Haftvermittlung - ein "altes" Thema?

Amir Hussain, Christa Pflugbeil*



Hinlänglich bekannt ist, dass eine dauerhafte Verbindung - insbesondere bei anspruchsvollen Anwendungen der Klebtechnik -eine Vorbehandlung der Fügeteiloberflächen und /oder den Einsatz eines geeigneten Haftvermittlers zwingend voraussetzt. Obwohl die Notwenigkeit des Einsatzes eines Haftvermittlers empirisch betrachtet "uralt" ist, ließ sich der Erfolg von Silanhaftvermittlern erst im letzten Jahrzehnt dank der modernen Messtechnik wissenschaftlich belegen. Anhand von Beispielen werden in diesem Beitrag Charakterisierungsmöglichkeiten und Prozessabläufe für die Silanhaftvermittlung erläutert.

Bereits bei den alten Griechen was das Wort ihres Philisophen Plato bekannt, der sinngemäß sagte: "Es ist unmöglich, dass zwei Dinge ohne einen dritten Partner eine Einheit bilden. Sie benötigen immer ein Bindeglied, das sie zusammenhält ".

Haftvermittlung ist also im wahrsten Sinn des Wortes ein "altes" Thema. Auch die Fragestellungen haben sich seither nicht grundlegend geändert. Während früher allerdings eine Haftvermittlung meist auf der Basis von Erfahrungswerten durchgeführt wurde, ist es heute dank modernster Charakterisierungsverfahren möglich, die Haftvermittlung auf eine wissenschaftliche Grundlage zu stellen und daher optimaler anzuwenden. Die von Plato geforderte Notwendigkeit einer Haftvermittlung zum Erreichen einer dauerhaften Verbindung ist geblieben.

Der Silanisierungsmechanismus.

Als Haftvermittler werden technisch seit drei Jahrzehnten überwiegend Silane eingesetzt. Kein Haftvermittler ist bisher so eingehend untersucht worden wie die Silanhaftvermittler, deren Mechanismus in folgenden Schritten abläuft: Das Y symbolisiert dabei jeweils die organofunktionelle Gruppe im Silan (s. Tabelle 1). Diese Gruppe ist für die enge Einbindung in die Polymermatrix unerlässlich. Dadurch verbessern sich die Kraftübertragung und die mechanischen Werte des gesamten Verbundes.

Der Silanisierungsvorgang bei Glasgewebe erfordert eine exakte Einhaltung der Prozessparameter wie z.B. Temperatur und pH-Wert. Nut dann ist gewährleistet, dass sich die zur Anbindung an die Glasfaseroberfläche erforderlichen kovalenten SiOH-Gruppierungen optimal ausbilden. Bei unsachgemäßer Verarbeitung kann sich die haftvermittelnde Eigenschaft sogar umkehren (trennende Schicht).

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Silanole können zu Oligosiloxanen kondensieren. Die Kondensation des Trisilanols zu einem gelartigen dreidimensionalen. Netzwerk aufgrund von Alterung ist zu vermeiden. Bei oben erwähnter Netzwerkbildung sind keine bzw. Wenig reaktive Gruppen für die Haftvermittlung verfügbar.

Eine Charakterisierung der oben erwähnten Silanole ist mittels FTIR (Fourier Transformed Infrared Spectroscopy)/H-NMR (Kernresonanz) möglich. Einige handelsübliche Silanverbindungen sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Die im Folgenden beschriebenen Praxisbeispiele verdeutlichen sowohl die chemisch-/verfahrens-technische Seite als auch die Charakterisierungsmöglichkeiten bei der Haftvermittlung.


Beispiel 1: Glasgewebe bei der Leiterplattenproduktion.

Um bei der Herstellung von Leiterplatten eine gute Haftung und Einbettung des Glasgewebes in die Harzmatrix zu realisieren, wird das Gewebe mit einem Haftvermittler auf Silanbasis beschichtet.

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Tabelle 1
Organofunktionelle Gruppe Chemische Struktur
Vinyl- CH2=CHSi(OCH3)3
Epoxy- CH2CHCH2OCH2CH2CH2Si(OH3)3
Diamino- H2NCH2CH2NHCH2CH2CH2Si(OCH3)3
Primäres Amin H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3
Kationisches Styryl CH2=CHC6H4CH2NHCH2CH2NH2(CH2)3Si(OCH3)3.HCl

Die Anbindung der polymeren Matrix an die Glasoberfläche erfolgt über die [-Si - O - Faser] - Konstellation. Durch diese Gruppierung wird eine chemische Brücke mit guten Sperreigenschaften erzeugt, was sich sehr vorteilhaft gegenüber dem Eindringen von Feuchte auswirkt.

Zur messtechnischen Charakterisierung von Gewebe mit unterschiedlichen Silanisierungsparametern wurden verschiedene Prüftechniken herangezogen. So lässt sich z.B. nach Zugversuchen am gehärteten Laminat die Faseroberfläche im REM begutachten (Bilder 1 bis 4).

