¿Qué ventajas únicas ofrece el PDMS para el sellado de componentes electrónicos?

Al trabajar con PDMS (polidimetilsiloxano), observamos que este material posee una propiedad singular y única que otros materiales (por ejemplo, epoxis o poliuretanos) no ofrecen. El PDMS tiene un módulo de Young inferior a 1 MPa. Esta propiedad permite que el PDMS absorba deformación dinámica, lo que posibilita su utilización en dispositivos plegables, circuitos estirables u otros dispositivos sometidos a grandes deformaciones. El PDMS también presenta una propiedad única de disipación de energía mediante una capa viscosa, lo que garantiza una buena adherencia de los circuitos electrónicos tras más de 10 000 ciclos de flexión en aplicaciones de biosensores portátiles. Asimismo, el PDMS posee una propiedad compresiva única: puede comprimirse un 15 % al día y seguir manteniendo su estanqueidad. Esta valiosa propiedad del PDMS puede aprovecharse para diseñar tecnologías destinadas a dispositivos médicos implantables (sumergidos en entornos biológicos), ya que la fiabilidad de dichos dispositivos es de suma importancia.

MEMS, sensores y dispositivos de película delgada: adherencia conformal sin tensiones interfaciales.

El PDMS entra en contacto directo con las superficies mediante adhesión a nivel molecular. A diferencia de los adhesivos tradicionales basados en disolventes, el PDMS no se desprende. El PDMS replica los detalles de las superficies con una precisión de hasta 20 mN/m. El PDMS replica los detalles con una precisión de hasta el nanómetro y forma sellos herméticos ajustados alrededor de los componentes MEMS de diafragma sin provocar deformaciones. El PDMS funciona bien bajo temperaturas extremas y variables, entre -40 °C y 150 °C, gracias a su energía de adhesión de 5 J/m². Esto hace que el PDMS sea ideal para sensores automotrices. La relación de Poisson del PDMS es cercana a 0,5, lo que constituye una ventaja frente a siliconas más rígidas. Esta propiedad evita el desprendimiento no deseado en las conexiones flexibles de cobre-polímero (poliimida). Esto es especialmente importante para las pantallas OLED. Los materiales convencionales provocan una caída de la salida luminosa > 30 % debido a las tensiones en la interfaz. El PDMS mantiene la electroluminiscencia, estabilizándola durante toda la vida útil del dispositivo. Esto convierte al PDMS en una excelente opción para los fabricantes que buscan dispositivos de larga duración.

El polidimetilsiloxano (PDMS) mantiene una constante dieléctrica en el rango de 2,3 a 2,8, hasta 1 MHz. Esto contrasta marcadamente con el PVC, cuya constante dieléctrica es de 3,9 a tan solo 50 Hz, y con la mayoría de las resinas epoxi, cuyos valores superan 3. Esta excelente estabilidad dieléctrica se debe a la ausencia de momento dipolar en las cadenas no polares entre el PDMS y el dieléctrico. Por lo tanto, la tangente de pérdidas es de 0,001 y es aproximadamente 10 veces mejor que la de las resinas epoxi estándar. Este atributo del PDMS permite una mayor integridad de la señal en aplicaciones de alta frecuencia. Las antenas personalizadas para 5G están encapsuladas con PDMS porque este material es menos reflectante para las señales que los selladores rígidos.

Algunos sistemas flexibles de RF con reflexiones de señal, previamente sometidos a ensayo, mostraron una reducción del 40 % en dichas reflexiones.

Resistencia térmica (−60 °C a 200 °C) y resistencia a la radiación UV/oxidación en dispositivos portátiles y despliegues en entornos agresivos.

El polidimetilsiloxano (PDMS) conserva aproximadamente el 95 % de su rigidez dieléctrica incluso después de 500 ciclos térmicos entre -60 °C y +200 °C. Los materiales de silicona comienzan a degradarse por encima de 150 °C debido a la oxidación. El PDMS tiene un alto peso molecular y una estructura completamente saturada. El PDMS presenta una resistencia excepcional al calor y a los daños causados por la radiación UV. Conectores fotovoltaicos sellados con PDMS, sometidos a radiación UV intensa durante 2000 horas, perdieron menos del 3 % de su transmisión luminosa original. El PDMS es una excelente opción para los sistemas de monitorización más extremos en sensores ubicados en el Ártico. El rendimiento de la mayoría de los materiales se ve significativamente afectado por grietas, amarilleamiento y pérdida de adherencia; el PDMS es una excelente opción para sensores de aceite de alta temperatura a 200 °C.

