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據(jù)估計，現(xiàn)今所有汽車應(yīng)用創(chuàng)新中85%與電氣和/或電子相關(guān)。由于機電正逐漸快速的替代傳統(tǒng)機械和液壓功能，以及消費者對新附加價值的電子功能的要求，一些專家相信，每輛車電子技術(shù)價值含量不久可達到平均40%，而十年前人們還認為這不可能。不幸的是，由于電氣/電子故障引起的故障率也呈上升趨勢，促使oem和1級供用商采用苛刻的可靠性標準，從而使得許多制造商努力尋求改變這一趨勢的新材料和新設(shè)計。 熱（特別是高濕度和其它不利環(huán)境條件也同時存在時）經(jīng)常導致元器件失效。當溫度大范圍波動時（汽車應(yīng)用中最常見情況)， 接頭和元器件會經(jīng)歷熱膨脹和收縮引起的疲勞，從而導致機械故障。金屬樹枝狀結(jié)晶可在電路板痕跡之間的緊湊空間中生長，最終導致短路和元器件失效。人們也發(fā)現(xiàn)半導體器件可靠性和壽命取決于連接點溫度，溫度降低10－15°c就可提高元件壽命兩倍。 傳統(tǒng)材料化學 傳統(tǒng)電子設(shè)備材料用于改善汽車電子產(chǎn)品可靠性，包括廣泛的化學材料和應(yīng)用。材料通常為環(huán)氧樹脂、 聚氨酯橡膠、 聚異丁烯(pib)、對二甲苯和丙烯酸，每一種材料具有其獨特優(yōu)點和局限性。應(yīng)用包括粘合劑、密封膠、 敷形涂料、 凝膠、灌封劑和導熱材料。 環(huán)氧樹脂材料通常都能與不同的底材粘結(jié)。它們能在室溫或加熱下固化。但如果長期用于高溫環(huán)境中，它們的性能就會受限。環(huán)氧樹脂通常堅硬，不透明，能提供良好的耐磨損性、耐潮濕性和耐化學性。和其它硬涂料一樣，環(huán)氧樹脂不能降低元件、電路和基材之間不同程度熱膨脹引起的應(yīng)力。實際上， 它們可導致極端溫度或熱循環(huán)之間的總應(yīng)力。 聚氨酯橡膠也能粘結(jié)于不同的常用底材， 能在固化材料中提供大范圍的柔軟性(低模量)。盡管能提供良好的耐磨損、耐化學、耐油特性，但它們通常也需要使用底漆才能獲得與金屬之間的良好粘結(jié)強度。聚氨酯橡膠配方通常展現(xiàn)出較低濕氣穿透性和良好的低溫柔軟性，具有降低應(yīng)力的能力。 大多數(shù)聚氨酯橡膠具有有限高溫性能，它們很難應(yīng)付這些高溫環(huán)境，特別是高濕度環(huán)境，而且不易修復(fù)。 和聚氨酯橡膠類似，聚異丁烯配方能粘結(jié)于不同底材， 固化時能提供較廣彈性范圍，同時也提供良好的低溫性能，但是對溶劑、油類、燃油和化學品的耐受性相對較差。 由于能提供非常均勻的涂層、良好的穿透特性和優(yōu)異的針腳覆蓋，對二甲苯被用于敷形涂料合成。但它的缺點，包括相對高成本、對污染物敏感、震動時容易開裂和需要在真空中應(yīng)用本材料，也限制了它的使用。 丙烯酸材料與不同底材具有良好粘結(jié)性， 能在室溫下固化或在加熱下加速固化。 它們具有出色的低濕氣吸收性，良好的操作性和快速干燥，但是它們在熱和水解穩(wěn)定性方面具有明顯缺陷。 一般溶劑型配方能固化成硬的耐磨固體，丙烯酸通常被視為低成本選擇，但是基于不斷變化的規(guī)范要求和對溶劑使用的安全考慮，它的競爭力正在下降。 