द ग्लास इंजन: क्यों सिलिकॉन सील किए गए इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान पहुंचाता है

विफलता रिपोर्ट हमेशा एक जैसी दिखती है। एक बेड़े में मजबूत नियंत्रण मॉड्यूल होते हैं—जो दुर्व्यवहार के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, IP67 के लिए रेटेड हैं, और जीवित रहने के लिए पॉटेड हैं—वे क्षेत्र में अनियमित व्यवहार करने लगते हैं। रिले चिपक जाते हैं, या वे बिल्कुल भी स्विच नहीं करते। सेंसर विचलित हो जाते हैं। ग्राहक गुस्से में यूनिट्स को लैब में वापस भेजता है।

बेंच तकनीशियन उन्हें चालू करता है, और वे पूरी तरह से काम करते हैं। वे टिकट पर “कोई समस्या नहीं मिली” (NTF) छापते हैं और यूनिट वापस भेज देते हैं। दो सप्ताह बाद, यह फिर से फेल हो जाता है।

यह कोई सॉफ़्टवेयर बग या खराब रिले बैच नहीं है। यह एक रसायन विज्ञान की समस्या है। विशेष रूप से, यह एक “सुरक्षित” सामग्री के भौतिकी के नियमों के अनुसार व्यवहार करने का परिणाम है, न कि मार्केटिंग ब्रोशर के वादों के अनुसार। दोषी लगभग निश्चित रूप से उस सिलिकॉन सीलेंट है जिसका उपयोग डिवाइस की सुरक्षा के लिए किया गया है। एक सील किए गए एनक्लोजर की हर्मेटिक चुप्पी में, वह सिलिकॉन धीरे-धीरे सिस्टम की इलेक्ट्रोमैकेनिकल अखंडता को तोड़ रहा है, उन संपर्कों को जो बिजली प्रवाहित करने के लिए बनाए गए थे, सूक्ष्म कांच के टुकड़ों में बदल रहा है।

हत्या की प्रक्रिया

सिलिकॉन धोखेबाज़ है क्योंकि यह ठोस दिखाई देता है। नग्न आंखों से, एक क्यूर्ड RTV (रूम टेम्परेचर वल्कनाइजिंग) गैस्केट या पॉटिंग कंपाउंड एक स्थिर, रबर जैसा ब्लॉक लगता है। हालांकि, एक रसायनज्ञ के लिए, यह पॉलिमर चेन का एक जेल जैसा मैट्रिक्स है जो कभी वास्तव में स्थिर नहीं होता।

मानक सिलिकॉन सूत्रों में छोटे-श्रृंखला अणु होते हैं जिन्हें साइक्लिक सिलोक्सेन्स कहा जाता है। ये कम आणविक भार वाले वाष्पशील पदार्थ क्यूर्ड मैट्रिक्स में लॉक नहीं होते; वे स्वतंत्र रूप से प्रवास करते रहते हैं। कमरे के तापमान पर, उनका उच्च वाष्प दबाव होता है, जिसका अर्थ है कि वे लगातार बल्क सामग्री से गैस के रूप में निकलते रहते हैं। खुले वातावरण में, ये वाष्प हानिरहित रूप से वायुमंडल में फैल जाते हैं। लेकिन एक सील किए गए एनक्लोजर में—जो पानी को बाहर रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है—ये वाष्प फंस जाते हैं। वे आंतरिक वायु आयतन को संतृप्त कर देते हैं जब तक कि वे संतुलन तक नहीं पहुंच जाते।

वाष्प स्वयं विद्युत रूप से इन्सुलेटिंग होता है, लेकिन यह प्राथमिक विफलता मोड नहीं है। विनाश तब होता है जब वाष्प विद्युत आर्क से मिलता है।

जब कोई रिले स्विच करता है या एक ब्रश वाला मोटर घूमता है, तो यह एक सूक्ष्म प्लाज्मा आर्क उत्पन्न करता है। यदि हवा के अंतराल में सिलोक्सेन वाष्प मौजूद है, तो आर्क की ऊर्जा जटिल सिलिकॉन अणु ($Si-O-Si$) को विघटित कर देती है। कार्बन और हाइड्रोजन घटक जल जाते हैं, पीछे शुद्ध सिलिकॉन डाइऑक्साइड ($SiO_2$) बचता है।

सिलिकॉन डाइऑक्साइड रेत है। प्रभावी रूप से कांच—और मनुष्य द्वारा ज्ञात सबसे अच्छे विद्युत इन्सुलेटर में से एक।

हर स्विच चक्र के साथ, नैनोस्कोपिक कांच की एक ताजा परत सीधे संपर्क की जोड़ी सतहों पर जमा हो जाती है। यह परतों में जमा होती है। अंततः, रिले यांत्रिक रूप से बंद हो जाता है, लेकिन सर्किट विद्युत रूप से खुला रहता है। संपर्क प्रतिरोध मिलीओम से ओम, फिर मेगाओम तक बढ़ जाता है। सिग्नल समाप्त हो जाता है।

