เครื่องยนต์แก้ว: ทำไมซิลิโคนถึงทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ปิดผนึกเสียหาย

รายงานความล้มเหลวมักจะเหมือนกันเสมอ โมดูลควบคุมที่ทนทานจำนวนมาก—ออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่รุนแรง, ได้รับการจัดอันดับ IP67, และถูกเคลือบเพื่อความอยู่รอด—เริ่มทำงานผิดปกติในสนาม รีเลย์ติด หรือไม่สลับเลย เซ็นเซอร์ลอย ลูกค้าส่งอุปกรณ์กลับไปที่ห้องปฏิบัติการด้วยความโกรธ

ช่างเทคนิคที่โต๊ะทดสอบเปิดเครื่องและมันทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ พวกเขาประทับตรา “ไม่พบปัญหา” (NTF) บนบัตรและส่งอุปกรณ์กลับไป สองสัปดาห์ต่อมา มันล้มเหลวอีกครั้ง

นี่ไม่ใช่ข้อบกพร่องของซอฟต์แวร์หรือชุดรีเลย์ที่ไม่ดี มันเป็นปัญหาทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นผลมาจากวัสดุ “ปลอดภัย” ที่ทำงานตามกฎฟิสิกส์มากกว่าคำสัญญาในโบรชัวร์การตลาด ผู้ร้ายแทบจะแน่นอนคือสารซิลิโคนซีลแลนท์ที่ใช้ปกป้องอุปกรณ์ ในความเงียบสนิทของกล่องปิดผนึก ซิลิโคนนี้ได้ค่อยๆ ทำลายความสมบูรณ์ทางไฟฟ้า-กลไกของระบบ เปลี่ยนการสัมผัสที่ตั้งใจจะนำไฟฟ้าให้กลายเป็นเศษแก้วจิ๋ว

กลไกของการทำลาย

ซิลิโคนหลอกลวงเพราะดูเหมือนของแข็ง สำหรับตาเปล่า ซีลยาง RTV (Room Temperature Vulcanizing) หรือสารเคลือบที่แห้งแล้วดูเหมือนบล็อกยางที่มั่นคง แต่สำหรับนักเคมี มันคือเมทริกซ์เจลของสายโพลิเมอร์ที่ไม่เคยหยุดเคลื่อนไหวจริงๆ

สูตรซิลิโคนมาตรฐานมีโมเลกุลสายสั้นที่เรียกว่าซัยคลิกซิลอกเซน โมเลกุลระเหยน้ำหนักโมเลกุลต่ำเหล่านี้ไม่ล็อกอยู่ในเมทริกซ์ที่แห้งแล้ว; พวกมันยังคงอิสระที่จะเคลื่อนที่ ที่อุณหภูมิห้อง พวกมันมีความดันไอสูง หมายความว่าพวกมันระเหยออกจากวัสดุจำนวนมากอย่างต่อเนื่อง ในสภาพแวดล้อมเปิด ไอเหล่านี้จะกระจายออกไปในบรรยากาศอย่างปลอดภัย แต่ในกล่องปิดผนึก—ชนิดที่ออกแบบมาเพื่อกันน้ำ—ไอเหล่านี้ถูกกักขัง พวกมันอิ่มตัวในปริมาตรอากาศภายในจนถึงสมดุล

ไอระเหยเองเป็นฉนวนไฟฟ้า แต่ไม่ใช่โหมดความล้มเหลวหลัก การทำลายเกิดขึ้นเมื่อไอระเหยพบกับประกายไฟฟ้า

เมื่อรีเลย์สลับหรือมอเตอร์แปรงหมุน มันสร้างประกายพลาสมาจิ๋ว หากมีไอซิลอกเซนในช่องว่างอากาศ พลังงานของประกายไฟจะสลายโมเลกุลซิลิโคนซับซ้อน ($Si-O-Si$) ส่วนประกอบคาร์บอนและไฮโดรเจนจะถูกเผาไหม้ ทิ้งซิลิกอนไดออกไซด์บริสุทธิ์ ($SiO_2$) ไว้เบื้องหลัง

ซิลิกอนไดออกไซด์คือทราย แก้วอย่างมีประสิทธิภาพ—และเป็นหนึ่งในฉนวนไฟฟ้าที่ดีที่สุดที่มนุษย์รู้จัก

ในทุกวงจรสลับ ชั้นแก้วนาโนสโคปิกใหม่จะสะสมโดยตรงบนพื้นผิวสัมผัสที่จับกัน มันสะสมเป็นชั้นๆ ในที่สุดรีเลย์จะปิดทางกล แต่วงจรยังคงเปิดทางไฟฟ้า ความต้านทานการสัมผัสพุ่งจากมิลลิโอห์มเป็นโอห์ม แล้วเป็นเมกะโอห์ม สัญญาณดับ

ความเข้าใจผิดเรื่อง "กันน้ำ"

