Quels avantages uniques le PDMS offre-t-il pour l’étanchéité des composants électroniques ?

Lorsque l'on travaille avec le PDMS (polyméthylsiloxane), on constate que ce matériau possède une propriété singulière et unique que d'autres matériaux (par exemple les époxydes ou les uréthanes) ne présentent pas. Le PDMS a un module d'élasticité d'Young inférieur à 1 MPa. Cette propriété permet au PDMS d'absorber les déformations dynamiques, ce qui le rend utilisable dans des dispositifs à écran pliable, des circuits étirables ou d'autres dispositifs subissant de fortes déformations. Le PDMS présente également une propriété unique de dissipation d'énergie via une couche visqueuse, assurant une bonne adhésion des circuits électroniques après plus de 10 000 cycles de flexion dans les applications de biosenseurs portables. En outre, le PDMS possède une propriété compressive unique : il peut être comprimé de 15 % par jour tout en restant étanche. Cette propriété précieuse du PDMS peut être exploitée pour concevoir des technologies destinées aux dispositifs médicaux implantables (immergés dans le milieu biologique), la fiabilité de ces dispositifs étant d'une importance capitale.

MEMS, capteurs et dispositifs à couches minces — adhésion conforme sans contrainte interfaciale.

Le PDMS entre en contact direct avec les surfaces grâce à une adhésion au niveau moléculaire. Contrairement aux colles traditionnelles à base de solvant, le PDMS ne se décolle pas. Le PDMS reproduit les détails des surfaces avec une précision allant jusqu’à 20 mN/m. Le PDMS reproduit les détails avec une précision allant jusqu’au nanomètre et forme des joints étanches parfaits autour des composants MEMS à membrane, sans provoquer de déformation. Le PDMS fonctionne bien dans des conditions de température extrêmes et variables, allant de -40 °C à 150 °C, grâce à son énergie d’adhésion de 5 J/m². Cela rend le PDMS particulièrement adapté aux capteurs automobiles. Le coefficient de Poisson du PDMS est proche de 0,5, ce qui constitue un avantage par rapport aux silicones plus rigides. Cette propriété empêche un décollement indésirable aux connexions flexibles cuivre-polyimide. Cela revêt une importance particulière pour les afficheurs OLED. Les matériaux standards entraînent une chute de la luminosité supérieure à 30 % en raison des contraintes interfaciales. Le PDMS préserve l’électroluminescence et la stabilise tout au long de la durée de vie du dispositif. Cela fait du PDMS un excellent choix pour les fabricants souhaitant des dispositifs à longue durée de vie.

Le polydiméthylsiloxane (PDMS) maintient une constante diélectrique comprise entre 2,3 et 2,8, jusqu’à 1 MHz. Cela contraste fortement avec le PVC, dont la constante diélectrique est de 3,9 à seulement 50 Hz, ainsi qu’avec la plupart des résines époxy, dont la constante diélectrique dépasse 3. Cette excellente stabilité diélectrique provient de l’absence de moment dipolaire dans les chaînes non polaires du PDMS. Par conséquent, la tangente de pertes est de 0,001, soit environ 10 fois inférieure à celle des résines époxy standard. Cet attribut du PDMS permet une meilleure intégrité du signal dans les applications haute fréquence. Des antennes 5G sur mesure sont encapsulées dans du PDMS, car ce dernier est moins réfléchissant aux signaux que les mastics rigides.

Certains systèmes RF flexibles présentant des réflexions de signal, précédemment testés, ont montré une réduction des réflexions de signal de 40 %.

Résilience thermique (−60 °C à 200 °C) et résistance aux UV/à l’oxydation dans les dispositifs portables et les déploiements en environnements sévères.

Le polydiméthylsiloxane (PDMS) conserve environ 95 % de leur résistance diélectrique même après 500 cycles thermiques allant de -60 °C à +200 °C. Les matériaux en silicone commencent à se dégrader au-dessus de 150 °C en raison de l’oxydation. Le PDMS possède un poids moléculaire élevé et une structure entièrement saturée. Le PDMS présente une résistance exceptionnelle à la chaleur et aux dommages causés par les rayons UV. Des connecteurs photovoltaïques scellés au PDMS, soumis à une irradiation UV intense pendant 2 000 heures, ont perdu moins de 3 % de leur transmission lumineuse initiale. Le PDMS constitue un excellent choix pour les systèmes de surveillance les plus extrêmes, notamment dans les capteurs utilisés en Arctique. La performance de la plupart des matériaux est fortement altérée en raison de fissurations, de jaunissement et de perte d’adhérence ; le PDMS est donc un excellent choix pour les capteurs d’huile à haute température fonctionnant à 200 °C.

