Dlaczego silikon rewolucjonizuje projektowanie wyrobów elektronicznych

Rosnąca adopcja gumy silikonowej w systemach elektronicznych i elektrycznych

Silikon staje się coraz bardziej popularny w dzisiejszym świecie elektroniki, a według najnowszych badań przeprowadzonych przez Ponemona (2023), około 7 na 10 producentów zaczęło już go wykorzystywać w swoich produktach do zarządzania problemami związanymi z temperaturą. Co sprawiło, że ten materiał zyskał taką popularność? Otóż gdy firmy zauważyły, jak dobrze silikon radzi sobie w skrajnych temperaturach – od -55 stopni Celsjusza aż do 300 stopni – bez tracenia kształtu czy właściwości, nie mogły dłużej ignorować jego potencjału. Ta cecha czyni go szczególnie wartościowym w przypadku smartwatchy, elementów wewnątrz pojazdów elektrycznych oraz miniaturowych czujników, które obecnie są wszędzie. W porównaniu do zwykłego plastiku czy gumy, silikon znacznie lepiej odpiera uszkodzenia spowodowane działaniem promieni słonecznych, ozonem oraz wnikaniem wody. Dlatego inżynierowie chętnie używają go do tworzenia uszczelek wokół delikatnych obwodów i ochrony wrażliwych układów scalonych, gdy muszą one działać niezawodnie nawet w trudnych warunkach.

Główne czynniki napędzające zmianę na rzecz komponentów zasilikonowych

Trzy czynniki przyczyniające się do dominacji silikonu:

Te cechy, w połączeniu z zgodnością ze standardami RoHS i REACH, odpowiadają podwójnym wymaganiom trwałości i zrównoważonego rozwoju. Na przykład, medyczne urządzenia noszone wykorzystują biokompatybilność silikonu, aby utrzymywać kontakt z skórą przez ponad 30 dni bez podrażnień.

Trendy rynkowe wskazujące na zwiększającą się personalizację i różnorodność projektowania komponentów silikonowych

Zgodnie z danymi firmy MarketsandMarkets z 2024 roku, światowy rynek silikonów elektronicznych ma się rozwijać w tempie średniorocznego wzrostu wynoszącego około 7,8% aż do 2030 roku. Wzrost ten jest napędzany głównie rosnącym zapotrzebowaniem na specjalistyczne formuły dopasowane do konkretnych zastosowań. Obecni producenci już nie sprzedają tylko standardowych produktów. Zaczynają wytwarzać przewodzące elektrycznie silikony do ekranowania przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) w nowych urządzeniach 5G, tworzyć przezroczyste optycznie wersje przeznaczone na uszczelki do zestawów rzeczywistości rozszerzonej (AR) i wirtualnej (VR), a także opracowują materiały trudnozapalne spełniające rygorystyczne normy UL 94 V-0 wymagane dla obudów akumulatorów pojazdów elektrycznych. Analizując najnowsze raporty branżowe, w szczególności Badanie Trendów Materiałów Elektronicznych z 2024 roku, można zaobserwować ciekawy fenomen. Ponad 40% więcej producentów oryginalnego sprzętu (OEM) domaga się niestandardowych stopni twardości wg skali Shore oraz komponentów dokładnie odpowiadających kolorom ich marek. Dążenie do personalizacji wydaje się być trwałą tendencją obejmującą cały sektor.

Właściwości materiałowe silikonu, które czynią go idealnym dla elektroniki

Odporność termiczna i środowiskowa silikonów w zastosowaniach elektronicznych

Silikon zapewnia niezawodną wydajność w skrajnych temperaturach (-50°C do 350°C), przewyższając plastiki i gumy w zastosowaniach takich jak czujniki samochodowe i obudowy przemysłowe. Jego odporność na ogień oraz zdolność do długotrwałego wytrzymywania promieniowania UV, ozonu i wilgoci czynią go niezastąpionym w elektronice użytkowanej na zewnątrz i w warunkach wysokich temperatur.

Izolacja elektryczna i wytrzymałość dielektryczna materiałów silikonowych

Dzięki wytrzymałości dielektrycznej przekraczającej 20 kV/mm, silikon działa jako skuteczny izolator elektryczny, zapobiegając przeskokom iskrowym i zwarciom w systemach dystrybucji energii oraz urządzeniach konsumenckich. Ta właściwość, połączona z odpornością na wyładowania koronowe, zapewnia bezpieczeństwo w zastosowaniach wysokonapięciowych, takich jak obudowy akumulatorów EV i przemysłowe złącza.

