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有機硅材料有效增強汽車電子產品安全性

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有機硅材料有效增強汽車電子產品安全性
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據估計,現今所有汽車應用創新中85%與電氣/電子相關。由于機電正逐漸快速的替代傳統機械和液壓功能,以及消費者對新附加價值的電子功能的要求,一些專家相信,每輛車電子技術價值含量不久可達到平均40%,而十年前人們還認為這不可能。不幸的是,由于電氣/電子故障引起的故障率也呈上升趨勢,促使OEM和一級供用商采用苛刻的可靠性標準,從而使得許多制造商努力尋求改變這一趨勢的新材料和新設計。

 

熱,很有可能就是造成這種種故障的幕后黑手,特別是在高濕度和其它不利環境條件也同時存在時,它經常導致元器件失效。當溫度大范圍波動時(汽車應用中最常見情況),接頭和元器件會經歷熱膨脹和收縮引起的疲勞,從而導致機械故障。金屬樹枝狀結晶可在電路板痕跡之間的緊湊空間中生長,最終導致短路和元器件失效。人們也發現半導體器件可靠性和壽命取決于連接點溫度,溫度降低10-15°C就可提高元件壽命兩倍。粘結劑/密封劑主要用于在電子模塊之中粘結組件,或用于封裝外殼來隔離灰塵、水或其它雜質。有機硅粘結劑主要優勢在于其有通過獨特的彈性和應力消除提高可靠性的潛力。當元件和電路板由于快速熱循環膨脹收縮時,彈性體有機硅粘結劑有助 于吸收熱膨脹,避免由剛性粘結劑傳遞至組件的應力。它們的獨特熱穩定性使得它們能在極端溫度和反復熱沖擊下保持彈性。規范制訂者經常會尋找固化后具有最高拉伸強度的粘結劑,但是這種材料通常堅硬,延展性較差,因而不會產生熱脹移動。熱循環期間或長期使用后,電路表面升高的應力能損壞元件或連接,從而導致設備故障。

 有機硅電子產品

(國家正在大力發展與電子產業配套的高性能有機硅系列材料)

 

在汽車電子應用中,使用具有良好緊密粘著性的材料會更好,該粘著性能在多種使用環境下長時期維持其性能不變。由于其固化后低模量,有機硅粘結劑能非常有效地消除熱應力和機械應力,從而明顯增強可靠性和使用壽命。某些應用或加工工藝具有獨特的高要求,需要使用獨特性質的粘結劑。例如,有些有機硅設計用于在低溫下固化,這對熱敏感性元件和底材特別有用。其它應用中,它適合于質量控制驗收,用以驗證材料在轉移至下一步生產步驟之前是否應用正確。這些案例中,有機硅粘結劑常和紫外線染料共同設計成允許感應器或照相控制系統核實是否獲得必須的覆蓋率。特殊中間體也能用于合成具有極端低揮發性的有機硅粘結劑,一些粘結劑的揮發物含量足夠低至可列為航空級別材料。

 

當存在散熱問題時,使用導熱填料可顯著增強有機硅粘結劑熱導率。熱導有機硅粘結劑設計用于幫助消除組件和電路的熱量,從而使得高溫條件下發動機艙內元器件的更高可靠性和更長壽命。全球有機硅網了解到,有機硅能利用兩種截然不同的粘結機理:機械和化學。機械粘結是物理粘結,依賴于表面粗糙度、潤濕和滲透。表面清潔性對機械粘結很重要,底材要求相對不含雜質、塑化劑和油。化學粘結通過催化粘結劑和底材之間的反應進行。

 

有機硅粘結劑提供特別多方面的加工性,具有很廣的固化條件。許多產品能在室溫下固化。加熱可加速一些產品固化。某些配方易于調節粘度,允許制造商在高速、高熱生產線和不可承受高溫的溫度敏感組件下使用同種粘結劑。某些應用中的另一個優點是特定流動性質,無論組裝件是否需要固位的高粘度膏劑或能填補空隙和不規則溝道的可流動的自流平粘結劑。

敷形涂料用于電路板和零件上的薄層,增加環境和機械保護,能明顯延長使用壽命。有機硅敷形涂料保護元件和電路免受濕氣和雜質的影響,幫助避免導體和焊接頭短路和腐蝕。同樣它們也保護敏感元件和電路免受溶劑和刮擦影響。全球有機硅網認為,一般來說,有機硅涂料提供極端廣泛的溫度波動范圍、良好的穩定性和耐濕性、多樣加工性、低毒性和易于修復性。和它們粘結劑競爭對手一樣,有機硅敷形涂料既是堅硬、耐刮擦的固體同時也是一種至軟的彈性材料,使得使用者能選擇最適合于特定應用的配方。

