إذا سبق لك أن حملت قطعة إلكترونية نجت من السقوط من على طاولة العمل، أو إلكترونيات أسفل غطاء السيارة التي تمر عبر الحفر وتقلبات درجات الحرارة، أو حتى مكونًا فضائيًا يتم نقله عبر الهواء المضطرب، فقد واجهت تخميد الاهتزازات في العمل. لا يفكر معظم الأشخاص في العمود الفقري الهادئ الذي يجعل هذه المتانة ممكنة، ولكن بالنسبة للمهندسين الذين يصممون البيئات عالية الاهتزاز، فإن مكون السيليكون هو أكثر بكثير من مجرد مادة مانعة للتسرب أو حشو - إنه العمود الفقري لإدارة الاهتزاز الموثوقة. باعتباري أحد موردي مكونات السيليكون مع عقود من الخبرة في دعم الصناعات من السيارات إلى أدوات التحكم الصناعية، فقد رأيت بنفسي كيف تتفوق هذه المادة على الخيارات الأخرى، ولكن فقط عندما تفهم كيف تترجم خصائصها الفريدة إلى أداء تخميد الاهتزاز في العالم الحقيقي.
للبدء، دعونا نحلل سبب كون الاهتزاز مشكلة خطيرة بالنسبة للمكونات الإلكترونية والميكانيكية. الاهتزاز - سواء كان ناتجًا عن ضوضاء الطريق، أو تشغيل المحرك، أو الاضطرابات الجوية - يخلق ضغطًا دوريًا على المفاصل الملحومة الصغيرة، وأجهزة الاستشعار الدقيقة، ولوحات الدوائر. بمرور الوقت، يؤدي هذا الضغط إلى فشل الكلال: يتشقق اللحام، وترتخي الموصلات، وتتوضع أجهزة الاستشعار بشكل غير صحيح، حتى لو لم ترتفع درجة حرارة المكون مطلقًا أو يبتل. وهنا يأتي دور مواد تخميد الاهتزاز: وظيفتها هي امتصاص تلك الطاقة الدورية، وتحويلها إلى كمية صغيرة من الحرارة، والحفاظ عليها من إتلاف الأجزاء الحساسة. يعتبر مكون السيليكون مناسبًا بشكل فريد لهذا الغرض نظرًا لبنيته الجزيئية: سلاسل بوليمر سيليكون طويلة ومرنة يمكنها التمدد وإعادة التوجيه دون أن تنكسر، مقترنة بدرجة حرارة منخفضة للتزجج (Tg) مما يعني أنها تظل مرنة حتى في الظروف الباردة حيث تتصلب المواد الأخرى وتتشقق.
دعونا نقارن ذلك بالمواد البديلة الشائعة لوضع هذا في نصابه الصحيح. الإيبوكسيات، على سبيل المثال، صلبة وتوفر دعمًا هيكليًا جيدًا، لكن ارتفاع Tg يعني أنها تصبح هشة في درجات حرارة تحت الصفر، وتتحول إلى مخمد اهتزازات ضعيف تمامًا عندما تعمل المعدات مثل الآلات الزراعية أو المركبات على الطرق الوعرة في الشتاء. تعتبر مادة اليوريثان أكثر مرونة قليلاً من الإيبوكسي، ولكنها يمكن أن تتحلل نتيجة التعرض للأشعة فوق البنفسجية أو درجات الحرارة المرتفعة (مثل بيئة غطاء المحرك البالغة 120 درجة مئوية التي تواجهها العديد من مكونات السيارات)، مما يؤدي إلى فقدان أداء التخميد بمرور الوقت. من ناحية أخرى، يحافظ مكون السيليكون على مرونته عبر نطاق درجة حرارة يتراوح من -60 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية للعديد من التركيبات، وهو بالضبط النطاق الذي تعمل فيه معظم التطبيقات ذات الاهتزازات الثقيلة.
