Miksi silikoni mullistaa elektronisten tuotteiden suunnittelua

Silikonikumien kasvava käyttö elektroniikassa ja sähköjärjestelmissä

Silikoni on todella lähtenyt käyntiin nykyaikaisessa elektroniikkamaailmassa, ja hiljaisimpien Ponemonin (2023) tutkimusten mukaan noin 7:ltä kymmeneltä valmistajalta on jo aloitettu sen käyttö tuotteissaan lämmönhallinnan parantamiseksi. Mikä teki tästä materiaalista niin suosittua? No, kun yritykset huomasivat, kuinka hyvin silikoni kestää ääriolosuhteita lämpötilassa -55 astetta Celsiusta aina 300 asteeseen asti muuttumatta muodoltaan tai ominaisuuksiltaan, he eivät enää voineet sivuuttaa sen potentiaalia. Tämä ominaisuus tekee siitä erityisen arvokasta älykelloihin, sähköautojen osiin ja kaikenlaisiin nykyään kaikkialla oleviin pieniin antureihin. Vertailtaessa tavallisiin muovi- tai kumimateriaaleihin, silikoni kestää paljon paremmin auringon aiheuttamaa vahinkoa, otsonihyökkäyksiä ja kosteuden tunkeutumista. Siksi insinöörit pitävät sitä suosituksena tiivistysmateriaalina herkille piireille ja herkkien tietokonepiirien suojaamiseen, kun niiden on toimittava luotettavasti myös vaikeissa olosuhteissa.

Avaintekijät siirtymässä piilipohjaisiin komponentteihin

Kolme tekijää edistää piilin hallitsevaa asemaa:

Nämä ominaisuudet yhdessä RoHS- ja REACH-standardien noudattamisen kanssa vastaavat kestävyys- ja kestävyysohjelmien vaatimuksia. Esimerkiksi lääketieteelliset kuljetettavat laitteet hyödyntävät piilin biologista yhteensopivuutta voidakseen olla ihoa koskettamassa yli 30 päivää ilman ärsytystä.

Markkinatrendit osoittavat lisääntyvää räätälöintiä ja suunnittelun monipuolisuutta silikonikomponenteissa

MarketsandMarketsin vuoden 2024 tietojen mukaan maailmanlaajuinen elektroniikan silikonimarkkina näyttää kasvavan noin 7,8 %:n vuosittaisella yhdistetyllä kasvuvauhdilla aina vuoteen 2030 asti. Tätä kasvua on pääasiassa kiihdyttänyt erityyppisten sovellusten vaatimusten mukaiset erikoisformuloinnit. Nykyajan valmistajat eivät enää myy vain standardituotteita. He ovat alkaneet tuottaa sähköjohtavia silkooneja EMI-suojausta varten uusissa 5G-laitteissa, valmistavat optisesti läpinäkyviä versioita AR- ja VR-päähineiden tiivisteisiin sekä kehittävät palonsuojamateriaaleja, jotka täyttävät sähköautojen akkukoteloille asetetut tiukat UL 94 V-0 -standardit. Viimeaikaisista teollisuuden raporteista, erityisesti vuoden 2024 Electronics Material Trends -tutkimuksesta käy ilmi mielenkiintoinen kehitys. Yli 40 % enemmän alkuperäisten laitteiden valmistajia pyytää nyt räätälöityjä Shore-kovuusarvoja ja komponentteja, jotka vastaavat tarkasti heidän brändinsä värejä. Räätälöinnin suuntaus näyttää säilyvän alan vallitsevana ilmiönä.

Silikonia tekevät ideaaliksi elektroniikkaan käytettäväksi ydinmateriaaliominaisuudet

Silikonien lämpö- ja ympäristökestävyys elektroniikassa

Silikoni säilyttää luotettavan suorituskykynsä erittäin laajalla lämpötila-alueella (-50 °C – 350 °C) ja toimii paremmin kuin muovit ja kumit sovelluksissa, kuten autoteollisuuden anturit ja teolliset kotelot. Sen liekkikestävyys sekä kyky kestää pitkäaikaista UV-säteilyn, otsonin ja kosteuden vaikutusta tekevät siitä välttämättömän ulko- ja korkealämpötilaisten elektronisten laitteiden osalta.

Sähköeristys ja dielektrinen lujuus silikonimateriaaleissa

Yli 20 kV/mm:n dielektrisellä lujuudella silikoni toimii tehokkaana sähköeristeena estäen kaareutumista ja oikosulkuja virtajakelujärjestelmissä ja kuluttajalaitteissa. Tämä ominaisuus yhdistettynä koronapurkauksen kestävyyteen takaa turvallisuuden korkeajännitejärjestelmissä, kuten sähköautojen akkukoteloissa ja teollisissa liittimissä.

