Какие уникальные преимущества предлагает PDMS для герметизации электронных компонентов?

При работе с ПДМС (полидиметилсилоксаном) следует отметить, что этот материал обладает уникальным свойством, отсутствующим у других материалов (например, эпоксидов или полиуретанов). У ПДМС модуль Юнга составляет менее 1 МПа. Это свойство позволяет ПДМС поглощать динамические деформации, что делает его пригодным для использования в устройствах со складывающимися экранами, растягивающихся схемах или других устройствах, подвергающихся большим деформациям. ПДМС также обладает уникальной способностью рассеивать энергию за счёт вязкого слоя, обеспечивая хорошее сцепление электронных схем даже после более чем 10 000 циклов изгиба в носимых биосенсорных приложениях. Кроме того, ПДМС обладает уникальными сжимаемыми свойствами: его можно сжимать на 15 % в день, и при этом он остаётся герметичным. Это ценное свойство ПДМС может быть использовано при разработке технологий для имплантируемых медицинских устройств (встроенных в биологическую ткань), поскольку надёжность таких устройств имеет первостепенное значение.

МЭМС, датчики и тонкоплёночные устройства — конформное сцепление без межфазных напряжений.

PDMS напрямую контактирует с поверхностями за счёт молекулярного сцепления. В отличие от традиционных клеёв на растворителях, PDMS не отслаивается. PDMS воспроизводит детали поверхностей с точностью до 20 мН/м. PDMS воспроизводит детали с нанометровой точностью и образует герметичные уплотнения вокруг диафрагменных MEMS-компонентов без деформации. PDMS хорошо работает при экстремальных и изменяющихся температурах в диапазоне от −40 °C до 150 °C благодаря адгезии 5 Дж/м². Это делает PDMS отличным выбором для автомобильных датчиков. Коэффициент Пуассона PDMS близок к 0,5 — это преимущество по сравнению с более жёсткими силиконами. Данное свойство предотвращает нежелательное отслаивание на гибких соединениях «медь–полиимид». Это особенно важно для OLED-дисплеев. Стандартные материалы вызывают снижение светового выхода более чем на 30 % из-за механических напряжений на границе раздела фаз. PDMS сохраняет электролюминесценцию, стабилизируя её на протяжении всего срока службы устройства. Это делает PDMS отличным выбором для производителей, стремящихся к созданию долговечных устройств.

Полидиметилсилоксан (PDMS) сохраняет диэлектрическую проницаемость в диапазоне от 2,3 до 2,8 при частоте до 1 МГц. Это резко контрастирует с ПВХ, диэлектрическая проницаемость которого составляет 3,9 всего при 50 Гц, а также с большинством эпоксидных смол, диэлектрическая проницаемость которых превышает 3. Отличная стабильность диэлектрических свойств обусловлена отсутствием дипольного момента у неполярных цепей PDMS и диэлектрика. Следовательно, тангенс угла потерь равен 0,001 и примерно в 10 раз лучше, чем у стандартных эпоксидных смол. Данное свойство PDMS обеспечивает более высокую целостность сигнала в высокочастотных приложениях. Антенны для сетей 5G собственной конструкции герметизируются с использованием PDMS, поскольку PDMS обладает меньшей отражательной способностью по отношению к сигналу по сравнению с жёсткими герметиками.

Некоторые гибкие РЧ-системы с отражениями сигнала, ранее прошедшие испытания, показали снижение отражений сигнала на 40 %.

Термостойкость (от −60 °C до 200 °C) и устойчивость к УФ-излучению и окислению при применении в носимых устройствах и в условиях эксплуатации в агрессивных средах.

Полидиметилсилоксан (PDMS) сохраняет приблизительно 95 % своей диэлектрической прочности даже после 500 циклов температурного воздействия в диапазоне от −60 °C до +200 °C. Силиконовые материалы начинают разрушаться выше 150 °C вследствие окисления. PDMS обладает высокой молекулярной массой и полностью насыщенной структурой. PDMS демонстрирует исключительную стойкость к тепловому и ультрафиолетовому воздействию. Фотоэлектрические соединители, герметизированные PDMS, при испытании под интенсивным УФ-излучением в течение 2000 часов потеряли менее 3 % первоначальной светопропускной способности. PDMS — отличный выбор для самых экстремальных систем мониторинга в датчиках, применяемых в Арктике. Работоспособность большинства материалов значительно снижается из-за растрескивания, пожелтения и потери адгезии; PDMS — отличный выбор для датчиков масла при высоких температурах (200 °C).

