عملکرد کامپوننت سیلیکون در کاربردهای میرایی ارتعاش چگونه است؟

اگر تا به حال یک قطعه الکترونیکی را نگه داشته اید که پس از رها شدن از روی میز کار، وسایل الکترونیکی زیر کاپوت خودرو که از میان چاله ها و نوسانات دما عبور می کند، یا حتی یک قطعه هوافضا که از هوای متلاطم عبور کرده است، در حین کار میرایی ارتعاش را تجربه کرده اید. اکثر مردم به اسب کاری آرام که این دوام را ممکن می‌سازد فکر نمی‌کنند، اما برای مهندسانی که برای محیط‌های با لرزش بالا طراحی می‌کنند، سیلیکون جزء بسیار بیشتر از یک درزگیر یا پرکننده است - این ستون فقرات مدیریت ارتعاش قابل اعتماد است. به‌عنوان یک تامین‌کننده سیلیکون با چندین دهه تجربه در پشتیبانی از صنایع از خودرو گرفته تا کنترل‌های صنعتی، من به‌طور مستقیم مشاهده کرده‌ام که چگونه این ماده از سایر گزینه‌ها بهتر عمل می‌کند، اما تنها زمانی که درک کنید که چگونه خواص منحصر به فرد آن به عملکرد میرایی ارتعاش در دنیای واقعی ترجمه می‌شود.

برای شروع، بیایید توضیح دهیم که چرا ارتعاش چنین مشکل مهمی برای قطعات الکترونیکی و مکانیکی است. ارتعاش - چه ناشی از سر و صدای جاده، عملکرد موتور یا تلاطم جوی - باعث ایجاد استرس چرخه‌ای در اتصالات لحیم کاری شده، حسگرهای ظریف و تخته‌های مدار می‌شود. با گذشت زمان، این تنش منجر به خرابی خستگی می شود: ترک های لحیم کاری، شل شدن اتصالات، و عدم تراز سنسورها، حتی اگر قطعه هرگز بیش از حد گرم نشود یا خیس نشود. اینجاست که مواد ارتعاش وارد می شوند: وظیفه آنها جذب انرژی چرخه ای، تبدیل آن به مقدار کمی گرما و جلوگیری از آسیب رساندن به قسمت های حساس است. سیلیکون جزء به دلیل ساختار مولکولی‌اش برای این کار مناسب است: زنجیره‌های پلیمری سیلیکونی بلند و انعطاف‌پذیر که می‌توانند بدون شکستگی کشیده و تغییر جهت دهند، همراه با دمای انتقال شیشه‌ای پایین (Tg) که به این معنی است که حتی در شرایط سرد که مواد دیگر سخت می‌شوند و ترک می‌خورند، انعطاف‌پذیر می‌ماند.

بیایید آن را با مواد جایگزین رایج مقایسه کنیم تا این را در چشم انداز قرار دهیم. به عنوان مثال، اپوکسی‌ها سفت و سخت هستند و از ساختار خوبی پشتیبانی می‌کنند، اما Tg بالای آن‌ها به این معنی است که در دماهای زیر صفر شکننده می‌شوند و دقیقاً زمانی که تجهیزاتی مانند ماشین‌های کشاورزی یا وسایل نقلیه خارج از جاده در زمستان کار می‌کنند، به یک لرزشگیر ضعیف تبدیل می‌شوند. یورتان‌ها نسبت به اپوکسی‌ها کمی انعطاف‌پذیرتر هستند، اما می‌توانند در اثر قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش یا دماهای بالا (مانند محیط 120 درجه سانتی‌گراد زیر کاپوت که بسیاری از اجزای خودرو با آن روبرو هستند)، کاهش پیدا کنند، که منجر به از دست دادن عملکرد میرایی در طول زمان می‌شود. از طرف دیگر، سیلیکون جزء انعطاف پذیری خود را در محدوده دمایی -60 تا 200 درجه سانتیگراد برای بسیاری از فرمول ها حفظ می کند، که دقیقاً همان محدوده ای است که اکثر برنامه های کاربردی سنگین ارتعاش در آن کار می کنند.