Flexibilidad de sellado del PDMS frente a encapsulantes tradicionales en aplicaciones reales de electrónica dinámica

El PDMS es muy superior a los materiales tradicionales de encapsulación epoxi en aplicaciones como la tecnología vestible y la robótica industrial. La revista Johnson Reliability Journal 2022 señala que el 25 % de los dispositivos electrónicos industriales que utilizan materiales distintos del PDMS fallan debido al estiramiento y la compresión de las juntas selladas. El PDMS sigue garantizando estanqueidad tras cientos de miles de ciclos de flexión, lo que asegura su flexibilidad. El PDMS funciona gracias a tres propiedades críticas de su estructura química:

1. Absorción dinámica de deformación: el PDMS se elonga hasta un 1000 % de su longitud original, mientras que las resinas epoxi y otros adhesivos poliméricos experimentan deslamination previa de las uniones adheridas a partir del 5 %. Esto permite que el PDMS mantenga su adherencia en uniones sometidas a vibraciones.
 
2. Integridad frente a ciclos térmicos: el PDMS mantiene su unión elastomérica con las superficies durante ciclos térmicos de -60 °C a +200 °C; el punto medio de fallo para los adhesivos acrílicos es de 50 ciclos.

3. Penetración en microgrietas: El PDMS puede llenar vacíos menores de 10 micras y penetrar en grietas que otros uretanos viscosos no logran cubrir. En los sistemas microelectromecánicos (MEMS), este es un requisito crítico para garantizar la protección contra la humedad.

Los datos obtenidos de componentes automotrices LiDAR encapsulados con PDMS indican que dichos componentes presentan una tasa anual de fallos del 0,02 %, lo que representa una reducción de cinco veces respecto a los componentes encapsulados con silicona.

¿Por qué las propiedades del PDMS son tan extraordinarias? Absorbe energía cinética y es resistente a la intemperie, lo que evita su degradación por agentes atmosféricos y otros factores que deterioran los materiales plásticos. El PDMS se ha convertido en el estándar industrial para sellar piezas móviles dentro de los vehículos, las cuales enfrentan numerosos desafíos, como aceites, disolventes de limpieza y variaciones extremas de temperatura.

Compatibilidad del proceso e integración escalable del PDMS en la fabricación de microelectrónica

Litografía blanda, recubrimiento por centrifugado a nivel de oblea y flujos de trabajo de sellado selectivo posteriores a la fabricación

El PDMS se integra perfectamente con la fabricación de semiconductores gracias a su compatibilidad y precisión con el propio PDMS. La litografía blanda permite a los fabricantes grabar características a microescala en sellos de PDMS a nivel de oblea. Esto elimina la necesidad de conjuntos de máscaras costosos y pasos de grabado complejos para crear las intrincadas características requeridas en la fabricación de dispositivos MEMS y empaques avanzados. En el proceso de recubrimiento por centrifugado, las capas de encapsulación —que tardan menos de un minuto en distribuirse de forma uniforme sobre una oblea de 300 mm— tienen todas un espesor inferior a 100 micrómetros, lo que posibilita la producción en masa. Las empresas suelen utilizar luz UV o calor para el procesamiento posterior de las zonas de la oblea donde se ubican los sensores MEMS o biosensores. Este proceso es selectivo, con el fin de evitar dañar los circuitos adyacentes y mantener las condiciones de vacío. El PDMS precurado presenta baja viscosidad, lo que le permite fluir por acción capilar en huecos menores de 5 micrómetros, permitiéndole así crear sellos en ensamblajes microscópicos.

Los informes del sector confirman que estas técnicas reducen los defectos de encapsulación en un 66 % y los tiempos de procesamiento en un 40 %. Como estas técnicas no requieren calor ni disolventes, ofrecen beneficios económicos y medioambientales para los fabricantes.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el módulo de Young del PDMS?
El módulo de Young del PDMS es inferior a 1 MPa, mucho más bajo que el de las resinas epoxi o las poliuretanas.
¿Por qué se prefiere el PDMS en la electrónica flexible?
El PDMS se prefiere en la electrónica flexible porque puede absorber deformaciones dinámicas, disipar energía y mantener conexiones eléctricamente conductoras durante numerosos ciclos de flexión.
¿Cómo se comporta el PDMS frente a las variaciones de temperatura?
El PDMS presenta un rendimiento excepcional frente a las variaciones de temperatura, ya que no transmite tensiones a los componentes vulnerables ni cambia de forma ni pierde funcionalidad con el paso del tiempo. ¿Cuáles son las ventajas del PDMS en la fabricación de microelectrónica?
En la fabricación de microelectrónica, el PDMS contribuye a las técnicas de litografía suave y recubrimiento por centrifugado para lograr una integración escalable, menos defectos de encapsulación y tiempos de procesamiento más cortos.