Welche einzigartigen Vorteile bietet PDMS für die Dichtung elektronischer Komponenten?

Bei der Arbeit mit PDMS (Polydimethylsiloxan) stellen wir fest, dass dieses Material eine einzigartige Eigenschaft aufweist, die andere Materialien (z. B. Epoxide oder Polyurethane) nicht bieten. PDMS weist einen Elastizitätsmodul (Young-Modul) von weniger als 1 MPa auf. Diese Eigenschaft ermöglicht es PDMS, dynamische Dehnung zu absorbieren und macht es daher für Geräte geeignet, die sich falten, für dehnbare Schaltungen oder andere Geräte mit hoher Dehnung. PDMS besitzt zudem die besondere Eigenschaft, Energie über eine viskose Schicht zu dissipieren, wodurch eine gute Haftung elektronischer Schaltungen auch nach mehr als 10.000 Biegezyklen in tragbaren Biosensor-Anwendungen gewährleistet ist. Außerdem weist PDMS eine einzigartige Kompressionseigenschaft auf: Es kann täglich um 15 % komprimiert werden und bleibt dennoch dicht. Diese wertvolle Eigenschaft von PDMS kann bei der Entwicklung von Technologien für implantierbare medizinische Geräte (eingebettet in biologischem Gewebe) genutzt werden, da die Zuverlässigkeit solcher Geräte von höchster Bedeutung ist.

MEMS, Sensoren und Dünnschichtbauelemente – konforme Haftung ohne interfaciale Spannung.

PDMS kommt durch molekulare Adhäsion direkt mit Oberflächen in Kontakt. Im Gegensatz zu herkömmlichen lösemittelbasierten Klebstoffen löst sich PDMS nicht ab. PDMS überträgt Oberflächendetails mit einer Präzision von bis zu 20 mN/m. PDMS überträgt Details mit einer Präzision im Nanometerbereich und bildet dichte Dichtungen um Membran-MEMS-Komponenten, ohne diese zu verziehen. PDMS eignet sich gut für extremen und wechselnden Temperatureinsatz zwischen −40 °C und 150 °C aufgrund seiner Adhäsion von 5 J/m². Dadurch ist PDMS hervorragend für Automobil-Sensoren geeignet. Das Poisson’sche Verhältnis von PDMS liegt nahe bei 0,5 – ein Vorteil gegenüber steiferen Siliconen. Diese Eigenschaft verhindert unerwünschtes Abheben an flexiblen Kupfer-Polyimid-Verbindungen. Dies ist insbesondere für OLED-Anzeigen von Bedeutung. Standardmaterialien führen aufgrund von Grenzflächenspannungen zu einem Lichtausgangsverlust von > 30 %. PDMS erhält die Elektrolumineszenz und stabilisiert sie während der gesamten Lebensdauer des Geräts. Damit ist PDMS eine ausgezeichnete Wahl für Hersteller, die langlebige Geräte anstreben.

Polydimethylsiloxan (PDMS) weist über einen Frequenzbereich bis zu 1 MHz eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 2,3 bis 2,8 auf. Dies steht im deutlichen Gegensatz zu PVC, dessen Dielektrizitätskonstante bei nur 50 Hz bereits 3,9 beträgt, sowie zu den meisten Epoxidharzen, deren Werte über 3 liegen. Diese ausgezeichnete dielektrische Stabilität resultiert aus der Abwesenheit eines Dipolmoments in den unpolaren Ketten von PDMS und dem Dielektrikum. Daher beträgt der Verlustfaktor 0,001 und ist damit etwa zehnmal günstiger als bei Standard-Epoxidharzen. Aufgrund dieses Merkmals von PDMS ergibt sich eine verbesserte Signalintegrität bei Hochfrequenzanwendungen. Speziell entwickelte 5G-Antennen werden mit PDMS umhüllt, da PDMS weniger signaldurchlässig ist als starre Dichtungsmaterialien.

Einige flexible HF-Systeme mit Signalreflexionen, die zuvor getestet wurden, wiesen um 40 % niedrigere Signalreflexionen auf.

Thermische Beständigkeit (−60 °C bis 200 °C) sowie UV- und Oxidationsbeständigkeit für tragbare Geräte und den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen.

Polydimethylsiloxan (PDMS) behält selbst nach 500 Temperaturzyklen von −60 °C bis +200 °C noch etwa 95 % seiner elektrischen Durchschlagfestigkeit bei. Silikonwerkstoffe beginnen oberhalb von 150 °C aufgrund von Oxidation zu zerfallen. PDMS weist ein hohes Molekulargewicht und eine vollständig gesättigte Struktur auf. PDMS zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Hitze und UV-Strahlung aus. PDMS-versiegelte Photovoltaik-Steckverbinder, die unter intensiver UV-Strahlung über 2000 Stunden geprüft wurden, verloren weniger als 3 % ihrer ursprünglichen Lichtdurchlässigkeit. PDMS ist eine ausgezeichnete Wahl für extrem anspruchsvolle Überwachungssysteme in Sensoren in der Arktis. Die Leistungsfähigkeit der meisten Werkstoffe ist aufgrund von Rissbildung, Vergilbung und Haftungsverlust erheblich beeinträchtigt; PDMS ist daher eine hervorragende Wahl für Hochtemperatur-Ölsensoren bei 200 °C.

