レオロジーでエレクトロニクスのディスペンスおよびフローを最適化してスループットを向上

ディスペンスおよびフローは、さまざまなエレクトロニクス製造技術と材料にとって重要です。はんだペーストや接着剤の正確な応用から、フレキシブルエレクトロニクスや積層造形法の新展開まで、レオロジーは加工性、製品品質、製造一貫性の向上に重要な役割を果たします。

レオロジーは、力が加わったときの変形や流れを研究する学問であり、エレクトロニクス製造を最適化する上で非常に重要です。レオロジーは、次のようなさまざまなエレクトロニクスアプリケーションにわたる重要な質問に答えます。

• はんだペーストは保管中にどのように変化しますか？また、保存期間はどのように予測できますか？
• インクジェット印刷の電子回路の理想的な粘度は？
• 私の薄膜やエポキシは、乾燥/硬化する前に、その形状を保持したり、スランプしたりしますか？
• 材料が流れやすくなったり、注射器に詰まったりしませんか？

これらの挙動はせん断に依存します。つまり、混合、塗布、保管、または硬化時に発生する力によって材料の粘度（流れに対する抵抗）が変化します。したがって、これらの材料は幅広いせん断速度にわたって評価する必要があります。レオメーターでは可能ですが、粘度計では評価できません。レオメータは、長期挙動を予測するための時間依存材料の降伏応力の測定も可能です。

世界中の研究者やメーカーは、Waters Rheometersを使用してエレクトロニクス材料の塗布やフローを研究しています。以下のセクションでレオロジーが材料とプロセスをどのように改善したかを確認するには、4つの公開された記事から学びます。

はんだペーストは電子機器の大量生産を効率化しますが、反応性混合物であるため、取り扱いと保管に注意が必要です。はんだペーストの粉末成分とフラックス成分は「配合後すぐに化学反応を開始する」ため、製造、輸送、保管、使用のすべてにおいて温度と湿度に影響を受けながら継続的に変化していきます。¹レオメーターはせん断速度と変形をトルク感度と組み合わせることで「はんだペーストの変化を定量化する最良の方法の1つ」となっています。

はんだペーストメーカーであるケスター社の研究者は、Discovery Hybrid Rheometerを用いてはんだペーストの保存期間と特性を研究しました。¹彼らは、いくつかのレオロジー試験方法を用いて保存期間の予測を加速する方法を開発し、保存温度が保存時間よりも最終使用粘度に影響することを明らかにしました。

インクジェット印刷は、フレキシブルでウェアラブルなエレクトロニクスを含むプリンテッドエレクトロニクスを可能にするキーテクノロジーです。ケンブリッジ大学、江南大学、ミラノ工科大学の研究者らは、インクジェット印刷のフレキシブルで洗浄可能な電界効果トランジスタ（FET）を繊維上に作成し、これにより完全にインクジェット印刷された電子回路が可能になりました。²Discovery Hybrid Rheometerは、2つのインク処方のせん断速度の関数として粘度を測定し、最適なインクジェット印刷のための逆オーネゾルジュ数（Z）の範囲などの印刷性メトリックの計算に役立ちました。

別の研究では、非接触マイクロジェット印刷を使用して、パーソナライズされた脳波の電子タトゥーを作成しました。テキサス大学とカリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者³は、低粘度の生体適合性インクを開発しました。このインクは、頭皮に噴射され、「柔らかく、伸縮性があり、導電性のある薄膜に自己乾燥」します。Discovery Hybrid Rheometer 30の粘度測定を使用して、インクの調整可能な粘度とせん断薄化が安定したマイクロジェット印刷をサポートしていることを観察しました。

積層造形は、ウェアラブルデバイス、ソフトロボティクス、カスタマイズされたエネルギー貯蔵を含む複雑なエレクトロニクス構造を印刷するための成長技術です。アルバータ大学の研究者らは、水性インクを使用して容量性圧力センサーの直接インクライティング（積層造形法の一種）を行う新しい方法を開発しました。⁴ARESレオメータを使用して、インク処方は、狭いシリンジを通過しながら自由に流れ、基板に塗布されるとより高い粘度を維持するという、望ましいせん断薄化挙動を持つことを確認しました。インクのせん断薄化挙動は、押出しに必要な圧力も少なくて済むため 、 「 小さなノズルでスムーズな押出しを促進し、連続パターンが得られる」という。

エレクトロニクスの製造と設計は、上記の記事で示されているように、レオロジーによって可能になります。保存期間から塗布、乾燥まで、エレクトロニクス製造の各段階はレオロジー特性の影響を受けます。これらの特性を定量化することは、より効率的なプロセスと革新的な製品を設計するための第一歩です。

レオロジーが複雑すぎる、または研究室にとって無関係だと思われる場合は、もう一度考えてみてください。大手エレクトロニクス研究所はすでにレオロジーを取り入れ、材料の配合、加工条件、保存期間の推定について十分な情報に基づいた意思決定を行っています。レオロジーがあらゆるレベルのユーザーにとって適切でアクセスしやすい理由については、ブログ「Dispelling 5 Myths About Rheology」をご覧ください。