דבקים מוליכים בתעשיית האלקטרוניקה

דרור רוזנר – מהנדס פלסטיק

דבקים המבוססים על בסיס אורגאני פתרו בעיות שונות במגוון גדול של תעשיות, כגון, תעשיית הרכב, מטוסים, בתים, וכמעט בכל דבר הסובב אותנו. לכן, מדוע שלא נשתמש בהם בתעשיית האלקטרוניקה.
פולימרים יכולים להיות מותאמים כימית ותפורים לפי הדרישות הרצויות לתכונות הנדרשות. שלא כמו מתכת, שבה התכונות קבועות מראש. ואנו איננו יכולים לשנות תכונות אלה.
פולימרים יכולים להיות, חזקים יותר ממתכות, קלים מהם, יכולים לאפשר מעבר אור, גמישות או קשיות, אלסטומרים, או כמעט כל תכונה נדרשת. כאשר התכונה החסרה והקשה ביותר להשגה מפולימרים זו ההולכה החשמלית.
הפולימרים המוליכים האינטרינסיים (ICP) ידועים כבר כמה שנים, כאשר תכונותיהם הנוספות הם עניות, ועדין לא נעשו פריצות דרך משמעותיות ליישומם כדבקים מוליכים. הדבקים המוליכים מתחילים להציע מאזן מתאים של תכונות וביצועם אשר ישופרו עם מחקרים בעתיד. פולימרי הלחמה, בעבר שימשו רק למעגלים משולבים ולמעגלים גמישים הרגישים לטמפ'. היום הם מתחילים לעבור למעגלים קונבנציונאליים. דבקים אלה משמשים לחיבור שבבים למעגל החשמלי (נגדים וכו').
בהשוואה לשיטות הלחמה רגילות, דבקים מוליכים מאפשרים הדבקה בטמפ' נמוכה וכמו כן יוצרים עמידות לסדקים, לעומת שיטות הלחמה רגילות, דבר זה בעל חשיבות גדולה ביותר, כאשר המעגל חשוף לשינוי טמפ' הגורמים להתפשטות והתכווצות וזאת כאשר מדובר על רכיבים כמו שבבים סיליקונים.
דבקים אופייניים הם שרפי אפוקסי ופוליאמיד, אשר הוספו להם מלאנים עם שבבי מתכת מוליכים, בד"כ כסף או זהב.
יישום דבקים אלה למשטח ההדבקה מתבצע ע"י מנה קבועה של דבק. השבב מונח על הדבק ולאחר מכן יוצרים צילוב בטמפ' שבין 150-300 מעלות צלסיוס. חוזק ההדבקה בד"כ הוא מעולה ועמידות הרכיבים למתיחה ומשיכה היא גבוהה. בשנים האחרונות דבקים המכילים אניון הפכו לדאגה, עקב יכולתו של האניון לנדוד אל השבב. דבר הגורם לקורוזיה של המעגל המשולב. פולי אמידים ואפוקסי מציעים רמה נמוכה של אניונים בתוך החומר וע"י כך מפחיתים היווצרות הקורוזיה במעגל המשולב. דרור רוזנר – מהנדס פלסטיק (22.09.06)

דבקים מוליכים מחולקים לשתי קבוצות עיקריות:

דבקים מוליכים תרמופלסטיים

דבקים מוליכים תרמופלסטים הם בעלי תכונות של:
1. מאמץ נמוך.
2. לא זקוקים לצילוב.
3. כושר הדבקה למגוון רחב של תשתיות.
4. יכולת עיבוד קלה.

דבקים מסוג זה הם בעלי יישומים שונים בתחומים, כגון: תקשורת, תעשיית הרכב ומכשירי צריכה אלקטרוניים.
ניתן לקבל את המוצרים עם תכונות של: הולכה חשמלית, הולכה ו/או בידוד תרמי. המוצרים מתקבלים בצורת פילמים או PASTE (ניתנים למריחה).

דבקים מוליכים תרמוסטיים

דבקים אלה מבוססים על הוספת מלאנים מתכתיים, שגורמים להולכה בחומר.

דבקים מוליכים תרמוסטיים הם בעלי תכונות של:
1. יכולת צילוב הטמפ' נמוכה.
2. אין צורך ברמת ניקיון גבוהה.
3. מודול אלסטיות נמוך, המאפשר הפחתת מאמצים.

דבקים המבוססים על פולימרים תרמוסטיים משמשים להדבקת רכיבים למעגלים של לוחות, מאפשרים יצירת צמתים לצורך הולכה במתכות לא אצילות.