มีสัญชาตญาณที่อันตรายในออกแบบฮาร์ดแวร์ที่จะแก้ปัญหาความน่าเชื่อถือโดยการปิดผนึกไว้ในกล่อง หลักการนี้ถูกต้องสำหรับความชื้น: ป้องกันฝนเข้า ป้องกันวงจรเปียก แต่สำหรับการปนเปื้อนทางเคมี การปิดผนึกกลับกลายเป็นกับดัก

โดยการปิดผนึกอุปกรณ์ตามมาตรฐาน IP67 หรือ IP68 โดยไม่คำนึงถึงการปล่อยก๊าซภายใน ตัวครอบกลายเป็นห้องปฏิกิริยา ความเข้มข้นของสารระเหยที่แทบจะไม่มีนัยสำคัญในที่อยู่อาศัยที่มีช่องระบายอากาศจะสะสมจนถึงระดับวิกฤต สารระเหยเหล่านี้เคลื่อนที่ผ่านฉนวนสายไฟ ตัวครอบขั้วต่อพลาสติก และเข้าสู่ส่วนประกอบที่ “ปิดผนึก” รีเลย์ “ปิดผนึก” มาตรฐานไม่ใช่แบบปิดสนิท; เป็นการปิดผนึกด้วยพลาสติก ไอซิลิโคน ซึ่งมีแรงตึงผิวต่ำกว่าและขนาดโมเลกุลเล็กกว่าน้ำ จะซึมผ่านการปิดผนึกอีพ็อกซี่ของรีเลย์เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อเข้าไปข้างใน มันรอประกายไฟ

กับดัก “เกรดอิเล็กทรอนิกส์”

การป้องกันที่พบบ่อยที่สุดต่อโหมดความล้มเหลวนี้คือใบสั่งซื้อ รายการวัสดุระบุว่าใช้ซิลิโคน “เกรดอิเล็กทรอนิกส์” หลอดบอกว่า “บ่มแบบกลาง” วิศวกรจึงสันนิษฐานว่าวัสดุนั้นปลอดภัยสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความไว

นี่คือความเข้าใจผิดเกี่ยวกับคำศัพท์

“เกรดอิเล็กทรอนิกส์” หรือ “บ่มแบบกลาง” มักหมายถึงเคมีการบ่ม ซิลิโคนสำหรับห้องน้ำทั่วไปเป็นแบบบ่มอะซิตอกซี; จะปล่อยกรดอะซิติกเมื่อเซ็ตตัว คุณจะได้กลิ่นน้ำส้มสายชู กรดนี้กัดลายทองแดงและกัดกร่อนข้อต่อบัดกรี “บ่มแบบกลาง” (มักเป็นแบบอัลคอกซีหรือออกซิเม) แทนที่กรดด้วยแอลกอฮอล์หรือผลิตภัณฑ์ที่ไม่กัดกร่อนอื่นๆ

แม้ว่าจะป้องกันการกัดกร่อนได้ แต่มันไม่สามารถหยุดการปล่อยก๊าซซิลอกเซนได้ ซิลิโคนสามารถไม่กัดกร่อนทองแดงได้อย่างสมบูรณ์แต่ยังปล่อยซิลอกเซนระเหยจำนวนมากออกสู่อากาศจนทำลายสวิตช์สัมผัสได้ใน 10,000 รอบ การไม่มีน้ำส้มสายชูไม่ได้หมายความว่าปลอดภัย; มันแค่ไม่มีกรดชนิดหนึ่ง กลิ่นแอลกอฮอล์ของการบ่มแบบอัลคอกซียังคงเป็นหลักฐานของสารระเหยที่ออกจากเมทริกซ์ เว้นแต่แผ่นข้อมูลจะระบุปริมาณการสูญเสียน้ำหนักอย่างชัดเจน “เกรดอิเล็กทรอนิกส์” เป็นเพียงคำโฆษณา ไม่ใช่ข้อกำหนดทางวิศวกรรม

มาตรฐานเดียวที่สำคัญ: ASTM E595

ถ้าคุณกำลังออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ปิดผนึกมีการสัมผัสที่เคลื่อนไหวหรือออปติกที่แม่นยำ มีเพียงวิธีเดียวที่จะกำหนดซิลิโคน: คุณต้องขอข้อมูลที่สอดคล้องกับ ASTM E595

มาตรฐานนี้ซึ่งพัฒนาขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศเพื่อป้องกันไม่ให้ออปติกเกิดฝ้าบนดาวเทียม เป็นคำจำกัดความที่เข้มงวดเพียงอย่างเดียวของ “การปล่อยก๊าซต่ำ” โดยการให้ความร้อนตัวอย่างที่ 125°C ในสุญญากาศเป็นเวลา 24 ชั่วโมงและวัดสิ่งที่ปล่อยออกมา

คุณกำลังมองหาตัวเลขสองค่า:

1. TML (การสูญเสียน้ำหนักรวม): ต้องน้อยกว่า $< 1.0%$.
2. CVCM (วัสดุระเหยที่ควบแน่นได้ที่เก็บรวบรวม): ต้องน้อยกว่า $< 0.1%$.