Trwałość, elastyczność i odporność chemiczna kauczuku silikonowego

Elastyczność silikonu — wydłużenie do 600% — oraz odporność na oleje, kwasy i rozpuszczalniki umożliwiają powtarzalne uszczelnianie w warunkach dynamicznych.

Te zalety redukują koszty utrzymania urządzeń przetwarzających chemikalia oraz noszonych urządzeń medycznych.

Formowalność i elastyczność projektowania elastomerów silikonowych

Ciekły gumowy silikon (LSR) wpływa do mikroskopijnych wnęk, umożliwiając precyzyjne formowanie elementów o grubości zaledwie 0,2 mm dla interfejsów dotykowych i mikrouszczelnień. Ta swoboda projektowania wspiera tworzenie kompaktowych, lekkich produktów elektronicznych bez kompromisów dotyczących trwałości.

Zastosowania w praktyce: silikon w enkapsułowaniu, uszczelnianiu i oświetleniu

Enkapsułowanie elementów sprzętu/składników silikonem w trudnych warunkach środowiskowych

Zakres stabilności termicznej silikonu, od minus 60 stopni Celsjusza aż do 230 stopni Celsjusza, wraz z jego odpornością na chemikalia, czyni go szczególnie ważnym przy ochronie takich elementów jak przemysłowe czujniki, jednostki sterujące w samochodach czy komponenty elektroniczne stosowane w samolotach. W przypadku hermetyzacji silikonowej powstaje elastyczna osłona, która zapobiega przedostawaniu się wilgoci, wykazuje odporność na paliwa oraz tłumi drgania. Komponenty tak chronione charakteryzują się ok. 40-procent dłuższym czasem życia w trudnych warunkach w porównaniu do tych chronionych standardowymi sztywnymi plastikami. Weźmy na przykład platformy energetyczne na morzu. Woda morska z czasem może być bardzo niszcząca, jednak silikon lepiej niż większość dostępnych obecnie rozwiązań radzi sobie z korozją. Dlatego wielu inżynierów wybiera materiały silikonowe w tych wymagających zastosowaniach, gdzie najważniejsza jest niezawodność.

Uszczelnianie i pakowanie silikonem w elektronice użytkowej

Środki uszczelniające z silikonu stały się powszechnie stosowane w smartfonach, urządzeniach noszonych i artykułach gospodarstwa domowego, ponieważ dobrze przylegają, a jednocześnie są wystarczająco elastyczne, by wytrzymać ruch. Niektóre najnowsze testy dotyczące skuteczności tych uszczelek wskazują, że uszczelki silikonowe mogą zapewniać szczelność powietrza nawet po przejściu przez tysiące zmian temperatury od minus 40 stopni Celsjusza do 150 stopni Celsjusza. Prawdziżą zaletą jest to, że urządzenia mają dłuższą żywotność, ponieważ liczba problemów spowodowanych wilgocią przedostającą się do wnętrza zmniejsza się o około połowę. Producenci doceniają również dostępne obecnie przezroczyste wersje, które idealnie pasują do obudów szklanych lub poliwęglanowych, nie wpływając na odporność na uszkodzenia spowodowane działaniem promieni słonecznych w czasie.

Zastosowanie ciekłego kauczuku silikonowego (LSR) w aplikacjach LED i oświetleniowych

Przejrzystość optyczna oraz odporność na ciepło LSR do około 200 stopni Celsjusza sprawia, że materiał ten jest obecnie bardzo popularny w takich zastosowaniach jak latarnie uliczne LED czy reflektory samochodowe. Gdy producenci wybierają metody zalania LSR, odnotowują również bardzo imponujące wyniki. Większość z nich podaje, że utrzymują około 92% efektywności przepuszczania światła nawet po ciągłej pracy tych komponentów przez ok. 10 000 godzin. Kolejną dużą zaletą jest łatwość formowania LSR w skomplikowane kształty. Umożliwia to tworzenie mikrosoczewek, które rzeczywiście zwiększają rozpraszanie światła o około 35% w mniejszych oprawach. Dodatkowo nie występuje żółknięcie materiału w czasie mimo stałego narażenia na promieniowanie UV – problem, z którym zwykłe materiały sobie nie radzą.

