有機(jī)硅增強(qiáng)汽車電子產(chǎn)品的可靠性

據(jù)估計(jì)，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(jī)電正逐漸快速的替代傳統(tǒng)機(jī)械和液壓功能，以及消費(fèi)者對(duì)新附加價(jià)值的電子功能的要求，一些專家相信，每輛車電子技術(shù)價(jià)值含量不久可達(dá)到平均40%，而十年前人們還認(rèn)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(shì)，促使oem和1級(jí)供用商采用苛刻的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，從而使得許多制造商努力尋求改變這一趨勢(shì)的新材料和新設(shè)計(jì)。

熱(特別是高濕度和其它不利環(huán)境條件也同時(shí)存在時(shí))經(jīng)常導(dǎo)致元器件失效。當(dāng)溫度大范圍波動(dòng)時(shí)(汽車應(yīng)用中最常見情況)， 接頭和元器件會(huì)經(jīng)歷熱膨脹和收縮引起的疲勞，從而導(dǎo)致機(jī)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(zhǎng)，最終導(dǎo)致短路和元器件失效。人們也發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件可靠性和壽命取決于連接點(diǎn)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(xué)

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(xué)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(duì)二甲苯和丙烯酸，每一種材料具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)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(zhǎng)期用于高溫環(huán)境中，它們的性能就會(huì)受限。環(huán)氧樹脂通常堅(jiān)硬，不透明，能提供良好的耐磨損性、耐潮濕性和耐化學(xué)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(shí)際上， 它們可導(dǎo)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(xué)、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(qiáng)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(shí)能提供較廣彈性范圍，同時(shí)也提供良好的低溫性能，但是對(duì)溶劑、油類、燃油和化學(xué)品的耐受性相對(duì)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(duì)二甲苯被用于敷形涂料合成。但它的缺點(diǎn)，包括相對(duì)高成本、對(duì)污染物敏感、震動(dòng)時(shí)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?cè)跓岷退夥€(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(duì)溶劑使用的安全考慮，它的競(jìng)爭(zhēng)力正在下降。 由于其堅(jiān)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(jī)硅材料

在電子工業(yè)中，有機(jī)硅經(jīng)常用作不同聚合材料的總稱，大多數(shù)商用有機(jī)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(dǎo)體涂料形式提供有機(jī)硅配方。 另外，硅是有機(jī)硅的基本材料。純硅是半導(dǎo)體金屬，是大部分主動(dòng)性半導(dǎo)體元件的主要材料。

有機(jī)硅化學(xué)提供一系列不同的保護(hù)材料，包括堅(jiān)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(jìn)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(jī)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(zhǎng)的壽命。 這些性能包括: 熱穩(wěn)定性、彈性、耐濕性、對(duì)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(jī)硅材料第一次用于電子應(yīng)用時(shí)，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(jī)硅聚合物分子間作用力隨時(shí)間變化非常小(甚至在很廣的溫度波動(dòng)下也一樣)，因而物理性能和電氣性能非常穩(wěn)定。

另一個(gè)改善元件可靠性的重要因素是耐濕性。 有機(jī)硅憎水性意味著它們不容易吸收水分子。 同時(shí)，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(jìn)的粘性增強(qiáng)劑得到的粘結(jié)特性，幫助實(shí)現(xiàn)無空隙粘結(jié)，從而進(jìn)一步提高整體可靠性。

由于彈性材料能幫助減小振動(dòng)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(duì)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(dāng)前有機(jī)硅配方不顯示出玻璃溫度(tg)，因此模量在這個(gè)周期中保持相當(dāng)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(gè)以上的數(shù)量級(jí)。

.

固化有機(jī)硅呈化學(xué)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(dòng)時(shí)進(jìn)行操作，也能保持其物理性質(zhì)。這使得有機(jī)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(xué)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(jī)硅粘結(jié)劑主要優(yōu)勢(shì)在于其通過獨(dú)特的彈性和應(yīng)力消除提高可靠性的潛力。 當(dāng)元件和電路板由于快速熱循環(huán)膨脹收縮時(shí)，彈性體有機(jī)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(dú)特?zé)岱€(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(jī)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(huì)尋找固化后具有最高拉伸強(qiáng)度的粘結(jié)劑，但是這種材料通常堅(jiān)硬，延展性較差，因而不會(huì)產(chǎn)生熱脹移動(dòng)。熱循環(huán)

期間或長(zhǎng)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(dǎo)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(huì)更好，該粘著性能在多種使用環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)期維持其性能不變。由于其固化后低模量，有機(jī)硅粘結(jié)劑能非常有效地消除熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，從而明顯增強(qiáng)可靠性和使用壽命。

某些應(yīng)用或加工工藝具有獨(dú)特的高要求，需要使用獨(dú)特性質(zhì)的粘結(jié)劑。例如，有些有機(jī)硅設(shè)計(jì)用于在低溫下固化，這對(duì)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(yàn)收，用以驗(yàn)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(jī)硅粘結(jié)劑常和紫外線染料共同設(shè)計(jì)成允許感應(yīng)器或照相控制系統(tǒng)核實(shí)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(jī)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(jí)別材料。

