Miért forradalmasítja a szilikon az elektronikai terméktervezést

A szilikonkaucsuk növekvő elterjedése az elektronikai és villamos rendszerekben

A szilikon egyre nagyobb teret hódít a mai elektronikai világban, és a Ponemon (2023) legújabb tanulmányai szerint a gyártók körülbelül hetven százaléka már elkezdte beépíteni termékeibe a hőelvezetés javítása érdekében. Mi tette ennyire népszerűvé ezt az anyagot? Nos, amikor a vállalatok felismerték, hogy a szilikon milyen jól bírja a -55 Celsius-foktól egészen 300 fokig terjedő hőmérsékleti ingadozásokat anélkül, hogy alakját vagy tulajdonságait elveszítené, többé nem hagyhatták figyelmen kívül annak lehetőségeit. Ez a jellemző különösen értékes például okosórák, elektromos járművek belsejében található alkatrészek, valamint a napjainkban mindenütt jelen lévő apró érzékelők esetében. A hagyományos műanyagokhoz vagy gumikhoz képest a szilikon sokkal ellenállóbb a napsugárzás okozta károk, az ózon hatása, illetve a víz behatolása szempontjából. Ezért kedvelik az építészmérnökök olyan tömítések készítésére, amelyek védelmet nyújtanak az érzékeny áramköröknek és számítógép-chipeknek, ha megbízható működésükre is szükség van nehéz körülmények között.

A szilikon alapú komponensek felé történő áttolódás kulcsfontosságú mozgatórugói

Három tényező hajtja a szilikon dominanciáját:

Ezek az attribútumok a RoHS és REACH szabványoknak való megfeleléssel együtt kielégítik a tartósság és fenntarthatóság kétszeres igényét. Például az orvostechnikai hordható eszközök a szilikon biokompatibilitását használják ki annak érdekében, hogy 30 napnál hosszabb ideig bőrkontaktban maradhassanak irritáció nélkül.

A piaci trendek növekvő testreszabhatóságot és a szilikon alkatrészek tervezési sokoldalúságát mutatják

A MarketsandMarkets 2024-es adatai szerint a világszerte működő szilikon elektronikai piac várhatóan körülbelül 7,8%-os összetett éves növekedési ütemmel bővül egészen 2030-ig. Ezt a növekedést elsősorban az alkalmazásokhoz speciálisan illeszkedő formulák iránti növekvő igény hajtja. A mai gyártók már nem csupán szabványos termékeket értékesítenek. Elektromosan vezető szilikonokat kezdtek előállítani az új 5G-es eszközök EMI-pajzsolásához, optikailag áttetsző változatokat készítenek AR és VR-fejhallgató-tömítésekhez, valamint lángálló anyagokat fejlesztenek, amelyek megfelelnek az elektromos járművek akkumulátortartóinak szigorú UL 94 V-0 szabványainak. A legutóbbi iparági jelentések, különösen a 2024-es Electronics Material Trends Study (Elektronikai Anyagok Trendvizsgálata) alapján érdekes tendenciát figyelhetünk meg. Az eredeti felszerelést gyártó vállalatok több mint 40%-kal nagyobb aránya kér egyedi Shore-keménységi fokozatokat és olyan alkatrészeket, amelyek pontosan megegyeznek márkájuk színeivel. Úgy tűnik, hogy az egyéni testreszabás iránti igény tartósan jelen marad az egész ágazatban.

A szilikon elektronikában való alkalmazását ideálissá tevő alapanyag-tulajdonságok

A szilikonok hő- és környezeti ellenállása az elektronikában

A szilikon megbízható teljesítményt nyújt szélsőséges hőmérsékletek mellett (-50°C és 350°C között), így jobban teljesít műanyagoknál és gumiknál olyan alkalmazásokban, mint például gépjárművek érzékelői vagy ipari házalások. Gyújtásgátló tulajdonsága, valamint a tartós UV-sugárzásnak, ózon- és páratartalomnak való ellenállása elengedhetetlenné teszi a kültéri és magas hőfokon működő elektronikai eszközökben.

A szilikon anyagok elektromos szigetelése és dielektromos szilárdsága

A szilikon dielektromos szilárdsága meghaladja a 20 kV/mm értéket, így hatékony elektromos szigetelőként működik, megakadályozva a szikrázást és rövidzárlatot az energiaelosztó rendszerekben és fogyasztói készülékekben. Ez a tulajdonság, valamint a koronakisülés-ellenállás biztonságot nyújt nagyfeszültségű alkalmazásokban, mint például az EV akkumulátortartók és ipari csatlakozók.

