유리 엔진: 왜 실리콘이 밀폐 전자기기를 망치는가

고장 보고서는 항상 똑같이 보입니다. 학대에 견디도록 설계되고 IP67 등급을 받았으며 생존을 위해 포팅된 견고한 제어 모듈 함대가 현장에서 불규칙하게 작동하기 시작합니다. 릴레이가 달라붙거나 전혀 스위치되지 않습니다. 센서가 이동합니다. 고객은 분노하며 장치를 실험실로 돌려보냅니다.

벤치 기술자가 전원을 켜면 완벽하게 작동합니다. 그들은 티켓에 “문제 없음”(NTF)이라고 찍고 장치를 다시 보냅니다. 2주 후, 다시 고장납니다.

이것은 소프트웨어 버그나 불량 릴레이 배치가 아닙니다. 이것은 화학 문제입니다. 구체적으로, 이는 “안전한” 재료가 마케팅 브로셔의 약속이 아니라 물리 법칙에 따라 행동한 결과입니다. 범인은 거의 확실히 장치를 보호하는 데 사용된 실리콘 실란트입니다. 밀폐된 인클로저의 무균 상태에서 그 실리콘은 시스템의 전기기계적 완전성을 서서히 해체하여 전기를 전도하도록 의도된 접점을 미세한 유리 조각으로 바꾸고 있습니다.

킬 메커니즘

실리콘은 단단해 보이기 때문에 속이기 쉽습니다. 육안으로 보면 경화된 RTV(상온 경화) 개스킷이나 포팅 화합물은 안정적인 고무 블록처럼 보입니다. 그러나 화학자에게는 결코 완전히 멈추지 않는 폴리머 사슬의 젤 같은 매트릭스입니다.

표준 실리콘 조성물에는 사이클릭 실록산이라는 단쇄 분자가 포함되어 있습니다. 이 저분자 휘발성 물질은 경화된 매트릭스에 고정되지 않고 자유롭게 이동할 수 있습니다. 상온에서 이들은 높은 증기압을 가지며, 이는 벌크 재료에서 지속적으로 가스가 방출됨을 의미합니다. 개방된 환경에서는 이 증기가 대기 중으로 무해하게 확산됩니다. 그러나 물을 차단하도록 설계된 밀폐 인클로저에서는 이 증기가 갇힙니다. 내부 공기 부피를 포화시켜 평형에 도달할 때까지 머뭅니다.

증기 자체는 전기 절연성이지만, 이것이 주요 고장 모드는 아닙니다. 파괴는 증기가 전기 아크를 만날 때 발생합니다.

릴레이가 스위치되거나 브러시 모터가 회전할 때 미세한 플라즈마 아크가 생성됩니다. 공기 간극에 실록산 증기가 존재하면 아크의 에너지가 복잡한 실리콘 분자($Si-O-Si$)를 분해합니다. 탄소와 수소 성분은 연소되어 제거되고 순수한 이산화규소($SiO_2$)만 남습니다.

이산화규소는 모래입니다. 사실상 유리이며, 인간이 아는 최고의 전기 절연체 중 하나입니다.

스위치 사이클마다 나노 크기의 유리층이 접촉면에 직접 쌓입니다. 층층이 축적됩니다. 결국 릴레이는 기계적으로 닫히지만 회로는 전기적으로 열려 있습니다. 접촉 저항이 밀리옴에서 옴, 그리고 메가옴으로 급증합니다. 신호가 사라집니다.

“방수”의 오류

하드웨어 설계에는 신뢰성 문제를 상자 안에 봉인하여 해결하려는 위험한 본능이 있습니다. 습기에 대해서는 논리가 타당합니다: 비를 막아 회로를 건조하게 유지하는 것이죠. 하지만 화학적 오염에 대해서는 봉인이 함정이 됩니다.

내부 가스 방출을 고려하지 않고 장치를 IP67 또는 IP68 기준으로 밀봉하면, 인클로저가 반응 챔버가 됩니다. 통풍이 되는 하우징에서는 무시할 수 있는 휘발성 물질 농도가 치명적인 수준까지 쌓입니다. 이 휘발성 물질들은 전선 절연체, 플라스틱 커넥터 하우징을 통해 이동하여 '밀봉된' 부품 안으로 들어갑니다. 표준 '밀봉된' 릴레이는 기밀이 아니며 플라스틱으로 밀봉된 것입니다. 실리콘 증기는 물보다 표면 장력이 낮고 분자 크기가 작아 시간이 지나면서 릴레이의 에폭시 밀봉을 침투합니다. 일단 내부에 들어가면 불꽃을 기다립니다.

"전자 등급" 함정

이 고장 모드에 대한 가장 일반적인 방어책은 구매 주문서입니다. 자재 명세서에는 "전자 등급" 실리콘이 명시되어 있습니다. 튜브에는 "중성 경화"라고 적혀 있습니다. 엔지니어들은 이것이 민감한 전자 장치에 안전한 재료임을 의미한다고 가정합니다.

이는 용어에 대한 오해입니다.