الآن، دعونا ندخل في مقاييس الأداء المحددة التي تهم تخميد الاهتزازات. الرقم الرئيسي هنا هو ظل الخسارة (tan δ)، والذي يقيس قدرة المادة على تبديد طاقة الاهتزازات. تعني قيمة tan δ الأعلى من 0.1 أن المادة فعالة في التخميد؛ القيم الأعلى من 0.3 تعني أنها فعالة للغاية. تحتوي معظم السيليكونات المكونة لتخميد الاهتزاز على تان δ بين 0.2 و 0.5 عبر نطاق درجة الحرارة التشغيلية، والذي يتفوق في الأداء على كل من الإيبوكسيات (عادةً تان δ <0.1) وحتى العديد من مواد تخميد الاهتزاز المتخصصة من اليوريثان (والتي غالبًا ما تنخفض إلى أقل من 0.1 في درجات الحرارة القصوى). وهذا يعني أنه عندما يتعرض وعاء مكون أو محكم الغلق بمكون السيليكون للاهتزاز، فإنه يمتص 20-50% من تلك الطاقة الدورية، بدلاً من السماح لها بالانتقال مباشرة إلى الأجزاء الداخلية.
لكن ليس فقط حجم السمرة هو ما يهم، بل إن كيفية تطبيق السيليكون تُحدث فرقًا كبيرًا. على سبيل المثال، تعالج مركبات تأصيص السيليكون المكونة من مكونين لتكوين طبقة موحدة وخالية من الإجهاد حول المكونات، وهي مثالية لتغليف لوحات الدوائر التي تحتاج إلى حماية كاملة من الاهتزاز. ملكنامركب تأصيص السيليكون SO-820 | UL 94 V-0 RTV مواد التغليف تايوانتم تركيبه خصيصًا لهذا الغرض: يحتوي على سُمرة δ تبلغ 0.35 في درجة حرارة الغرفة، ويعالج دون أن ينكمش (ميزة كبيرة لأن الانكماش يخلق ضغطًا داخليًا يمكن أن يؤدي إلى فشل المكونات)، ويلبي مقاومة اللهب UL 94 V-0 للتطبيقات التي تكون فيها السلامة من الحرائق مصدر قلق. لقد عملت مع إحدى شركات تصنيع السيارات التي تحولت من وضع الأصيص بالإيبوكسي إلى SO-820 لوحدات التحكم في المحرك (ECUs) الخاصة بها وشهدت انخفاضًا بنسبة 70% في حالات الفشل المرتبطة بالاهتزاز في الميدان على مدار 18 شهرًا. السبب؟ تطابقت مرونة السيليكون مع معامل التمدد الحراري (CTE) لمواد لوحة الدائرة بشكل أفضل من الإيبوكسي، لذلك عندما يتم تسخين وحدة التحكم الإلكترونية وتبريدها أثناء التشغيل، فإنها تتحرك مع اللوحة بدلاً من خلق ضغط على مفاصل اللحام - بينما تمتص أيضًا اهتزاز الطريق والمحرك الذي قد يؤدي إلى كسر التوصيلات.
بالنسبة للتطبيقات التي لا تحتاج إلى تغليف كامل، مثل مستشعرات الغلق أو الموصلات، غالبًا ما تكون سيليكونات RTV المكونة من مكون واحد هي الخيار الأفضل. ملكناRtv-1 ألكوكسي مانع تسرب السيليكون الإلكترونييُعالج عند ملامسته للرطوبة، مما يجعل من السهل تطبيقه في الموقع أو أثناء التجميع، وله درجة سُمرة تبلغ 0.28 عبر -40 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية. أتذكر أحد العملاء في صناعة المعدات الزراعية الذي كان يواجه مشكلات تتعلق بالاهتزاز الناتج عن محركات الجرارات التي تهز مستشعرات السرعة الخاصة بها. كانوا يستخدمون مادة لاصقة للأغراض العامة والتي تصلب إلى طبقة صلبة في غضون شهر، وسوف يتحرك المستشعر. يتيح التبديل إلى مانع التسرب السيليكوني RTV-1 الخاص بنا السماح للمستشعر بالتحرك قليلاً مع الاهتزاز، بينما تمتص خصائص التخميد الخاصة بالسيليكون ضجيج المحرك عالي التردد الذي كان يؤدي إلى فك الحامل. لقد أبلغوا عن عدم وجود أي أعطال في أجهزة الاستشعار ذات الصلة بالاهتزاز بعد التبديل، مما وفر لهم أكثر من 20000 دولار من مطالبات الضمان في موسم حصاد واحد.