اکنون، بیایید به معیارهای عملکرد خاصی که برای میرایی ارتعاش مهم است بپردازیم. عدد کلیدی در اینجا مماس از دست دادن (tan δ) است که توانایی یک ماده در اتلاف انرژی ارتعاشی را می سنجد. مقدار δ tan بالاتر از 0.1 به این معنی است که یک ماده در میرایی موثر است. مقادیر بالای 0.3 به این معنی است که بسیار موثر است. اکثر سیلیکون‌های جزء برای میرایی ارتعاش دارای tan δ بین 0.2 تا 0.5 در محدوده دمای عملیاتی خود هستند، که عملکرد بهتری از اپوکسی‌ها (معمولا tan δ<0.1) و حتی بسیاری از مواد ارتعاش اورتان تخصصی (که اغلب در دماهای شدید به زیر 0.1 می‌رسند) دارد. این بدان معناست که وقتی یک گلدان جزء یا مهر و موم شده با سیلیکون جزء در معرض ارتعاش قرار می گیرد، 20 تا 50 درصد انرژی چرخه ای را جذب می کند، نه اینکه اجازه دهد مستقیماً به قسمت های داخلی منتقل شود.

اما این فقط رنگ برنزه انبوه δ نیست که مهم است - نحوه استفاده از سیلیکون تفاوت زیادی ایجاد می کند. به عنوان مثال، ترکیبات دو جزئی گلدان سیلیکونی، برای تشکیل یک لایه یکنواخت و بدون تنش در اطراف اجزا، که برای محصور کردن بردهای مدار که نیاز به حفاظت کامل در برابر لرزش دارند، ایده آل است. ماترکیب گلدان سیلیکونی SO-820 | UL 94 V-0 RTV مواد کپسوله تایوانبه طور خاص برای این فرموله شده است: دارای tan δ 0.35 در دمای اتاق است، بدون انقباض عمل می کند (یک مزیت بزرگ زیرا انقباض باعث ایجاد استرس داخلی می شود که می تواند منجر به خرابی قطعه شود)، و مقاومت در برابر شعله UL 94 V-0 برای کاربردهایی که ایمنی آتش سوزی یک نگرانی است، برآورده می شود. من با یک سازنده خودرو کار کرده‌ام که از گلدان اپوکسی به SO-820 برای واحدهای کنترل موتور (ECU) خود تغییر داده است و شاهد کاهش 70 درصدی خرابی‌های مربوط به ارتعاش در میدان در طی 18 ماه بوده‌ام. دلیل؟ انعطاف‌پذیری سیلیکون با ضریب انبساط حرارتی (CTE) مواد برد مدار بهتر از اپوکسی مطابقت داشت، بنابراین همانطور که ECU در حین کار گرم و سرد می‌شد، به جای ایجاد استرس در اتصالات لحیم کاری، همراه با برد حرکت می‌کرد - در حالی که لرزش جاده و موتور را نیز جذب می‌کرد که در غیر این صورت اتصالات را ترک می‌کرد.

برای کاربردهایی که نیازی به کپسولاسیون کامل ندارند، مانند سنسورهای آب بندی یا کانکتورها، سیلیکون های RTV یک جزئی اغلب انتخاب بهتری هستند. مادرزگیر سیلیکونی الکترونیکی Rtv-1 Alkoxyدر صورت تماس با رطوبت، چسبندگی آن را در محل یا در حین مونتاژ آسان می کند و دارای رنگ قهوهای مایل به زرد 0.28 در بین -40 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد است. مشتری‌ای را در صنعت تجهیزات کشاورزی به یاد می‌آورم که با لرزش موتورهای تراکتور و شل شدن سنسورهای سرعت خود مشکل داشت. آنها از یک چسب همه منظوره استفاده می کردند که در عرض یک ماه به یک لایه سفت تبدیل می شد و حسگر تغییر می کرد. تعویض با درزگیر سیلیکونی آلکوکسی RTV-1 به حسگر اجازه می‌دهد تا کمی با لرزش حرکت کند، در حالی که خواص میرایی سیلیکون صدای موتور با فرکانس بالا را جذب می‌کند که باعث شل شدن پایه می‌شود. آنها گزارش کردند که پس از سوئیچ، نقص سنسور مربوط به لرزش صفر وجود ندارد، که باعث صرفه جویی بیش از 20000 دلار در ادعای ضمانت در یک فصل برداشت شد.

