Стеклянный двигатель: почему силикон губит герметичную электронику

Отчет об отказе всегда выглядит одинаково. Парк защищенных модулей управления — разработанных для суровых условий, с рейтингом IP67 и залитых компаундом для выживания — начинает вести себя непредсказуемо в полевых условиях. Реле залипают или вовсе не переключаются. Датчики дрейфуют. Клиент возвращает устройства в лабораторию, разъяренный.

Техник на рабочем месте включает их, и они работают идеально. Он ставит отметку «Не обнаружено неисправностей» (NTF) в талоне и отправляет устройство обратно. Через две недели оно снова выходит из строя.

Это не программная ошибка и не бракованная партия реле. Это химическая проблема. Конкретно, это результат того, что «безопасный» материал ведет себя согласно законам физики, а не обещаниям маркетинговой брошюры. Виновником почти наверняка является силиконовый герметик, используемый для защиты устройства. В герметичной тишине запечатанного корпуса этот силикон медленно разрушает электромеханическую целостность системы, превращая сами контакты, предназначенные для проведения электричества, в микроскопические осколки стекла.

Механизм отказа

Силикон обманчив, потому что кажется твердым. Невооруженным глазом отвержденная RTV (вулканизирующаяся при комнатной температуре) прокладка или заливочный компаунд выглядит как стабильный резиновый блок. Однако для химика это гелеобразная матрица полимерных цепей, которая никогда полностью не перестает двигаться.

Стандартные силиконовые составы содержат молекулы с короткими цепями, называемые циклическими силоксанами. Эти летучие вещества с низкой молекулярной массой не закрепляются в отвержденной матрице; они остаются свободными для миграции. При комнатной температуре они обладают высоким давлением пара, что означает, что они постоянно выделяются из основного материала. В открытой среде эти пары безвредно рассеиваются в атмосферу. Но в герметичном корпусе — таком, который предназначен для защиты от воды — эти пары оказываются запертыми. Они насыщают внутренний объем воздуха до достижения равновесия.

Сам пар является электрическим изолятором, но это не основной режим отказа. Разрушение происходит, когда пар встречается с электрической дугой.

Когда реле переключается или вращается коллекторный мотор, возникает микроскопическая плазменная дуга. Если в воздушном зазоре присутствует пар силоксана, энергия дуги разлагает сложную молекулу силикона ($Si-O-Si$). Углерод и водород сгорают, оставляя чистый диоксид кремния ($SiO_2$).

Диоксид кремния — это песок. Фактически стекло — и один из лучших известных человеку электрических изоляторов.

С каждым циклом переключения свежий слой наноскопического стекла осаждается непосредственно на сопрягающихся поверхностях контакта. Он накапливается слоями. В конце концов реле замыкается механически, но цепь остается электрически разомкнутой. Сопротивление контакта возрастает от миллиом до ом, затем до мегаом. Сигнал пропадает.

Заблуждение о «водонепроницаемости»

В аппаратном дизайне существует опасный инстинкт решать проблемы надежности, запечатывая их в коробке. Логика верна для влаги: не пускать дождь, держать цепь сухой. Но для химического загрязнения герметизация становится ловушкой.

При герметизации устройства по стандартам IP67 или IP68 без учета внутреннего выделения газов корпус становится реакционной камерой. Концентрация летучих веществ, которая была бы незначительной в вентилируемом корпусе, накапливается до критических уровней. Эти летучие вещества проникают через изоляцию проводов, пластиковые корпуса разъемов и в «герметичные» компоненты. Стандартное «герметичное» реле не является герметичным в полном смысле; оно герметизировано пластиком. Пары силикона, имея более низкое поверхностное натяжение и меньший молекулярный размер, чем вода, со временем проникают через эпоксидную герметизацию реле. Оказавшись внутри, они ждут искру.

«Ловушка электронного класса»

Самой распространенной защитой от этого режима отказа является заказ на покупку. Спецификация материалов указывает «электронный класс» силикона. На тюбике написано «нейтральное отверждение». Инженеры предполагают, что это означает безопасность материала для чувствительной электроники.

Это неправильное понимание терминов.

«Электронный класс» или «нейтральное отверждение» обычно относится к химии отверждения. Стандартный герметик для ванной — ацетокси-отверждение; при затвердевании он выделяет уксусную кислоту. Ее запах чувствуется как уксус. Эта кислота разъедает медные дорожки и корродирует паяные соединения. «Нейтральное отверждение» (часто алкокси- или оксимное отверждение) заменяет кислоту спиртом или другими некоррозионными побочными продуктами.