由于其堅硬性，丙烯酸缺乏降低熱沖擊中膨脹和收縮引起的應(yīng)力的能力。 有機硅材料 在電子工業(yè)中，有機硅經(jīng)常用作不同聚合材料的總稱，大多數(shù)商用有機硅配方都基于pdms(聚二甲基硅氧烷)分子式。 電子元件制造商以粘結(jié)劑、密封劑、灌封膠、凝膠、敷形涂料、熱管理材料，甚至元件封裝材料和半導體涂料形式提供有機硅配方。 另外，硅是有機硅的基本材料。純硅是半導體金屬，是大部分主動性半導體元件的主要材料。 有機硅化學提供一系列不同的保護材料，包括堅韌、耐摩擦彈塑性涂料和軟質(zhì)、消除應(yīng)力彈性體產(chǎn)品。 電路板制造商可在一系列的室溫固化(rtv)材料（室溫固化材料能在中溫下加速固化）中進行選擇，也可指定適合于高速加工的無溶劑熱固化配方。 有機硅的性能使得汽車電子產(chǎn)品元件具有更高的可靠性和更長的壽命。 這些性能包括: 熱穩(wěn)定性、彈性、耐濕性、對常用底材粘附性、低離子雜質(zhì)以及與加工技術(shù)的相容性。 30年前有機硅材料第一次用于電子應(yīng)用時，其最有用的性質(zhì)之一是在廣泛溫度和頻率范圍下穩(wěn)定的介電性能。 有機硅聚合物分子間作用力隨時間變化非常小（甚至在很廣的溫度波動下也一樣），因而物理性能和電氣性能非常穩(wěn)定。 另一個改善元件可靠性的重要因素是耐濕性。 有機硅憎水性意味著它們不容易吸收水分子。 同時，高氣體滲透性使得濕氣快速散逸，從而消除潛在腐蝕源。此外，pdms非常低的表面張力和優(yōu)異的潤濕特性，以及通過先進的粘性增強劑得到的粘結(jié)特性，幫助實現(xiàn)無空隙粘結(jié)，從而進一步提高整體可靠性。 由于彈性材料能幫助減小振動影響并能吸收可能破壞敏感組件和底材的熱膨脹差異，因而低模量對于使電子組件應(yīng)力最小化也很重要。在汽車電子典型操作溫度范圍中，當前有機硅配方不顯示出玻璃溫度(tg)，因此模量在這個周期中保持相當恒定。這一表現(xiàn)明顯不同于用于電子的彈性環(huán)氧樹脂。彈性環(huán)氧樹脂的模量在汽車應(yīng)用經(jīng)常遇到的極端高低溫之間增加三個以上的數(shù)量級。 固化有機硅呈化學惰性，極端穩(wěn)定。 許多產(chǎn)品在溫度在250°c 范圍(-50°c"+200°c)內(nèi)變動時進行操作，也能保持其物理性質(zhì)。這使得有機硅成為能承受惡劣環(huán)境（汽車電子元件必須工作的惡劣環(huán)境）的化學材料之一。 應(yīng)用 粘結(jié)劑/密封劑主要用于在電子模塊之中粘結(jié)組件，或用于封裝外殼來隔離灰塵、水或其它雜質(zhì)。有機硅粘結(jié)劑主要優(yōu)勢在于其通過獨特的彈性和應(yīng)力消除提高可靠性的潛力。 當元件和電路板由于快速熱循環(huán)膨脹收縮時，彈性體有機硅粘結(jié)劑有助于吸收熱膨脹，避免由剛性粘結(jié)劑傳遞至組件的應(yīng)力。 它們的獨特熱穩(wěn)定性使得它們能在極端溫度和反復(fù)熱沖擊下保持彈性。 圖 1: 有機硅粘結(jié)劑用作晶片粘著，元件粘著，上蓋密封和其它高要求應(yīng)用，抵抗極端溫度和極端操作環(huán)境中的污染。 規(guī)范制訂者經(jīng)常會尋找固化后具有最高拉伸強度的粘結(jié)劑，但是這種材料通常堅硬，延展性較差，因而不會產(chǎn)生熱脹移動。