یکی دیگر از کاربردهای متداول ارتعاش سنگین زیرپوش خودرو و لوازم الکترونیکی بدنه است. درزگیرهای سیلیکونی انتقال حرارت خودروهای سفید دو منظوره هستند: آب بندی، دفع گرما و لرزش مرطوب. مادرزگیر سیلیکونی انتقال حرارت خودرو سفیددارای رسانایی حرارتی 0.8 W/mK (بسیار بالاتر از درزگیرهای سیلیکونی استاندارد که حدود 0.2 W/mK هستند) به علاوه tan δ 0.3 در محدوده دمای معمولی زیر هود. برای سیستم‌های مدیریت باتری خودروهای الکتریکی (BMS)، که در آن ماژول‌ها در معرض لرزش جاده هستند و باید در دمای ثابتی بمانند، این درزگیر عالی است: ماژول‌های باتری را به شاسی می‌چسبد، ارتعاشی را که باعث خستگی اتصالات ماژول می‌شود جذب می‌کند و گرمای تولید شده در هنگام شارژ و تخلیه را از بین می‌برد. ما با یک سازنده استارتاپ EV کار کردیم که این درزگیر را در برابر محصول اورتان رقیب بر روی ماژول های BMS خود آزمایش کرد. پس از 1000 ساعت آزمایش ارتعاش در 10 گرم (یک استاندارد برای قطعات خودرو)، یورتان رقیب ریزترک‌هایی ایجاد کرد که اجازه نفوذ رطوبت را می‌داد، در حالی که درزگیر سیلیکونی ما هیچ نشانه‌ای از ترک نشان نمی‌داد و خاصیت میرایی خود را حفظ می‌کرد.

اما همه سیلیکون های اجزا برای میرایی ارتعاش یکسان ایجاد نمی شوند. هنگام انتخاب متریال مناسب برای برنامه خود باید به چند فاکتور کلیدی توجه کنید. اول، سرعت درمان: اگر نیاز به پردازش سریع قطعات دارید، یک سیستم دو جزئی مانند ماترکیب 2 قسمتی گلدان سیلیکونی الکتریکیکه در 15 تا 30 دقیقه در دمای اتاق پخته می شود بهتر از یک سیستم تک جزئی با پخت کند است. اگر در محل تعمیر می‌کنید یا برای قطعات بزرگ استفاده می‌کنید، سیستم تک‌جزئی مانند مادرزگیر سیلیکونی یک قسمتیکه درمان در 24 ساعت ممکن است عملی تر باشد. دوم، محدوده دما: اگر برنامه شما در معرض سرما یا گرمای شدید قرار می گیرد، مطمئن شوید که Tg سیلیکون کمتر از کمترین دمای عملیاتی و بالاتر از بالاترین درجه حرارت باشد. بسیاری از سیلیکون‌های با درجه پایین دارای مقادیر Tg در حدود -20 درجه سانتیگراد هستند، به این معنی که در دماهای کمتر از آن سفت می‌شوند و توانایی میرایی خود را از دست می‌دهند. همه فرمول‌های متمرکز بر ارتعاش ما دارای مقادیر Tg زیر -50 درجه سانتیگراد هستند، بنابراین حتی در قطب شمال یا محیط‌های ارتفاع بالا انعطاف‌پذیر می‌مانند.

عامل دیگری که اغلب نادیده گرفته می شود چسبندگی است. لرزشگیر تنها در صورتی کار می کند که به درستی به اجزایی که از آن محافظت می کند بچسبد. اگر سیلیکون از برد مدار یا محفظه جدا شود، نمی تواند انرژی را جذب کند و به همان شکستی منجر می شود که اصلاً دمپر نداشته باشد. به همین دلیل است که همه سیلیکون‌های اجزای ما با تقویت‌کننده‌های چسبندگی متناسب با بسترهای معمولی مانند تخته‌های مدار FR-4، محفظه‌های آلومینیومی و محفظه‌های پلاستیکی فرموله شده‌اند. ما همچنین دستورالعمل‌های درمان سطح را برای اطمینان از اتصال مناسب ارائه می‌دهیم، زیرا حتی بهترین مواد در صورت اعمال نادرست کار نمی‌کنند.

من پروژه‌هایی را دیده‌ام که در آن مهندسان به سیلیکون δ با برنزه‌تر روی می‌آورند، اما همچنان دچار نقص‌های ارتعاشی بودند، زیرا سطح را به‌درستی آماده نمی‌کردند، که پس از چند ماه استفاده منجر به لایه‌برداری شد. این یک مرحله ساده است، اما تفاوت زیادی در عملکرد دنیای واقعی ایجاد می کند.