A szilikon gumi tartóssága, hajlékonysága és kémiai ellenállása

A szilikon rugalmassága—akár 600%-os megnyúlásig—és az olajokkal, savakkal és oldószerekkel szembeni ellenállása ismételt tömítést tesz lehetővé dinamikus környezetekben.

Ezek az előnyök csökkentik a karbantartási költségeket vegyipari berendezésekben és hordozható orvosi eszközökben.

A szilikon elasztomerek formázhatósága és tervezési szabadsága

A folyékony szilikonkaucsuk (LSR) mikroszkopikus üregekbe áramlik, lehetővé téve a pontos formázást akár 0,2 mm-es vastagságú elemeknél, például tapintásérzékelő felületeknél és mikrotömítéseknél. Ez a tervezési szabadság támogatja a kompakt, könnyű elektronikai termékeket tartósságuk csökkentése nélkül.

Gyakorlati alkalmazások: szilikon használata bevonásban, tömítésben és világításban

Szilikon bevonás kritikus környezetben működő hardverek/alkatrészek védelmére

A szilikon hőállósága mínusz 60 Celsius-foktól egészen 230 Celsius-fokig, valamint kémiai anyagokkal szembeni ellenálló képessége miatt különösen fontos ipari szenzorok, gépjárművek vezérlőegységei és repülőgépek elektronikus alkatrészeinek védelme szempontjából. Amikor szilikonbevonásról beszélünk, akkor egyfajta rugalmas védőrétegről van szó, amely kizárja a nedvességet, ellenáll az üzemanyagoknak és csökkenti a rezgéseket. Az ilyen módon védett alkatrészek durva körülmények között átlagosan kb. 40 százalékkal tovább tartanak, mint amikor hagyományos merev műanyagokat használnak. Vegyük például a tengeri energiaplatformokat: a tengervíz idővel rendkívül pusztító lehet, de a szilikon jobban ellenáll ennek a korróziónak, mint a mai alternatívák többsége. Ezért sok mérnök éppen szilikon anyagokat választ olyan nehéz alkalmazásokhoz, ahol a megbízhatóság a legfontosabb.

Szilikon tömítések és tömítőgyűrűk fogyasztási cikkek elektronikájában

A szilikon tömítőanyagok szinte kötelezővé váltak az okostelefonoknál, hordható eszközöknél és háztartási készülékeknél, mivel jól tapadnak, ugyanakkor elég rugalmasak ahhoz, hogy mozgás közben is megbízhatóan zárjanak. Néhány friss teszt eredménye szerint a szilikon tömítések akár több ezer hőmérsékletváltozás után is légmentesen zárnak, amelyek mínusz 40 Celsius-foktól 150 Celsius-fokig terjednek. A valódi előny az, hogy a készülékek hosszabb ideig tartanak, mivel a belső nedvesség okozta problémák száma körülbelül felére csökken. A gyártók értékelik a jelenleg elérhető átlátszó változatokat is, amelyek tökéletesen illeszkednek üveg- vagy policarbonát tokokba anélkül, hogy csökkentenék a napsugárzás okozta időbeli károsodással szembeni ellenállást.

Folyékony szilikon gumi (LSR) használata LED és világítástechnikai alkalmazásokban

Az LSR optikai áttetszősége és kb. 200 °C-ig terjedő hőállósága napjainkban különösen népszerűvé teszi az anyagot például LED utcai lámpák és autóreflektorok esetében. Amikor a gyártók LSR bevonási eljárásokat alkalmaznak, igen lenyűgöző eredményeket tapasztalhatnak. A legtöbbjük azt jelenti, hogy kb. 10 000 óra folyamatos üzemeltetés után is megmarad kb. 92%-os a fényátbocsátási hatékonyság. Egy másik nagy előny, hogy az LSR-t milyen könnyen lehet összetett formákba önteni. Ez lehetővé teszi mikrolencsés tömbök létrehozását, amelyek valójában körülbelül 35%-kal javítják a fényeloszlást kisebb berendezésekben. Emellett az idő múlásával nem jelentkezik sárgulás, annak ellenére sem, hogy folyamatos UV-sugárzás éri – olyan tulajdonság ez, amit a hagyományos anyagok egyszerűen nem tudnak elviselni.