使用敷形涂料保護電路的關鍵因素之一是其獲得所有具有良好粘結力的表面完整覆蓋率的能力。有機硅非常低的表面張力和優異的潤濕特性幫助實現一個無空隙黏結,從而通過不允許任何濕氣冷凝的空間而獲得整體可靠性。有機硅透氣性意味著,任何涂層以下的濕氣可散逸,液態形式的濕氣可排出。發動機艙內電子元器件應用經常要求敷形涂料具有更強柔軟性,以避免腳距和極小元件上出現不必要的應力。硬質敷形涂料、底材及元件之間的熱膨脹系數(CTE)差異實際上能損壞細小引腳和接頭,特別是在反復溫度循環條件下。這使得涂層損壞了用做被保護的底材。彈性有機硅涂料幫助降低熱循環導致的電線損壞率和電路損壞,從而具有更高可靠性和更低質量問題。

 

傳統上通過噴涂、浸漬、注射或流涂應用,有機硅越來越多地用于選擇性涂布和自動涂布操作,從而使高速自動加工成為可能。一些配方設計用于室溫或加熱加速固化,另一些配方則專門為高速、高溫加工而開發。

用,抵抗極端溫度和極端操作環境中的污染。灌封劑是設計為完全植入電子元件和電路的保護材料。它們特別用于將電路與非常惡劣的使用環境隔離,并為高壓電路提供高壓絕緣,從而保護接頭免受熱和機械應力的影響。有機硅灌封劑通常都用于厚層。越來越多的有機硅灌封劑具有自粘著能力,當固化加熱至100°C以上時,它們能很好地與許多常用底材粘結。而其它材料則需要先噴底漆才能獲得完全粘結。在接近實際使用條件下的測試(或加速測試)對于預測任何應用中的長期性能是很關鍵的。就像多數有機硅產品一樣,灌封劑也能提供多種選擇。它們具有高抗剪強度,光學清澈性,阻燃性或極端低溫性能。特定材料提供熱導性或揮發性,而其它材料用于滿足UL規范。

有機硅灌封劑通常以無溶劑雙組分液體的形式提供,此液體的混合比率為1:1 (基于固化劑)。而有些配方則設計成10:1的比率。當以恰當的比例混合時,它們固化成有彈性的無應力彈性體。有些材料室在溫下就可以固化,而其它材料則需要加熱才可以固化。有機硅灌封劑的皺縮通常都最小,它們不釋放熱量(放熱曲線)或有害副產品。即使在完全密閉下,無論厚薄,它們均可固化。

 

性能對比:傳統材料化學 vs 有機硅

傳統材料化學

傳統電子設備材料用于改善汽車電子產品可靠性,包括廣泛的化 學材料和應用。材料通常為環氧樹脂、聚氨酯橡膠、聚異丁烯(PIB)、對二甲苯和丙烯酸,每一種材料具有其獨特優點和局限性。應用包括粘合劑、密封膠、敷形涂料、凝膠、灌封劑和導熱材料。

環氧樹脂材料通常都能與不同的底材粘結。它們能在室溫或加熱下固化。但如果長期用于高溫環境中,它們的性能就會受限。環氧樹脂通常堅硬,不透明,能提供良好的耐磨損性、耐潮濕性和耐化學性。和其它硬涂料一樣,環氧樹脂不能降低元件、電路和基材之間不同程度熱膨脹引起的應力。實際上,它們可導致極端溫度或熱循環之間的總應力。

聚氨酯橡膠也能粘結于不同的常用底材,能在固化材料中提供大范圍的柔軟性(低模量)。盡管能提供良好的耐磨損、耐化學、耐油特性,但它們通常也需要使用底漆才能獲得與金屬之間的良好粘結強度。聚氨酯橡膠配方通常展現出較低濕氣穿透性和良好的低溫柔軟性,具有降低應力的能力。大多數聚氨酯橡膠具有有限高溫性能,它們很難應付這些高溫環境,特別是高濕度環境,而且不易修復。

和聚氨酯橡膠類似,聚異丁烯配方能粘結于不同底材,固化時能提供較廣彈性范圍,同時也提供良好的低溫性能,但是對溶劑、油類、燃油和化學品的耐受性相對較差。

由于能提供非常均勻的涂層、良好的穿透特性和優異的針腳覆蓋,對二甲苯被用于敷形涂料合成。但它的缺點,包括相對高成本、對污染物敏感、震動時容易開裂和需要在真空中應用本材料,也限制了它的使用。

