtungsgeschwindigkeit aufweist und gleichzeitig die Aushärtung bei relativ niedrigen Temperaturen beibehält – die Leistung wurde soweit verbessert, dass sie bei 100–120 °C in Sekunden aushärtet. Mit dem Aufkommen eines wärmehärtenden Klebstoffs, der in Sekunden aushärtet, werden neue Anwendungsmöglichkeiten entwickelt.

■Epoxid-kationisches Polymerisationssystem

Das aus Epoxidharz-Klebstoffen mit kationischer Polymerisation ausgehärtete Material besteht aus Etherbindungen und bietet damit entscheidende Vorteile für Präzisionsteileklebstoffe, wie hohe Wasserbeständigkeit, geringe Aushärtungsschrumpfung und geringe Ausgasung während der Aushärtung. Andererseits kann es zu Metallkorrosion kommen, da der Katalysator Säure erzeugt und die Aushärtung durch Basen oder Feuchtigkeit auf der Klebefläche verhindert wird. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig, beispielsweise durch den Gehalt des Katalysators an Antimon, einer giftigen Substanz, die schwer zu handhaben ist. Dank seiner unübertroffenen Leistung ist er jedoch zu einem unverzichtbaren Klebstoff für bestimmte elektronische Bauteile geworden, wie z. B. Dichtungen für Bildsensorkappen und Aufkleber für LCD-Panels.

Die oben genannten Eigenschaften der fünf Arten von wärmehärtenden Klebstoffen werden ausschließlich im Hinblick auf ihre Verwendung als Klebstoffe für elektronische Bauteile erläutert. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Typen ändern sich je nach Kontext – beispielsweise führt irreversible Haftung zu einer stärkeren Verbindung, was für die Befestigung von Teilen von Vorteil, für Reparaturen jedoch von Nachteil ist. Die Konzepte von Haftung und Befestigung werden sich mit dem technologischen Fortschritt und den veränderten Lebensstilen weiterentwickeln, und Dinge, die derzeit als Nachteile angesehen werden, können sich mit der veränderten Perspektive zu nützlichen Vorteilen entwickeln. Dexerials wird seine Expertise und sein Wissen im Bereich Klebstoffe weiterhin nutzen, um neue Herausforderungen in der Klebstofftechnologie anzunehmen und auf die Bedürfnisse unserer Kunden zu reagieren.