De Glazen Motor: Waarom Siliconen Verzegelde Elektronica Doden

Het storingsrapport ziet er altijd hetzelfde uit. Een vloot robuuste regelmodules—ontworpen voor misbruik, beoordeeld voor IP67 en gegoten voor overleving—begint zich onregelmatig te gedragen in het veld. De relais blijven hangen, of ze schakelen helemaal niet. De sensoren drijven af. De klant stuurt de units woedend terug naar het laboratorium.

De werkbanktechnicus zet ze aan en ze werken perfect. Ze stempelen "Geen probleem gevonden" (NTF) op het ticket en sturen de unit terug. Twee weken later faalt het weer.

Dit is geen softwarefout of een slechte partij relais. Het is een chemisch probleem. Specifiek is het het resultaat van een "veilig" materiaal dat zich gedraagt volgens de wetten van de natuurkunde in plaats van de beloften van een marketingbrochure. De schuldige is vrijwel zeker de siliconenkit die wordt gebruikt om het apparaat te beschermen. In de hermetische stilte van een afgesloten behuizing heeft die siliconen langzaam de elektromechanische integriteit van het systeem afgebroken, waardoor de contacten die bedoeld zijn om elektriciteit te geleiden veranderen in microscopische glasscherven.

Het mechanisme van de dood

Siliconen zijn misleidend omdat ze er vast uitzien. Voor het blote oog lijkt een uitgeharde RTV (Room Temperature Vulcanizing) pakking of gietmassa op een stabiele, rubberachtige blok. Voor een chemicus is het echter een gelachtige matrix van polymeerketens die nooit echt stopt met bewegen.

Standaard siliconenformuleringen bevatten korteketenvormige moleculen genaamd cyclische siloxanen. Deze vluchtige stoffen met een laag molecuulgewicht verankeren zich niet in de uitgeharde matrix; ze blijven vrij om te migreren. Bij kamertemperatuur hebben ze een hoge dampdruk, wat betekent dat ze constant uitgassen uit het bulk materiaal. In een open omgeving verspreiden deze dampen zich onschadelijk in de atmosfeer. Maar in een afgesloten behuizing—het soort dat ontworpen is om water buiten te houden—worden deze dampen gevangen. Ze verzadigen het interne luchtvolume totdat ze in evenwicht zijn.

De damp zelf is elektrisch isolerend, maar dat is niet de primaire faalmodus. De vernietiging gebeurt wanneer de damp een elektrische boog ontmoet.

Wanneer een relais schakelt of een geborstelde motor draait, genereert het een microscopische plasma-boog. Als siloxaan damp aanwezig is in de luchtspouw, ontleedt de energie van de boog het complexe siliconenmolecuul ($Si-O-Si$). De koolstof- en waterstofcomponenten verbranden, waardoor puur siliciumdioxide ($SiO_2$) achterblijft.

Siliciumdioxide is zand. Glas, effectief—en een van de beste elektrische isolatoren die de mens kent.

Bij elke schakelcyclus wordt een verse laag nanoscopisch glas direct afgezet op de aansluitvlakken van het contact. Het hoopt zich op in lagen. Uiteindelijk sluit het relais mechanisch, maar blijft het circuit elektrisch open. De contactweerstand stijgt van milliohm tot ohm, en vervolgens tot megohm. Het signaal sterft.

De "Waterdichte" misvatting

Er is een gevaarlijke neiging in hardwareontwerp om betrouwbaarheidsproblemen op te lossen door ze in een doos te sluiten. De logica is logisch voor vocht: houd de regen buiten, houd het circuit droog. Maar voor chemische besmetting is een afdichting een val.

Door een apparaat te verzegelen volgens IP67- of IP68-normen zonder rekening te houden met interne uitgassing, wordt de behuizing een reactiekamer. De concentratie vluchtige stoffen die verwaarloosbaar zou zijn in een geventileerde behuizing, bouwt zich op tot kritieke niveaus. Deze vluchtige stoffen migreren door draadisolatie, plastic connectorbehuizingen en in "afgesloten" componenten. Een standaard "afgesloten" relais is niet hermetisch; het is plastic-afgedicht. Siliciumdamp, met een lagere oppervlaktespanning en kleinere moleculaire grootte dan water, dringt na verloop van tijd door de epoxyafdichting van het relais. Eenmaal binnen wacht het op de vonk.

De "Electronic Grade" val

De meest voorkomende verdediging tegen deze faalmodus is de inkooporder. De stuklijst vermeldt "Electronic Grade" siliconen. De tube zegt "Neutral Cure." De ingenieurs gaan ervan uit dat dit betekent dat het materiaal veilig is voor gevoelige elektronica.

Dit is een misverstand van termen.

"Electronic Grade" of "Neutral Cure" verwijst meestal naar de uithardingschemie. Standaard badkamerkit is acetoxy uitharding; het geeft azijnzuur af tijdens het uitharden. Je ruikt de azijn. Dit zuur eet kopersporen op en corrodeert soldeerverbindingen. "Neutral Cure" (vaak alkoxy- of oxime-uitharding) vervangt het zuur door alcohol of andere niet-corrosieve bijproducten.

