Почему силикон меняет проектирование электронных устройств

Растущее внедрение силиконового каучука в электронике и электрических системах

Силикон действительно набирает популярность в современном электронном мире, и, согласно недавним исследованиям Ponemon (2023), примерно 7 из 10 производителей уже начали использовать его в своих продуктах для решения проблем с теплоотводом. Что сделало этот материал таким популярным? Когда компании увидели, насколько хорошо силикон выдерживает экстремальные температуры — от -55 градусов Цельсия до 300 градусов — не теряя своей формы и свойств, они больше не могли игнорировать его потенциал. Эти характеристики особенно ценны для таких устройств, как умные часы, компоненты электромобилей и миниатюрные датчики, которые повсеместно встречаются в наши дни. По сравнению с обычными пластиками или резиновыми материалами, силикон намного лучше противостоит повреждениям от солнечного света, воздействию озона и проникновению воды. Именно поэтому инженеры предпочитают использовать его для создания уплотнений вокруг чувствительных цепей и защиты восприимчивых микросхем, когда требуется надёжная работа даже в тяжёлых условиях.

Ключевые факторы, стоящие за переходом на компоненты на основе силикона

Три фактора способствуют доминированию силикона:

Эти свойства в сочетании с соответствием стандартам RoHS и REACH отвечают двойным требованиям долговечности и устойчивости. Например, медицинские носимые устройства используют биосовместимость силикона, чтобы обеспечивать контакт с кожей в течение 30 и более дней без раздражения

Тенденции рынка, показывающие рост индивидуальной настройки и гибкости дизайна силиконовых компонентов

Согласно данным MarketsandMarkets за 2024 год, мировой рынок силиконов для электроники, как ожидается, будет расти со среднегодовыми темпами прироста около 7,8% вплоть до 2030 года. Этот рост обусловлен в значительной степени растущим спросом на специализированные составы, соответствующие конкретным областям применения. Современные производители больше не продают только стандартные продукты. Они начали выпускать электропроводящие силиконы для экранирования ЭМП в новых устройствах 5G, оптически прозрачные версии для уплотнителей гарнитур дополненной и виртуальной реальности, а также разрабатывают самозатухающие материалы, отвечающие строгим требованиям стандарта UL 94 V-0, необходимым для корпусов аккумуляторов электромобилей. Согласно последним отраслевым отчетам, в частности Исследованию тенденций развития материалов для электроники 2024 года, наблюдается интересная тенденция: число производителей оригинального оборудования, запрашивающих индивидуальные значения твердости по Шору и компоненты, точно соответствующие фирменным цветам их бренда, увеличилось более чем на 40%. Стремление к персонализации, похоже, станет устойчивой тенденцией во всей отрасли.

Свойства основного материала, делающие силикон идеальным для электроники

Термостойкость и устойчивость к внешним воздействиям силиконов в электронике

Силикон сохраняет надежную работоспособность в экстремальных температурных условиях (-50 °C до 350 °C), превосходя пластики и резины в таких применениях, как автомобильные датчики и промышленные корпуса. Его огнестойкость и способность выдерживать длительное воздействие УФ-излучения, озона и влажности делают его незаменимым для наружной и высокотемпературной электроники.

Электроизоляционные свойства и диэлектрическая прочность силиконовых материалов

Обладая диэлектрической прочностью более 20 кВ/мм, силикон действует как надежный электроизолятор, предотвращая пробои и короткие замыкания в системах распределения энергии и бытовых устройствах. Это свойство в сочетании с устойчивостью к коронному разряду обеспечивает безопасность в высоковольтных приложениях, таких как корпуса аккумуляторов EV и промышленные разъёмы.

Прочность, гибкость и химическая стойкость силиконовой резины

Эластичность silicone — до 600% удлинения — и устойчивость к маслам, кислотам и растворителям обеспечивают многократное герметизирование в динамических условиях.

Эти преимущества снижают затраты на техническое обслуживание оборудования для химической переработки и носимых медицинских устройств.

Формуемость и гибкость проектирования силikonовых эластомеров

Жидкий силиконовый каучук (LSR) заполняет полости микронного масштаба, обеспечивая точное формование элементов толщиной всего 0,2 мм для тактильных интерфейсов и микрогерметизации. Эта свобода проектирования позволяет создавать компактные и легкие электронные изделия без ущерба для долговечности.