Silikon w inteligentnych urządzeniach noszonych: komfort spotyka się z wydajnością

Połączenie elastyczności, biokompatybilności i trwałości silikonu uczyniło go niezastąpionym w nowoczesnych inteligentnych technologiach noszonych. W miarę jak urządzenia ewoluują, by płynnie integrować się z trybem życia użytkowników, właściwości materiałowe silikonu umożliwiają tworzenie projektów, które stawiają na czele zarówno wydajność, jak i ergonomię.

Inteligentne urządzenia wykorzystujące biokompatybilność i elastyczność silikonu

Technologia noszona do monitorowania zdrowia w dużej mierze opiera się na silikonie medycznym, ponieważ nie podrażnia skóry i dobrze współgra z organizmem. Badania z 2024 roku wykazały, że urządzenia wykonane z silikonu powodowały o około 60% mniejsze zaczerwienienie skóry niż te wykonane z alternatywnych tworzyw sztucznych. Dla osób, które muszą cały dzień nosić np. mierniki stężenia cukru we krwi lub plastrze do pomiaru tętna, ma to ogromne znaczenie, ponieważ mogą one pozostać na skórze przez wiele godzin bez powodowania problemów. Dodatkowo elastyczność i giętkość silikonu czynią go idealnym materiałem na śledniki aktywności fizycznej, które są narażone na potrząsanie podczas treningów, a także na elementy wewnętrzne kasków rzeczywistości wirtualnej, gdzie komfort jest kluczowy, ale przestrzeń ograniczona.

Czujniki i urządzenia noszone wykorzystujące formowany silikon dla większego komfortu i trwałości

Housing z silikonu wykonany metodą precyzyjnego formowania chroni delikatne czujniki biometryczne przed potem, nagromadzeniem się kurzu oraz uszkodzeniami mechanicznymi. Zgodnie z różnymi badaniami klinicznymi, osoby noszące urządzenia medyczne wyposażone w te miękkie, silikonowe krawędzie odczuwają znacznie większy komfort w porównaniu do twardych alternatyw. Niektóre badania wykazują nawet wzrost ocen komfortu użytkowania o około 70–75% w określonych przypadkach. Istnieje także kolejna zaleta. Silikon dzięki swoim właściwościom tłumienia drgań faktycznie poprawia działanie urządzeń śledzących ruch. Gdy sportowcy używają ich podczas intensywnych treningów, współczynnik błędów znacząco spada – o około 30–35% w porównaniu z rozwiązaniami nieposiadającymi silikonu.

Innowacje w technologii cienkościennego formowania dla lekkich konstrukcji noszonych

Najnowsze ulepszenia w sposobie pracy z kauczukiem silikonowym ciekłym (LSR) umożliwiły tworzenie warstw o grubości zaledwie 0,2 mm, które nadal są odporne na rozerwanie – to świetna wiadomość dla produkcji noszonych urządzeń, które nie będą wydawać się masywne na ciele. Dzięki cieńszym ściankom opaski do smartwatchy mogą ważyć nawet o 44% mniej, bez utraty wytrzymałości – nadal wytrzymują naprężenie powyżej 8 MPa. Co szczególnie interesujące, to możliwości, jakie mają teraz producenci dzięki tym materiałom. Dodają drobne otwory na całej powierzchni, umożliwiając odprowadzanie potu podczas treningów, oraz tworzą specjalne kanały wewnątrz, gdzie czujniki tętna stykają się z skórą. Efekt? Urządzenia, które wyglądają elegancko i nowocześnie, ale również prawidłowo funkcjonują przez cały czas noszenia.

Strategie projektowania i produkcji wysokiej jakości elektronicznych produktów silikonowych

Uwagi projektowe dotyczące elementów silikonowych w elektronice wysokich wydajności

Dobra konstrukcja wyrobów z silikonu zaczyna się od zrozumienia, jak ciepło przemieszcza się przez materiały oraz jakie właściwości elektryczne są potrzebne. Gdy inżynierowie mocują silikon do sztywnych elementów, takich jak płytki obwodów drukowanych, muszą zwracać uwagę na różnice w rozszerzalności cieplnej tych materiałów. Właśnie niezgodność współczynników rozszerzalności cieplnej powoduje większość uszkodzeń komponentów elektronicznych zalanych silikonem, które następnie poddawane są cyklom nagrzewania i chłodzenia. W przypadku bardzo cienkich ścianek o grubości poniżej połowy milimetra, kluczowe jest przetestowanie różnych gatunków materiału przed rozpoczęciem produkcji. W przeciwnym razie istnieje duże ryzyko, że elementy rozdarą się przy wyjmowaniu z formy. Należy również pamiętać, że te cienkie konstrukcje muszą nadal spełniać surowe normy wodoszczelności IP67.

