محرك الزجاج: لماذا يقتل السيليكون الإلكترونيات المختومة

تبدو تقارير الفشل دائمًا متشابهة. تبدأ مجموعة من وحدات التحكم المتينة - المصممة لتحمل الإساءة، والمصنفة بمعيار IP67، والمعبأة للبقاء - في التصرف بشكل غير منتظم في الميدان. تلتصق المرحلات، أو لا تعمل على الإطلاق. تنحرف الحساسات. يرسل العميل الوحدات مرة أخرى إلى المختبر، غاضبًا.

يقوم فني المختبر بتشغيلها، وتعمل بشكل مثالي. يطبعون "لم يتم العثور على مشكلة" (NTF) على التذكرة ويرسلون الوحدة مرة أخرى. بعد أسبوعين، تفشل مرة أخرى.

هذه ليست مشكلة في البرمجيات أو دفعة سيئة من المرحلات. إنها مشكلة كيميائية. على وجه التحديد، هي نتيجة لمادة "آمنة" تتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء بدلاً من وعود كتيب التسويق. الجاني على الأرجح هو مادة السيليكون العازلة المستخدمة لحماية الجهاز. في الصمت المحكم لغلاف محكم الإغلاق، كان هذا السيليكون يفتك ببطء بالنزاهة الكهروميكانيكية للنظام، محولًا الاتصالات التي من المفترض أن توصل الكهرباء إلى شظايا زجاجية مجهرية.

آلية القتل

السيليكون مخادع لأنه يبدو صلبًا. للعين المجردة، يبدو حشوة RTV (التصلب في درجة حرارة الغرفة) أو مركب التعبئة ككتلة مطاطية مستقرة. لكن بالنسبة للكيميائي، هو مصفوفة هلامية من سلاسل البوليمر التي لا تتوقف أبدًا عن الحركة.

تحتوي التركيبات القياسية للسيليكون على جزيئات قصيرة السلسلة تسمى السيليكونات الحلقية. هذه المركبات المتطايرة منخفضة الوزن الجزيئي لا ترتبط بالمصفوفة المتصلبة؛ بل تظل حرة في الهجرة. عند درجة حرارة الغرفة، تمتلك ضغط بخار مرتفع، مما يعني أنها تنبعث باستمرار من المادة الصلبة. في بيئة مفتوحة، تتبدد هذه الأبخرة بأمان في الغلاف الجوي. لكن في غلاف محكم الإغلاق - النوع المصمم لمنع دخول الماء - تُحبس هذه الأبخرة. تشبع حجم الهواء الداخلي حتى تصل إلى التوازن.

البخار نفسه عازل كهربائيًا، لكن هذا ليس وضع الفشل الأساسي. يحدث التدمير عندما يلتقي البخار بقوس كهربائي.

عندما يتحول المرحل أو يدور محرك ذو فرشاة، ينتج قوس بلازما مجهرية. إذا كان بخار السيليكون موجودًا في الفجوة الهوائية، فإن طاقة القوس تحلل جزيء السيليكون المعقد ($Si-O-Si$). تحترق مكونات الكربون والهيدروجين، تاركة وراءها ثاني أكسيد السيليكون النقي ($SiO_2$).

ثاني أكسيد السيليكون هو الرمل. الزجاج، فعليًا - وأحد أفضل العوازل الكهربائية المعروفة للبشر.

مع كل دورة تبديل، يترسب طبقة جديدة من الزجاج النانوي مباشرة على الأسطح المتصلة للاتصال. يتراكم على شكل طبقات. في النهاية، يغلق المرحل ميكانيكيًا، لكن الدائرة تظل مفتوحة كهربائيًا. يرتفع مقاومة الاتصال من ميلي أوم إلى أوم، ثم إلى ميغا أوم. تموت الإشارة.