Szilikon az okos- és hordható technológiában: Kényelem és teljesítmény találkozása

A szilikon rugalmasságának, biokompatibilitásának és tartósságának kombinációja elengedhetetlenné tette a következő generációs okos- és hordható technológiákban. Ahogy az eszközök egyre jobban integrálódnak a felhasználók életmódjába, a szilikon anyagjellemzői olyan terveket tesznek lehetővé, amelyek egyszerre helyezik előtérbe a teljesítményt és az ergonómiát.

Okoseszközök, amelyek kihasználják a szilikon biokompatibilitását és rugalmasságát

A viselhető egészségügyi technológia nagyban az orvosi minőségű szilíciumra támaszkodik, mert nem irritálja a bőrt, és jól működik a testünkkel. A 2024-es friss kutatások kimutatták, hogy a szilikonból készült eszközök körülbelül 60%-kal kevesebb vörösödést okoznak, mint a műanyag alternatívákból készült eszközök. Azok számára, akiknek egész nap viselniük kell olyan dolgokat, mint a vércukorszintmérőket vagy a pulzuspárnák, ez nagyon fontos, mivel órákig használhatók anélkül, hogy problémát okoznának. Ráadásul a szilícium hajlékony és mozgó módja ideális a fitness nyomkövetőkhöz, amelyek a edzések során tolódnak, valamint a VR fejhallgatók belsejében lévő részekhez, ahol a kényelem kulcsfontosságú, de a hely korlátozott.

Szenzorok és viselhető eszközök, amelyek kényelmet és tartósságot biztosítanak a formázott szilíciummal

A precíziós formázásból készült szilikon burkolat védi ezeket a kényes biometrikus érzékelőket a verejtéktől, a por felhalmozódásától és a fizikai ütésektől. Különböző klinikai vizsgálatok szerint azok, akik ilyen puha szilícium szélekkel viselnek orvostechnikai eszközöket, sokkal kényelmesebben érzik magukat, mint a merev alternatívák. Egyes tanulmányok azt is mutatják, hogy a kényelmi értékek bizonyos esetekben 70-75%-kal emelkednek. És van még egy előnye is. A szilícium a rezgéseket felszívja, és ezáltal a mozgáskövető eszközök jobban működnek. Amikor a sportolók intenzív edzéseken viselnek, a hiba arány jelentősen csökken, valahol 30-35%-kal alacsonyabb, mint a nem szilíciumos lehetőségeknél.

Innovációk a vékony falból készült, könnyű, viselhető modellekhez

A folyékony szilícium gumi (LSR) alkalmazásának legutóbbi fejlesztései lehetővé tették, hogy 0,2 mm-es vékony rétegeket hozzunk létre, de még mindig ellenálljanak a szakadásoknak, ami nagyszerű hír a testre tömörítetlen viselhető eszközök gyártásához. Ezek a vékonyabb falak azt jelentik, hogy az okosóra csíkjai 44 százalékkal kevesebb súlyt érnek el, anélkül, hogy az erősségüket áldoznák. Még mindig bírják a 8 MPa feszültséget. Ami viszont igazán érdekes, az az, hogy a gyártók mit tehetnek ezekkel az anyagokkal. Kis lyukakat építenek a felszínre, hogy a verejték kijusson az edzés közben, és speciális útvonalakat építenek a belsejében, ahol a szívverés érzékelői a bőrhöz vannak szorítva. Mi lett az eredménye? Olyan készülékek, amelyek elegánsak és modernek tűnnek, de egész nap jól működnek.

A magas minőségű szilícium elektronikus termékek tervezési és gyártási stratégiái

A nagy teljesítményű elektronikai berendezések szilíkonos alkatrészeinek tervezési fontosságai

A jó szilícium terméktervezés abból kezdődik, hogy meg tudjuk határozni, hogyan mozog a hő az anyagokon keresztül, és milyen elektromos tulajdonságokra van szükség. Amikor a mérnökök szilíciumot kötnek merev tárgyakhoz, mint például áramköri lemezekhez, figyelniük kell a különbségekre, hogy a dolgok mennyiben tágulnak felmelegedés közben. Ezek a nem megfelelő tágulási sebességek valójában a legtöbb meghibásodást okozzák azokban az elektronikus alkatrészekben, amelyek szilikonban vannak lezárva, majd ismételt fűtési és hűtési ciklusokon mennek keresztül. Az olyan szuper vékony falaknál, amelyek vastagsága fél milliméter alatt van, kritikus, hogy a gyártás előtt teszteljük a különböző anyagokat. Különben fennáll a kockázat, hogy a részek szétesnek, amikor kijönnek a formából. És ne felejtsük el, hogy ezeknek a vékony konstrukcióoknak még mindig meg kell felelniük a szigorú IP67 vízálló szabványoknak is.

