汽车电子元件的重要材料-二甲基硅油的应用
来源:【VZ】 作者:强力化工 发布时间:2022-04-07 09:18 阅读次数:1893

    据估计,现今所有汽车应用创新中85%与电气或电子相关。由于机电正逐渐快速的替代传统机械和液压功能,以及消费者对新附加价值的电子功能的要求,一些专家相信,每辆车电子技术价值含量不久可达到平均40%,而十年前人们还认为这不可能。不幸的是,由于电气/电子故障引起的故障率也呈上升趋势,促使oem和1级供用商采用苛刻的可靠性标准,从而使得许多制造商努力寻求改变这一趋势的新材料和新设计。

热(特别是高湿度和其它不利环境条件也同时存在时)经常导致元器件失效。当温度大范围波动时(汽车应用中最常见情况), 接头和元器件会经历热膨胀和收缩引起的疲劳,从而导致机械故障。金属树枝状结晶可在电路板痕迹之间的紧凑空间中生长,最终导致短路和元器件失效。人们也发现半导体器件可靠性和寿命取决于连接点温度,温度降低10-15°c就可提高元件寿命两倍。  

传统化学材料的局限性


     传统电子设备材料用于改善汽车电子产品可靠性,包括广泛的化学材料和应用。材料通常为环氧树脂、 聚氨酯橡胶、 聚异丁烯(pib)、对二甲苯和丙烯酸,每一种材料具有其独特优点和局限性。应用包括粘合剂、密封胶、 敷形涂料、 凝胶、灌封剂和导热材料。它们通常都能与不同的底材粘结。它们能在室温或加热下固化。但如果长期用于高温环境中,它们的性能就会受限。但有大多数它们很难应付这些高温环境,特别是高湿度环境,且不易修复,缺乏降低热冲击中膨胀和收缩引起的应力的能力,有些材料相对高成本、对污染物敏感,也限制了它的使用。

有机硅新材料—聚二甲基硅氧烷


     在电子工业中,有机硅经常用作不同聚合材料的总称,大多数商用有机硅配方都基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)分子式。电子元件制造商以粘结剂、密封剂、灌封胶、凝胶、敷形涂料、热管理材料,甚至元件封装材料和半导体涂料形式提供有机硅配方。另外,硅是有机硅的基本材料。纯硅是半导体金属,是大部分主动性半导体元件的主要材料。 

    有机硅化学提供一系列不同的保护材料,包括坚韧、耐摩擦弹塑性涂料和软质、消除应力弹性体产品。电路板制造商可在一系列的室温固化(rtv)材料(室温固化材料能在中温下加速固化)中进行选择,也可指定适合于高速加工的无溶剂热固化配方。有机硅的性能使得汽车电子产品元件具有更高的可靠性和更长的寿命。这些性能包括: 热稳定性、弹性、耐湿性、对常用底材粘附性、低离子杂质以及与加工技术的相容性。   

    30年前有机硅材料第一次用于电子应用时,其最有用的性质之一是在广泛温度和频率范围下稳定的介电性能。有机硅聚合物分子间作用力随时间变化非常小(甚至在很广的温度波动下也一样),因而物理性能和电气性能非常稳定。

    另一个改善元件可靠性的重要因素是耐湿性。有机硅憎水性意味着它们不容易吸收水分子。同时,高气体渗透性使得湿气快速散逸,从而消除潜在腐蚀源。此外,PDMS(聚二甲基硅氧烷)非常低的表面张力和优异的润湿特性,以及通过先进的粘性增强剂得到的粘结特性,帮助实现无空隙粘结,从而进一步提高整体可靠性。 

    由于弹性材料能帮助减小振动影响并能吸收可能破坏敏感组件和底材的热膨胀差异,因而低模量对于使电子组件应力最小化也很重要。在汽车电子典型操作温度范围中,当前有机硅配方不显示出玻璃温度(tg),因此模量在这个周期中保持相当恒定。这一表现明显不同于用于电子的弹性环氧树脂。弹性环氧树脂的模量在汽车应用经常遇到的极端高低温之间增加三个以上的数量级。固化有机硅呈化学惰性,极端稳定。许多产品在温度在250°c 范围(-50°c~+200°c)内变动时进行操作,也能保持其物理性质。这使得有机硅成为能承受恶劣环境(汽车电子元件必须工作的恶劣环境)的化学材料之一。 