تطبيق آخر شائع للاهتزاز الثقيل هو الجزء السفلي من السيارة وإلكترونيات الجسم. تعتبر مانعات التسرب المصنوعة من السيليكون الأبيض لنقل الحرارة في السيارات ذات غرض مزدوج: فهي تغلق وتبدد الحرارة وترطب الاهتزازات. ملكنامادة مانعة للتسرب من السيليكون لنقل الحرارة للسيارات باللون الأبيضيتمتع بموصلية حرارية تبلغ 0.8 وات/م ك (أعلى بكثير من مانعات التسرب السيليكونية القياسية، والتي تبلغ حوالي 0.2 وات/م ك) بالإضافة إلى تان δ يبلغ 0.3 عبر نطاق درجة الحرارة النموذجي تحت الغطاء. بالنسبة لأنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية (BMS)، حيث تتعرض الوحدات لاهتزاز الطريق وتحتاج إلى البقاء في درجة حرارة ثابتة، فإن مانع التسرب هذا مثالي: فهو يربط وحدات البطارية بالهيكل، ويمتص الاهتزاز الذي قد يؤدي إلى إرهاق توصيلات الوحدة، ويزيل الحرارة المتولدة أثناء الشحن والتفريغ. لقد عملنا مع شركة تصنيع سيارات كهربائية ناشئة قامت باختبار مادة مانعة للتسرب هذه مقابل منتج يوريتان منافس على وحدات BMS الخاصة بها. بعد 1000 ساعة من اختبار الاهتزاز عند 10 جم (معيار لمكونات السيارات)، طور اليوريثان المنافس شقوقًا صغيرة سمحت بدخول الرطوبة، بينما لم يُظهر مانع التسرب السيليكوني الخاص بنا أي علامات للتشقق وحافظ على خصائصه المخمدة.
ولكن ليست كل مكونات السيليكون متساوية في تخميد الاهتزاز. هناك بعض العوامل الأساسية التي يجب البحث عنها عند اختيار المادة المناسبة لتطبيقك. أولاً، سرعة المعالجة: إذا كنت بحاجة إلى معالجة الأجزاء بسرعة، فيمكن استخدام نظام مكون من مكونين مثل نظامنامكون من جزأين من مركب السيليكون الكهربائيإن المعالجة خلال 15-30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة أفضل من نظام المعالجة البطيئة المكون من جزء واحد. إذا كنت تقوم بالإصلاح في الموقع أو تقوم بالإصلاح على أجزاء كبيرة، فاستخدم نظامًا من جزء واحد مثل نظامنامادة مانعة للتسرب من السيليكون مكونة من جزء واحدقد يكون العلاج خلال 24 ساعة أكثر عملية. ثانيًا، نطاق درجة الحرارة: إذا كان تطبيقك سيتعرض للبرد أو الحرارة الشديدة، فتأكد من أن Tg للسيليكون أقل من أدنى درجة حرارة تشغيل وأعلى من الأعلى. تحتوي العديد من مكونات السيليكون منخفضة الجودة على قيم Tg تبلغ حوالي -20 درجة مئوية، مما يعني أنها تصبح صلبة عند درجات حرارة أقل من ذلك، مما يفقد قدرتها على التخميد. تتميز جميع تركيباتنا التي تركز على الاهتزاز بقيم Tg أقل من -50 درجة مئوية، لذلك تظل مرنة حتى في البيئات القطبية أو البيئات المرتفعة.
هناك عامل آخر غالبًا ما يتم تجاهله وهو الالتصاق. لا يعمل مخمد الاهتزاز إلا إذا تم ربطه بشكل صحيح بالمكونات التي يحميها. إذا انفصل السيليكون عن لوحة الدائرة أو الهيكل، فلن يتمكن من امتصاص الطاقة، مما يؤدي إلى نفس الفشل مثل عدم وجود مخمد على الإطلاق. ولهذا السبب تم تصنيع جميع مكونات السيليكون الخاصة بنا باستخدام معززات التصاق مصممة خصيصًا للركائز الشائعة مثل لوحات الدوائر FR-4، وأغطية الألومنيوم، والأغلفة البلاستيكية. كما نقدم أيضًا إرشادات معالجة الأسطح لضمان الترابط المناسب، لأنه حتى أفضل المواد لن تعمل إذا تم تطبيقها بشكل غير صحيح.
لقد رأيت مشاريع حيث تحول المهندسون إلى سيليكون ذو سمرة أعلى ولكن لا يزال لديهم فشل في الاهتزاز لأنهم لم يجهزوا السطح بشكل صحيح، مما أدى إلى التصفيح بعد بضعة أشهر من الاستخدام. إنها خطوة بسيطة، ولكنها تُحدث فرقًا كبيرًا في الأداء في العالم الحقيقي.
