Proč silikon mění návrh elektronických produktů

Rostoucí uplatnění silikonového kaučuku v elektronice a elektrických systémech

Silikon se v dnešní elektronické době opravdu rozvíjí a podle nedávných studií společnosti Ponemon (2023) jej zhruba 7 z každých 10 výrobců začalo začleňovat do svých produktů pro řešení problémů s teplem. Co tento materiál učinilo tak populárním? Když firmy zjistily, jak dobře si silikon poradí s extrémními teplotami v rozmezí od -55 stupňů Celsia až do 300 stupňů bez ztráty tvaru nebo vlastností, nemohly jeho potenciál dále ignorovat. Tato vlastnost ho činí obzvláště cenným pro zařízení jako chytré hodinky, komponenty uvnitř elektrických vozidel a ty malé senzory, které dnes najdeme všude. Ve srovnání s běžnými plastovými nebo pryžovými materiály vykazuje silikon mnohem lepší odolnost proti poškození slunečním zářením, účinkům ozónu a pronikání vody. Proto inženýři rádi používají silikon k vytváření těsnění kolem citlivých obvodů a k ochraně náročných čipů, když musí spolehlivě fungovat i za náročných podmínek.

Klíčové faktory pohánějící přechod k součástkám na bázi silikonu

Tři faktory podporující dominanci silikonu:

Tyto vlastnosti, kombinované s dodržováním norem RoHS a REACH, splňují dvojí požadavky trvanlivosti a udržitelnosti. Například lékařská nositelná zařízení využívají biokompatibilitu silikonu k udržení kontaktu se kůží po dobu 30+ dní bez podráždění.

Trendy na trhu ukazují zvýšenou personalizaci a designovou rozmanitost křemičitanových komponent

Podle dat společnosti MarketsandMarkets z roku 2024 se světový trh s křemičitanovou elektronikou zdá být nastaven na růst přibližně o 7,8 % ročně až do roku 2030. Tento růst je hlavně poháněn rostoucí poptávkou po specializovaných formulacích odpovídajících konkrétním aplikacím. Výrobci dnes již neprodávají pouze standardní výrobky. Začali vyrábět elektricky vodivé křemičitany pro odstínění elektromagnetické interference (EMI) v nových zařízeních 5G, opticky průhledné verze pro těsnění v headsetech AR a VR a vyvíjejí materiály odolné proti hoření, které splňují přísné normy UL 94 V-0 vyžadované pro skříně baterií elektrických vozidel. Podle nedávných průmyslových zpráv, zejména Studie o trendech elektronických materiálů z roku 2024, lze pozorovat něco zajímavého. O více než 40 % vzrostla poptávka po výrobcích původního zařízení (OEM) po míře tvrdosti podle Shore a komponentech přesně odpovídajících barvám jejich značky. Tlak směrem ke personalizaci se zdá být v tomto odvětví trvalý.

Vlastnosti základního materiálu, které činí silikon ideálním pro elektroniku

Tepelná a environmentální odolnost silikonů v elektronice

Silikon udržuje spolehlivý výkon v extrémních teplotách (-50 °C až 350 °C) a ve srovnání s plasty a pryžemi vyniká v aplikacích jako automobilové senzory a průmyslové skříně. Jeho odolnost proti hoření a schopnost odolávat dlouhodobému působení UV záření, ozónu a vlhkosti činí silikon nepostradatelným pro venkovní elektroniku a zařízení pracující za vysokých teplot.

Elektrická izolace a dielektrická pevnost silikonových materiálů

S dielektrickou pevností vyšší než 20 kV/mm působí silikon jako robustní elektrický izolant, který zabraňuje vzniku oblouků a zkratům v systémech rozvodu energie i spotřebních zařízeních. Tato vlastnost spolu s odolností proti korónovému výboji zajišťuje bezpečnost v aplikacích s vysokým napětím, jako jsou pouzdra baterií EV a průmyslové konektory.

