Edistyneiden silikonimateriaalien avulla toteutetut joustavat ja venyvät elektroniikkaratkaisut

Nestemäisen silikonikumina (LSR) rooli joustavissa piireissä

Nestekaasuksi tai LSR:ksi kutsuttua nestemäistä silikonia käytetään nyt laajalti joustavissa piireissä, koska se venyy erittäin hyvin (noin 500 %:n muodonmuutoksen jälkeinen palautuminen) ja säilyy stabiilina lämpötilan vaihdellessa miinus 50 asteesta Celsius-asteikolla aina 200 astetta saakka. Tämän materiaalin erityisominaisuus on sen erittäin matala viskositeetti, joka mahdollistaa valmistajien muottauksen niin pienikokoisiin piirimallien muotoihin, joita tarvitaan esimerkiksi taivutettavien näyttöjen liittimissä ja nykyaikaisten älypuhelinten taipuviin osiin. Viime vuonna julkaistussa artikkelissa, julkaisussa Advanced Materials Engineering, esitettiin myös mielenkiintoinen tulos: LSR:llä valmistetut piirit muuttivat sähköistä vastustaan alle 5 %:lla taivutettaessa yli 100 000 kertaa. Tällainen suorituskyky tarkoittaa, että niiden kestoikä on huomattavasti pidempi kuin muiden tällä hetkellä saatavilla olevien materiaalien.

Edistyneet venyvät johtavat jäljet upotettuna silikoniin

Uudet hybridijohtavat materiaalit, kuten hopeahiukkasilla seostetut silikonit, voivat nyt saavuttaa johtavuuksia noin 3500 S/cm ja venyä kolme kertaa alkuperäiseen pituuteensa asti ennen kuin ne rikkoutuvat. Nämä erityiset johtavat polut mahdollistavat juuri ne tahmeat ihoanturit, jotka seuraavat lihasliikkeitä, kun joku treenaa, ja säilyttävät samalla vahvan signaalin myös voimakkaiden liikkeiden aikana. Viimeisimmät laserdepositiomethodit mahdollistavat tutkijoiden luoda johtavia raitoja vain 15 mikrometrin levyisinä silikonipohjiin. Tämä on melko vaikuttavaa, sillä se edustaa noin 60 prosentin pienenemistä piirteiden koossa verrattuna vuoteen 2021. Näin pienet piirteet avaavat oven huomattavasti paremmalle erotuskyvylle, kun näitä antureita integroidaan pinnoille.

Tapaus: Silikonipohjaiset ihoa muistuttavat anturit terveyden seurantaan

Viimeaikainen tutkimus tarkasteli 200 henkilöä, joilla on pitkään kestäviä hengitysongelmia, ja löysi mielenkiintoisen tiedon noista erittäin ohuista, vain 0,8 mm paksuisista silikoni-antureista. Ne osoittautuivatkin melko mahtaviksi hengityksen seurannassa koko vuorokauden joka päivä, saavuttaen vaikuttavan 98,3 %:n tarkkuuden. Tämä on huomattavasti parempi kuin vanhat jäykät elektrodit, jotka saavuttivat noin 75 %. Viime vuoden suuren kantavien terveydenhuollon teknologioiden raportin mukaan näiden uusien antureiden hyvän toiminnan taustalla on niiden kyky päästää kaasuja läpimenemään materiaalin. Tämä ominaisuus estää ihon ongelmien syntymisen, kun anturia käytetään peräkkäin seitsemän päivää. On helppo ymmärtää, miksi lääkärit innostuvat tästä teknologiasta potilaille, jotka tarvitsevat jatkuvaa hoitoa, mutta eivät aina pysty käymään klinikoilla.