بیایید در مورد دوام طولانی مدت نیز صحبت کنیم، زیرا میرایی ارتعاش چیزی یکبار مصرف نیست. بسیاری از مواد در طول زمان به دلیل قرار گرفتن در معرض محیطی خاصیت میرایی خود را از دست می دهند: نور UV، مواد شیمیایی یا چرخه دما. سیلیکون جزء، به ویژه نمرات فرموله شده ویژه ما، مقاومت بسیار خوبی در برابر این عوامل دارد. به عنوان مثال، ترکیب گلدان سیلیکونی SO-820 برای 10 سال قرار گرفتن در فضای باز آزمایش شده است و هنوز 90٪ از قهوهای مایل به زرد اولیه خود را حفظ کرده است. این برای کاربردهایی مانند پانل‌های کنترل صنعتی در مکان‌های دور، یا تجهیزات کشاورزی که در معرض گرد و غبار، رطوبت و اشعه ماوراء بنفش ناشی از قرار گرفتن در معرض خورشید هستند، حیاتی است. یک مشتری در صنعت معدن از ترکیب دو قسمتی گلدان سیلیکونی الکتریکی ما روی حسگرهای مورد استفاده در تجهیزات حفاری استفاده کرد که در دماهای بین -10 درجه سانتیگراد تا 80 درجه سانتیگراد کار می کند و در معرض لرزش ثابت با فرکانس بالا قرار دارد. پس از سه سال کار در این زمینه، میزان خرابی آنها در این سنسورها کمتر از 0.5٪ بود، در مقایسه با 12٪ زمانی که آنها از یک ترکیب گلدان یورتان استفاده کردند که از گرد و غبار و گرما تخریب می شد.

اکنون، می‌خواهم در مورد جایی که سیلیکون جزء بهترین انتخاب نباشد شفاف باشم. اگر به یک اتصال ساختاری سفت و سخت نیاز دارید یا در کاربردهایی با دمای بسیار بالا بالای 200 درجه سانتی گراد کار می کنید (برای آن ها، اپوکسی های پر از سرامیک یا آلیاژهای فلزی بهتر است)، سیلیکون جزء ممکن است مناسب نباشد. اما برای 90 درصد از کاربردهای سنگین لرزش مانند الکترونیک خودرو، کنترل‌های صنعتی، قطعات هوافضا، تجهیزات کشاورزی، و حتی لوازم الکترونیکی مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند که به طور منظم از دست داده می‌شوند، مطمئن‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین گزینه است. هزینه اولیه ممکن است کمی بیشتر از اپوکسی ها یا چسب های عمومی باشد، اما صرفه جویی طولانی مدت ناشی از کاهش ادعای گارانتی، خرابی های کمتر در زمینه و عمر طولانی تر قطعات، ارزش سرمایه گذاری را دارد.

اگر روی پروژه‌ای کار می‌کنید که در آن لرزش یک مشکل است، یا به دنبال ارتقای راه‌حل فعلی میرایی خود هستید، توصیه می‌کنم با تیم ما تماس بگیرید. ما به صدها مشتری در سراسر صنایع کمک کرده‌ایم تا سیلیکون جزء مناسب را برای ارتعاش، دما و نیازهای کاربردی خاص خود انتخاب کنند، و می‌توانیم فرمول‌بندی‌های سفارشی، پشتیبانی آزمایشی و راهنمایی‌های فنی را ارائه کنیم تا مطمئن شویم که قطعات شما حتی در سخت‌ترین شرایط قابل اعتماد می‌مانند.

مراجع

1. لندراک، ق (1995).کتابچه راهنمای فناوری چسب(ویرایش دوم). انتشارات ویلیام اندرو.
2. ASTM D4065 – 21، روش تست استاندارد برای پلاستیک ها: خواص مکانیکی دینامیکی: کششی، خمشی، و ضربه در دماهای بالاتر و زیر دمای اتاق. ASTM International.
3. انجمن مهندسین خودرو (SAE) J1455، روش تست استاندارد برای تست محیطی تجهیزات الکترونیکی حمل و نقل.
4. سیلوا، MF، و همکاران. (2005). ویژگی های میرایی ارتعاش کامپوزیت های مبتنی بر سیلیکون برای کاربردهای خودروتست پلیمر، 24 (7)، 884-890.