熱循環(huán) 期間或長期使用后，電路表面升高的應(yīng)力能損壞元件或連接，從而導致設(shè)備故障。 在汽車電子應(yīng)用中，使用具有良好緊密粘著性的材料會更好，該粘著性能在多種使用環(huán)境下長時期維持其性能不變。由于其固化后低模量，有機硅粘結(jié)劑能非常有效地消除熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，從而明顯增強可靠性和使用壽命。 某些應(yīng)用或加工工藝具有獨特的高要求，需要使用獨特性質(zhì)的粘結(jié)劑。例如，有些有機硅設(shè)計用于在低溫下固化，這對熱敏感性元件和底材特別有用。其它應(yīng)用中，它適合于質(zhì)量控制驗收，用以驗證材料在轉(zhuǎn)移至下一步生產(chǎn)步驟之前是否應(yīng)用正確。這些案例中，有機硅粘結(jié)劑常和紫外線染料共同設(shè)計成允許感應(yīng)器或照相控制系統(tǒng)核實是否獲得必須的覆蓋率。特殊中間體也能用于合成具有極端低揮發(fā)性的有機硅粘結(jié)劑，一些粘結(jié)劑的揮發(fā)物含量足夠低至可列為航空級別材料。 當存在散熱問題時，使用導熱填料可顯著增強有機硅粘結(jié)劑熱導率。熱導有機硅粘結(jié)劑設(shè)計用于幫助消除組件和電路的熱量，從而使得高溫條件下發(fā)動機艙內(nèi)元器件的更高可靠性和更長壽命。 有機硅能利用兩種截然不同的粘結(jié)機理：機械和化學。 機械粘結(jié)是物理粘結(jié)，依賴于表面粗糙度、潤濕和滲透。表面清潔性對機械粘結(jié)很重要，底材必須相對不含雜質(zhì)、塑化劑和油。化學粘結(jié)通過催化粘結(jié)劑和底材之間的反應(yīng)進行。 有機硅粘結(jié)劑提供特別多方面的加工性，具有很廣的固化條件。 許多產(chǎn)品能在室溫下固化。加熱可加速一些產(chǎn)品固化。某些配方易于調(diào)節(jié)粘度，允許制造商在高速、高熱生產(chǎn)線和不可承受高溫的溫度敏感組件下使用同種粘結(jié)劑。某些應(yīng)用中的另一個優(yōu)點是特定流動性質(zhì)，無論組裝件是否需要固位的高粘度膏劑或能填補空隙和不規(guī)則溝道的可流動的自流平粘結(jié)劑。 敷形涂料用于電路板和零件上的薄層，增加環(huán)境和機械保護，能明顯延長使用壽命。有機硅敷形涂料保護元件和電路免受濕氣和雜質(zhì)的影響，幫助避免導體和焊接頭短路和腐蝕。同樣它們也保護敏感元件和電路免受溶劑和刮擦影響。 一般來說，有機硅涂料提供極端廣泛的溫度波動范圍、 良好的穩(wěn)定性和耐濕性、多樣加工性、低毒性和易于修復(fù)性。 和它們粘結(jié)劑競爭對手一樣，有機硅敷形涂料既是堅硬、耐刮擦的固體同時也是一種至軟的彈性材料，使得使用者能選擇最適合于特定應(yīng)用的配方。 使用敷形涂料保護電路的關(guān)鍵因素之一是其獲得所有具有良好粘結(jié)力的表面完整覆蓋率的能力。 有機硅非常低的表面張力和優(yōu)異的潤濕特性幫助實現(xiàn)一個無空隙黏結(jié)，從而通過不允許任何濕氣冷凝的空間而獲得整體可靠性。有機硅透氣性意味著，任何涂層以下的濕氣可散逸，液態(tài)形式的濕氣可排出。 