خرافة "مقاوم للماء"

هناك غريزة خطيرة في تصميم الأجهزة لحل مشاكل الموثوقية عن طريق إحكام إغلاقها في صندوق. المنطق سليم بالنسبة للرطوبة: إبقاء المطر خارجًا، إبقاء الدائرة جافة. ولكن بالنسبة للتلوث الكيميائي، فإن الإغلاق هو فخ.

عن طريق إحكام إغلاق جهاز وفقًا لمعايير IP67 أو IP68 دون الأخذ في الاعتبار انبعاث الغازات الداخلية، يصبح الغلاف غرفة تفاعل. تركيز المواد المتطايرة التي قد تكون ضئيلة في غلاف مهوي يتراكم إلى مستويات حرجة. هذه المواد المتطايرة تهاجر عبر عزل الأسلاك، وأغلفة الموصلات البلاستيكية، وإلى المكونات "المحكمة الإغلاق". المرحل "المحكم الإغلاق" القياسي ليس محكمًا بالمعنى الحرفي؛ إنه محكم بالبلاستيك. بخار السيليكون، الذي له توتر سطحي أقل وحجم جزيئي أصغر من الماء، يتخلل ختم الإيبوكسي للمرحل مع مرور الوقت. وبمجرد دخوله، ينتظر الشرارة.

فخ "الدرجة الإلكترونية"

الدفاع الأكثر شيوعًا ضد هذا الوضع الفاشل هو أمر الشراء. قائمة المواد تذكر "درجة إلكترونية" من السيليكون. الأنبوب يقول "معالجة محايدة". يفترض المهندسون أن هذا يعني أن المادة آمنة للإلكترونيات الحساسة.

هذا هو سوء فهم للمصطلحات.

عادةً ما تشير "الدرجة الإلكترونية" أو "المعالجة المحايدة" إلى كيمياء المعالجة. السدادة القياسية للحمام هي معالجة أسيتوكسية؛ تطلق حمض الأسيتيك أثناء التصلب. يمكنك شم رائحة الخل. هذا الحمض يأكل آثار النحاس ويتسبب في تآكل وصلات اللحام. "المعالجة المحايدة" (غالبًا معالجة ألكوكسية أو أوكسيمية) تستبدل الحمض بالكحول أو منتجات ثانوية غير متآكلة.

بينما يمنع هذا التآكل، فإنه لا يفعل شيئًا لوقف انبعاث غازات السيليوكسين. يمكن أن يكون السيليكون غير متآكل للنحاس تمامًا بينما يضخ ما يكفي من السيليوكسينات المتطايرة في الهواء لتدمير مفتاح تلامس خلال 10,000 دورة. عدم وجود رائحة الخل ليس شهادة أمان؛ إنه ببساطة غياب حمض معين. رائحة الكحول في المعالجة الألكوكسية لا تزال دليلًا على خروج المواد المتطايرة من المصفوفة. ما لم يحدد ورقة البيانات صراحةً كمية الفقد في الكتلة، فإن "الدرجة الإلكترونية" ليست سوى دعاية تسويقية، وليست مواصفة هندسية.

المعيار الوحيد الذي يهم: ASTM E595

إذا كنت تصمم إلكترونيات محكمة الإغلاق مع تلامسات متحركة أو بصريات دقيقة، فهناك طريقة واحدة فقط لتحديد مواصفات السيليكون: يجب أن تطلب بيانات متوافقة مع ASTM E595.

تم تطوير هذا المعيار في الأصل لصناعة الفضاء لمنع تعتيم البصريات على الأقمار الصناعية، وهو التعريف الوحيد الصارم لـ "انبعاث منخفض للغازات". يتضمن تسخين عينة إلى 125 درجة مئوية في فراغ لمدة 24 ساعة وقياس ما ينبعث منها.