יישומים של דבקים מוליכים

ישנו מגוון רחב של דבקים המשמשים להרכבת רכיבים כיום.
הדבקים מחולקים לשלושה קטגוריות רחבות עיקריות:
1. חיבור מכאני.
2. הלחמה.
3. פולימרים (חיבור חשמלי).

ברמת השבב, חיבור מכאני ע"י צמתים מתכתיים זהו החיבור הנפוץ ביותר. סוג זה של הרכבה אינו משמש לרכיבים ארוזים.
הרכיבים מחוברים ע"י הלחמה או ע"י הדבקה. כאשר שתי שיטות אלה מתחרות זו בזו. בזמן שהלחמות קיימות כבר 7000 שנה, דבקים המשמשים לתעשיית הרכיבים האלקטרונים קיימים זמן קצר בלבד.
שיטת ההלחמה היא נגישה ויחסית זולה, ומשתמשים בה במתכות, כמו: BISMUTH AND INDIUM . אולם הם אינם ניתנים ליישום ע"י טפטוף. בהדבקה ניתן להדביק רכיבים ע"י טפטוף מנה קבועה של דבק.

דבקים מוליכים משמשים לשתי מטרות עיקריות:

1. חיבור הרכיבים בצורה מכאנית למשטח המעגל החשמלי וליצירת התנגדות נמוכה,
2. חיבור חשמלי אמין בין פסי ההולכה על המעגל החשמלי לבין הרכיב.
יישום מדויק חשוב יותר ואפילו קריטי כאשר מדובר בחיבור ע"י דבקים מוליכים, וזאת מכיוון שעל הדבק להיות ממוקם במרווחים קטנים ביותר עד לגודל של mils 8.

חיבור מכאני

חיבור מכאני משמש לאחזקת הרכיבים במקומם על המעגל בזמן שהם עוברים הלחמה. רכיבים הנמצאים על פני משטח המעגל חייבים להיות מוחזקים במקומם עבור הלחמה רציפה, כיוון שלוח המעגל החשמלי מוזז בזמן התהליך.
דבק המשמש לקיבוע צריך להיות בעל יכולת של: עמידה בפני דליפה של חומר הלחמה מותך ולמנוע מהרכיבים לזוז בזמן ההלחמה.

חיבור ע"י להלחמה

פולימרים להלחמה הם דבקים מוליכים אשר נועדו להחליף חומרי ההלחמה המתכתיים. הם מבוססים על פולימרים עם מלאני מתכת. חומרים אלה נחשבים כחומרי הלחמה אלטרנטיביים לחיבור כבר כמה שנים.
דבקים היו החומרים הראשונים שלא הכילו CFC , ושימשו להדבקת רכיבים אלקטרונים. דבקים אלו אינם מכילים עופרת או מתכות רעילות אחרות, ולכן הדבקים המוליכים הם אלטרנטיבה מובילה לחומרי הלחמה המכילים עופרת ומתכות רעילות.
רוב הדבקים המוליכים הם בעלי מלאנים של פתיתי כסף או אבקה, אשר מאפשרים הולכה יציבה וצפויה מראש וזאת תודות למוליכות הגבוהה המתאפשרות ע"י חמצון הכסף.
בעתיד, דבקים יהיו כנראה בנויים עם מלאני נחושת בעלי ציפוי שטח מתאים.
דבקים מוליכים איזוטרופיים ניתנים ליישום ע"י: הדפסה, הטבעה, או יישום בעזרת מחט הזרקה לתוך תבנית.
תהליך ההדבקה של דבקים מוליכים דומה מאד לתהליך ההדבקה של חומרים הניתנים להזרמה גם לאחר שהתקשו. ההבדל ביניהם הוא שהדבק אינו זורם כאשר הוא מחומם שוב. שילוב של חום נמוך יחסית, בד"כ  C 150 או פחות הופך את הדבק לחיבור חזק ולמוליך מתכתי מוצק.

פולימרים להלחמה הם בעלי :

1. מתח פני שטח נמוך, ולכן אינם יכולים לשמש להלחמה רציפה.
2. החוזק המכאני הוא רק 30-50% מאשר הלחמה על J-LEADS.
3. רמת הענות גבוהה יותר מחומרים רבים אחרים.
4. נשארים עדין חזקים לאחר 4000 מחזורי חום.
5. העיבוד הוא מהיר ונקי.
6. טמפ' העיבוד  C 100, יותר נמוכה מאשר בהלחמה רגילה.
7. חלון העיבוד גדול מאד.

