Гибкая и растяжимая электроника, созданная на основе передовых силиконовых материалов

Роль жидкого силиконового каучука (LSR) в производстве гибких печатных плат

Жидкий силиконовый каучук, или LSR, теперь широко используется в гибких цепях, поскольку он отлично растягивается (восстанавливаемая деформация около 500%) и сохраняет стабильность даже при колебаниях температуры от минус 50 градусов Цельсия до 200 градусов. Особенность этого материала заключается в его текучести, что позволяет производителям формовать из него крошечные формы цепей, необходимые для таких элементов, как соединители в складных дисплеях и гибкие детали современных смартфонов. В прошлом году в журнале Advanced Materials Engineering была опубликована интересная статья. В ней показано, что электрическое сопротивление таких цепей на основе LSR изменяется менее чем на 5% после более чем 100 тысяч циклов изгиба. Такая производительность означает, что они могут служить намного дольше без выхода из строя по сравнению с другими доступными в настоящее время материалами.

Достижения в области эластичных проводящих дорожек, встроенных в силикон

Новые гибридные проводящие материалы, такие как силиконы, легированные серебряным порошком, теперь могут достигать проводимости около 3500 С/см и растягиваться до трёх раз по сравнению с исходной длиной перед разрушением. Именно эти специальные проводящие пути делают возможными липкие кожные датчики, отслеживающие движения мышц во время физических упражнений, сохраняя при этом стабильный сигнал даже при интенсивных движениях. Современные методы лазерного нанесения позволяют исследователям создавать проводящие линии шириной всего 15 микрометров внутри силиконовой основы. Это весьма впечатляет, учитывая, что размеры элементов сократились примерно на 60 процентов по сравнению с тем, что было возможно в 2021 году. Такие миниатюрные элементы открывают путь к значительно более высокому разрешению при интеграции этих датчиков на поверхностях.

Пример из практики: силиконовые датчики, подобные коже, для мониторинга состояния здоровья

Недавнее исследование, в котором участвовали 200 человек с хроническими проблемами дыхания, выявило интересный факт о сверхтонких силиконовых датчиках толщиной всего 0,8 мм. Оказалось, что они отлично подходят для ежедневного непрерывного мониторинга дыхания и обеспечивают впечатляющую точность 98,3%. Это намного выше, чем у традиционных жестких электродов, точность которых составляет около 75%. Согласно крупному отчету прошлого года о технологиях носимых медицинских устройств, высокая эффективность новых датчиков объясняется их способностью пропускать газы сквозь материал. Эта особенность предотвращает раздражение кожи даже при ношении устройства в течение семи дней подряд. Понятно, почему врачи проявляют большой интерес к этой технологии для пациентов, которым требуется постоянный контроль, но которые не всегда могут посещать клиники.

Тенденция к самовосстанавливающимся силиконовым композитам в носимой электронике

Силиконы, которые могут восстанавливаться сами благодаря динамическим дисульфидным связям, — это действительно удивительный материал. Они способны самостоятельно заживлять разрезы толщиной 2 мм примерно за 40 минут при нормальной комнатной температуре, что делает их чрезвычайно полезными для таких изделий, как ремешки для умных часов и компоненты гарнитур дополненной и виртуальной реальности. И цифры говорят сами за себя. Компании, выпускающие продукцию с этим самовосстанавливающимся материалом, сталкиваются примерно вдвое реже с гарантийными случаями по сравнению с тем, что было до перехода с обычного силикона. Это огромная разница с точки зрения срока службы продукции и долгосрочных издержек бизнеса, особенно учитывая, насколько часто люди сегодня используют гаджеты.