Trendi itsetoivutuvien silikonikomposiittien suuntaan kantavissa sähkölaitteissa

Silikonit, jotka voivat korjautua itsestään dynaamisten disulfidisidosten ansiosta, ovat erittäin vaikuttavaa ainetta. Ne todella paranevat yksinään noin 40 minuutissa 2 mm leikkauksista normaalissa huonelämpötilassa, mikä tekee niistä erittäin hyödyllisiä esimerkiksi älykellohiennoille ja osille AR/VR-päätteistä. Numerot kertovat myös mielenkiintoisen tarinan. Yritykset, jotka valmistavat tuotteita tällä itsekorjaavalla materiaalilla, kohtaavat noin puolet vähemmän takuuvikoja kuin ennen vaihtamista tavalliseen silikoniin. Tämä on valtava ero sekä tuotteen kestävyyden että liiketoiminnan kustannusten kannalta pitkällä aikavälillä, etenkin ottaen huomioon, kuinka usein ihmiset nykyään käyttävät elektronisia laitteita.

Sähköisen toiminnan ylläpitämisen haasteet mekaanisen muodonmuutoksen aikana

Jopa venyvimpien silikonimateriaalien sähkönjohtavuus laskee yli 20 %, kun niitä venytetään yli noin 250 %:n venymän, huolimatta kaikista uusista kehitellyistä kaavoista. Tutkijat julkaisivat viime vuonna mielenkiintoisen artikkelin Nature Electronics -lehdessä, jossa huomautettiin, että nämä johtavuusongelmat johtuvat pääasiassa pienistä halkeamista, jotka muodostuvat materiaalin sisällä oleviin johtaviin hiukkasiin. Kuitenkin on tulossa melko kiehtovia uusia ratkaisuja, joissa hyödynnetään luonnosta tuttuja fraktaalimalluja johdinsidojen suunnittelussa, jotta kuormitusta voidaan jakaa tasaisemmin materiaalin pinnalle. Näillä ratkaisuilla voidaan vähentää jännityskeskittymiä noin 70 %. Ongelmana on kuitenkin, että teollinen valmistus muuttuu erittäin monimutkaiseksi näiden rakenteiden monimutkaisuuden vuoksi. Tällä hetkellä monet yritykset kamppailevat tämän kanssa siirtyessään laboratorionäytteistä todelliseen tuotantoon.

Toiminnallisten silikonimateriaalien avulla saavutetut lämmönhallinnan läpimurrot

Korkea lämmönjohtavuus omaava silikonivoite (3 W/m·K) tehoelektroniikkaan

Nykyään tehoelektroniikka käsittelee uskomattoman korkeita lämpötiloja, jotka voivat ylittää 300 wattiä neliösenttimetriä kohti, mikä tarkoittaa, että tarvitsemme erittäin hyviä lämmönvälitysmateriaaleja näiden lämpötilojen hallitsemiseksi. Markkinoilla olevat uusimmat silikonivoitelut saavuttavat jo noin 3 W/mK:n tai sitä korkeamman lämmönjohtavuuden paremman boroninitridi- ja alumiinioksiditäyteaineformuloinnin ansiosta. Nämä uudet materiaalit siirtävät lämpöä noin neljä kertaa tehokkaammin kuin vanhat sinkkioksidiyhdisteet aikoinaan. Huippututkijoiden laboratoriot ovat testanneet näitä voiteluja ja havainneet niiden alentavan kuumien pisteiden lämpötiloja IGBT-moduuleissa 18–22 celsiusasteella. Tällainen parannus johtaa itse asiassa noin kolmenkymmenen prosentin pidempään elinikään tehon kytkentäkäytössä näillä komponenteilla.

Silikoniväliaineet 5G-tukiasemien lämmönhallintajärjestelmissä

5G-teknologiassa käytettävät millimetriaaltomatriisit luovat melko voimakkaita kuumia pisteitä, joissa lämpötiheys saattaa joskus nousta noin 150 wattiin neliösenttimetriä kohti. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan erityisiä väliaineitä, jotka pystyvät sopeutumaan pinnan pieniin epätasaisuuksiin, joiden etäisyys toisistaan on alle 50 mikrometriä. Nämä vaiheenmuutoksella toimivat silikoni-komposiitit toimivat erittäin hyvin, koska ne säilyttävät riittävän painekontaktin yli 15 paunaa neliötuumaa kohti, vaikka lämpötila vaihtelee rajusti miinus 40 asteesta Celsius-asteikolla plus 125 asteeseen. Ne selviytyvät hyvin suurten MIMO-antennijärjestelmien yleisistä tasaussuuntiin liittyvistä ongelmista. Katsottaessa todellisia kenttätestejä kaupunkiympäristöissä ilmenee myös kiinnostavia havaintoja. Lämpövastus komponenttien liitoskohdasta ympäröivään ilmaan laskee noin neljänneksellä, kun käytetään näitä materiaaleja tavallisten grafiittilevyjen sijaan. Tämä tekee suuren eron siinä, kuinka kauan järjestelmät kestävät ennen kuin niitä täytyy huoltaa tai korvata osia.