Silikonikumien kestävyys, joustavuus ja kemiallinen kestävyys

Silikonin joustavuus—jopa 600 %:n venymä—ja kestävyys öljyjä, happoja ja liuottimia vastaan mahdollistavat toistettavan tiivistyksen dynaamisissa olosuhteissa.

Nämä edut vähentävät huoltokustannuksia kemiallisessa prosessointilaitteissa ja käytettävissä lääkinnällisissä laitteissa.

Muovattavuus ja suunnittelun joustavuus silikoni-elastomeereissä

Nestemäinen silikonikumi (LSR) virtaa mikromittakaavan kammioihin, mikä mahdollistaa tarkkaan muovaukseen elementtien valmistuksen aina 0,2 mm ohuiksi haptisia käyttöliittymiä ja mikrotiivisteitä varten. Tämä suunnitteluvapaus tukee kompakteja, kevyitä elektronia tuotteita ilman, että kestävyys kärsii.

Käytännön sovellukset: Silikoni kapseloinnissa, tiivistyksessä ja valaistuksessa

Laitteiden/komponenttien silikonikapselointi vaativissa ympäristöissä

Silikonin lämpötilankestävyys, joka ulottuu miinus 60 asteesta Celsius-asteikolla aina 230 astetta Celsius-asteikolla saakka, yhdessä sen kemikaalien kestävyyden kanssa, tekee siitä erittäin tärkeän materiaalin teollisuussensoreiden, autojen ohjausyksiköiden ja lentokoneissa käytettävien elektronisten komponenttien suojaamiseen. Kun puhutaan silikonin kapseloinnista, se luo joustavan suojan, joka estää kosteuden pääsyn, kestää polttoaineita ja vaimentaa värähtelyjä. Näin suojattujen komponenttien käyttöikä on noin 40 prosenttia pidempi kovissa olosuhteissa verrattuna tavallisiin jäykkään muoviin. Otetaan esimerkiksi merelliset energiavälit: suolavesi voi olla pitkällä aikavälillä erittäin tuhoisaa, mutta silikoni kestää korroosiota paremmin kuin useimmat nykyiset vaihtoehdot. Siksi monet insinöörit määrittelevät silikonimateriaalit näihin vaativiin sovelluksiin, joissa luotettavuus on tärkeintä.

Tiivistys ja tiivisteet silikonilla kuluttajaelektroniikassa

Silikonitiivisteet ovat käytännössä vakiintuneet käyttöön älypuhelimissa, käytettävissä laitteissa ja kodinkoneissa, koska ne tarttuvat hyvin ja ovat kuitenkin riittävän joustavia kestämään liikettä. Joidenkin viimeaikaisten testien mukaan nämä tiivisteet säilyttävät ilmatiiviin sulun, vaikka niitä kohdellaan tuhansilla lämpötilan vaihteluilla miinus 40 asteessa celsius-asteessa ja 150 asteessa celsius-asteessa. Todellinen etu on, että laitteet kestävät pidempään, sillä kosteuden aiheuttamat ongelmat ovat noin puolet vähäisempiä. Valmistajat arvostavat myös nykyisin saatavia läpinäkyviä versioita, jotka sopivat suoraan lasi- tai polikarbonaattikuoriin vaikuttamatta niiden auringonvalon aiheuttamaan haurastumisen kestävyyteen ajassa.

Nestemäisen silikonikuminauhan (LSR) käyttö LED- ja valaisinsovelluksissa

LSR:n optinen läpinäkyvyys ja noin 200 asteen celsiusasteen lämpövastus tekevät siitä erittäin suosittua esimerkiksi LED-kadunvaloihin ja autojen etuvaloihin nykyään. Kun valmistajat käyttävät LSR-koteloitustekniikoita, he saavat myös varsin vaikuttavia tuloksia. Useimmat ilmoittavat säilyttäneensä noin 92 %:n valonsiirtotehokkuuden, vaikka komponentit olisivat toimineet jatkuvasti noin 10 000 tuntia. Toinen suuri etu on LSR:n helppo muovattavuus monimutkaisiin muotoihin. Tämä mahdollistaa mikrolinssiryhmien valmistamisen, mikä puolestaan parantaa valon hajauttamista noin 35 % pienemmissä valaisimissa. Lisäksi aikamukautumista ei esiinny huolimatta jatkuvasta UV-säteilyn altistumisesta – asia, jota tavalliset materiaalit eivät vain kestä.