Odolnost, pružnost a chemická odolnost silikonové gumy

Pružnost křemičitanu - až 600 % prodloužení - a odolnost vůči olejům, kyselinám a rozpouštědlům umožňují opakované těsnění v dynamických prostředích.

Tyto výhody snižují náklady na údržbu u chemických zařízení i nositelných lékařských přístrojů.

Tvarovatelnost a konstrukční flexibilita křemičitanových elastomerů

Tekutý křemičitanový kaučuk (LSR) proniká do mikroskopických dutin, což umožňuje přesné formování prvků o tloušťce pouhých 0,2 mm pro hmatová rozhraní a mikrotěsnění. Tato konstrukční svoboda podporuje kompaktní a lehké elektronické výrobky bez ohledu na trvanlivost.

Reálné aplikace: Křemičitan ve zalévání, těsnění a osvětlení

Zalévání křemičitanem součástek/komponent v náročných prostředích

Teplotní stabilita silikonu v rozmezí od minus 60 stupňů Celsia až do 230 stupňů Celsia, spolu s jeho odolností vůči chemikáliím, činí tento materiál velmi důležitým pro ochranu průmyslových senzorů, řídicích jednotek v automobilech a elektronických komponent používaných v letadlech. Při použití silikonového zalévání vzniká pružná bariéra, která zabraňuje pronikání vlhkosti, odolává palivům a tlumí vibrace. Komponenty takto chráněné vydrží přibližně o 40 procent déle v náročných podmínkách ve srovnání s běžnými tuhými plasty. Vezměme si například mořské energetické platformy. Mořská voda může být v průběhu času extrémně ničivá, ale silikon odolává této korozi lépe než většina současných alternativ. Proto mnozí inženýři uvádějí silikonové materiály pro tyto náročné aplikace, kde je nejdůležitější spolehlivost.

Těsnění a těsnicí prvky ze silikonu v spotřební elektronice

Silikonové těsnicí hmoty se staly téměř standardem u chytrých telefonů, nositelných zařízení a domácích spotřebičů, protože dobře přilnavou a zároveň jsou dostatečně pružné, aby vyrovnaly pohyb. Některé nedávné testy výkonu těchto těsnění ukazují, že silikonové těsnění dokáží udržet těsnost i po tisících cyklů změn teplot mezi minus 40 stupni Celsia a 150 stupni Celsia. Skutečnou výhodou je delší životnost zařízení, protože problémy způsobené pronikáním vlhkosti klesají přibližně na polovinu. Výrobci také oceňují průhledné verze, které jsou dnes k dispozici a dokonale zapadají do skleněných nebo polykarbonátových pouzder, aniž by to ovlivnilo jejich odolnost vůči poškození slunečním světlem v průběhu času.

Použití kapalného silikonového kaučuku (LSR) v LED a osvětlovacích aplikacích

Optická průzračnost a tepelná odolnost LSR až do přibližně 200 stupňů Celsia dělají tento materiál v současnosti velmi populárním například pro použití v LED pouličním osvětlení nebo automobilových reflektorech. Výrobci, kteří zvolí uzavírací metody s použitím LSR, dosahují rovněž velmi působivých výsledků. Většina z nich uvádí udržení účinnosti průchodu světla na úrovni přibližně 92 %, a to i po nepřetržitém provozu těchto komponent po dobu zhruba 10 000 hodin. Další velkou výhodou je snadná formovatelnost LSR do složitých tvarů. To umožňuje vytvářet mikročočková pole, která ve skutečnosti zvyšují distribuci světla o přibližně 35 % u menších svítidel. Kromě toho nedochází k žloutnutí materiálu v čase, i přes trvalé expozici UV záření – problém, s nímž si běžné materiály neporadí.