Kiistan analyysi: Silikoni- ja grafeenipohjaiset lämmönjohtomateriaalit

Teoreettisesti grafeenilla parannetut TIM-materiaalit voivat tarjota jopa 1500 W/mK:n lämmönjohtavuuden, mutta käytännön sovelluksissa ilmenee haasteita liitäntäpinnan kosketusvastuksen ja hapettumisongelmien vuoksi kosteissa olosuhteissa, joissa ilmankosteus ylittää 80 %. Viime vuonna julkaistussa Advanced Materials -tutkimuksessa näytettiin, että silikoni-komposiittimateriaalit säilyttivät noin 92 % alkuperäisestä lämpötehokkuudestaan, vaikka niitä oli testattu 5000 kertaa vuorottelevissa kosteus- ja pakkaskokeissa. Tämä on erittäin vaikuttavaa verrattuna grafeenivaihtoehtoihin, jotka säilyttivät vain noin 67 % tehokkuudestaan samankaltaisissa olosuhteissa. Kun otetaan huomioon myös näiden materiaalien luonnolliset sähköeristysominaisuudet (CTI-luokitus yli 600 volttia), selviää, miksi monet insinöörit suosivat silikonia kriittisissä elektronisissa järjestelmissä, vaikka se ei saavuta korkeimpia lämmönjohtavuusarvoja paperilla.

Optiseen luokkaan kuuluva silikoni uusien sukupolvien näyttö- ja valoteknologioissa

Korkea valonläpäisevyys omaava silicone Mini LED -pakkaamiseen

Noin 92 %:n näkyvän valon läpäisevyyden omaavat optisesti selkeät siliconit ovat nykyään välttämättömiä komponentteja mini-LED-pakkausteknologiassa. Ne mahdollistavat valmistajien luoda näytöt, jotka eivät ainoastaan ole ohuempia vaan tarjoavat myös huomattavasti paremman kirkkauden koko ruudun alueella. Näiden materiaalien erottuvuuden takia on niiden kyky vähentää valonsirontaa heikentämättä rakenteellista lujuutta, vaikka käyttölämpötila nousee. Viimeisimmän vuoden 2023 Mini-LED-pakkaustutkimuksen mukaan UV-stabiililla versioilla on myös vähäinen värimuuttuminen, ja ne kellastuvat alle 2 %:lla, vaikka niitä testataankin nopeutetussa iätetyksessä 1 000 tuntia. Tämä suorituskyky tekee niistä ihanteellisia vaihtoehtoja sovelluksiin, joissa altistuminen auringonvalolle on yleistä, kuten autojen viihdejärjestelmissä tai niissä hienoissa taivutettavissa puhelimissa, joita ihmiset taivuttavat jatkuvasti edestakaisin koko päivän.

Säädettävä taitekerroin optisissa silikoneissa parantaa näytön tehokkuutta

Taitekertoimiaan säädetyillä silikoneilla, joiden taitekerroin vaihtelee 1,41:stä 1,53:een, voidaan vähentää häiritseviä Fresnel-heijastuksia materiaalien liitoskohdissa. Tuloksena on noin 18 %:n lisäys siitä valomäärästä, joka saadaan poistettua mikro-LED-riveistä verrattuna nykyisin markkinoilla oleviin tavallisiin kotelointimateriaaleihin. Kun puolijohdekerrosten taitekerroin sopii hyvin käytettyyn optiseen silikoniin, yritykset saavat paremman valonlähtöasteen samalla kun tuotteet säilyvät lämpötilaltaan stabiileina ja riittävän joustavina käytännön sovelluksissa.