חיבור חשמלי

דבקים המשמשים לחיבור חשמלי בנויים מפולימרים עם מלאנים של חלקיקי מתכת. חלקיקי המתכת מאפשרים מעברים חשמליים בין הרכיבים לבין לוח המעגל החשמלי.

דבקים מוליכים משמשים

1. תיקון פסים מוליכים.
2. חיבור רכיבים למעגלים ולמשטחים בעלי רגישות לחום.
3. וליישומים כללים בהם נוח להשתמש בהם, כאשר דרושה טמפ' צילוב נמוכה.

תפיסות ומוצרים בהדבקה של פולימרים מתקדמים

דבקים מוליכים אנ-איזוטרופיים למרות שאינם חדשים, הם חדשים יותר מדבקים איזוטרופיים.
חומרים אנ-איזוטרופיים משיגים מוליכות אחידה בניצב וכן בציר ה- Z , תודות לכך שהם מכילים חלקיקים מוליכים בצורה אקראית ובנפח נמוך בתוך הדבק המבודד.
בגלל הנפח הנמוך של החלקיקים בתוך החומר אין מגע בין החלקיקים במישור החומר.
מעברים חשמליים נוצרים כאשר שני מוליכים על המעגל או המכשיר נלחצים על משטח הדבק. בזמן תהליך ההדבקה דרוש בד"כ, חום כדי לאפשר למוליכים החשמליים להילחץ על גבי משטח ההדבקה.
הקשר החשמלי הוא מכאני, בגלל שהמוליכים עשויים בעיקר ממתכות לא דביקות.
השימוש בחלקיקים קטנים המפוזרים בצורה אקראית מבטיח מגע חשמלי.
הדבקים בעלי האקראיות בציר Z עם הפיזור של החלקיקים הלא דביקים, מסתמכים על דפורמציה של השכבה המבודדת ליצירת כוחות לחץ קבועים לאחזקה מכאנית של הרכיבים יחדיו.
לאחר ההדבקה רוב החלקיקים נשארים בין המוליכים ואינם משמשים לשום מטרה אלה גורמים לדגרדציה. למרות שרוב השימושים, כמו: הרכבת פנל תצוגה עובדים די יפה עם האקראיות של החלקיקים בדבק. מבנה זה אינו אופטימלי במיוחד עבור חיבור שבבים.
דבקים מוליכים אנ-איזוטרופיים אשר עברו אורינטציה מוצאים רק עכשיו לשוק. המוליכים יכולים להיות סיבים או ספרוליטים עשויים ממתכת או מדבק פולימר.
סיבים של תרמופלסטים ותרמוסטים שלא עברו צילוב עוברים ניסויים להפיכתם לדבקים מוליכים.
הדבקים בעלי האקראיות משמשים עבור הרכבת שבבים. הדבקים החדשים הם בעלי רשת שתי וערב, ואמורים לתת ביצועים אופטימליים.
רשת ההולכה נמצאת בציר ה- X . הדבקים יוצרים קשר חזק עם הרכיבים המוליכים ויוצרים צמתים חזקים ואמינים. התווך המבודד יכול להיות ממולא עם חומר מוליך חום, וניתן להשוות את ההתפשטות התרמית של החומר המבודד עם ההתפשטות התרמית של הרכיב המוליך.
למרות שדבקים מוליכים משמשים בהרכבת שבבים למעגלים, שלבי התהליך העוסקים בצורת החומר כמשחה עדין לא פותחו ונחקרו מספיק.
תהליך הרכבת השבבים דורש: יישום סלקטיבי בהזרמת החומר ובהקשיתו, לדוגמא יישום סלקטיבי של אפוקסי מוליך, לאחר מכן צילוב החומר, ולבסוף הכנסת דבק מוליך לתוך המעגל והקשיתו לאחר הנחת השבב.