Silikon v chytrých zařízeních a nositelné technice: Pohodlí spojené s výkonem

Spojení pružnosti, biokompatibility a odolnosti křemičitanu učinilo z něj nepostradatelný materiál pro inteligentní a nositelné technologie nové generace. Protože se zařízení vyvíjejí tak, aby se hladce začlenila do stylu života uživatelů, vlastnosti křemičitanu umožňují konstrukce, které klade důraz jak na výkon, tak na ergonomii.

Inteligentní zařízení využívající biokompatibilitu a pružnost křemičitanu

Nositelné zdravotnické technologie silně závisí na kovovém křemíku lékařské třídy, protože nezpůsobuje podráždění pokožky a dobře funguje s naším tělem. Nedávný výzkum z roku 2024 ukázal, že zařízení vyrobená z křemíku způsobila přibližně o 60 % méně zarudnutí ve srovnání s alternativami z plastu. Pro lidi, kteří musí celý den nosit například monitor glykémie nebo náplasti pro měření srdeční frekvence, je to velmi důležité, protože mohou zůstat nasazené hodiny bez vzniku problémů. Navíc vlastnost křemíku ohýbat se a pohybovat činí tento materiál ideálním pro fitness náramky, které jsou během tréninku namáhány, stejně jako pro součásti uvnitř VR brýlí, kde je klíčový komfort, ale prostor je omezený.

Senzory a nositelné technologie s využitím formovaného křemíku pro vyšší pohodlí a odolnost

Silikonový kryt vyrobený pomocí přesného lití chrání citlivé biometrické senzory před potem, hromaděním prachu a fyzickými nárazy. Podle různých klinických testů lidé nosící lékařská zařízení s těmito měkkými silikonovými okraji uvádějí výrazně vyšší pohodlí ve srovnání s tuhými alternativami. Některé studie dokonce ukazují nárůst hodnot pohodlí až o 70–75 % v určitých případech. Existuje však i další výhoda. Schopnost silikonu pohlcovat vibrace ve skutečnosti zlepšuje funkci těchto zařízení pro sledování pohybu. Když je sportovci používají během intenzivních tréninkových sezení, chybovost výrazně klesá, a to přibližně o 30–35 % ve srovnání s variantami bez silikonu.

Inovace v tenkostěnném lití pro lehké konstrukce nositelných zařízení

Nedávné vylepšení způsobu práce s tekutým silikonovým kaučukem (LSR) umožnilo vytvářet vrstvy o tloušťce pouhých 0,2 mm, které jsou přitom odolné proti trhání. To je skvělá zpráva pro výrobu nositelných zařízení, která nebudou na těle působit objemově. Díky tenčím stěnám mohou náramky na chytré hodinky vážit až o 44 % méně, aniž by docházelo ke ztrátě pevnosti – jejich tahová pevnost stále přesahuje 8 MPa. Co je však opravdu zajímavé, je to, co si výrobci s těmito materiály nyní mohou dovolit. Přidávají drobné otvory po celém povrchu, aby pot mohl unikat během tréninku, a vytvářejí speciální kanálky uvnitř v místech, kde senzory tepu přiléhají ke kůži. Výsledkem jsou zařízení, která vypadají elegantně a moderně, ale zároveň plně fungují i při celodenním nošení.

Návrhové a výrobní strategie pro vysoce kvalitní silikonové elektronické produkty

Zohlednění návrhu silikonových dílů ve vysokovýkonných elektronických zařízeních

Dobrý návrh výrobku ze silikonu opravdu začíná pochopením, jak se teplo šíří materiály a jaké elektrické vlastnosti jsou potřebné. Když inženýři připevňují silikon k tuhým materiálům, jako jsou desky plošných spojů, musí dávat pozor na rozdíly v tepelné roztažnosti. Právě tyto nesoulady v koeficientech roztažnosti způsobují většinu poruch elektronických komponent, které jsou zalité do silikonu a poté podstupují opakované cykly ohřevu a chlazení. U velmi tenkých stěn s tloušťkou pod půl milimetru je nezbytné před výrobou otestovat různé třídy materiálu. Jinak hrozí reálné riziko, že se díly po vyloupnutí z formy roztrhnou. A nesmíme zapomenout, že i tyto tenké konstrukce musí splňovat přísné požadavky na vodotěsnost dle IP67.