Проблемы сохранения электрической целостности при механических деформациях

Даже самые эластичные силиконовые материалы теряют более 20% проводимости, когда растягиваются сверх 250% удлинения, несмотря на все передовые формулы, разработанные на сегодняшний день. В прошлом году в журнале Nature Electronics были опубликованы интересные данные, указывающие на то, что проблемы с проводимостью в основном возникают из-за образования микротрещин в проводящих частицах внутри материала. Однако появляются довольно интересные новые подходы, использующие фрактальные структуры, характерные для природы, чтобы создавать токопроводящие дорожки, которые лучше распределяют напряжение по поверхности материала. Такие конструкции могут снизить концентрацию напряжений примерно на 70%. Основная проблема заключается в том, что массовое производство становится чрезвычайно сложным из-за высокой сложности этих узоров. Многие компании в настоящее время сталкиваются с этой задачей, пытаясь перейти от лабораторных образцов к реальным производственным сериям.

Прорывы в области теплового управления с использованием функциональных силиконовых материалов

Силиконовая смазка с высокой теплопроводностью (3 Вт/м·К) для силовой электроники

Современная силовая электроника работает с чрезвычайно высокими уровнями тепловыделения, которые могут превышать 300 ватт на квадратный сантиметр, что означает необходимость использования действительно эффективных термоинтерфейсных материалов для отвода тепла. Новейшие силиконовые смазки на рынке достигают показателей теплопроводности около или выше 3 Вт/(м·К) благодаря улучшенным составам с наполнителями из нитрида бора и оксида алюминия. Эти новые материалы передают тепло примерно в четыре раза лучше, чем старые соединения на основе оксида цинка. Лаборатории ведущих исследователей протестировали эти смазки и выявили снижение температуры «горячих точек» на 18–22 °C в модулях IGBT. Такое улучшение фактически увеличивает срок службы компонентов при силовом циклировании примерно на тридцать процентов.

Силиконовые заполняющие герметики в системах отвода тепла базовых станций 5G

Миллиметровые волновые массивы, используемые в технологиях 5G, создают довольно интенсивные очаги нагрева, иногда достигая около 150 ватт на квадратный сантиметр. Это означает, что нам нужны специальные заполняющие прокладки, способные адаптироваться к мельчайшим неровностям поверхности, отстоящим друг от друга менее чем на 50 микрометров. Композиты из фазовых силиконовых материалов работают очень эффективно, поскольку обеспечивают надежный контакт под давлением выше 15 фунтов на квадратный дюйм даже при резких колебаниях температуры в диапазоне от минус 40 градусов Цельсия до плюс 125 градусов. Они успешно решают проблемы выравнивания, типичные для крупных MIMO-антенных систем. Анализ реальных испытаний в городских условиях также показывает интересные результаты: тепловое сопротивление от перехода компонентов к окружающему воздуху снижается примерно на четверть при использовании этих материалов по сравнению с обычными графитовыми листами. Это существенно влияет на срок службы систем до необходимости технического обслуживания или замены деталей.

Анализ споров: силиконовые и графеновые теплопроводящие материалы

Материалы TIM с графеновым усилением теоретически обеспечивают теплопроводность до 1500 Вт/мК, однако на практике их применение осложняется межфазным контактным сопротивлением и проблемами окисления при эксплуатации в условиях влажности выше 80%. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials в прошлом году, показало, что композитные материалы на основе силикона сохраняли около 92% своей первоначальной тепловой эффективности даже после прохождения 5000 циклов испытаний на влажность и замораживание. Это весьма впечатляет по сравнению с графеновыми аналогами, которые сохраняли лишь около 67% эффективности в аналогичных условиях. Учитывая естественные диэлектрические свойства этих материалов (с показателем КРН более 600 вольт), становится понятно, почему многие инженеры отдают предпочтение силикону в критически важных электронных системах, несмотря на то, что он уступает по показателям теплопроводности на бумаге.