דבק שיוכל ליצור קשר מכאני חזק וקשר חשמלי יציב למתכות, כמו: אלומיניום ונחושת יהווה פריצת דרך משמעותית בהדבקות פולימריות.
אלומיניום, כמו רוב המתכות הבסיסיות יוצר תחמוצת לא מוליכה כאשר הוא חשוף לאוויר. כל דבק אשר צריך להתמודד עם תחמוצת האלומיניום הידועה בתכונות הקשיחות והבידוד שלה. אלומיניום שעבר אנודיזציה, זהו אלומיניום שנעשה בידי אדם עם תכונות הגנה יוצאת דופן.
האם יוכל דבק לעבוד על משטחי אלומיניום שעברו חמצון?
ישנו רק דבק מוליך אשר מראה יכולת ליצירת צמתים חשמליים יציבים עם משטחים שעברו חמצון, כמו נחושת. דבק זה נעשה בעזרת חלקיקים קטנים אשר יכולים לחדור דרך מעטה החמצון של המתכת וליצור קשרים עם המתכת.
כוחות חזקים מאד נוצרים כאשר חלקיקים קטנים נדחפים כנגד המשטחים, ע"י ההתכווצות של הדבק בזמן הצילוב הסופי. למרות היציבות המעולה אשר נראתה בהדבקת רכיבים על מעגלים, הבדיקות עדין אינם שלמות בהדבקה לאלומיניום.

הרכבה בעזרת הלחמה נהנתה במשך שנים רבות עקב פשטות התהליך ותוצאות טובות בד"כ.
בזמן שהלחמות מתכתיות העשויות מזהב היו הראשונות לחיבור חומרים. הלחמות רכות המבוססות על עופרת הפכו לבסוף להיות דומיננטיות.
למרות שהלחמות עם עופרת יוצרות מספר בעיות הכוללות טמפ' עבודה גבוהה, כשל תרמוכימי, ותכונות הולכה נמוכות יחסית.
התעשייה למדה להתאים את הרכיבים לחומרים הלו. תעשיית האלקטרוניקה התאוששה רק לאחרונה ממשב האוזון (CFC), אבל עכשיו עומדת בפני אתגר קשה יותר כאשר עופרת הופכת לבעייתית מבחינת הסביבה ומבחינת חקיקה ROHS.

כאשר אנו עוברים לשלב בו נקבל בתעשיית האלקטרוניקה שלושה איסורים מרכזים :

1. ללא CFC,
2. ללא עופרת,
3. וללא הלחמה. 

מתקבלת מערכת הרכבה המבוססת על פולימרים המקובלים על שומרי איכות הסביבה. אבל הפוטנציאל שלהם הוא מעבר לנושא איכות הסביבה.
תהליך עיבוד בטמפ' נמוכה, עמידות בחמצון, עמידות לאורך זמן ופשטות בהרכבה הם רק חלק מהיתרונות המוכחים לשימוש בחומרים אלה.
לבסוף, חומרים אלו הבנויים לפי דרישה יהיו אופטימלים לביצוע כל סוגי השימושים בהם משמשים חומרים כמו עופרת.
אפוקסי עם מלאן כסף משמש בתעשיית המעגלים המשולבים לחיבור רכיבים ומחליף מתכות כחומר הלחמה.
יתרונותיו הם בכך שהתהליך אינו כולל חום גבוהה, אין דרישות ניקיון גבוהות והסכנה בשימוש בו נמוכה יותר.

לסיכום, בכדי שנראה שימוש גדול יותר של דבקים מוליכים בתעשיית האלקטרוניקה על שני סוגי הדבקים להציג יישום יעיל, בכדי שיוכלו לשמש בצורה נרחבת ויעילה יותר. למרות שדבקים מכאניים ואלקטרוניים יכולים להיות מיושמים בצורה ידנית עבור תהליך בקנה מידה מוגבל, בקנה מידה גדול דרוש ציוד שיאפשר יישום יעיל של הדבק, איכות גבוהה ותהליך נשלט.
למרות שהדבקים המכאניים ניתנים ליישום בצורה ידנית, דיספנסרים אוטומטיים נדרשים לייצור בנפח גדול.
ישנם מספר יצרנים שמספקים תוכנות הניתנות לשינוי ומאפשרות דיוק גבוה ע"י שליטה בכל פרמטי התהליך.
למרות שדיספנסר פיה הוא הציוד הנפוץ ביותר בתעשייה, כיום ישנו ציוד נוסף הכולל הזרקת נוזל שמאפשרת ביצועים טובים יותר.

דבקים מוליכים יוצרים כעת עניין רב כאלטרנטיבה להלחמה המבוססת על עופרת וניתנים ליישום ע"י סטנסילים. סטנסילים שיוצרו ע"י לייזר מוצאים כעת ע"י מספר חברות ומאפשרים יישום מדויק ונקי.

http://www.plastix.co.il/plastic-articles-details.asp?news_id=101