丙烯酸材料與不同底材具有良好粘結性,能在室溫下固化或在加熱下加速固化。它們具有出色的低濕氣吸收性,良好的操作性和快速干燥,但是它們在熱和水解穩定性方面具有明顯缺陷。一般溶劑型配方能固化成硬的耐磨固體,丙烯酸通常被視為低成本選擇,但是基于不斷變化的規范要求和對溶劑使用的安全考慮,它的競爭力正在下降。由于其堅硬性,丙烯酸缺乏降低熱沖擊中膨脹和收縮引起的應力的能力。

有機硅

 

在電子工業中,有機硅經常用作為不同聚合材料的總稱,大多數商用有機硅配方都基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)分子式。電子元件制造商以粘結劑、密封劑、灌封膠、凝膠、敷形涂料、熱管理材料,甚至元件封裝材料和半導體涂料形式提供有機硅配方。另外,硅是有機硅的基本材料。純硅是半導體金屬,是大部分主動性半導體元件的主要材料。

有機硅化學提供一系列不同的保護材料,包括堅韌、耐摩擦彈塑性涂料和軟質、消除應力彈性體產品。電路板制造商可在一系列的室溫固化(RTV)材料(室溫固化材料能在中溫下加速固化)中進行選擇,也可指定適合于高速加工的無溶劑熱固化配方。有機硅的性能使得汽車電子產品元件具有更高的可靠性和更長的壽命。這些性能包括: 熱穩定性、彈性、耐濕性、對常用底材粘附性、低離子雜質以及與加工技術的相容性。

30年前有機硅材料第一次用于電子應用時,其最有用的性質之一是在廣泛溫度和頻率范圍下穩定的介電性能。有機硅聚合物分子間作用力隨時間變化非常小(甚至在很廣的溫度波動下也一樣),因而物理性能和電氣性能非常穩定。

另一個改善元件可靠性的重要因素是耐濕性。有機硅憎水性意味著它們不容易吸收水分子。同時,高氣體滲透性使得濕氣快速散逸,從而消除潛在腐蝕源。此外,PDMS非常低的表面張力和優異的潤濕特性,以及通過先進的粘性增強劑得到的粘結特性,幫助實現無空隙粘結,從而進一步提高整體可靠性。

由于彈性材料能幫助減小振動影響并能吸收可能破壞敏感組件和底材的熱膨脹差異,因而低模量對于使電子組件應力最小化也很重要。在汽車電子典型操作溫度范圍中,當前有機硅配方不顯示出玻璃溫度(Tg),因此模量在這個周期中保持相當恒定。這一表現明顯不同于用于電子的彈性環氧樹脂。彈性環氧樹脂的模量在汽車應用經常遇到的極端高低溫之間增加三個以上的數量級。

 

固化有機硅呈化學惰性,極端穩定。許多產品在溫度在250°C 范圍(-50℃~+200℃)內變動時進行操作,也能保持其物理性質。這使得有機硅成為能承受惡劣環境(汽車電子元件必須工作的惡劣環境)的化學材料之一。

絕緣凝膠是特殊等級的灌封劑,能固化成具有良好緩沖、彈性和自我修復性質的極軟材料。膠體提供緩解熱應力和機械應力的最佳方法,同時保持彈性體體積穩定。它們特別地用于厚層,用以完全密封更密架構,特別是高密度引線。特別材料用于提高性能,諸如高光學穿透性,耐溶劑性和耐油性,低揮發性或阻燃性。凝膠材料的主要特性是其本身固化后具有粘性表面,這使其能在無需底漆的情況下保持對多數底材的物理粘性。這一粘性使得有機硅在固化膠受損或被切割時能自我修復從而有效的重新密封組裝件。這一自我修復能力也允許在無需犧牲材料保護的情況下直接通過膠體使用探針來進行電路測試。很多其它材料不可能具有同樣的允許返工或修理的屬性。和其它有機硅材料一樣,凝膠也具有良好潤濕特性,能與底材和元件緊密接觸,使得聚集濕氣的微觀空隙降低到最小。固化膠體 容易排除液態水,允許周圍環境的濕氣穿透。由于沒有機會在空隙或遮蓋的表面中積聚,空氣中濕氣不具有任何負面影響。

有機硅膠體是無溶劑配方,通常以雙組分低粘度液體的方式提供,其混合比率為1:1。但也可以以單組分材料的方式提供,這樣就消除了計量和混合的需要。雙組分材料能在室溫或溫和加溫下固化,而單組分材料需要加熱固化,但是不產生熱量或副產品危害。有些膠體專為用于高速加工的極快速紫外線光固化而設計。和許多有機硅材料一樣,某種阻止固化的雜質可影響凝膠固化。使用常用底材清潔劑,諸如VMS(揮發性甲基硅氧烷)、異丙醇、甲苯或丙酮能得到最佳結果。(來源:全球有機硅網)(更多有機硅價格請登錄:全球有機硅網http://www.soyjg.com )(有機硅論壇:http://bbs.soyjg.com)

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