當(dāng)存在散熱問題時(shí)，使用導(dǎo)熱填料可顯著增強(qiáng)有機(jī)硅粘結(jié)劑熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)有機(jī)硅粘結(jié)劑設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)艙內(nèi)元器件的更高可靠性和更長(zhǎng)壽命。

有機(jī)硅能利用兩種截然不同的粘結(jié)機(jī)理：機(jī)械和化學(xué)。 機(jī)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(duì)機(jī)械粘結(jié)很重要，底材必須相對(duì)不含雜質(zhì)、塑化劑和油?；瘜W(xué)粘結(jié)通過催化粘結(jié)劑和底材之間的反應(yīng)進(jìn)行。

有機(jī)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是特定流動(dòng)性質(zhì)，無論組裝件是否需要固位的高粘度膏劑或能填補(bǔ)空隙和不規(guī)則溝道的可流動(dòng)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(jī)械保護(hù)，能明顯延長(zhǎng)使用壽命。有機(jī)硅敷形涂料保護(hù)元件和電路免受濕氣和雜質(zhì)的影響，幫助避免導(dǎo)體和焊接頭短路和腐蝕。同樣它們也保護(hù)敏感元件和電路免受溶劑和刮擦影響。

一般來說，有機(jī)硅涂料提供極端廣泛的溫度波動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一樣，有機(jī)硅敷形涂料既是堅(jiān)硬、耐刮擦的固體同時(shí)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(hù)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(jī)硅非常低的表面張力和優(yōu)異的潤濕特性幫助實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jī)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(dòng)機(jī)艙內(nèi)電子元器件應(yīng)用經(jīng)常要求敷形涂料具有更強(qiáng)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(shí)際上能損壞細(xì)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(hù)的底材。彈性有機(jī)硅涂料幫助降低熱循環(huán)導(dǎo)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(jī)硅越來越多地用于選擇性涂布和自動(dòng)涂布操作，從而使高速自動(dòng)加工成為可能。一些配方設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)硅敷形涂料噴涂能適用于尺寸變化很廣的組件、保護(hù)要求和加工設(shè)備。

[photo courtesy of nordson asymtek corp。]

灌封劑是設(shè)計(jì)為完全植入電子元件和電路的保護(hù)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(hù)接頭免受熱和機(jī)械應(yīng)力的影響。有機(jī)硅灌封劑通常都用于厚層。

越來越多的有機(jī)硅灌封劑具有自粘著能力，當(dāng)固化加熱至100°c以上時(shí)， 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(shí)際使用條件下的測(cè)試(或加速測(cè)試)對(duì)于預(yù)測(cè)任何應(yīng)用中的長(zhǎng)期性能是很關(guān)鍵的。

就像多數(shù)有機(jī)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(qiáng)度，光學(xué)清澈性，阻燃性或極端低溫性能。特定材料提供熱導(dǎo)性或揮發(fā)性，而其它材料用于滿足ul規(guī)范。

有機(jī)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(jì)成10:1的比率。 當(dāng)以恰當(dāng)?shù)谋壤旌蠒r(shí)，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(jī)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(jí)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(jī)械應(yīng)力的 最佳方法，同時(shí)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(xué)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(duì)多數(shù)底材的物理粘性。這一粘性使得有機(jī)硅在固化膠受損或被切割時(shí)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(hù)的情況下直接通過膠體使用探針來進(jìn)行電路測(cè)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(jī)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(jī)會(huì)在空隙或遮蓋的表面中積聚，空氣中濕氣不具有任何負(fù)面影響。

有機(jī)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(jì)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(jì)。 和許多有機(jī)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(jī)硅凝膠能在特殊混合器中混合，提供1:1的比率?；旌纤{(lán)色和黃色組分后呈現(xiàn)的均勻綠色可證實(shí)這一點(diǎn)。

由于更小發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)通道。意識(shí)到tim是電子設(shè)計(jì)中重要的熱阻源后，研究者正逐漸強(qiáng)調(diào)這些材料改進(jìn)散熱性的潛力。

任何tim的一個(gè)重要特點(diǎn)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(jī)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(jī)硅材料。人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)硅材料在熱管理應(yīng)用中具有出色穩(wěn)定性，比有機(jī)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(jī)硅tim可以以不同物理形式生產(chǎn)，包括熱導(dǎo)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(dòng)膏劑的相變材料。 類似于其它有機(jī)硅材料，有機(jī)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(huì)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?yàn)榫哂卸喾N物理狀態(tài)，有機(jī)硅tim能滿足不同應(yīng)用的要求。

趨勢(shì)

許多汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)使用的有機(jī)粘結(jié)劑和保護(hù)材料不能承受新設(shè)計(jì)導(dǎo)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(huì)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(dǎo)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(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的更高溫度和增加的電子元件功率(特別是在機(jī)電應(yīng)用或hev(混合電氣車輛)控制單元中)都導(dǎo)致需要更高的耐熱性。 此外，光學(xué)清澈的有機(jī)硅正快速進(jìn)入汽車市場(chǎng)，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(xué)儀器和光學(xué)感應(yīng)器穩(wěn)定性保護(hù)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(jī)硅不久會(huì)成為汽車電子產(chǎn)品的啟動(dòng)器。通過改進(jìn)電子、光學(xué)電路和組件的性能并減少其故障，有機(jī)硅材料設(shè)計(jì)用于滿足汽車工業(yè)對(duì)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。