Silikoni älykkäissä ja kantettavissa laitteissa: Mukaan mennessä mukavuus ja suorituskyky

Silikonin joustavuuden, biologisen yhteensopivuuden ja kestävyyden yhdistäminen on tehnyt siitä välttämättömän seuraavan sukupolven älykkäissä ja käytettävissä teknologioissa. Kun laitteet kehittyvät entistä saumattomammin yhteen käyttäjien elämäntyyliin, silikonin materiaaliominaisuudet mahdollistavat suunnittelun, jossa painotetaan sekä suorituskykyä että ergonomiaa.

Älylaitteet, jotka hyödyntävät silikonin biologista yhteensopivuutta ja joustavuutta

Käytettävät terveydenhuollon teknologiat perustuvat voimakkaasti lääketieteelliseen laatuun tarkoitettuun silikoniin, koska se ei ärsytä ihoa ja yhdistyy hyvin ihmiskehoon. Vuoden 2024 tutkimukset osoittivat, että silikonilla valmistetut laitteet aiheuttivat noin 60 % vähemmän punoitusta kuin muovia vaihtoehtoisesti käyttävät mallit. Niille, jotka tarvitsevat käyttää esimerkiksi verensokerivalvontalaitteita tai sydämen sykkeen mittauslaattoja koko päivän, tämä on erittäin tärkeää, sillä laitteet voidaan pitää paikoillaan tunteja aiheuttamatta ongelmia. Lisäksi silikonin joustavuus ja liikkuvuus tekevät siitä ihanteellisen materiaalin kuntoilulaitteisiin, joita ravistellaan harjoittelun aikana, sekä virtuaalilasien sisäosiin, joissa mukavuus on keskeistä, mutta tila on rajoitettu.

Anturit ja käytettävät laitteet, jotka käyttävät muotitetun silikonin tuottamaa mukavuutta ja kestävyyttä

Silikonitalossa, joka on valmistettu tarkka-aineistuksella, - ne herkkiä biometrisia antureita suojataan hikoilusta, pölyyhtymästä ja fyysisistä iskuista. Erilaisten kliinisten tutkimusten mukaan ihmiset, jotka käyttävät lääkinnällisiä laitteita, joiden pehmeät silikonipiikit ovat pehmeät, tuntevat olonsa paljon mukavammaksi kuin niiden jäykempien vaihtoehtojen käyttäjillä. Joissakin tutkimuksissa mukavuustulokset nousevat jopa 70-75%:n verran. Ja on vielä yksi etu. Silikonilla voi imeä värähtelyä, joten nämä liikkeenjäljittimet toimivat paremmin. Kun urheilijat käyttävät niitä intensiivisten harjoitusten aikana, virhetaso laskee merkittävästi, noin 30-35% alemmaksi verrattuna muihin vaihtoehtoihin kuin silikoni.

Uudet tekniikat ohut seinämuotossa kevyiden vaatteiden valmistukseen

Viimeaikaiset parannukset nestemäisen piilikuminauhan (LSR) käsittelyssä ovat mahdollistaneet kerrosten valmistamisen niin ohuiksi kuin 0,2 mm, mutta silti repimisvahvoiksi, mikä on erinomainen uutinen kuljetettavien laitteiden kehityksessä, jotka eivät tuntua raskaalta kehossa. Nämä ohuemmat seinämät tarkoittavat, että älykellohihnat voivat oikeasti painaa 44 % vähemmän ilman, että niiden lujuus kärsii – ne kestävät yli 8 MPa:n vetolujuutta. Mielenkiintoista kuitenkin on, mitä valmistajat voivat nyt tehdä näillä materiaaleilla. He lisäävät pieniä reikiä pinnan läpi, jotta hiki voi haihtua treeneissä, ja rakentavat erityisiä kulkureittejä sisälle, joissa sydämen sykettä mittaavat anturit koskettavat ihoa. Tuloksena on laitteita, jotka näyttävät tyylikkäiltä ja modernilta, mutta toimivat myös moitteettomasti pitkäaikaisessa käytössä.

Suunnittelu- ja valmistusstrategiat laadukkaisiin piilikumi-elektroniikkatuotteisiin

Piilikumiosien suunnittelunäkökohdat suorituskykyelektroniikassa

Hyvä siliconituotteen suunnittelu alkaa lämpötilan siirtymisen ymmärtämisellä materiaalien läpi ja tarvittavien sähköominaisuuksien tunnistamisella. Kun insinöörit kiinnittävät silikonia jäykkiin materiaaleihin, kuten piirilevyihin, heidän on oltava tarkkana lämpölaajenemisen erojen osalta. Nämä epäjohdonmukaiset laajenemiskertoimet aiheuttavat itse asiassa suurimman osan vioista elektronisissa komponenteissa, jotka on suljettu silikoniin ja joiden kautta on sitten kuljettu useita kertoja lämmitys- ja jäähdytysjaksoja. Niille erittäin ohuille seinämille, joiden paksuus on alle puoli millimetriä, on ratkaisevan tärkeää testata eri luokkien materiaaleja ennen tuotantovaihetta. Muuten on todellinen riski, että osat repiytyvät irti muotista irrotettaessa. Älä myöskään unohda, että nämä ohuet rakenteet täytyy silti täyttää tiukat IP67-vesitiiviysvaatimukset.