"वाटरप्रूफ" भ्रांति

हार्डवेयर डिज़ाइन में एक खतरनाक प्रवृत्ति होती है कि विश्वसनीयता समस्याओं को एक बॉक्स में सील करके हल किया जाए। नमी के लिए तर्क सही है: बारिश को बाहर रखें, सर्किट को सूखा रखें। लेकिन रासायनिक संदूषण के लिए, एक सील जाल है।

आंतरिक आउटगैसिंग का ध्यान रखे बिना किसी डिवाइस को IP67 या IP68 मानकों के अनुसार सील करने पर, एनक्लोजर एक प्रतिक्रिया कक्ष बन जाता है। वेंटेड हाउसिंग में नगण्य होने वाले वाष्पशील पदार्थों की सांद्रता महत्वपूर्ण स्तर तक बढ़ जाती है। ये वाष्पशील पदार्थ तार के इन्सुलेशन, प्लास्टिक कनेक्टर हाउसिंग और “सील किए गए” घटकों के माध्यम से प्रवास करते हैं। एक मानक “सील किया हुआ” रिले हर्मेटिक नहीं होता; यह प्लास्टिक-सील्ड होता है। सिलिकॉन वाष्प, जिसका सतही तनाव पानी से कम और आणविक आकार छोटा होता है, समय के साथ रिले के एपॉक्सी सील को पार कर जाता है। एक बार अंदर आने पर, यह चिंगारी का इंतजार करता है।

“इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड” जाल

इस विफलता मोड के खिलाफ सबसे सामान्य रक्षा खरीद आदेश है। बिल ऑफ मटेरियल्स में “इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड” सिलिकॉन सूचीबद्ध होता है। ट्यूब पर लिखा होता है “न्यूट्रल क्योर।” इंजीनियर मान लेते हैं कि इसका मतलब है कि सामग्री संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सुरक्षित है।

यह शब्दों की गलतफहमी है।

“इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड” या “न्यूट्रल क्योर” आमतौर पर क्योरिंग रसायन विज्ञान को संदर्भित करता है। मानक बाथरूम कॉलक एसिटॉक्सी क्योर होता है; यह सेट होने पर एसिटिक एसिड छोड़ता है। आप सिरका की गंध महसूस कर सकते हैं। यह एसिड तांबे के ट्रेस को खाता है और सोल्डर जॉइंट्स को जंग लगाता है। “न्यूट्रल क्योर” (अक्सर अल्कॉक्सी या ऑक्साइम क्योर) एसिड की जगह शराब या अन्य गैर-संक्षारक उपउत्पादों को लेता है।

जबकि यह संक्षारण को रोकता है, यह सिलोक्सेन आउटगैसिंग को रोकने में कुछ नहीं करता। एक सिलिकॉन तांबे के लिए पूरी तरह से गैर-संक्षारक हो सकता है जबकि फिर भी इतना वाष्पशील सिलोक्सेन हवा में छोड़ता है कि 10,000 चक्रों में एक संपर्क स्विच को नष्ट कर देता है। सिरके की गंध का अभाव सुरक्षा प्रमाणन नहीं है; यह केवल एक विशिष्ट एसिड की अनुपस्थिति है। अल्कॉक्सी क्योर की शराब की गंध अभी भी मैट्रिक्स से वाष्पशील पदार्थों के निकलने का प्रमाण है। जब तक डेटा शीट स्पष्ट रूप से द्रव्यमान हानि को मापित नहीं करती, “इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड” केवल विपणन की बात है, इंजीनियरिंग विनिर्देशन नहीं।

एकमात्र मानक जो मायने रखता है: ASTM E595

यदि आप चलने वाले संपर्कों या सटीक ऑप्टिक्स के साथ सील किए गए इलेक्ट्रॉनिक्स डिज़ाइन कर रहे हैं, तो सिलिकॉन को निर्दिष्ट करने का केवल एक तरीका है: आपको ASTM E595 के अनुरूप डेटा की मांग करनी चाहिए।

यह मानक, जिसे मूल रूप से उपग्रहों पर ऑप्टिक्स के धुंधलाने से रोकने के लिए अंतरिक्ष उद्योग के लिए विकसित किया गया था, “कम आउटगैसिंग” की एकमात्र कठोर परिभाषा है। इसमें एक नमूने को 125°C पर 24 घंटे के लिए वैक्यूम में गर्म करना और जो निकलता है उसे मापना शामिल है।

आप दो संख्याओं की तलाश कर रहे हैं:

1. TML (कुल द्रव्यमान हानि): $< 1.0%$ होना चाहिए।
2. CVCM (संग्रहित वाष्पशील संघननीय पदार्थ): $< 0.1%$ होना चाहिए।

यदि कोई विक्रेता किसी विशिष्ट बैच के लिए ये संख्याएँ प्रदान नहीं कर सकता है, तो सामग्री संदिग्ध होती है। कई व्यावसायिक "कम वाष्पशील" सिलिकॉन का परीक्षण करने पर TML मान 3% या उससे अधिक दिखाएंगे। वह गायब मास आपकी ऑप्टिक्स को कोट करता है और आपके स्विचों को इन्सुलेट करता है।

ध्यान रखें कि यहां तक कि "सुरक्षित" सामग्रियों के भीतर भी बैच-से-बैच भिन्नता होती है। किसी उत्पाद का "कम वाष्पशील" संस्करण केवल वह मानक संस्करण हो सकता है जिसे फैक्ट्री में अधिक समय तक बेक किया गया हो। जब तक आप लॉट-विशिष्ट प्रमाणन (अक्सर स्पेस-ग्रेड या नियंत्रित वाष्पशीलता के रूप में निर्दिष्ट) के साथ सामग्री नहीं खरीद रहे हैं, आप एक सांख्यिकीय औसत पर भरोसा कर रहे हैं।

रोकथाम और सामग्री चयन

कठोर वास्तविकता यह है कि सिलिकॉन और इलेक्ट्रोमैकेनिकल संपर्क मौलिक रूप से सील किए गए सिस्टम में असंगत हैं। यदि आपके डिवाइस में रिले, स्विच, स्लिप रिंग, या ब्रश्ड मोटर हैं, तो BOM से सिलिकॉन को प्रतिबंधित किया जाना चाहिए।

विकल्प:

• यूरीथेन: दो-भाग यूरीथेन पॉटिंग यौगिक आमतौर पर सुरक्षित होते हैं। वे सिलोक्सेन को आउटगैस नहीं करते क्योंकि उनमें सिलिकॉन की रीढ़ नहीं होती। इन्हें पुनः कार्य करना कठिन होता है और वे उपचार के दौरान नमी के प्रति संवेदनशील हो सकते हैं, लेकिन वे आपके रिले को घोस्ट-किल नहीं करेंगे।
• एपॉक्सी: उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता और कम आउटगैसिंग, लेकिन कठोर। उच्च तापीय तनाव से घटक फट सकते हैं।
• बेकिंग: यदि आपको किसी विशिष्ट सिलिकॉन का उपयोग करना ही है, तो पोस्ट-क्योर बेक-आउट (जैसे, घटक के तापीय सीमाओं के अनुसार 80°C+ पर 4 से 8 घंटे) अधिकांश वाष्पशील पदार्थों को यूनिट सील होने से पहले निकाल सकता है। इसे उपचार के बजाय रोकथाम के रूप में सोचें। यह वाष्पशील पदार्थों के भंडार को कम करता है लेकिन उत्पादन तंत्र को समाप्त नहीं करता।

कुछ इंजीनियर तर्क देते हैं कि थर्मल शॉक सुरक्षा के लिए सिलिकॉन आवश्यक है। यह सच है कि सिलिकॉन तापमान चरम सीमाओं में अतुलनीय लचीलापन प्रदान करता है। हालांकि, एक ऐसा डिवाइस जो थर्मल शॉक सह लेता है लेकिन बिजली प्रवाहित करने में विफल रहता है, वह अभी भी एक विफल डिवाइस है। यदि थर्मल साइकलिंग मुख्य चिंता है, तो रासायनिक पर निर्भर रहने के बजाय यांत्रिक तनाव राहत को हाउसिंग या बोर्ड लेआउट में डिजाइन करें जो विद्युत कार्य को प्रभावित करता है।

सुविधा की लागत

सिलिकॉन लोकप्रिय है और इसके कारण हैं। इसे वितरित करना आसान है, यह कमरे के तापमान पर क्योर होता है, उच्च तापमान को संभालता है, और पुनः कार्य के लिए छील भी सकता है। यह निर्माण क्षेत्र के लिए सुविधाजनक है।

यह सुविधा विश्वसनीयता टीम द्वारा भुगतान की जाती है। यूरीथेन या एपॉक्सी सिस्टम में स्विच करने की लागत—मिश्रण अनुपात, पॉट जीवन, और कठिन पुनः कार्य से निपटना—फील्ड रिकॉल की लागत की तुलना में नगण्य है। जब हजारों यूनिट फील्ड में अस्थायी रूप से विफल होने लगते हैं, और मूल कारण एक सूक्ष्म कांच की परत होती है जो संपर्क को रगड़ने पर गायब हो जाती है, तो आप चाहेंगे कि आपने कठिन सामग्री चुनी होती।

यदि यह सील है, और यह स्विच करता है, तो सिलिकॉन को बाहर रखें।