Гибкость герметизации PDMS по сравнению с традиционными компаундами в реальных условиях эксплуатации динамической электроники

PDMS значительно превосходит традиционные эпоксидные материалы для герметизации в таких областях применения, как носимые технологии и промышленная робототехника. В журнале Johnson Reliability Journal за 2022 г. указано, что у 25 % промышленной электроники, использующей материалы, отличные от PDMS, возникают отказы из-за растяжения и сжатия уплотнений. PDMS сохраняет свои герметизирующие свойства даже после сотен тысяч циклов изгиба, обеспечивая высокую гибкость. Работа PDMS обусловлена тремя ключевыми свойствами его химической структуры:

1. Динамическое поглощение деформации: PDMS растягивается до 1000 % от исходной длины, тогда как эпоксиды и другие полимерные клеи теряют адгезию соединённых поверхностей уже при деформации 5 %. Это позволяет PDMS сохранять прочность соединения в узлах, подверженных вибрации.
 
2. Устойчивость к термоциклированию: PDMS сохраняет эластомерное сцепление с поверхностями в диапазоне температур от −60 °C до +200 °C; средняя точка отказа акриловых клеёв при термоциклировании составляет 50 циклов.

3. Проникновение в микрозазоры: PDMS способен заполнять пустоты размером менее 10 мкм и проникать в зазоры, недоступные для других вязких полиуретанов. Для МЭМС это критически важное требование, обеспечивающее защиту от проникновения влаги.

Данные, полученные для автомобильных LiDAR-компонентов с герметизацией PDMS, показывают годовую частоту отказов на уровне 0,02 % — что в пять раз ниже, чем у компонентов, герметизированных силиконом.

Почему свойства PDMS столь исключительны? Он поглощает кинетическую энергию и устойчив к атмосферному воздействию, что предотвращает деградацию под действием внешних факторов и других причин, вызывающих разрушение пластиковых материалов. PDMS стал отраслевым стандартом для герметизации подвижных деталей в автомобилях, которые подвергаются многочисленным воздействиям, включая масла, очистительные растворители и резкие перепады температур.

Совместимость процессов и масштабируемая интеграция PDMS в производстве микроэлектроники

Мягкая литография, нанесение покрытия на уровне пластины методом центрифугирования и селективные процессы герметизации после изготовления

PDMS интегрируется бесшовно в производство полупроводниковых изделий благодаря своей совместимости и точности при работе с PDMS. Мягкая литография позволяет производителям наносить микромасштабные структуры на уплотнения из PDMS на уровне пластины. Это устраняет необходимость в дорогостоящих наборах фотомасок и сложных травильных операциях для создания сложных элементов, требуемых при изготовлении МЭМС-устройств и передовых упаковочных решений. При центрифугировании (спин-нанесении) защитные слои, которые покрывают 300-мм пластину равномерно менее чем за минуту, имеют толщину менее 100 мкм, что делает возможным массовое производство. Компании обычно используют УФ-излучение или нагрев для постобработки участков пластины, где расположены МЭМС-датчики или биодатчики. Такой процесс является селективным, чтобы избежать повреждения соседних электронных компонентов и сохранить вакуумные условия. Предварительно отвержденный PDMS обладает низкой вязкостью, что позволяет ему проникать в пустоты размером менее 5 мкм за счёт капиллярного течения, обеспечивая создание уплотнений в микроузлах.

Отраслевые отчёты подтверждают, что эти методы снижают количество дефектов герметизации на 66 % и сокращают время обработки на 40 %. Поскольку для применения этих методов не требуется нагрев и использование растворителей, производители получают как экономические, так и экологические преимущества.

Часто задаваемые вопросы

Чему равен модуль Юнга PDMS?
Модуль Юнга PDMS составляет менее 1 МПа, что значительно ниже, чем у эпоксидных или полиуретановых материалов.
Почему PDMS предпочтителен в гибкой электронике?
PDMS предпочтителен в гибкой электронике, поскольку он способен поглощать динамические деформации, рассеивать энергию и сохранять электрически проводящие соединения в течение множества циклов изгиба.
Как ведёт себя PDMS при изменении температуры?
PDMS демонстрирует исключительно высокую стабильность при изменении температуры, поскольку он не передаёт механические напряжения чувствительным компонентам и со временем не изменяет свою форму и не теряет функциональности по отношению к этим компонентам. Каковы преимущества PDMS в производстве микроэлектроники?
В производстве микроэлектроники ПДМС используется в методах мягкой литографии и центрифугирования для достижения масштабируемой интеграции, снижения количества дефектов при герметизации и сокращения времени обработки.