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Bild 1: Bei Verarbeitung des Glasgewebes ohne Haftvermittlung ragen die Fasern nahezu ohne Harzreste heraus. Bild 2: Die REM-Aufnahmen machen deutlich, dass in diesem Fall das Gewebe zwar mit einem Haftvermittler versehen wurde,...
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Bild 3: ...die Auswahl der Verarbeitungsparameter jedoch nicht optimal war. Bild 4: Bei guter Haftung zwischen Faser und organischer Matrix sind deutlich auf der Faseroverfläche anhaftende Harzpartikel zu erkennen.

Deutlich ist die unterschiedlich gute Einbettung der Fasern in die Harzmatrix zu erkennen. Auf Bild 1 ragen die Fasern nahezu nackt, ohne Harzreste heraus. Das Glasgewebe wurde ohne Haftvermittler verarbeitet. Bei den Bildern 2 und 3 ist das Gewebe zwar mit einem Haftvermittler versehen, die Verarbeitungsparameter waren jedoch nicht optimal ausgewählt. Auf dem Bild 4 dagegen sieht man deutlich auf der Faseroberfläche anhaftende Harzpartikel. Dies spricht für eine gute Haftung zwischen Faser und organischer Matrix.

Zu den empfindlicheren Tests bei der Beurteilung der Silanhaftvermittlung in Epoxylamination für gedruckte Schaltungen gehören u.a. der "pressure-cooker-Test" und der "Lötbadtest".

Beide Tests können nur bestanded werden, wenn die Verarbeitungsparameter bei der Silanisierung optimal gewählt wurden.

Wird das Glasgewebe in einem Bad mit frisch angesetzter, verdünnter Silanlösung (pH-Wert 4-5) getränkt, wird ein monomeres Silan-Triol bevorzugt. Dies führt zu einem Laminat, das oben erwähnte Tests am besten besteht. Enthält dagegen das Silanbad eine wässrige Monomeremulsion oder ein silanfunktionelles Oligomeres bei einem pH-Wert um 7, zeigt das Laminat schlechtere Ergebnisse. (vergl. REM-Bilder 2 und 3).


Beispiel 2: Quarzmehl als Füllstoff in Vergussmassen für elektronische Bauteile.

Quarzmehl wird in Vergussmaterialien für elektronische Bauelemente häufig als Füllstoff eingesetzt. Auch in diesem Anwendungsfall ist eine Langzeitzuverlässigkeit des vergossenen Bauteils nur durch eine möglichst gute Einbettung des Quarzmehls in die Harzmatrix zu gewährleisten. Sowohl mechanische Kraftübertragung als auch elektrische Isoliereigenschaften und gute Sperrwirkung gegenüber Feuchte spielen eine entscheidende Rolle.

Mit Hilfe der Messtechnik TOFSIMS(time of-flight Sekundärionenmassenspektrometrie) ist es möglich, silanisierte Quarzmehltypen im Vorfeld zu charakterisieren(Bild 5).

Die Silanisierung erfolgt im nm-Bereich, so dass eine Charakterisierung der silanisierten Substratoberfläche vor der Weiterverarbeitung und somit eine frühzeitige Fehlererkennung nur mittels TOFSIMS möglich ist. Ohne diese Analysenmethode könnte man - wie wir am Beispiel des Glasgewebes gesehen haben - eventuelle Fehler erst nach weiteren teilweise aufwendigen Verarbeitungsschritten (laminieren, aushärten usw.) mittels REM - und dann auch nur bedingt - erkennen.

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Bild 5: Negatives TOFSIMS-Speltrum vom Aminosilan (AST) und Epoxysilan (EST) auf Quartmehl (s.Beispiel 2) mit silantypischen Signalen

Mittels der DETA-Messtechnik (dielektrische Thermoanalyse) gelingt es, den Unterschied in der Feuchtigkeitssperrwirkung von behandeltem bzw. Unbehandeltem Quarzmehl messtechnisch zu erfassen (Bilder 6 und 7). Nach einer Wasserlagerung jeweiliger Prüfkörper zeigte sich besseres dielektrisches Verhalten bei den Vergussmassen mit silanisiertem Füllstoff gegenüber den Prüflingen mit unbehandeltem Füllstoff. Eine festere Anbindung der Harzmoleküle an den Füllstoff wird dank des Haftvermittlers erreicht.

Eine kovalente Bindung, wie sie bei Silanhaftvermittlern vorliegt, liefert, im Vergleich zu Wasserstoffbrücken und van-der-WaalsKräften, den weitaus größeren Beitrag zur Haftung.

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Bild 6: DETA-Kurven (bei 600 Hz) einer Vergussmasse mit Quarzmehl ohne Haftvermittler vor/nach Wasslerlagerung (s. Beispiel 2)
Bild 7: DETA-Kurven (bei 600 Hz)einer Vergussmasse mit Quarzmehl mit Haftvermittler vor/nach Wasserlaggerung (s. Beispiel 2)

*  Dr. Amir Hussain und Christa Pflugbeil sind Geschäftsführer des Unternehmens Comtech Labor für Kunststoffe GmbH, München, Tel. 089/7489460.