Практическое применение: использование silicone в инкапсуляции, герметизации и освещении

Инкапсуляция деталей/компонентов с помощью silicone в жестких условиях эксплуатации

Термостойкость силикона в диапазоне от минус 60 градусов Цельсия до 230 градусов Цельсия, а также его устойчивость к химическим веществам делают его особенно важным для защиты таких компонентов, как промышленные датчики, блоки управления в автомобилях и электронные компоненты, используемые в самолётах. При использовании силиконового герметизирующего покрытия создаётся гибкий защитный слой, который предотвращает проникновение влаги, устойчив к топливу и гасит вибрации. Компоненты, защищённые таким способом, служат примерно на 40 процентов дольше в жёстких условиях по сравнению с обычными жёсткими пластиками. Возьмём, к примеру, морские нефтегазовые платформы. Солёная вода со временем может нанести серьёзный ущерб, однако силикон лучше, чем большинство современных альтернатив, противостоит коррозии. Именно поэтому многие инженеры выбирают силиконовые материалы для применения в таких сложных условиях, где особенно важна надёжность.

Уплотнение и прокладки из силикона в потребительской электронике

Силиконовые герметики стали практически стандартными для смартфонов, носимых устройств и бытовой техники, поскольку они хорошо прилипают и при этом остаются достаточно гибкими, чтобы компенсировать движение. Некоторые недавние испытания показали, что силиконовые прокладки могут сохранять герметичность даже после прохождения тысяч циклов изменения температуры в диапазоне от минус 40 градусов Цельсия до 150 градусов Цельсия. Основное преимущество заключается в том, что срок службы устройств увеличивается, поскольку количество проблем, вызванных попаданием влаги, сокращается примерно вдвое. Производителям также нравятся прозрачные версии, доступные в настоящее время, которые идеально подходят для стеклянных или поликарбонатных корпусов, не снижая их устойчивости к повреждению под действием солнечного света с течением времени.

Использование жидкой силиконовой резины (LSR) в светодиодных и осветительных приложениях

Высокая оптическая прозрачность и термостойкость жидкого силиконового каучука (LSR) до примерно 200 градусов Цельсия делают его чрезвычайно популярным для таких изделий, как светодиодные уличные фонари и автомобильные фары. При использовании методов герметизации LSR производители отмечают весьма впечатляющие результаты: большинство из них сообщают о сохранении около 92 % эффективности светопропускания даже после непрерывной работы компонентов в течение приблизительно 10 000 часов. Ещё одним важным преимуществом является высокая формоустойчивость LSR, что позволяет изготавливать сложные формы, включая микролинзовые массивы, которые фактически увеличивают равномерность распределения света примерно на 35 % в компактных светильниках. Кроме того, при постоянном воздействии ультрафиолетовых лучей не наблюдается пожелтения материала — проблема, с которой обычные материалы справиться не могут.

Силикон в интеллектуальных и носимых технологиях: комфорт встречает производительность

Сочетание гибкости, биосовместимости и долговечности сделало силикон незаменимым в современных интеллектуальных и носимых технологиях. По мере того как устройства совершенствуются, чтобы органично вписываться в образ жизни пользователей, свойства силикона позволяют создавать конструкции, в которых сочетаются высокая производительность и эргономичность.

Умные устройства, использующие биосовместимость и гибкость силикона

Носимые устройства для здоровья в значительной степени зависят от силикона медицинского класса, поскольку он не раздражает кожу и хорошо взаимодействует с организмом. Исследования 2024 года показали, что устройства, изготовленные из силикона, вызывают примерно на 60% меньше покраснений по сравнению с изделиями из альтернативных пластиков. Для людей, которым необходимо весь день носить такие вещи, как мониторы уровня сахара в крови или патчи для измерения частоты сердечных сокращений, это имеет большое значение, так как они могут оставаться на коже часами, не вызывая проблем. Кроме того, гибкость и подвижность силикона делают его идеальным материалом для фитнес-трекеров, которые подвергаются тряске во время тренировок, а также для компонентов внутри VR-шлемов, где важны комфорт и ограниченное пространство.

Датчики и носимые устройства с использованием формованного силикона для комфорта и долговечности

Силиконовый корпус, изготовленный с помощью точного формования, надежно защищает чувствительные биометрические датчики от пота, скопления пыли и механических повреждений. Согласно различным клиническим испытаниям, люди, носящие медицинские устройства с такими мягкими силиконовыми краями, ощущают значительно больший комфорт по сравнению с использованием жестких аналогов. Некоторые исследования показывают, что показатели комфорта в отдельных случаях повышаются на 70–75%. А есть и еще одно преимущество. Благодаря тому, что силикон поглощает вибрации, устройства для отслеживания движений работают эффективнее. Когда спортсмены используют их во время интенсивных тренировок, уровень ошибок значительно снижается — примерно на 30–35% по сравнению с вариантами без силикона.