Teollisuuden paradoksi: Selkeyden ja kestävyyden tasapainottaminen läpinäkyvissä silikoneissa

Vaikka laboratorioluokan silikonit voivat saavuttaa 94 %:n valonläpäisyn, kaupalliset versiot vaihtavat usein läpinäkyvyyttä kestävyydelle – naarmuuntumisenestäviä täyteaineita käytettäessä läpinäkyvyys laskee tyypillisesti 6–8 %. Uudet nanomittakaavan pintakäsittelyt säilyttävät yli 90 %:n läpäisyn samalla kun kolminkertaistavat kulumiskestävyyden, mikä on ratkaiseva edistysaskel AR/VR-linsseissä ja ulkoilun digitaalisissa näytöissä, jotka altistuvat ympäristön kulutukselle.

Älykäs integraatio ja IoT-yhteensopivuus silikoni-elektroniikan lisävarusteissa

Silikonin joustavuus mahdollistaa kaikenlaiset toiminnalliset osat yhdistettynä taivutettaviin rakenteisiin. Näihin materiaaleihin upotetut lämpötila-anturit säilyttävät tarkkuutensa puolen asteen sisällä Celsius-asteikolla, vaikka niitä taivutettaisiin viisikymmentä kertaa. Samaan aikaan liikkeen tunnistukseen perustuvien ensimmäisten kuntoilulaitteiden versioiden tunnistustarkkuus on saavuttanut melkein täydellisen tason, 98 prosenttia. Tämä suorituskyky kestää hyvin, kun laitteet liikkuvat jatkuvasti. Mitä tämä tarkoittaa käytännön sovelluksissa, on melko yksinkertaista: voimme nyt kerätä laadukasta dataa venyvistä IoT-anturijärjestelmistä ilman, että meidän tarvitsee huolehtia niiden mekaanisesta rikkoutumisesta normaalissa käytössä.

Langattoman latauksen yhteensopivuutta on parannettu silikoniahdistelmällä, ja äskettäin testatut prototyypit saavuttivat 84 %:n tehokkuuden 3 mm paksuissa koteloinneissa. Vuoden 2023 Wireless Power Consortium -tietojen mukaan 15 W:n pikalatauksen aikana lämpötila pysyy alle 40 °C:ssa. Tämä lämpötilan vakaus tekee silikonista ihanteellisen materiaalin älykellohienoihin ja säännöllisesti sterilöitäviin lääketieteellisiin käytettäviin laitteisiin.

Markkina on selvästi menossa eteenpäin, ja älykkäät siliconilaitteet näkevät noin 25 %:n vuosittaisen kasvun, kun ihmisten kiinnostus terveyttään kohtaan kasvaa. Vuoden 2024 MarketsandMarketsin tuoreiden tietojen mukaan lähes kaksi kolmasosaa kaikista käyttäjistä haluaa, että kuntoilulaitteet seuraavat heidän elintoimintojaan jatkuvasti. Alueen johtavat yritykset ovat alkaneet kehittää laitteita, jotka sisältävät biokelpoisia SpO2-antureita sekä ihon johtavuuden mittauslaitteita. Nämä tuotteet käyttävät lääketieteellistä laatua olevaa siliconimateriaalia, joka täyttää ISO 10993-5 -vaatimukset ja on erityisesti suunniteltu pitkäaikaiseen käyttöön ihoa vasten aiheuttamatta ärsytystä tai epämukavuutta. Tämä yhdistelmä edistynyttä teknologiaa ja iholle ystävällisiä materiaaleja tekee näistä käytettävissä olevista laitteista tehokkaita ja mukavia arkeen.