"전자 등급" 또는 "중성 경화"는 보통 경화 화학을 의미합니다. 일반 욕실 코킹제는 아세톡시 경화이며, 경화 과정에서 아세트산을 방출합니다. 식초 냄새가 납니다. 이 산은 구리 회로를 부식시키고 납땜 접합부를 부식시킵니다. "중성 경화"(종종 알콕시 또는 옥심 경화)는 산을 알코올이나 다른 비부식성 부산물로 대체합니다.

이것이 부식을 방지하지만 실록산 가스 방출을 막지는 못합니다. 실리콘은 구리에 완전히 비부식성이면서도 10,000 사이클 내에 접점 스위치를 파괴할 만큼 충분한 휘발성 실록산을 공기 중으로 방출할 수 있습니다. 식초 냄새가 없다고 해서 안전 인증이 되는 것이 아니라 특정 산이 없다는 것뿐입니다. 알콕시 경화의 알코올 냄새는 여전히 매트릭스에서 휘발성 물질이 방출되고 있다는 증거입니다. 데이터 시트가 질량 손실을 명확히 정량화하지 않는 한, "전자 등급"은 단지 마케팅 문구일 뿐 공학적 사양이 아닙니다.

유일하게 중요한 표준: ASTM E595

이동 접점이나 정밀 광학 부품이 있는 밀봉 전자 장치를 설계하는 경우, 실리콘을 사양화하는 유일한 방법은 ASTM E595에 부합하는 데이터를 요구하는 것입니다.

이 표준은 원래 위성에서 광학 부품의 김서림을 방지하기 위해 우주 산업에서 개발되었으며, "저가스 방출"의 유일한 엄격한 정의입니다. 샘플을 진공 상태에서 125°C로 24시간 가열하고 방출되는 물질을 측정합니다.

여기서 찾는 두 가지 수치는 다음과 같습니다:

1. TML (총 질량 손실): $< 1.0%$ 이어야 합니다.
2. CVCM (수집된 휘발성 응축 물질): $< 0.1%$ 이어야 합니다.

공급업체가 특정 배치에 대한 이러한 수치를 제공할 수 없다면, 해당 재료는 의심스럽습니다. 많은 상업용 "저휘발성" 실리콘은 테스트 시 TML 값이 3% 이상으로 나타납니다. 그 누락된 질량이 광학 부품을 코팅하고 스위치를 절연하는 물질입니다.

"안전한" 재료 내에서도 배치 간 변동이 존재한다는 점을 인지해야 합니다. 제품의 "저휘발성" 버전은 단지 공장에서 더 오래 구워진 표준 버전일 수 있습니다. 배치별 인증(종종 우주 등급 또는 제어된 휘발성으로 지정됨)이 있는 재료를 구매하지 않는 한, 통계적 평균을 신뢰하는 것입니다.

완화 및 재료 선택

냉혹한 현실은 실리콘과 전기기계 접점이 밀폐 시스템에서 근본적으로 호환되지 않는다는 것입니다. 장치에 릴레이, 스위치, 슬립 링 또는 브러시 모터가 포함되어 있다면, 실리콘은 BOM에서 금지되어야 합니다.

대안:

• 우레탄: 2액형 우레탄 포팅 화합물은 일반적으로 안전합니다. 실리콘 골격이 없기 때문에 실록산 가스를 방출하지 않습니다. 재작업이 더 어렵고 경화 중 습기에 민감할 수 있지만, 릴레이를 고장내지 않습니다.
• 에폭시: 우수한 화학적 안정성과 낮은 가스 방출을 가지지만, 경직되어 있습니다. 높은 열 스트레스는 부품을 균열시킬 수 있습니다.
• 베이킹: 특정 실리콘을 사용해야 한다면, 사후 경화 베이크아웃(예: 부품의 열 한계에 따라 80°C 이상에서 4~8시간)은 장치가 밀봉되기 전에 대부분의 휘발성 물질을 제거할 수 있습니다. 이것을 치료가 아닌 완화로 생각하세요. 휘발성 물질의 저장소를 줄이지만 생성 메커니즘을 제거하지는 않습니다.

일부 엔지니어들은 실리콘이 열 충격 보호에 필요하다고 주장합니다. 실리콘이 온도 극한에서 뛰어난 유연성을 가진 것은 사실입니다. 그러나 열 충격을 견디지만 전기를 전도하지 못하는 장치는 여전히 실패한 장치입니다. 열 사이클링이 주요 관심사라면, 전기 기능을 저해하는 화학물질에 의존하기보다는 하우징이나 보드 레이아웃에 기계적 응력 완화를 설계하세요.

편리함의 대가

실리콘이 인기 있는 데는 이유가 있습니다. 분배가 쉽고 상온에서 경화되며 고열을 견디고 재작업을 위해 벗겨낼 수 있습니다. 제조 현장에 편리합니다.

그 편리함은 신뢰성 팀이 비용을 지불합니다. 혼합 비율, 포트 수명, 더 어려운 재작업을 다루는 우레탄 또는 에폭시 시스템으로 전환하는 비용은 현장 리콜 비용에 비하면 무시할 만합니다. 천 개의 장치가 현장에서 간헐적으로 고장 나고, 원인이 접점을 문지르면 사라지는 미세한 유리층이라면, 어려운 재료를 선택했어야 한다고 후회할 것입니다.

밀봉되어 있고 스위치가 있다면, 실리콘은 제외하세요.