Hoewel dit corrosie voorkomt, doet het niets om siloxaan-uitgassing te stoppen. Een siliconen kan perfect niet-corrosief zijn voor koper terwijl het toch genoeg vluchtige siloxanen in de lucht pompt om een contactschakelaar in 10.000 cycli te vernietigen. Het ontbreken van een azijngeur is geen veiligheidskeurmerk; het is simpelweg de afwezigheid van één specifiek zuur. De alcoholgeur van een alkoxy-uitharding is nog steeds bewijs van vluchtige stoffen die de matrix verlaten. Tenzij het gegevensblad expliciet het massaverlies kwantificeert, is "Electronic Grade" slechts marketingpraat, geen technische specificatie.

De enige norm die telt: ASTM E595

Als u afdichte elektronica ontwerpt met bewegende contacten of precisie-optiek, is er maar één manier om siliconen te specificeren: u moet gegevens eisen die voldoen aan ASTM E595.

Deze norm, oorspronkelijk ontwikkeld voor de ruimtevaartindustrie om te voorkomen dat optiek op satellieten beslaat, is de enige rigoureuze definitie van "lage uitgassing." Het omvat het verwarmen van een monster tot 125°C in een vacuüm gedurende 24 uur en het meten van wat vrijkomt.

U zoekt twee getallen:

1. TML (Totale Massa Verlies): Moet $< 1.0%$ zijn.
2. CVCM (Verzamelde Vluchtige Condenseerbare Materialen): Moet $< 0.1%$ zijn.

Als een leverancier deze cijfers niet kan leveren voor een specifieke batch, is het materiaal verdacht. Veel commerciële "laag vluchtige" siliconen zullen TML-waarden van 3% of hoger tonen bij testen. Die ontbrekende massa is wat je optiek bedekt en je schakelaars isoleert.

Wees ervan bewust dat zelfs binnen "veilige" materialen batch-voor-batch variatie bestaat. De "Low Volatile" versie van een product kan gewoon de standaardversie zijn die langer in de fabriek is gebakken. Tenzij je materialen koopt met lot-specifieke certificering (vaak aangeduid als ruimtevaartkwaliteit of gecontroleerde vluchtigheid), vertrouw je op een statistisch gemiddelde.

Mitigatie en materiaalkeuze

De harde realiteit is dat siliconen en elektromechanische contacten fundamenteel onverenigbaar zijn in afgesloten systemen. Als je apparaat relais, schakelaars, sleepringen of borstelsmotoren bevat, moet siliconen van de stuklijst worden verbannen.

De alternatieven:

• Urethaan: Tweecomponenten urethaan gietmiddelen zijn over het algemeen veilig. Ze dampen geen siloxanen uit omdat ze geen siliciumruggengraat bevatten. Ze zijn moeilijker te bewerken en kunnen gevoelig zijn voor vocht tijdens het uitharden, maar ze zullen je relais niet laten falen door spookverschijnselen.
• Epoxy: Uitstekende chemische stabiliteit en lage uitstoot, maar stijf. Hoge thermische spanningen kunnen componenten doen barsten.
• Bakken: Als je een specifieke siliconen moet gebruiken, kan een nabehandeling door bakken (bijv. 4 tot 8 uur bij 80°C+ afhankelijk van de thermische limieten van het component) het merendeel van vluchtige stoffen verwijderen voordat het apparaat wordt afgesloten. Zie dit als mitigatie in plaats van een genezing. Het vermindert de voorraad vluchtige stoffen maar elimineert het generatiemechanisme niet.

Sommige ingenieurs beweren dat siliconen noodzakelijk zijn voor bescherming tegen thermische schokken. Het is waar dat siliconen ongeëvenaarde flexibiliteit hebben bij temperatuurextremen. Echter, een apparaat dat thermische schokken overleeft maar geen elektriciteit kan geleiden, is nog steeds een mislukt apparaat. Als thermische cycli de primaire zorg zijn, ontwerp dan de mechanische spanningsontlasting in de behuizing of het printplaatontwerp, in plaats van te vertrouwen op een chemische stof die de elektrische functie compromitteert.

De kosten van gemak

Siliconen zijn om een reden populair. Het is gemakkelijk aan te brengen, hardt uit bij kamertemperatuur, kan hoge hitte aan en kan worden verwijderd voor nabewerking. Het is handig voor de productievloer.

Die gemak wordt betaald door het betrouwbaarheidsteam. De kosten van overstappen op een urethaan- of epoxysysteem — omgaan met mengverhoudingen, verwerkingstijd en moeilijkere nabewerking — zijn verwaarloosbaar vergeleken met de kosten van een terugroepactie in het veld. Wanneer duizend eenheden af en toe falen in het veld, en de hoofdoorzaak een microscopische laag glas is die verdwijnt als je het contact schoonmaakt, zul je wensen dat je het moeilijke materiaal had gekozen.

Als het afgesloten is en het schakelt, houd dan siliconen buiten de deur.