Оптический силикон в технологиях дисплеев и освещения следующего поколения

Силикон с высокой светопропускной способностью для упаковки мини-светодиодов

Силиконы, предназначенные для оптической прозрачности и обеспечивающие около 92% передачи видимого света, сегодня стали необходимым компонентом в упаковке мини-светодиодов. Они позволяют производителям создавать дисплеи, которые не только тоньше, но и обеспечивают значительно лучшую яркость по всей поверхности экрана. Эти материалы отличаются тем, что снижают рассеяние света, не теряя при этом прочности конструкции при повышении температуры в процессе работы. Согласно последним исследованиям из отчёта «Исследование упаковки мини-светодиодов 2023 года», версии, устойчивые к УФ-излучению, также демонстрируют минимальную деградацию цвета — менее 2% пожелтения даже после 1000 часов ускоренных испытаний на старение. Такие характеристики делают их идеальным выбором для применений, где часто происходит воздействие солнечного света, например, в автомобильных развлекательных системах или в тех модных складных телефонах, которые пользователи всё время складывают и раскладывают.

Регулируемый показатель преломления в оптическом силиконе повышает эффективность дисплеев

Силиконы, разработанные с регулируемым показателем преломления в диапазоне от 1,41 до 1,53, помогают уменьшить надоедливые отражения Френеля, возникающие на границах соединения материалов. Результат? Производители отмечают примерно на 18% более высокую эффективность извлечения света из массивов микроСИД по сравнению с обычными герметиками, имеющимися сегодня на рынке. Когда показатель преломления этих полупроводниковых слоёв хорошо согласуется с используемым оптическим силиконом, компании получают повышенный выход света, сохраняя при этом тепловую стабильность и достаточную физическую гибкость изделий для применения в реальных условиях.

Парадокс отрасли: баланс между прозрачностью и долговечностью в прозрачных силиконах

Хотя силиконы лабораторного качества могут достигать коэффициента пропускания света на уровне 94 %, коммерческие версии зачастую жертвуют прозрачностью в пользу долговечности — наполнители, устойчивые к царапинам, обычно снижают прозрачность на 6–8 %. Новые наномасштабные методы обработки поверхности позволяют сохранять более 90 % пропускания света, одновременно утраивая стойкость к истиранию, что является важным достижением для линз AR/VR и цифровых вывесок на открытом воздухе, подвергающихся воздействию окружающей среды.

Умная интеграция и совместимость с IoT в силиконовых аксессуарах для электроники

Гибкость силикона позволяет интегрировать всевозможные рабочие элементы непосредственно в гибкие конструкции. Датчики температуры, встроенные в эти материалы, сохраняют свою точность в пределах половины градуса Цельсия, даже если их изгибали пятьдесят раз. Тем временем первые версии фитнес-трекеров с обнаружением движения достигли почти идеального уровня распознавания — 98 %. Такая производительность хорошо сохраняется, даже когда устройства постоянно находятся в движении. Для практических применений это означает следующее: теперь мы можем собирать данные высокого качества от растягиваемых IoT-датчиков, не беспокоясь об их механическом выходе из строя в обычных условиях эксплуатации.

Совместимость с беспроводной зарядкой улучшена за счёт использования силиконовой герметизации; последние прототипы достигают эффективности 84 % при толщине корпуса 3 мм. Во время сеансов быстрой зарядки мощностью 15 Вт температура остаётся ниже 40 °C, согласно данным Консорциума беспроводного питания 2023 года. Такая тепловая стабильность делает силикон идеальным материалом для ремешков смарт-часов и медицинских носимых устройств, требующих частой стерилизации.

Рынок явно движется вперед: умные силиконовые устройства носятого типа демонстрируют рост около 25% в год, поскольку интерес людей к своему здоровью возрастает. Согласно последним данным компании MarketsandMarkets за 2024 год, почти две трети всех пользователей хотят, чтобы их фитнес-гаджеты постоянно отслеживали жизненно важные показатели. Ведущие компании в этой области начали выпускать устройства, оснащённые биосовместимыми датчиками SpO2 и мониторами кожной проводимости. Эти продукты изготавливаются из медицинского силикона, соответствующего требованиям ISO 10993-5, специально разработанного для длительного ношения на коже без раздражения или дискомфорта. Такое сочетание передовых технологий и безопасных для кожи материалов делает эти носимые устройства эффективными и комфортными для ежедневного использования.