أنت تبحث عن رقمين:

1. TML (إجمالي فقدان الكتلة): يجب أن يكون $< 1.0%$.
2. CVCM (المواد المتطايرة المكثفة المجمعة): يجب أن يكون $< 0.1%$.

إذا لم يتمكن البائع من توفير هذه الأرقام لدفعة معينة، فإن المادة مشكوك فيها. العديد من السيليكونات التجارية "منخفضة التطاير" ستظهر قيم TML بقيمة 3% أو أعلى عند الاختبار. تلك الكتلة المفقودة هي التي تغطي بصرياتك وتعزل مفاتيحك.

كن على علم بأنه حتى ضمن المواد "الآمنة"، يوجد تباين من دفعة إلى أخرى. قد يكون الإصدار "منخفض التطاير" من المنتج هو الإصدار القياسي الذي تم خبزه لفترة أطول في المصنع. ما لم تكن تشتري مواد بشهادة خاصة بالدفعة (غالبًا ما تُسمى بدرجة الفضاء أو ذات تطاير محكم)، فأنت تثق في متوسط إحصائي.

التخفيف واختيار المواد

الواقع القاسي هو أن السيليكون والاتصالات الكهروميكانيكية غير متوافقة أساسًا في الأنظمة المختومة. إذا كان جهازك يحتوي على مرحلات أو مفاتيح أو حلقات انزلاق أو محركات ذات فرش، يجب حظر السيليكون من قائمة المواد.

البدائل:

• اليوريثان: مركبات اليوريثان ذات الجزأين عادةً ما تكون آمنة. لا تطلق غازات السيليوكسان لأنها لا تحتوي على هيكل سيليكوني. من الصعب إعادة العمل عليها وقد تكون حساسة للرطوبة أثناء التصلب، لكنها لن تقتل مرحلاتك بشكل خفي.
• الإيبوكسي: ثبات كيميائي ممتاز وانبعاث غازات منخفض، لكنه صلب. الإجهاد الحراري العالي يمكن أن يتسبب في تشقق المكونات.
• الخبز: إذا كان لا بد من استخدام سيليكون معين، فإن خبز ما بعد التصلب (مثلاً، من 4 إلى 8 ساعات عند 80 درجة مئوية أو أكثر حسب حدود الحرارة للمكون) يمكن أن يزيل غالبية المواد المتطايرة قبل إغلاق الوحدة. فكر في هذا كإجراء تخفيف وليس علاجًا. فهو يقلل من مخزون المواد المتطايرة لكنه لا يلغي آلية التوليد.

يجادل بعض المهندسين بأن السيليكون ضروري للحماية من الصدمات الحرارية. صحيح أن السيليكون يتمتع بمرونة لا مثيل لها عبر درجات الحرارة القصوى. ومع ذلك، فإن الجهاز الذي يتحمل الصدمات الحرارية لكنه يفشل في توصيل الكهرباء لا يزال جهازًا فاشلًا. إذا كانت الدورة الحرارية هي القلق الأساسي، فصمم تخفيف الإجهاد الميكانيكي في الهيكل أو تخطيط اللوحة، بدلاً من الاعتماد على مادة كيميائية تضر الوظيفة الكهربائية.

تكلفة الراحة

السيليكون شائع لسبب. فهو سهل التوزيع، ويتصلب في درجة حرارة الغرفة، ويتحمل الحرارة العالية، ويمكن تقشيره لإعادة العمل. إنه مريح لخط الإنتاج.

تُدفع تلك الراحة من قبل فريق الاعتمادية. تكلفة التحول إلى نظام يوريثان أو إيبوكسي — التعامل مع نسب الخلط، ومدة صلاحية الخليط، وصعوبة إعادة العمل — ضئيلة مقارنة بتكلفة استدعاء ميداني. عندما تبدأ ألف وحدة في الفشل بشكل متقطع في الميدان، والسبب الجذري هو طبقة مجهرية من الزجاج تختفي عند تنظيف الاتصال، ستتمنى لو اخترت المادة الصعبة.

إذا كان مختومًا، ويعمل كمفتاح، فابقِ السيليكون بعيدًا.