Silikonin ruiskutuksen, puristustekniikan ja päällystystekniikan vertailu

Viimeaikaiset tarkkuustyöstön saavutukset korkean tarkkuuden silikonien käsittelyssä mahdollistavat suurten toleranssien saavuttamisen alle 50 μm injektiovalussa, mikä aiemmin oli yksinomaan ylikuomauksen aluetta.

Työkalujen ja prosessiparametrien optimointi monimutkaisille silikoni-geometrioille

Monilokimallien käyttö, jotka on varustettu mukautuvalla jäähdytyksellä, voi vähentää sykliaikoja 18–22 prosenttia nestemäistä silikonikumia käsiteltäessä. Vuoden 2023 tutkimuksen tulokset osoittavat, että injektiopuomin pitäminen puolen metrin sekunnissa ja hieman yli metrin sekunnissa auttaa välttämään ikävät virtausongelmat mikrosuihkukanaliosissa. Käytettävissä oleville teknologian komponenteille, joissa tarvitaan Shore A -kovuusarvoja välillä 40–80, jälkikuumaus on erittäin tärkeää. Useimpien valmistajien mukaan näiden osien kuumentaminen 150–200 asteessa noin neljästä kuuteen tuntiin tekee kaiken erotuksen stabiilien kovuusominaisuuksien saavuttamisessa yhdenmukaisesti.

Kustannusten, skaalautuvuuden ja tarkkuuden tasapainottaminen LSR-tuotannossa

Ulvalukitus antaa noin 0,8 %:n mitallisen tarkkuuden näille lääkinnällisessä käytössä oleville antureille, mutta ollaan rehellisiä hintalapusta. Työkalujen kustannukset nousevat 60–75 prosenttia verrattuna tavallisiin injektiovalumuotteihin. Älykkäät yritykset ovat alkaneet vaihteella menetelmiä. Ne käyttävät puristusmuoviausmenetelmää perustasoille ja sitten siirtyvät tarkkuusporattuihin injektio työkaluihin vain niissä kohdissa, joissa kriittiset tiivisteet tarvitaan. Tämä on järkevää. Näin yhdistetty lähestymistapa vähentää yksittäisten osien valmistuskustannuksia noin 34 %:lla autojen antureiden tuotannossa, samalla kun vuotokokeiden epäonnistumiset pysyvät alle 0,03 %. Ei lainkaan huono ottaen huomioon, mistä tässä on kyse.

UKK

Mikä tekee siliconista niin suosittua elektronisten tuotteiden suunnittelussa?

Silikoni on suosittu elektronisten tuotteiden suunnittelussa sen erinomaisen lämpönsietoisuuden, sähköeristysominaisuuksien, kestävyyden, joustavuuden ja muovattavuuden vuoksi verrattuna perinteisiin materiaaleihin, kuten PVC:hen ja kumiin. Se kestää ääriolosuhteita ja tarjoaa suojauksen ympäristötekijöiltä, mikä tekee siitä ihanteellisen modernien elektroniikkalaitteiden materiaalin.

Miten silikoni hyödyttää käytettäviä teknologioita?

Käytettävissä teknologioissa silikoni tarjoaa biologisen yhteensopivuuden, iholle ystävälliset ominaisuudet ja joustavuuden, mikä takaa mukavuuden pitkän käyttöajan ajan. Se vaimentaa värähtelyjä, vähentää virheiden määrää liikkeen seurannassa käytettävissä laitteissa ja parantaa kuntoilulaitteiden sekä VR-lasien toimintaa.

Mikä on silikonin tärkeimmät käyttötarkoitukset elektronisissa sovelluksissa?

Silikonia käytetään laitteiden kapselointiin, tiivistykseen ja tiivisteissä kuluttajaelektroniikassa sekä nestemäisenä silikonikumina (LSR) LED- ja valaistussovelluksissa sen lämmön- ja kemikaalisietoisuuden, joustavuuden ja optisen läpinäkyvyyden vuoksi.

Mitkä ovat tärkeimmät valmistustekniikat silikonikomponenteille?

Tärkeimmät silikonikomponenttien valmistustekniikat ovat injektiovaippa, puristusmuovaus ja ylikuoriutus. Jokainen tekniikka tarjoaa erilaisia syklin kestoja, tarkkuutta ja kustannustehokkuutta, ja soveltuu erilaisiin sovelluksiin suurtilavuisten liittimien lisäksi prototyyppianturikuorien valmistukseen.