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汽车电子产品卫士--有机硅
作者:Rene Paquet    来源:设计创新
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车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ...
据估计,现今所有汽车应用创新中85%与电气/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和一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,很有可能就是造成这种种故障的幕后黑手,特别是在高湿度和其它不利环境条件也同时存在时,它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。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有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。规范制订者经常会寻找固化后具有最高拉伸强度的粘结剂,但是这种材料通常坚硬,延展性较差,因而不会产生热胀移动。热循环期间或长期使用后,电路表面升高的应力能损坏元件或连接,从而导致设备故障。

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。某些应用或加工工艺具有独特的高要求,需要使用独特性质的粘结剂。例如,有些有机硅设计用于在低温下固化,这对热敏感性元件和底材特别有用。其它应用中,它适合于质量控制验收,用以验证材料在转移至下一步生产步骤之前是否应用正确。这些案例中,有机硅粘结剂常和紫外线染料共同设计成允许感应器或照相控制系统核实是否获得必须的覆盖率。特殊中间体也能用于合成具有极端低挥发性的有机硅粘结剂,一些粘结剂的挥发物含量足够低至可列为航空级别材料。

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。有机硅能利用两种截然不同的粘结机理:机械和化学。机械粘结是物理粘结,依赖于表面粗糙度、润湿和渗透。表面清洁性对机械粘结很重要,底材要求相对不含杂质、塑化剂和油。化学粘结通过催化粘结剂和底材之间的反应进行。

有机硅粘结剂提供特别多方面的加工性,具有很广的固化条件。许多产品能在室温下固化。加热可加速一些产品固化。某些配方易于调节粘度,允许制造商在高速、高热生产线和不可承受高温的温度敏感组件下使用同种粘结剂。某些应用中的另一个优点是特定流动性质,无论组装件是否需要固位的高粘度膏剂或能填补空隙和不规则沟道的可流动的自流平粘结剂。

敷形涂料用于电路板和零件上的薄层,增加环境和机械保护,能明显延长使用寿命。有机硅敷形涂料保护元件和电路免受湿气和杂质的影响,帮助避免导体和焊接头短路和腐蚀。同样它们也保护敏感元件和电路免受溶剂和刮擦影响。一般来说,有机硅涂料提供极端广泛的温度波动范围、良好的稳定性和耐湿性、多样加工性、低毒性和易于修复性。和它们粘结剂竞争对手一样,有机硅敷形涂料既是坚硬、耐刮擦的固体同时也是一种至软的弹性材料,使得使用者能选择最适合于特定应用的配方。

使用敷形涂料保护电路的关键因素之一是其获得所有具有良好粘结力的表面完整覆盖率的能力。有机硅非常低的表面张力和优异的润湿特性帮助实现一个无空隙黏结,从而通过不允许任何湿气冷凝的空间而获得整体可靠性。有机硅透气性意味着,任何涂层以下的湿气可散逸,液态形式的湿气可排出。发动机舱内电子元器件应用经常要求敷形涂料具有更强柔软性,以避免脚距和极小元件上出现不必要的应力。硬质敷形涂料、底材及元件之间的热膨胀系数(CTE)差异实际上能损坏细小引脚和接头,特别是在反复温度循环条件下。这使得涂层损坏了用做被保护的底材。弹性有机硅涂料帮助降低热循环导致的电线损坏率和电路损坏,从而具有更高可靠性和更低质量问题。

传统上通过喷涂、浸渍、注射或流涂应用,有机硅越来越多地用于选择性涂布和自动涂布操作,从而使高速自动加工成为可能。一些配方设计用于室温或加热加速固化,另一些配方则专门为高速、高温加工而开发。

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。

有机硅灌封剂通常以无溶剂双组分液体的形式提供,此液体的混合比率为1:1 (基于固化剂)。而有些配方则设计成10:1的比率。当以恰当的比例混合时,它们固化成有弹性的无应力弹性体。有些材料室在温下就可以固化,而其它材料则需要加热才可以固化。有机硅灌封剂的皱缩通常都最小,它们不释放热量(放热曲线)或有害副产品。即使在完全密闭下,无论厚薄,它们均可固化。

性能对比:传统材料化学 vs 有机硅

传统材料化学

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。

环氧树脂材料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。环氧树脂通常坚硬,不透明,能提供良好的耐磨损性、耐潮湿性和耐化学性。和其它硬涂料一样,环氧树脂不能降低元件、电路和基材之间不同程度热膨胀引起的应力。实际上,它们可导致极端温度或热循环之间的总应力。