Эволюция индивидуальной настройки и производства аксессуаров из силикона для электроники

3D-печать индивидуальных силиконовых аксессуаров для электроники

Мир силиконовой электроники претерпел значительные изменения благодаря методам аддитивного производства, позволяющим создавать детали, повторяющие форму тела, с точностью до половины миллиметра. С помощью двойной 3D-печати компании теперь могут совмещать жесткие участки схем с мягкими тактильными поверхностями, которые пациенты действительно хотят носить в непосредственной близости к коже. Это особенно полезно при создании носимых устройств, работающих внутри аппаратов МРТ без возникновения помех. По словам специалистов отрасли, время разработки прототипов сократилось примерно на 87 процентов после перехода с традиционных методов литья под давлением, что подтверждается в прошлогоднем отчёте «Custom Silicone Applications Report». Кроме того, эти новые продукты по-прежнему соответствуют важному стандарту водонепроницаемости IP67, необходимому в больницах, где условия эксплуатации иногда бывают довольно влажными.

Тенденции массовой персонализации в потребительской электронике с использованием литья под давлением из жидкого силикона

Недавние улучшения в технологии литья под давлением жидкого кремнийорганического каучука (LSR) позволяют производить высокодифференцированную продукцию благодаря формам с управлением на основе искусственного интеллекта и корректировке в реальном времени степени текучести силикона в процессе обработки. Возьмём, к примеру, один из крупных брендов умных часов: они могут выпускать около 150 различных цветов с разной степенью твёрдости — от мягкой до средней жёсткости (примерно от 50 до 80 по шкале Шора А) — всё в одной партии. Потребители сегодня хотят, чтобы их устройства выглядели уникально, поэтому такая персонализация полностью соответствует запросам рынка. При этом производителям удаётся сохранять важные стандарты пожарной безопасности UL94-V0 для носимых устройств. По данным отраслевых отчётов, этот метод позволяет сократить объём отходов материалов примерно на треть. Тем не менее, производство сложных деталей за цикл менее чем за 60 секунд остаётся серьёзной проблемой для производителей, несмотря на все эти достижения.

Часто задаваемые вопросы

Почему жидкий кремнийорганический каучук (LSR) идеально подходит для гибких печатных плат?

LSR идеально подходит для гибких схем благодаря своей отличной растяжимости (около 500% восстановления нагрузки) и тепловой стабильности, поддерживая производительность при температурах от -50 °C до 200 °C.

Какие преимущества могут иметь на основе силиконовых сенсоров, похожих на кожу, для мониторинга здоровья?

Силиконовые сенсоры, похожие на кожу, предлагают такие преимущества, как высокая точность (98,3% по сравнению с 75% для жестких электродов), проницаемость и уменьшение раздражения кожи, что делает их подходящими для долгосрочного мониторинга.

Почему тепловое управление важно в силиконовой электронике?

Тепловое управление имеет решающее значение, поскольку силиконовая электроника часто сталкивается с высоким уровнем тепла; эффективные материалы для теплового управления, такие как передовые силиконовые жиры, могут повысить долговечность и производительность устройства.

Как силикон способствует совместимости IoT в электронике?

Гибкость силиконовых устройств позволяет бесшовную интеграцию таких компонентов, как датчики температуры и движения, что позволяет надежно собирать данные в устройствах Интернета вещей без риска механических сбоев.

Как 3D-печать повлияла на производство силиконовой электроники?

3D-печать произвела революцию в производстве силиконовой электроники, позволив настроить части в форме тела с высокой точностью и сократив время разработки прототипа примерно на 87%.