A szilícium befecskendezési, tömörítési és túlformázási technikáinak összehasonlítása

A nagy pontosságú szilikon megmunkálásban elért legújabb fejlődés lehetővé teszi a mérőanyag-befecskendezéshez a korábban csak túlformázáshoz használt <50 μm toleranciák elérését.

A komplex szilikon geometriákhoz szükséges szerszám- és folyamatparaméterek optimalizálása

A megfelelő hűtéssel felszerelt többüregű formák használata 18-22 százalékkal csökkentheti a ciklusidőket a folyékony szilícium gumival való munka során. A 2023-as vizsgálatok legfrissebb eredményei azt mutatják, hogy a másodpercenként fél méter és másodpercenként egy méternél kicsit több sebességű injekció befecskendezés segít elkerülni a mikrofluidikus csatorna részei idegesítő áramlási problémáit. A viselhető technológiai alkatrészeknél, amelyeknek 40 és 80 közötti keménységre van szükségük, a visszaszorítás nagyon fontos dolog. A legtöbb gyártó úgy találta, hogy a 150 és 200 Celsius fok közötti hőmérséklet körülbelül 4-6 órán át a legkülönbözőbb a stabil keménység tulajdonságainak elérésében.

Költség, skálázhatóság és pontosság egyensúlya az LSR-termelésben

Az overmolding körülbelül 0,8%-os méretpontosságot biztosít az ilyen orvosi minőségű szenzorokhoz, de legyünk őszinték az árról. Az szerszámköltségek 60–75 százalékkal emelkednek a hagyományos fröccsöntő szerszámokhoz képest. Az okos vállalatok elkezdték keverni a dolgokat. Ők kompressziós öntést alkalmaznak az alaprétegekhez, majd csak ott használnak precíziós gépi fröccsöntő szerszámokat, ahol a kritikus tömítések szükségesek. Tényleg értelmes megoldás. Ez a vegyes módszer körülbelül 34%-kal csökkenti az egységárakat autóipari szenzorok gyártása során, miközben a szivárgásvizsgálati hibák száma 0,03% alatt marad. Nem rossz, figyelembe véve, miről is beszélünk itt.

GYIK

Miért olyan népszerű a szilikon az elektronikai termékek tervezésében?

A szilikon népszerű az elektronikai termékek tervezésében a hagyományos anyagokhoz, például a PVC-hez és a gumikhoz képest kiváló hőállósága, elektromos szigetelése, tartóssága, hajlékonysága és formázhatósága miatt. Képes ellenállni extrém hőmérsékleteknek, és védelmet nyújt a környezeti tényezőkkel szemben, így ideális modern elektronikai eszközökben.

Milyen előnyöket kínál a szilikon a hordozható technológiákban?

A hordozható technológiákban a szilikon biokompatibilitást, bőrbarát tulajdonságokat és hajlékonyságot kínál, biztosítva a kényelmet hosszabb használat során. Csökkenti a rezgéseket, csökkentve ezzel a hibaszázalékot a mozgást követő készülékeknél, valamint javítja az edzőkészülékek és VR-fejegységek teljesítményét.

Mik a szilikon főbb felhasználási területei az elektronikai alkalmazásokban?

A szilikont elektronikai alkatrészek bevonására, fogyasztói elektronikai eszközök tömítésére és tömítőgyűrűként használják, valamint folyékony szilikon gumi (LSR) formájában LED-eknél és világítási alkalmazásoknál, köszönhetően hő- és vegyiállóságának, hajlékonyságának és optikai áttetszőségének.

Mik a szilikon alkatrészek kulcsfontosságú gyártási technikái?

A szilikon alkatrészek gyártásának fő technikái az injekciós öntés, a kompressziós öntés és a többrétegű öntés. Mindegyik eljárás eltérő ciklusidőt, pontosságot és költséghatékonyságot kínál, így különböző alkalmazásokhoz alkalmasak, nagy sorozatban gyártott csatlakozóktól a prototípus érzékelőházakig.