Souplesse d’étanchéité du PDMS par rapport aux encapsulants traditionnels dans les applications réelles de l’électronique dynamique

Le PDMS est nettement supérieur aux matériaux d’encapsulation époxy traditionnels dans des applications telles que les technologies portables et la robotique industrielle. Selon le Johnson Reliability Journal 2022, 25 % des équipements électroniques industriels utilisant des matériaux autres que le PDMS ont connu une défaillance due à l’étirement et à la compression des joints d’étanchéité. Le PDMS conserve quant à lui son étanchéité après des centaines de milliers de cycles de flexion, garantissant ainsi sa souplesse. Cette performance s’explique par trois propriétés essentielles de sa structure chimique :

1. Absorption dynamique des déformations : le PDMS peut s’allonger jusqu’à 1000 % de sa longueur initiale, tandis que les colles époxy et autres adhésifs polymères subissent déjà un délaminage des joints collés à partir de 5 % d’allongement. Cela permet au PDMS de maintenir son adhérence sur des joints soumis à des vibrations.
 
2. Intégrité lors des cycles thermiques : le PDMS conserve sa liaison élastomère avec les surfaces sur une plage de températures allant de -60 °C à +200 °C ; en revanche, les adhésifs acryliques présentent généralement une défaillance après environ 50 cycles thermiques.

3. Pénétration dans les micro-espaces : Le PDMS peut remplir des vides de moins de 10 microns et pénétrer des interstices que d'autres uréthanes visqueux ne parviennent pas à atteindre. Pour les MEMS, il s'agit d'une exigence critique afin d'assurer la protection contre l'humidité.

Les données issues de composants LiDAR automobiles encapsulés dans du PDMS indiquent un taux de défaillance annuel de 0,02 %, soit cinq fois inférieur à celui des composants encapsulés dans du silicone.

Pourquoi les propriétés du PDMS sont-elles si remarquables ? Il absorbe l'énergie cinétique et résiste à l'altération climatique, ce qui le protège contre la dégradation causée par les éléments extérieurs et d'autres facteurs susceptibles de dégrader les matériaux plastiques. Le PDMS est devenu la norme industrielle pour l'étanchéité des pièces mobiles intégrées dans les véhicules, lesquelles font face à de nombreux défis, notamment les huiles, les solvants de nettoyage et les variations extrêmes de température.

Compatibilité avec les procédés et intégration évolutive du PDMS dans la fabrication de microélectronique

Lithographie souple, dépôt par centrifugation au niveau des plaquettes (wafer-level spin coating) et procédures de scellement sélectif après fabrication

Le PDMS s'intègre parfaitement dans la fabrication de semi-conducteurs grâce à sa compatibilité et à sa précision avec le PDMS. La lithographie souple permet aux fabricants de structurer des motifs à l'échelle microscopique sur des joints en PDMS au niveau de la plaquette. Cela élimine le besoin d'ensembles de masques coûteux et d'étapes de gravure complexes pour créer les motifs complexes requis dans la fabrication de dispositifs MEMS et d'emballages avancés. Lors du dépôt par centrifugation, les couches d'encapsulation, qui mettent moins d'une minute pour recouvrir uniformément une plaquette de 300 mm, ont toutes une épaisseur inférieure à 100 micromètres, ce qui rend la production de masse possible. Les entreprises utilisent généralement la lumière UV ou la chaleur pour traiter postérieurement les zones de la plaquette où se trouvent des capteurs MEMS ou des biosenseurs. Ce procédé est sélectif afin d'éviter d'endommager les circuits adjacents et de maintenir des conditions de vide. Le PDMS pré-cuit présente une faible viscosité, ce qui lui permet de pénétrer, par écoulement capillaire, dans des vides de moins de 5 micromètres, lui permettant ainsi de former des joints étanches dans des assemblages microscopiques.

Les rapports sectoriels confirment que ces techniques réduisent les défauts d’encapsulation de 66 % et les temps de traitement de 40 %. Comme ces techniques ne nécessitent ni chaleur ni solvants, elles offrent des avantages économiques et environnementaux aux fabricants.

Questions fréquemment posées

Quel est le module d’élasticité (module de Young) du PDMS ?
Le module d’élasticité (module de Young) du PDMS est inférieur à 1 MPa, nettement plus faible que celui des époxydes ou des uréthanes.
Pourquoi le PDMS est-il privilégié dans l’électronique flexible ?
Le PDMS est privilégié dans l’électronique flexible car il peut absorber les déformations dynamiques, dissiper l’énergie et maintenir des connexions électriquement conductrices tout au long de nombreux cycles de flexion.
Comment le PDMS se comporte-t-il face aux variations de température ?
Le PDMS se comporte exceptionnellement bien face aux variations de température, car il ne transmet pas les contraintes aux composants sensibles et ne modifie ni sa forme ni ses fonctionnalités au fil du temps. Quels sont les avantages du PDMS dans la fabrication de microélectronique ?
Dans la fabrication de microélectronique, le PDMS contribue à la lithographie souple et aux techniques de dépôt par centrifugation afin d’obtenir une intégration évolutive, moins de défauts d’encapsulation et des temps de traitement réduits.