หากผู้ขายไม่สามารถให้ตัวเลขเหล่านี้สำหรับล็อตเฉพาะได้ วัสดุนั้นถือว่าน่าสงสัย ซิลิโคน "ความระเหยต่ำ" ทางการค้าหลายชนิดจะแสดงค่าความสูญเสียมวลรวม (TML) ที่ 3% หรือสูงกว่าเมื่อทดสอบ มวลที่หายไปนี้คือสิ่งที่เคลือบเลนส์ของคุณและเป็นฉนวนสำหรับสวิตช์ของคุณ

โปรดทราบว่าแม้ในวัสดุ "ปลอดภัย" ก็ยังมีความแตกต่างระหว่างล็อตต่างๆ รุ่น "ความระเหยต่ำ" ของผลิตภัณฑ์อาจเป็นเพียงรุ่นมาตรฐานที่อบนานขึ้นที่โรงงาน เว้นแต่คุณจะซื้อวัสดุที่มีการรับรองเฉพาะล็อต (มักระบุว่าเป็นเกรดอวกาศหรือควบคุมความระเหย) คุณกำลังไว้วางใจค่าเฉลี่ยทางสถิติ

การบรรเทาและการเลือกวัสดุ

ความจริงที่โหดร้ายคือซิลิโคนและขั้วไฟฟ้าเชิงกลไฟฟ้าไม่เข้ากันโดยพื้นฐานในระบบที่ปิดผนึก หากอุปกรณ์ของคุณมีรีเลย์ สวิตช์ วงแหวนเลื่อน หรือมอเตอร์แปรง ซิลิโคนควรถูกห้ามในรายการวัสดุ (BOM)

ทางเลือก:

• ยูรีเทน: สารประกอบยูรีเทนสองส่วนสำหรับการหุ้มโดยทั่วไปปลอดภัย พวกมันไม่ปล่อยแก๊สซิลอกเซนเพราะไม่มีโครงสร้างซิลิคอน พวกมันยากต่อการแก้ไขใหม่และอาจไวต่อความชื้นในระหว่างการบ่ม แต่จะไม่ทำให้รีเลย์ของคุณเสียหายแบบล่องหน
• อีพ็อกซี่: มีความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยมและปล่อยแก๊สน้อย แต่แข็ง ความเครียดทางความร้อนสูงอาจทำให้ชิ้นส่วนแตก
• การอบ: หากคุณต้องใช้ซิลิโคนเฉพาะ การอบหลังการบ่ม (เช่น 4 ถึง 8 ชั่วโมงที่ 80°C ขึ้นไปขึ้นอยู่กับขีดจำกัดความร้อนของชิ้นส่วน) สามารถขจัดสารระเหยส่วนใหญ่ก่อนที่หน่วยจะถูกปิดผนึก คิดว่านี่เป็นการบรรเทาไม่ใช่การรักษา มันลดแหล่งสะสมของสารระเหยแต่ไม่กำจัดกลไกการสร้าง

วิศวกรบางคนโต้แย้งว่าซิลิโคนจำเป็นสำหรับการป้องกันความช็อกทางความร้อน เป็นความจริงที่ซิลิโคนมีความยืดหยุ่นที่ไม่มีใครเทียบได้ในช่วงอุณหภูมิสุดขั้ว อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ที่รอดจากความช็อกทางความร้อนแต่ล้มเหลวในการนำไฟฟ้ายังคงเป็นอุปกรณ์ที่ล้มเหลว หากการหมุนเวียนความร้อนเป็นความกังวลหลัก ให้ออกแบบการบรรเทาความเครียดทางกลในตัวเรือนหรือการจัดวางบอร์ด แทนที่จะพึ่งพาสารเคมีที่ทำลายหน้าที่ทางไฟฟ้า

ต้นทุนของความสะดวกสบาย

ซิลิโคนได้รับความนิยมด้วยเหตุผล มันง่ายต่อการจ่าย บ่มที่อุณหภูมิห้อง ทนความร้อนได้สูง และสามารถลอกออกเพื่อแก้ไขใหม่ได้ สะดวกสำหรับชั้นการผลิต

ความสะดวกนั้นต้องแลกด้วยทีมความน่าเชื่อถือ ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนไปใช้ระบบยูรีเทนหรืออีพ็อกซี่—จัดการกับอัตราส่วนผสม อายุการใช้งาน และการแก้ไขที่ยากขึ้น—แทบไม่สำคัญเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายของการเรียกคืนในสนาม เมื่อพันหน่วยเริ่มล้มเหลวเป็นครั้งคราวในสนาม และสาเหตุหลักคือชั้นแก้วจิ๋วที่หายไปเมื่อคุณขัดขั้วต่อ คุณจะหวังว่าคุณเลือกวัสดุที่ยากกว่า

ถ้ามันถูกปิดผนึก และมันสวิตช์ ให้เก็บซิลิโคนออก