Dichtflexibilität von PDMS im Vergleich zu herkömmlichen Vergussmassen in realen Anwendungen dynamischer Elektronik

PDMS ist bei Anwendungen wie tragbarer Technologie und industrieller Robotik weit überlegen gegenüber herkömmlichen Epoxid-Encapsulation-Materialien. Die Johnson Reliability Journal 2022 zitiert, dass bei Materialien außer PDMS 25 % der industriellen Elektronik aufgrund von Dehnung und Kompression der Dichtungen ausfallen. PDMS gewährleistet auch nach Hunderttausenden von Biegebewegungen weiterhin dichte Verbindungen und damit seine Flexibilität. PDMS funktioniert aufgrund dreier entscheidender Eigenschaften seiner chemischen Struktur:

1. Dynamische Dehnungsabsorption: PDMS dehnt sich bis auf das 1.000-fache seiner ursprünglichen Länge aus, während Epoxide und andere Polymerklebstoffe bereits bei einer Dehnung von 5 % eine Delaminierung der verbundenen Fugen aufweisen. Dadurch kann PDMS seine Haftung an vibrationsanfälligen Verbindungsstellen aufrechterhalten.
 
2. Integrität bei thermischem Wechsel: PDMS behält seine elastomere Haftung auf Oberflächen über thermische Wechselzyklen von –60 °C bis +200 °C bei; bei Acrylklebstoffen liegt der durchschnittliche Ausfallpunkt bei 50 Zyklen.

3. Mikrolückendurchdringung: PDMS kann Hohlräume kleiner als 10 Mikrometer füllen und in Spalte eindringen, die andere viskose Polyurethane nicht erreichen können. Für MEMS ist dies eine entscheidende Voraussetzung, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.

Daten von mit PDMS umhüllten automobilen LiDAR-Komponenten zeigen, dass diese Komponenten eine jährliche Ausfallrate von 0,02 % aufweisen – dies ist fünfmal niedriger als bei mit Silikon umhüllten Komponenten.

Warum sind die Eigenschaften von PDMS so außergewöhnlich? PDMS absorbiert kinetische Energie und ist wetterbeständig, wodurch eine Alterung durch Umwelteinflüsse sowie andere Faktoren, die Kunststoffmaterialien abbauen, vermindert wird. PDMS hat sich zum Industriestandard für Dichtungen beweglicher Teile in Fahrzeugen entwickelt, die zahlreichen Herausforderungen ausgesetzt sind – darunter Öle, Reinigungslösungsmittel und extreme Temperaturschwankungen.

Verfahrenskompatibilität und skalierbare Integration von PDMS in der Mikroelektronikfertigung

Weiche Lithografie, waferbasierte Spin-Beschichtung und selektive Nachbearbeitungs-Dichtungsprozesse

PDMS integriert sich nahtlos in die Halbleiterfertigung aufgrund seiner Kompatibilität und Präzision mit PDMS. Durch die weiche Lithografie können Hersteller mikroskopische Strukturen auf PDMS-Dichtungen auf Wafer-Ebene erzeugen. Dadurch entfällt der Bedarf an teuren Maskensätzen und komplizierten Ätzschritten zur Herstellung der komplexen Strukturen, die für die Fertigung von MEMS-Bauelementen und fortschrittlichen Gehäusetechnologien erforderlich sind. Bei der Spin-Beschichtung erreichen die Kapselungsschichten – alle weniger als 100 Mikrometer dick – innerhalb von weniger als einer Minute eine gleichmäßige Verteilung über einen 300-mm-Wafer, was eine Massenfertigung ermöglicht. Unternehmen verwenden üblicherweise UV-Licht oder Wärme, um Bereiche eines Wafers nachzubehandeln, in denen sich MEMS-Sensoren oder Biosensoren befinden. Dieser Prozess erfolgt selektiv, um benachbarte Schaltkreise nicht zu beschädigen und die Vakuumbedingungen aufrechtzuerhalten. Das vorgelagerte, vorgehärtete PDMS weist eine niedrige Viskosität auf, wodurch es mittels Kapillarströmung in Hohlräume kleiner als 5 Mikrometer eindringen kann; dies ermöglicht die Erzeugung von Dichtungen in mikroskopischen Baugruppen.

Branchenberichte bestätigen, dass diese Verfahren die Einschlussfehler um 66 Prozent und die Verarbeitungszeiten um 40 Prozent reduzieren. Da diese Verfahren weder Wärme noch Lösemittel erfordern, ergeben sich für die Hersteller wirtschaftliche und ökologische Vorteile.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Elastizitätsmodul von PDMS?
Der Elastizitätsmodul von PDMS liegt unter 1 MPa und ist damit deutlich niedriger als der von Epoxidharzen oder Polyurethanen.
Warum wird PDMS in der flexiblen Elektronik bevorzugt?
PDMS wird in der flexiblen Elektronik bevorzugt, weil es dynamische Dehnungen absorbieren, Energie dissipieren und über zahlreiche Biegezyklen hinweg elektrisch leitfähige Verbindungen aufrechterhalten kann.
Wie verhält sich PDMS bei Temperaturschwankungen?
PDMS verhält sich bei Temperaturschwankungen außergewöhnlich gut, da es mechanische Spannungen nicht an empfindliche Komponenten weiterleitet und diese im Laufe der Zeit weder verformt noch deren Funktionalität beeinträchtigt. Welche Vorteile bietet PDMS in der Mikroelektronikfertigung?
In der Mikroelektronikfertigung unterstützt PDMS die weiche Lithografie und Spin-Beschichtung, um eine skalierbare Integration, weniger Verkapselungsfehler und kürzere Prozesszeiten zu erreichen.