Mesin Kaca: Mengapa Silikon Membunuh Elektronik Tersegel

Laporan kegagalan selalu terlihat sama. Sekumpulan modul kontrol yang tangguh—dirancang untuk tahan banting, berperingkat IP67, dan dipotting untuk bertahan—mulai berperilaku tidak menentu di lapangan. Relay macet, atau sama sekali tidak beralih. Sensor melayang. Pelanggan mengirim unit kembali ke laboratorium, marah.

Teknisi bangku menyalakannya, dan mereka bekerja dengan sempurna. Mereka mencap "Tidak Ditemukan Masalah" (NTF) pada tiket dan mengirim unit kembali. Dua minggu kemudian, unit itu gagal lagi.

Ini bukan bug perangkat lunak atau batch relay yang buruk. Ini adalah masalah kimia. Secara khusus, ini adalah hasil dari bahan "aman" yang berperilaku sesuai dengan hukum fisika daripada janji brosur pemasaran. Pelakunya hampir pasti adalah sealant silikon yang digunakan untuk melindungi perangkat. Dalam keheningan hermetik dari sebuah enclosure yang tertutup rapat, silikon itu perlahan-lahan merusak integritas elektromekanis sistem, mengubah kontak yang seharusnya menghantarkan listrik menjadi serpihan kaca mikroskopis.

Mekanisme Kematian

Silikon menipu karena tampak padat. Di mata telanjang, gasket atau senyawa potting RTV (Room Temperature Vulcanizing) yang sudah mengeras terlihat seperti blok karet yang stabil. Namun bagi seorang ahli kimia, itu adalah matriks seperti gel dari rantai polimer yang tidak pernah benar-benar berhenti bergerak.

Formulasi silikon standar mengandung molekul rantai pendek yang disebut siloksan siklik. Volatil dengan berat molekul rendah ini tidak terkunci dalam matriks yang mengeras; mereka tetap bebas untuk bermigrasi. Pada suhu kamar, mereka memiliki tekanan uap yang tinggi, artinya mereka terus-menerus mengeluarkan gas dari bahan utama. Dalam lingkungan terbuka, uap ini menghilang dengan aman ke atmosfer. Tetapi dalam enclosure tertutup—jenis yang dirancang untuk menjaga air keluar—uap ini terperangkap. Mereka meny saturasi volume udara internal sampai mencapai keseimbangan.

Uap itu sendiri bersifat isolator listrik, tetapi itu bukan mode kegagalan utama. Kerusakan terjadi ketika uap bertemu dengan busur listrik.

Ketika sebuah relay beralih atau motor sikat berputar, ia menghasilkan busur plasma mikroskopis. Jika uap siloksan hadir di celah udara, energi busur tersebut menguraikan molekul silikon kompleks ($Si-O-Si$). Komponen karbon dan hidrogen terbakar, meninggalkan Dioksida Silikon murni ($SiO_2$).

Dioksida Silikon adalah pasir. Kaca, secara efektif—dan salah satu isolator listrik terbaik yang dikenal manusia.

Dengan setiap siklus saklar, lapisan kaca nanoskopis baru menempel langsung pada permukaan kontak yang bersentuhan. Ia menumpuk dalam lapisan. Akhirnya, relay menutup secara mekanis, tetapi sirkuit tetap terbuka secara listrik. Resistansi kontak melonjak dari milliohm ke ohm, lalu ke megohm. Sinyal mati.

Kesalahan "Tahan Air"

Ada insting berbahaya dalam desain perangkat keras untuk menyelesaikan masalah keandalan dengan menyegel mereka dalam sebuah kotak. Logikanya masuk akal untuk kelembapan: jaga agar hujan tidak masuk, jaga agar sirkuit tetap kering. Tetapi untuk kontaminasi kimia, segel adalah jebakan.

Dengan menyegel perangkat sesuai standar IP67 atau IP68 tanpa memperhitungkan pengeluaran gas internal, penutup menjadi ruang reaksi. Konsentrasi zat mudah menguap yang seharusnya tidak signifikan dalam rumah yang berventilasi menumpuk hingga tingkat kritis. Zat mudah menguap ini bermigrasi melalui isolasi kawat, rumah konektor plastik, dan ke dalam komponen "tersegel". Relay "tersegel" standar bukanlah hermetik; itu disegel dengan plastik. Uap silikon, yang memiliki tegangan permukaan lebih rendah dan ukuran molekul lebih kecil daripada air, meresap melalui segel epoksi relay seiring waktu. Setelah masuk, ia menunggu percikan api.

Jebakan "Kualitas Elektronik"

Pertahanan paling umum terhadap mode kegagalan ini adalah pesanan pembelian. Daftar Bill of Materials mencantumkan silikon "Kualitas Elektronik". Tabungnya bertuliskan "Neutral Cure". Para insinyur menganggap ini berarti bahan tersebut aman untuk elektronik sensitif.

Ini adalah kesalahpahaman istilah.

"Kualitas Elektronik" atau "Neutral Cure" biasanya merujuk pada kimia pengerasan. Sealant kamar mandi standar adalah pengerasan asetoksi; ia melepaskan asam asetat saat mengeras. Anda bisa mencium bau cuka. Asam ini merusak jejak tembaga dan mengkorosi sambungan solder. "Neutral Cure" (seringkali pengerasan alkoksi atau oksim) menggantikan asam dengan alkohol atau produk sampingan non-korosif lainnya.