發(fā)動機艙內(nèi)電子元器件應(yīng)用經(jīng)常要求敷形涂料具有更強柔軟性，以避免腳距和極小元件上出現(xiàn)不必要的應(yīng)力。硬質(zhì)敷形涂料、底材及元件之間的熱膨脹系數(shù)(cte)差異實際上能損壞細小引腳和接頭，特別是在反復(fù)溫度循環(huán)條件下。這使得涂層損壞了用做被保護的底材。彈性有機硅涂料幫助降低熱循環(huán)導致的電線損壞率和電路損壞，從而具有更高可靠性和更低質(zhì)量問題。 傳統(tǒng)上通過噴涂、浸漬、注射或流涂應(yīng)用，有機硅越來越多地用于選擇性涂布和自動涂布操作，從而使高速自動加工成為可能。一些配方設(shè)計用于室溫或加熱加速固化，另一些配方則專門為高速、高溫加工而開發(fā)。 圖2: 低粘度有機硅敷形涂料噴涂，應(yīng)用于組裝電路板。其無需溶劑就能調(diào)節(jié)粘度的能力使得低粘度有機硅敷形涂料噴涂能適用于尺寸變化很廣的組件、保護要求和加工設(shè)備。 灌封劑是設(shè)計為完全植入電子元件和電路的保護材料。它們特別用于將電路與非常惡劣的使用環(huán)境隔離，并為高壓電路提供高壓絕緣，從而保護接頭免受熱和機械應(yīng)力的影響。有機硅灌封劑通常都用于厚層。 越來越多的有機硅灌封劑具有自粘著能力，當固化加熱至100°c以上時， 它們能很好地與許多常用底材粘結(jié)。 而其它材料則需要先噴底漆才能獲得完全粘結(jié)。在接近實際使用條件下的測試(或加速測試)對于預(yù)測任何應(yīng)用中的長期性能是很關(guān)鍵的。 就像多數(shù)有機硅產(chǎn)品一樣，灌封劑也能提供多種選擇。它們具有高抗剪強度，光學清澈性，阻燃性或極端低溫性能。特定材料提供熱導性或揮發(fā)性，而其它材料用于滿足ul規(guī)范。 有機硅灌封劑通常以無溶劑雙組分液體的形式提供，此液體的混合比率為1:1 (基于固化劑)。 而有些配方則設(shè)計成10:1的比率。 當以恰當?shù)谋壤旌蠒r，它們固化成有彈性的無應(yīng)力彈性體。有些材料室在溫下就可以固化，而其它材料則需要加熱才可以固化。 有機硅灌封劑的皺縮通常都最小，它們不釋放熱量(放熱曲線)或有害副產(chǎn)品。即使在完全密閉下，無論厚薄，它們均可固化。 絕緣凝膠是特殊等級的灌封劑，能固化成具有良好緩沖、彈性和自我修復(fù)性質(zhì)的極軟材料。膠體提供緩解熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的 最佳方法，同時保持彈性體體積穩(wěn)定。它們特別地用于厚層，用以完全密封更密架構(gòu)，特別是高密度引線。特別材料用于提高性能，諸如高光學穿透性，耐溶劑性和耐油性，低揮發(fā)性或阻燃性。 凝膠材料的主要特性是其本身固化后具有粘性表面，這使其能在無需底漆的情況下保持對多數(shù)底材的物理粘性。這一粘性使得有機硅在固化膠受損或被切割時能自我修復(fù)從而有效的重新密封組裝件。這一自我修復(fù)能力也允許在無需犧牲材料保護的情況下直接通過膠體使用探針來進行電路測試。很多其它材料不可能具有同樣的允許返工或修理的屬性。 和其它有機硅材料一樣，凝膠也具有良好潤濕特性，能與底材和元件緊密接觸，使得聚集濕氣的微觀空隙降低到最小。固化膠體容易排除液態(tài)水，允許周圍環(huán)境的濕氣穿透。 由于沒有機會在空隙或遮蓋的表面中積聚，空氣中濕氣不具有任何負面影響。 