Porovnání technik vstřikování, lisování a přelití silikonem

Nedávné pokroky v oblasti vysokopřesného obrábění křemíku umožňují dosažení tolerancí u vstřikování pod 50 μm, které dříve byly vyhrazeny pouze technologii overmolding.

Optimalizace nástrojů a procesních parametrů pro složité geometrie z křemíku

Použití více dutinových forem vybavených konformním chlazením může snížit dobu cyklu o 18 až 22 procent při práci s kapalným křemíkovým kaučukem. Nedávné výsledky studie z roku 2023 ukazují, že udržování rychlosti vstřikování mezi půl metrem za sekundu a trochu více než jedním metrem za sekundu pomáhá vyhnout se obtížím s tokem u dílů s mikrofluidními kanály. U komponent nositelné elektroniky, které vyžadují tvrdost podle Shore A v rozmezí 40 až 80, získává povrchová úprava (post curing) zásadní význam. Většina výrobců zjišťuje, že ohřev těchto dílů na teplotu mezi 150 a 200 stupňů Celsia po dobu přibližně čtyř až šesti hodin zásadně přispívá k dosažení stabilních vlastností tvrdosti po celém výrobku.

Vyvážení nákladů, škálovatelnosti a přesnosti ve výrobě LSR

Přelévání poskytuje rozměrovou přesnost kolem 0,8 % u těchto senzorů lékařské kvality, ale pojďme být upřímní ohledně ceny. Náklady na tvary stoupají o 60 až 75 procent ve srovnání s běžnými vstřikovacími formami. Chytré společnosti začaly věci kombinovat. Používají lisování pro základní vrstvy a poté nasazují precizní vstřikovací nástroje s frézovanými díly tam, kde jsou klíčová těsnění potřeba. To dává smysl. Tento hybridní přístup snižuje náklady na jednotlivé díly přibližně o 34 % při výrobě senzorů pro automobily, a to při zachování selhání těsnicích testů pod 0,03 %. Vzhledem k tomu, o čem tu mluvíme, není to vůbec špatné.

FAQ

Co činí silikon tak populárním v návrhu elektronických produktů?

Silikon je oblíbený v návrhu elektronických produktů díky své vynikající tepelné odolnosti, elektrické izolaci, odolnosti, pružnosti a tvarovatelnosti ve srovnání s tradičními materiály, jako jsou PVC a pryž. Odolává extrémním teplotám a poskytuje ochranu proti vnějším vlivům, což ho činí ideálním pro moderní elektroniku.

Jakým způsobem přináší silikon výhody nositelné technologii?

V nositelné technologii nabízí silikon biokompatibilitu, vlastnosti šetrné k pokožce a pružnost, čímž zajišťuje pohodlí při dlouhodobém používání. Pohlcuje vibrace, snižuje chybovost zařízení sledujících pohyb a zlepšuje výkon fitness trackerů a VR brýlí.

Jaké jsou hlavní oblasti použití silikonu v elektronických aplikacích?

Silikon se používá k zalévání komponent, těsnění a ucpávání v spotřební elektronice a jako tekutý silikonový kaučuk (LSR) v LED a osvětlovacích aplikacích díky své odolnosti proti teplu a chemikáliím, pružnosti a optické průzračnosti.

Jaké jsou klíčové výrobní techniky pro silikonové součásti?

K klíčovým výrobním technikám silikonových komponent patří vstřikování, kompresní a přeformování. Každá technika nabízí různé doby cyklu, přesnost a nákladovou efektivitu, vhodnou pro různé aplikace od vysokoplošných konektorů až po prototypy senzorových pouzdrů.