聚氨酯橡胶也能粘结于不同的常用底材,能在固化材料中提供大范围的柔软性(低模量)。尽管能提供良好的耐磨损、耐化学、耐油特性,但它们通常也需要使用底漆才能获得与金属之间的良好粘结强度。聚氨酯橡胶配方通常展现出较低湿气穿透性和良好的低温柔软性,具有降低应力的能力。大多数聚氨酯橡胶具有有限高温性能,它们很难应付这些高温环境,特别是高湿度环境,而且不易修复。

和聚氨酯橡胶类似,聚异丁烯配方能粘结于不同底材,固化时能提供较广弹性范围,同时也提供良好的低温性能,但是对溶剂、油类、燃油和化学品的耐受性相对较差。

由于能提供非常均匀的涂层、良好的穿透特性和优异的针脚覆盖,对二甲苯被用于敷形涂料合成。但它的缺点,包括相对高成本、对污染物敏感、震动时容易开裂和需要在真空中应用本材料,也限制了它的使用。

丙烯酸材料与不同底材具有良好粘结性,能在室温下固化或在加热下加速固化。它们具有出色的低湿气吸收性,良好的操作性和快速干燥,但是它们在热和水解稳定性方面具有明显缺陷。一般溶剂型配方能固化成硬的耐磨固体,丙烯酸通常被视为低成本选择,但是基于不断变化的规范要求和对溶剂使用的安全考虑,它的竞争力正在下降。由于其坚硬性,丙烯酸缺乏降低热冲击中膨胀和收缩引起的应力的能力。

有机硅

在电子工业中,有机硅经常用作为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℃~+200℃)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。

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。凝胶材料的主要特性是其本身固化后具有粘性表面,这使其能在无需底漆的情况下保持对多数底材的物理粘性。这一粘性使得有机硅在固化胶受损或被切割时能自我修复从而有效的重新密封组装件。这一自我修复能力也允许在无需牺牲材料保护的情况下直接通过胶体使用探针来进行电路测试。很多其它材料不可能具有同样的允许返工或修理的属性。和其它有机硅材料一样,凝胶也具有良好润湿特性,能与底材和元件紧密接触,使得聚集湿气的微观空隙降低到最小。固化胶体容易排除液态水,允许周围环境的湿气穿透。由于没有机会在空隙或遮盖的表面中积聚,空气中湿气不具有任何负面影响。

有机硅胶体是无溶剂配方,通常以双组分低粘度液体的方式提供,其混合比率为1:1。但也可以以单组分材料的方式提供,这样就消除了计量和混合的需要。双组分材料能在室温或温和加温下固化,而单组分材料需要加热固化,但是不产生热量或副产品危害。有些胶体专为用于高速加工的极快速紫外线光固化而设计。和许多有机硅材料一样,某种阻止固化的杂质可影响凝胶固化。使用常用底材清洁剂,诸如VMS(挥发性甲基硅氧烷)、异丙醇、甲苯或丙酮能得到最佳结果。

由于更小发动机舱和耗能组件驱使工程师前所未有地关注除去过量热量的创新技术,汽车控制单元制造商越来越多的关注热界面材料。TIM(热界面材料)是在热源和其它表面或介质(例如散热片或周围空气)之间的热导通道。意识到TIM是电子设计中重要的热阻源后,研究者正逐渐强调这些材料改进散热性的潜力。任何TIM的一个重要特点是它具有与底材紧密接触的能力,这可减小空气空隙,帮助热传递。由于有机硅材料能获得优异的表面接触和底材无空隙覆盖,TIM经常选择有机硅材料。人们发现有机硅材料在热管理应用中具有出色稳定性,比有机材料暴露于同样条件下更能持久地保持其物理性质。

有机硅TIM可以以不同物理形式生产,包括热导粘结剂,空隙填充剂、凝胶、灌封剂、预成型片,甚至在特定温度下从固体至非流动膏剂的相变材料。类似于其它有机硅材料,有机硅TIM低模量意味着,它们的弹性足以吸收热膨胀系数(CTE)的差异,不会传递应力至组件或底材。热管理材料能用于特殊条件,包括低挥发性、阻燃性、低粘结厚度或其它要求。正因为有机硅TIM具有多种物理状态的特性,从而它能有效地满足不同应用的要求。

趋势:更高的耐热性

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。

作者简介:Rene Paquet,道康宁电子公司全球汽车电子产品主管, 助理科学家(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (5/8/2007)
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