有機硅膠體是無溶劑配方，通常以雙組分低粘度液體的方式提供，其混合比率為1:1。 但也可以以單組分材料的方式提供，這樣就消除了計量和混合的需要。雙組分材料能在室溫或溫和加溫下固化，而單組分材料需要加熱固化，但是不產(chǎn)生熱量或副產(chǎn)品危害。 有些膠體專為用于高速加工的極快速紫外線光固化而設(shè)計。 和許多有機硅材料一樣，某種阻止固化的雜質(zhì)可影響凝膠固化。使用常用底材清潔劑，諸如vms(揮發(fā)性甲基硅氧烷)、異丙醇、甲苯或丙酮能得到最佳結(jié)果。 圖3: 雙組分有機硅凝膠能在特殊混合器中混合，提供1:1的比率。混合藍色和黃色組分后呈現(xiàn)的均勻綠色可證實這一點。 由于更小發(fā)動機艙和耗能組件驅(qū)使工程師前所未有地關(guān)注除去過量熱量的創(chuàng)新技術(shù)，汽車控制單元制造商越來越多的關(guān)注熱界面材料。tim(熱界面材料)是在熱源和其它表面或介質(zhì)(例如散熱片或周圍空氣)之間的熱導通道。意識到tim是電子設(shè)計中重要的熱阻源后，研究者正逐漸強調(diào)這些材料改進散熱性的潛力。 任何tim的一個重要特點是它具有與底材緊密接觸的能力，這可減小空氣空隙，幫助熱傳遞。 由于有機硅材料能獲得優(yōu)異的表面接觸和底材無空隙覆蓋，tim經(jīng)常選擇有機硅材料。人們發(fā)現(xiàn)有機硅材料在熱管理應(yīng)用中具有出色穩(wěn)定性，比有機材料暴露于同樣條件下更能持久地保持其物理性質(zhì)。 有機硅tim可以以不同物理形式生產(chǎn)，包括熱導粘結(jié)劑，空隙填充劑、凝膠、灌封劑、預(yù)成型片，甚至在特定溫度下從固體至非流動膏劑的相變材料。 類似于其它有機硅材料，有機硅tim低模量意味著，它們的彈性足以吸收熱膨脹系數(shù)(cte)的差異，不會傳遞應(yīng)力至組件或底材。 熱管理材料能用于特殊條件，包括低揮發(fā)性、阻燃性、低粘結(jié)厚度或其它要求。因為具有多種物理狀態(tài)，有機硅tim能滿足不同應(yīng)用的要求。 趨勢 許多汽車電子產(chǎn)品市場使用的有機粘結(jié)劑和保護材料不能承受新設(shè)計導致的更高熱量。更高可靠性要求也超過傳統(tǒng)用于生產(chǎn)元件和電路板的產(chǎn)品極限。更高溫度也會加劇熱膨脹系數(shù)(cte)的不匹配，增加了元件表面的應(yīng)力，導致彎曲、物理損壞和過早故障。 在目前和剛問世的汽車設(shè)計中，發(fā)動機艙中的更高溫度和增加的電子元件功率（特別是在機電應(yīng)用或hev(混合電氣車輛)控制單元中）都導致需要更高的耐熱性。 此外，光學清澈的有機硅正快速進入汽車市場，這越來越明顯地體現(xiàn)在：它們是發(fā)光二極管和成型光學儀器和光學感應(yīng)器穩(wěn)定性保護的關(guān)鍵因素。 由于物理性質(zhì)和廣泛商用的加工屬性，有機硅不久會成為汽車電子產(chǎn)品的啟動器。通過改進電子、光學電路和組件的性能并減少其故障，有機硅材料設(shè)計用于滿足汽車工業(yè)對更安全，更輕型，更高性能元件的需求– 具有比以往更高的可靠性–能在逐漸惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。 |