Инновации в тонкостенного формования для легких конструкций носимых устройств

Недавние улучшения в работе с жидкой кремнийорганической резиной (LSR) позволили создавать слои толщиной всего 0,2 мм, которые при этом остаются устойчивыми к разрыву — это отличная новость для производства носимых устройств, которые не ощущаются громоздкими на теле. Благодаря более тонким стенкам ремешки для умных часов могут быть на 44 % легче, не теряя прочности — они по-прежнему выдерживают нагрузку свыше 8 МПа. Однако самое интересное — это то, что производители могут делать с этими материалами сейчас. Они добавляют крошечные отверстия по всей поверхности, чтобы пот мог испаряться во время тренировок, и создают специальные каналы внутри, где датчики измерения пульса плотно прилегают к коже. Результат? Устройства, которые выглядят стильно и современно, но при этом корректно работают в течение всего дня ношения.

Стратегии проектирования и производства высококачественных кремнийорганических электронных продуктов

Учет особенностей проектирования кремнийорганических деталей в высокопроизводительной электронике

Хороший дизайн силиконовых изделий начинается с понимания того, как тепло передается через материалы, и какими должны быть электрические свойства. Когда инженеры крепят силикон к жестким материалам, таким как печатные платы, они должны учитывать различия в коэффициентах теплового расширения. Именно несоответствие показателей расширения при нагреве вызывает большинство отказов электронных компонентов, залитых силиконом, особенно при многократных циклах нагрева и охлаждения. Для очень тонких стенок толщиной менее полумиллиметра крайне важно протестировать различные марки материала до начала производства. В противном случае существует реальный риск повреждения деталей при их извлечении из формы. И не стоит забывать, что даже такие тонкие конструкции должны соответствовать строгим стандартам водонепроницаемости IP67.

Сравнение методов литья под давлением, прессования и двухкомпонентного формования для силикона

Последние достижения в области высокоточной обработки силикона позволяют литью под давлением достигать допусков менее 50 мкм, которые ранее были присущи только совместному литью.

Оптимизация оснастки и параметров процесса для сложных силиконовых геометрий

Использование многополостных форм, оснащённых конформным охлаждением, может сократить время цикла на 18–22 процента при работе с жидкой силиконовой резиной. Согласно недавним данным исследования 2023 года, поддержание скорости впрыска в диапазоне от половины метра в секунду до чуть более одного метра в секунду помогает избежать неприятных проблем с потоком в деталях с микротечениями. Для компонентов носимых технологий, требующих показателей твёрдости по Шору A в диапазоне от 40 до 80, пост-вулканизация становится особенно важной. Большинство производителей отмечают, что нагрев этих изделий от 150 до 200 градусов Цельсия в течение примерно четырёх–шести часов играет решающую роль в обеспечении стабильных характеристик твёрдости по всей поверхности.

Сбалансированность стоимости, масштабируемости и точности в производстве LSR

Литье под прессформой обеспечивает точность размеров около 0,8% для датчиков медицинского класса, но давайте честно посмотрим на цену. Стоимость оснастки возрастает на 60–75% по сравнению с обычными литьевыми формами. Умные компании начали комбинировать процессы: они используют прессование для базовых слоёв, а затем применяют высокоточные инструменты для литья под давлением только там, где требуются критически важные уплотнения. Всё логично. Такой гибридный подход снижает стоимость отдельных деталей примерно на 34% при производстве датчиков для автомобилей, при этом количество отказов на испытаниях на герметичность остаётся ниже 0,03%. Неплохо, учитывая, о чём мы говорим.

Часто задаваемые вопросы

Что делает силикон столь популярным в проектировании электронных изделий?

Силикон пользуется популярностью в проектировании электронных изделий благодаря превосходной термостойкости, электрической изоляции, долговечности, гибкости и формовываемости по сравнению с традиционными материалами, такими как ПВХ и резина. Он выдерживает экстремальные температуры и обеспечивает защиту от воздействия окружающей среды, что делает его идеальным для современной электроники.

Какие преимущества дает использование силикона в носимых технологиях?

В носимых технологиях силикон обеспечивает биосовместимость, безопасность для кожи и гибкость, гарантируя комфорт при длительном использовании. Он поглощает вибрации, снижая количество ошибок в устройствах отслеживания движений, а также улучшает работу фитнес-трекеров и VR-гарнитур.

Каково основное применение силикона в электронных устройствах?

Силикон используется для герметизации компонентов, уплотнения и прокладок в бытовой электронике, а также в виде жидкой кремнийорганической резины (ЖКР) в светодиодных и осветительных приложениях благодаря своей устойчивости к нагреву и химическим веществам, гибкости и оптической прозрачности.

Каковы ключевые методы производства силиконовых компонентов?

Ключевыми методами производства силиконовых компонентов являются литье под давлением, прессование и двухкомпонентное литье. Каждый метод обеспечивает различные времена цикла, точность и экономическую эффективность, что подходит для различных применений — от высокотехнологичных разъёмов до корпусов прототипов датчиков.