Räätälöinnin ja valmistuksen kehittyminen siliconielektroniikan tarvikkeissa

3D-tulostus räätälöidyistä siliconielektroniikan tarvikkeista

Silikonielektroniikan maailmassa on tapahtunut merkittäviä muutoksia kiitos lisäävien valmistustekniikoiden, jotka voivat tuottaa kehon muotoisia osia puolen millimetrin tarkkuudella. Kaksimateriaalisen 3D-tulostuksen avulla yritykset yhdistävät nyt kovat piirialueet pehmeisiin kosketuspintoihin, joita potilaat todella haluavat käyttää iholtaan. Tämä on erityisen hyödyllistä kun valmistetaan kantettavia laitteita, jotka toimivat MRI-koneissa ilman häiriöitä. Alan asiantuntijoiden mukaan prototyyppien kehitysaika on vähentynyt noin 87 prosenttia siirtyessä vanhoista muottimenetelmistä, mikä vahvistettiin viime vuoden Custom Silicone Applications -raportissa. Lisäksi nämä uudet tuotteet täyttävät edelleen tärkeät IP67-vesitiiviysstandardit, joita tarvitaan sairaaloissa, joissa olosuhteet joskus muuttuvat melko kosteiksi.

Massamuunnellut suuntauksia kuluttajaelektroniikassa LSR-muovauksella

Viimeaikaiset LSR:n ruiskuvalukseen liittyvät parannukset mahdollistavat erittäin henkilökohtaisten tuotteiden valmistuksen tekoälyohjattujen muottien ja prosessoinnin aikana pidettävän silikonin viskosuuden reaaliaikaisen säädön ansiosta. Otetaan esimerkiksi yksi suuri älykellojen merkki, joka pystyy tuottamaan noin 150 eri väriä vaihtelevilla kovuustasoilla pehmeästä keskikovaa (noin 50–80 Shore A -asteikolla) samassa erässä. Kuluttajat haluavat nykyään laitteidensa näyttävän ainutlaatuisilta, joten tämä taso yksilöllisyyttä vastaa hyvin kuluttajien tarpeita. Samalla valmistajat onnistuvat säilyttämään tärkeät UL94-V0 tuliturvallisuusstandardit käytettävissä laitteissa. Toimialan raporttien mukaan tämä menetelmä vähentää materiaalihukkaa noin kolmanneksella. Silti monimutkaisten osien valmistaminen alle 60 sekunnin sykliajalla jatkuu olemassa olevana haasteena valmistajille kaikkien näiden edistysten huolimatta.

UKK

Mikä tekee nestemäisestä piirubberista (LSR) ihanteellisen joustaville piireille?

LSR on ideaali joustaville piireille erinomaisen venyvyytensä (noin 500 %:n muodonpalautus) ja lämpötilavakautensa ansiosta, ja se säilyttää suorituskykynsä lämpötila-alueella -50 °C:sta 200 °C:seen.

Mikä hyöty on piilipohjaisista ihoa muistuttavista antureista terveyden seurannassa?

Piilipohjaiset ihoa muistuttavat anturit tarjoavat etuja, kuten korkean tarkkuuden (98,3 % verrattuna jäykän elektrodin 75 %:iin), hengittävyyden ja vähentyneen ihosäärön, mikä tekee niistä soveltuvia pitkäaikaiseen seurantaan.

Miksi lämmönhallinta on tärkeää piilielektroniikassa?

Lämmönhallinta on ratkaisevan tärkeää, koska piilielektroniikka kohtaa usein korkeita lämpötiloja; tehokkaat lämmönhallintamateriaalit, kuten edistyneet piili voidet, voivat parantaa laitteen kestoa ja suorituskykyä.

Kuinka piili edistää IoT-yhteensopivuutta elektroniikassa?

Silikonin joustavuus mahdollistaa komponenttien, kuten lämpötila- ja liiketunnistimien, saumattoman integroinnin, mikä mahdollistaa luotettavan tiedonkeruun IoT-laitteissa ilman mekaanisten vikojen riskejä.

Kuinka 3D-tulostus on vaikuttanut silikoni-elektroniikan valmistukseen?

3D-tulostus on vallannut silikoni-elektroniikan valmistusta mahdollistaen räätälöityjä, kehon muotoisia osia korkealla tarkkuudella ja vähentäen prototyyppien kehitysaikoja noin 87 %.