聚二甲基硅氧烷在其中的应用


除了以上展示,还有以下的应用

    按照有机硅应用的用途去分类,主要分为以下三类:粘结剂/密封剂灌封剂绝缘凝胶,它们的主要成分是硅酮,即二甲基硅油,分子式:(CH3)3SiO(CH3)2SiOnSi(CH3)3 ,系有机硅氧化物的聚合物,是一系列不同分子量的聚二甲基硅氧烷,黏度随分子量增大而增加。

    第一,粘结剂/密封剂主要用于在电子模块之中粘结组件,或用于封装外壳来隔离灰尘、水或其它杂质。有机硅粘结剂主要优势在于其通过独特的弹性和应力消除提高可靠性的潜力。当元件和电路板由于快速热循环膨胀收缩时,弹性体有机硅粘结剂有助于吸收热膨胀,避免由刚性粘结剂传递至组件的应力。它们的独特热稳定性使得它们能在极端温度和反复热冲击下保持弹性。

    当存在散热问题时,使用导热填料可显著增强有机硅粘结剂热导率。热导有机硅粘结剂设计用于帮助消除组件和电路的热量,从而使得高温条件下发动机舱内元器件的更高可靠性和更长寿命。  


   在汽车电子应用中,使用具有良好紧密粘着性的材料会更好,该粘着性能在多种使用环境下长时期维持其性能不变。由于其固化后低模量,有机硅粘结剂能非常有效地消除热应力和机械应力,从而明显增强可靠性和使用寿命。


   第二,灌封剂是设计为完全植入电子元件和电路的保护材料。它们特别用于将电路与非常恶劣的使用环境隔离,并为高压电路提供高压绝缘,从而保护接头免受热和机械应力的影响。有机硅灌封剂通常都用于厚层。

    越来越多的有机硅灌封剂具有自粘着能力,当固化加热至100°c以上时, 它们能很好地与许多常用底材粘结。而其它材料则需要先喷底漆才能获得完全粘结。在接近实际使用条件下的测试(或加速测试)对于预测任何应用中的长期性能是很关键的。 

    就像多数有机硅产品一样,灌封剂也能提供多种选择。它们具有高抗剪强度,光学清澈性,阻燃性或极端低温性能。特定材料提供热导性或挥发性,而其它材料用于满足ul规范。 

    第三,绝缘凝胶是特殊等级的灌封剂,能固化成具有良好缓冲、弹性和自我修复性质的极软材料。胶体提供缓解热应力和机械应力的 最佳方法,同时保持弹性体体积稳定。它们特别地用于厚层,用以完全密封更密架构,特别是高密度引线。特别材料用于提高性能,诸如高光学穿透性,耐溶剂性和耐油性,低挥发性或阻燃性。 

未来趋势

    许多汽车电子产品市场使用的有机粘结剂和保护材料不能承受新设计导致的更高热量。更高可靠性要求也超过传统用于生产元件和电路板的产品极限。更高温度也会加剧热膨胀系数(cte)的不匹配,增加了元件表面的应力,导致弯曲、物理损坏和过早故障。

    在目前和刚问世的汽车设计中,发动机舱中的更高温度和增加的电子元件功率(特别是在机电应用或hev(混合电气车辆)控制单元中)都导致需要更高的耐热性。此外,光学清澈的有机硅正快速进入汽车市场,这越来越明显地体现在:它们是发光二极管和成型光学仪器和光学感应器稳定性保护的关键因素。


   由于物理性质和广泛商用的加工属性,有机硅不久会成为汽车电子产品的启动器。通过改进电子、光学电路和组件的性能并减少其故障,有机硅材料设计用于满足汽车工业对更安全,更轻型,更高性能元件的需求具有比以往更高的可靠性–能在逐渐恶劣的环境中应用。









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