دعونا نتحدث عن المتانة على المدى الطويل أيضًا، لأن تخميد الاهتزازات لا يحدث مرة واحدة. تفقد العديد من المواد خصائص التخميد بمرور الوقت بسبب التعرض للبيئة: الأشعة فوق البنفسجية، أو المواد الكيميائية، أو دورات درجة الحرارة. تتمتع مكونات السيليكون، وخاصة الدرجات المصممة خصيصًا لدينا، بمقاومة ممتازة لهذه العوامل. على سبيل المثال، تم اختبار مركب تأصيص السيليكون SO-820 لمدة 10 سنوات من التعرض في الهواء الطلق ولا يزال يحتفظ بنسبة 90% من أسمره الأصلي δ. وهذا أمر بالغ الأهمية لتطبيقات مثل لوحات التحكم الصناعية في المواقع النائية، أو المعدات الزراعية المعرضة للغبار والرطوبة والأشعة فوق البنفسجية من التعرض لأشعة الشمس. استخدم أحد العملاء في صناعة التعدين مركب بوتينغ السيليكون الكهربائي المكون من جزأين على أجهزة الاستشعار المستخدمة في معدات الحفر، والتي تعمل في درجات حرارة تتراوح من -10 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية وتتعرض لاهتزاز مستمر عالي التردد. وبعد ثلاث سنوات من العمل الميداني، كان معدل فشل هذه المستشعرات أقل من 0.5%، مقارنة بـ 12% عندما استخدموا مركب تأصيص يوريتان يتحلل بسبب الغبار والحرارة.
الآن، أريد أن أكون شفافًا بشأن المواضع التي قد لا يكون فيها مكون السيليكون هو الخيار الأفضل. إذا كنت بحاجة إلى رابطة هيكلية صلبة أو تعمل في تطبيقات ذات درجة حرارة عالية جدًا تزيد عن 200 درجة مئوية (بالنسبة لتلك التطبيقات، فإن الإيبوكسيات المملوءة بالسيراميك أو السبائك المعدنية هي الأفضل)، فقد لا يكون مكون السيليكون مناسبًا. ولكن بالنسبة لـ 90% من التطبيقات شديدة الاهتزاز - إلكترونيات السيارات، وأجهزة التحكم الصناعية، ومكونات الفضاء الجوي، والمعدات الزراعية، وحتى الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف الذكية التي يتم إسقاطها بانتظام - فهو الخيار الأكثر موثوقية وفعالية من حيث التكلفة. قد تكون التكلفة الأولية أعلى قليلاً من تكلفة الإيبوكسيات أو المواد اللاصقة العامة، ولكن التوفير طويل المدى الناتج عن انخفاض مطالبات الضمان، وعدد أقل من حالات الفشل الميداني، وعمر المكونات الأطول يجعل الأمر يستحق الاستثمار.
إذا كنت تعمل في مشروع يمثل فيه الاهتزاز مشكلة، أو كنت تتطلع إلى ترقية حل التخميد الحالي لديك، فأنا أشجعك على التواصل مع فريقنا. لقد ساعدنا المئات من العملاء عبر الصناعات في اختيار مكون السيليكون المناسب لاحتياجاتهم الخاصة من الاهتزاز ودرجة الحرارة والتطبيق، ويمكننا توفير تركيبات مخصصة ودعم الاختبار والتوجيه الفني للتأكد من أن مكوناتك تظل موثوقة حتى في أصعب الظروف.
مراجع
- لاندروك، آه (1995).دليل تكنولوجيا المواد اللاصقة(الطبعة الثانية). وليام أندرو للنشر.
- ASTM D4065 – 21، طريقة الاختبار القياسية للمواد البلاستيكية: الخواص الميكانيكية الديناميكية: الشد والانحناء والتأثير عند درجات حرارة أعلى وتحت درجة حرارة الغرفة. ASTM الدولية.
- جمعية مهندسي السيارات (SAE) J1455، طريقة الاختبار القياسية للاختبار البيئي لمعدات النقل الإلكترونية.
- سيلفا، مف، وآخرون. (2005). خصائص تخميد الاهتزاز للمركبات القائمة على السيليكون لتطبيقات السيارات.اختبار البوليمر، 24(7)، 884-890.