Хотя это предотвращает коррозию, это не останавливает выделение силоксанов. Силикон может быть совершенно некоррозионным для меди, но при этом выделять достаточно летучих силоксанов, чтобы разрушить контактный переключатель за 10 000 циклов. Отсутствие запаха уксуса — это не сертификат безопасности; это просто отсутствие одной конкретной кислоты. Запах спирта при алкокси-отверждении — все еще свидетельство выделения летучих веществ из матрицы. Если в техническом паспорте явно не указана масса потерь, «электронный класс» — это просто маркетинговый трюк, а не инженерная спецификация.

Единственный стандарт, который имеет значение: ASTM E595

Если вы проектируете герметичную электронику с подвижными контактами или прецизионной оптикой, существует только один способ специфицировать силикон: вы должны требовать данные, соответствующие ASTM E595.

Этот стандарт, изначально разработанный для космической индустрии, чтобы предотвратить запотевание оптики на спутниках, является единственным строгим определением «низкого выделения газов». Он включает нагрев образца до 125°C в вакууме в течение 24 часов и измерение выделившихся веществ.

Вам нужны два показателя:

1. TML (Общая потеря массы): Должна быть $< 1.0%$.
2. CVCM (Собранные летучие конденсируемые материалы): Должна быть $< 0.1%$.

Если поставщик не может предоставить эти данные для конкретной партии, материал вызывает подозрения. Многие коммерческие «низковолатильные» силиконы при тестировании показывают значения TML 3% или выше. Эта недостающая масса покрывает вашу оптику и изолирует ваши переключатели.

Имейте в виду, что даже среди «безопасных» материалов существует вариация от партии к партии. «Низковолатильная» версия продукта может быть просто стандартной версией, которая была дольше запечена на заводе. Если вы не покупаете материалы с сертификатом для конкретной партии (часто обозначаемым как космического класса или с контролируемой летучестью), вы доверяете статистическому среднему.

Смягчение последствий и выбор материала

Жесткая реальность такова, что силикон и электромеханические контакты принципиально несовместимы в герметичных системах. Если ваше устройство содержит реле, переключатели, скользящие кольца или щеточные двигатели, силикон должен быть исключен из спецификации.

Альтернативы:

• Уретан: Двухкомпонентные уретановые заливочные составы обычно безопасны. Они не выделяют силоксаны, так как не содержат кремниевого каркаса. Их сложнее переделывать, и они могут быть чувствительны к влаге во время отверждения, но они не вызовут «призрачного» отказа ваших реле.
• Эпоксидная смола: Отличная химическая стабильность и низкая летучесть, но жесткая. Высокие тепловые нагрузки могут привести к растрескиванию компонентов.
• Запекание: Если необходимо использовать конкретный силикон, последующая термообработка (например, 4–8 часов при температуре выше 80°C в зависимости от тепловых ограничений компонента) может удалить большую часть летучих веществ до герметизации устройства. Рассматривайте это как смягчение последствий, а не как решение проблемы. Это уменьшает запас летучих веществ, но не устраняет механизм их образования.

Некоторые инженеры утверждают, что силикон необходим для защиты от термического шока. Действительно, силикон обладает непревзойденной гибкостью при экстремальных температурах. Однако устройство, которое выдерживает термический шок, но не проводит электричество, все равно является неисправным. Если основная проблема — термическое циклирование, проектируйте механическое снятие напряжений в корпусе или расположении платы, а не полагайтесь на химическое вещество, которое ухудшает электрическую функцию.

Цена удобства

Силикон популярен не просто так. Его легко наносить, он отверждается при комнатной температуре, выдерживает высокие температуры и может быть снят для переделки. Это удобно для производственного цеха.

Эту удобство оплачивает команда по надежности. Стоимость перехода на уретановую или эпоксидную систему — с учетом соотношений смешивания, времени жизни смеси и более сложной переделки — ничтожна по сравнению со стоимостью отзыва продукции с поля. Когда тысяча устройств начнет периодически выходить из строя в эксплуатации, а корень проблемы — микроскопический слой стекла, который исчезает при очистке контакта, вы пожалеете, что не выбрали более сложный материал.

Если устройство герметично и содержит переключатели, исключите силикон.