Porównanie technik wtryskiwania, prasowania i otulania silikonem

Najnowsze osiągnięcia w zakresie precyzyjnej obróbki silikonu umożliwiają formowaniu wtryskowemu osiąganie tolerancji <50 μm, które wcześniej były możliwe tylko przy overmoldingu.

Optymalizacja form i parametrów procesu dla złożonych geometrii silikonowych

Stosowanie wielo-gniazdowych form wyposażonych w chłodzenie konforemne może skrócić czasy cyklu od 18 do 22 procent podczas pracy z ciekłym kauczukiem silikonowym. Najnowsze wyniki badań z 2023 roku wskazują, że utrzymywanie prędkości wtrysku w zakresie od pół metra na sekundę do nieco ponad jednego metra na sekundę pomaga uniknąć irytujących problemów z przepływem w elementach kanałów mikroprzepływowych. Dla komponentów technologii noszonej wymagających twardości według skali Shore A w zakresie od 40 do 80, post curing staje się bardzo istotny. Większość producentów stwierdza, że nagrzewanie tych elementów w temperaturze od 150 do 200 stopni Celsjusza przez około cztery do sześciu godzin decyduje o uzyskaniu stabilnych właściwości twardości na całej powierzchni.

Wyważanie kosztów, skalowalności i precyzji w produkcji LSR

Przesłania dają około 0,8% dokładności wymiarowej dla tych czujników medycznych, ale bądźmy szczerzy co do ceny. Koszty narzędzi wzrosły o 60 do 75 procent w porównaniu z zwykłymi formami wtryskowymi. Mądre firmy zaczęły mieszać rzeczy. Zrobą formowanie kompresyjne dla warstw bazowych, a potem wyciągną duże pistolety z precyzyjnymi narzędziami do wtryskiwania, dokładnie tam, gdzie muszą być te kluczowe uszczelki. To ma sens. Takie podejście do pomiaru mieszanych części obniża koszty poszczególnych części o około 34% przy produkcji czujników do samochodów, przy jednoczesnym utrzymaniu niepowodzeń w testach przecieków poniżej 0,03%. Nieźle, biorąc pod uwagę, o czym tu mówimy.

Często zadawane pytania

Dlaczego silikon jest tak popularny w projektowaniu produktów elektronicznych?

Silikon jest popularny w projektowaniu wyrobów elektronicznych ze względu na swoją doskonałą odporność termiczną, izolację elektryczną, trwałość, elastyczność i podatność do formowania w porównaniu z tradycyjnymi materiałami takimi jak PVC czy gumy. Wytrzymuje ekstremalne temperatury i zapewnia ochronę przed czynnikami zewnętrznymi, co czyni go idealnym dla nowoczesnej elektroniki.

Jakie korzyści daje stosowanie silikonu w technologiach noszonych?

W technologiach noszonych silikon oferuje biokompatybilność, właściwości przyjazne dla skóry oraz elastyczność, zapewniając komfort podczas długotrwałego użytkowania. Absorbuje wibracje, zmniejszając współczynnik błędów w urządzeniach śledzących ruch, a także poprawia działanie mierników aktywności fizycznej i zestawów rzeczywistości wirtualnej.

Do czego najczęściej wykorzystuje się silikon w zastosowaniach elektronicznych?

Silikon stosuje się do hermetyzacji elementów sprzętowych, uszczelniania i pakowania w elektronice użytkowej oraz jako ciekły kauczuk silikonowy (LSR) w aplikacjach LED i oświetleniowych dzięki swojej odporności na ciepło i chemikalia, elastyczności oraz przejrzystości optycznej.

Jakie są kluczowe techniki wytwarzania komponentów silikonowych?

Kluczowymi technikami wytwarzania komponentów silikonowych są formowanie wtryskowe, formowanie prasowane oraz overmolding. Każda z tych technik charakteryzuje się innym czasem cyklu, precyzją i efektywnością kosztową, co czyni je odpowiednimi dla różnych zastosowań – od łączników produkowanych seryjnie po obudowy sensorów wykonywane jako prototypy.