Meskipun ini mencegah korosi, hal ini tidak menghentikan pengeluaran gas siloksan. Sebuah silikon bisa saja benar-benar tidak korosif terhadap tembaga namun tetap memompa cukup banyak siloksan mudah menguap ke udara untuk merusak saklar kontak dalam 10.000 siklus. Tidak adanya bau cuka bukanlah sertifikasi keselamatan; itu hanya ketiadaan satu asam tertentu. Bau alkohol dari pengerasan alkoksi masih merupakan bukti zat mudah menguap yang keluar dari matriks. Kecuali lembar data secara eksplisit mengkuantifikasi kehilangan massa, "Kualitas Elektronik" hanyalah promosi pemasaran, bukan spesifikasi teknik.

Satu-satunya Standar yang Penting: ASTM E595

Jika Anda merancang elektronik tersegel dengan kontak bergerak atau optik presisi, hanya ada satu cara untuk menentukan spesifikasi silikon: Anda harus menuntut data yang sesuai dengan ASTM E595.

Standar ini, yang awalnya dikembangkan untuk industri antariksa guna mencegah optik berkabut pada satelit, adalah definisi ketat satu-satunya tentang "pengeluaran gas rendah." Ini melibatkan pemanasan sampel hingga 125°C dalam vakum selama 24 jam dan mengukur apa yang keluar.

Anda mencari dua angka:

1. TML (Total Mass Loss): Harus $< 1.0%$.
2. CVCM (Collected Volatile Condensable Materials): Harus $< 0.1%$.

Jika vendor tidak dapat menyediakan angka-angka ini untuk batch tertentu, material tersebut dicurigai. Banyak silikon "low volatile" komersial akan menunjukkan nilai TML sebesar 3% atau lebih tinggi saat diuji. Massa yang hilang itulah yang melapisi optik Anda dan mengisolasi sakelar Anda.

Perlu diingat bahwa bahkan dalam material "aman", variasi antar batch tetap ada. Versi "Low Volatile" dari suatu produk mungkin hanya versi standar yang dipanggang lebih lama di pabrik. Kecuali Anda membeli material dengan sertifikasi spesifik lot (sering disebut sebagai kelas ruang angkasa atau volatilitas terkendali), Anda mempercayai rata-rata statistik.

Mitigasi dan Pemilihan Material

Realitas kerasnya adalah silikon dan kontak elektromekanis secara fundamental tidak kompatibel dalam sistem tertutup. Jika perangkat Anda mengandung relay, sakelar, slip ring, atau motor sikat, silikon harus dilarang dari BOM.

Alternatifnya:

• Uretan: Senyawa potting uretan dua bagian umumnya aman. Mereka tidak mengeluarkan siloksan karena tidak mengandung tulang punggung silikon. Mereka lebih sulit untuk diperbaiki ulang dan bisa sensitif terhadap kelembapan selama proses pengerasan, tetapi mereka tidak akan membunuh relay Anda secara diam-diam.
• Epoksi: Stabilitas kimia yang sangat baik dan emisi gas rendah, tetapi kaku. Stres termal tinggi dapat menyebabkan komponen retak.
• Pemanggangan: Jika Anda harus menggunakan silikon tertentu, pemanggangan pasca-pengerasan (misalnya, 4 hingga 8 jam pada suhu 80°C+ tergantung batas termal komponen) dapat menghilangkan sebagian besar zat mudah menguap sebelum unit disegel. Anggap ini sebagai mitigasi, bukan penyembuhan. Ini mengurangi cadangan zat mudah menguap tetapi tidak menghilangkan mekanisme pembentukannya.

Beberapa insinyur berpendapat bahwa silikon diperlukan untuk perlindungan terhadap kejutan termal. Memang benar bahwa silikon memiliki fleksibilitas yang tak tertandingi di berbagai ekstrem suhu. Namun, perangkat yang bertahan dari kejutan termal tetapi gagal menghantarkan listrik tetaplah perangkat yang gagal. Jika siklus termal adalah perhatian utama, rancanglah peredam stres mekanis ke dalam rumah atau tata letak papan, daripada mengandalkan bahan kimia yang mengorbankan fungsi listrik.

Biaya Kenyamanan

Silikon populer karena suatu alasan. Mudah didispense, mengeras pada suhu ruangan, tahan panas tinggi, dan dapat dikupas untuk perbaikan ulang. Ini nyaman untuk lantai produksi.

Kenyamanan itu dibayar oleh tim keandalan. Biaya beralih ke sistem uretan atau epoksi—menghadapi rasio campuran, masa pot, dan perbaikan ulang yang lebih sulit—tidak seberapa dibandingkan dengan biaya penarikan produk di lapangan. Ketika seribu unit mulai gagal secara intermiten di lapangan, dan penyebab utamanya adalah lapisan kaca mikroskopis yang hilang saat Anda menggosok kontak, Anda akan berharap telah memilih material yang sulit itu.

Jika itu tertutup rapat, dan itu berfungsi sebagai sakelar, jangan gunakan silikon.