الإلكترونيات المرنة والقابلة للتمدد الممكنة من خلال مواد سيليكون متقدمة

دور مطاط السيليكون السائل (LSR) في الدوائر المرنة

يُستخدم مطاط السيليكون السائل أو LSR الآن على نطاق واسع في الدوائر المرنة لأنه يتمدد بشكل جيد جدًا (باسترداد انفعال يصل إلى حوالي 500٪) ويظل مستقرًا حتى عند تقلبات درجات الحرارة من ناقص 50 درجة مئوية وحتى 200 درجة مئوية. ما يجعل هذا المATERIAL مميزًا جدًا هو سيولته العالية، مما يسمح للمصنّعين بتشكيله إلى الأشكال الدقيقة للدوائر اللازمة لأغراض مثل الموصلات في الشاشات القابلة للطي والأجزاء المرنة التي نراها في الهواتف الذكية الحديثة. كما أظهرت ورقة بحثية نُشرت العام الماضي في مجلة هندسة المواد المتقدمة أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا. فقد تغيرت مقاومة هذه الدوائر الكهربائية المصنوعة من LSR بأقل من 5٪ فقط بعد ثنيها أكثر من 100 ألف مرة. وهذا النوع من الأداء يعني أنها يمكن أن تدوم لفترة أطول بكثير دون فشل مقارنةً بالمواد الأخرى المتاحة حاليًا.

التقدم في الآثار الموصلة القابلة للتمدد والمدمجة في السيليكون

يمكن للمواد الموصلة الهجينة الجديدة مثل السيليكون المطلي برقائق الفضة الآن أن تصل إلى توصيلية تبلغ حوالي 3500 سيمينز/سم وتمتد إلى ثلاثة أضعاف طولها الأصلي قبل الكسر. هذه المسارات الموصلة الخاصة هي ما يجعل من الممكن إنتاج أجهزة استشعار جلدية لاصقة تتتبع حركات العضلات أثناء قيام الشخص بالتمارين، مع الحفاظ على إشارات قوية حتى أثناء الحركة الشديدة. تتيح أحدث طرق الترسيب بالليزر للباحثين إنشاء خطوط موصلة بعرض 15 ميكرومترًا فقط داخل قواعد السيليكون. وهذا أمر مثير للإعجاب نسبيًا، إذ يمثل تقليصًا بنسبة 60 بالمئة في أحجام الميزات مقارنة بما كان ممكنًا في عام 2021. إن هذه الميزات الصغيرة تفتح الباب أمام دقة أعلى بكثير في كيفية دمج هذه المستشعرات على الأسطح.

دراسة حالة: مستشعرات جلدية قائمة على السيليكون لمراقبة الصحة

درست مؤخرًا تحليل شمل 200 شخص يعانون من مشكلات تنفسية مزمنة، وتوصل إلى اكتشاف مثير بشأن أجهزة الاستشعار السيليكونية الرفيعة جدًا والتي لا يتجاوز سمكها 0.8 مم. وقد ثبت أنها فعالة بدرجة كبيرة في تتبع عملية التنفس على مدار اليوم طوال الوقت، حيث بلغت دقتها المثيرة للإعجاب 98.3%. وهذا أداء أفضل بكثير مقارنة بالأقطاب الكهربائية التقليدية الصلبة التي حققت دقة تبلغ حوالي 75% فقط. ووفقًا للتقرير الكبير الصادر العام الماضي حول تقنيات الصحة القابلة للارتداء، فإن ما يجعل هذه المستشعرات الجديدة فعّالة بهذا الشكل هو قدرتها على السماح بمرور الغازات من خلال المادة. وهذه الخاصية تمنع ظهور مشكلات الجلد عند ارتدائها لمدة سبعة أيام متواصلة. ومن هنا يُفهم سبب حماس الأطباء تجاه هذه التكنولوجيا بالنسبة للمرضى الذين يحتاجون رعاية مستمرة لكنهم لا يستطيعون دائمًا التوجه إلى العيادات.

الاتجاه نحو مركبات السيليكون ذاتية الإصلاح في الإلكترونيات القابلة للارتداء

السيليكونات التي يمكنها إصلاح نفسها بفضل الروابط الثنائية الديناميكية رائعة جدًا. فهي في الواقع تلتئم من شقوق بطول 2 مم من تلقاء نفسها خلال حوالي 40 دقيقة عند درجات حرارة الغرفة العادية، مما يجعلها مفيدة للغاية في أشياء مثل أحزمة الساعات الذكية وأجزاء نظارات الواقع المعزز/الافتراضي. والأرقام تروي قصة مقنعة أيضًا. الشركات المصنعة للمنتجات التي تستخدم هذه المواد ذاتية الإصلاح تشهد مشكلات ضمان أقل بنسبة تقارب النصف مقارنة بما كانت عليه قبل التحول من السيليكون العادي. وهذا فرق كبير جدًا من حيث عمر المنتج والتكاليف التي تتحملها الشركات على المدى الطويل، خاصةً بالنظر إلى مدى استخدام الأجهزة الإلكترونية بكثافة في الوقت الحالي.

التحديات في الحفاظ على السلامة الكهربائية أثناء التشوه الميكانيكي

لا تزال معظم المواد السيليكونية القابلة للتمدد تفقد أكثر من 20٪ من التوصيلية بمجرد تمديدها لما يزيد عن 250٪ من الاستطالة، على الرغم من جميع الصيغ الجديدة المتطورة الموجودة حاليًا. نشر الباحثون شيئًا مثيرًا للاهتمام في مجلة Nature Electronics العام الماضي، أشاروا فيه إلى أن مشكلات التوصيلية هذه تأتي أساسًا من تشكل شقوق دقيقة في الجسيمات الموصلة داخل المادة. ومع ذلك، ظهرت بعض الأساليب الجديدة الرائعة التي تعتمد على الأنماط الكسورية التي نراها في الطبيعة، لتصميم مسارات توزع الإجهاد بشكل أفضل على سطح المادة. يمكن لهذه التصاميم أن تقلل من نقاط تركيز الانفعال بنحو 70٪. لكن العقبة تكمن في أن التصنيع على نطاق واسع يصبح معقدًا جدًا بسبب التعقيد الشديد لهذه الأنماط. وتحاول العديد من الشركات حاليًا التغلب على هذه المشكلة أثناء انتقالها من العينات المخبرية إلى عمليات الإنتاج الفعلية.

اختراقات في إدارة الحرارة باستخدام مواد سيليكونية وظيفية

شحوم سيليكونية عالية التوصيل الحراري (3 واط/م·كلفن) للإلكترونيات القدرة

تتعامل الإلكترونيات القدرة اليوم مع مستويات حرارة عالية بشكل لا يصدق يمكن أن تتجاوز 300 واط لكل سنتيمتر مربع، مما يعني أننا بحاجة إلى مواد واجهة حرارية جيدة جدًا للتعامل مع هذا. وصلت أحدث أنواع شحوم السيليكون المتوفرة في السوق إلى معدلات توصيل حراري تبلغ حوالي 3 واط لكل متر كلفن أو أكثر بفضل تركيبات محسّنة تحتوي على معبئات نيتريد البورون وألومينا. هذه المواد الجديدة تُبدّد الحرارة بأكثر من أربع مرات بالمقارنة مع مركبات أكسيد الزنك القديمة. قام باحثون كبار بإجراء اختبارات في مختبرات على هذه الشحوم ووجدوا أنها تقلل درجات حرارة النقاط الساخنة بين 18 إلى 22 درجة مئوية تقريبًا في وحدات IGBT. هذا النوع من التحسن يُترجم فعليًا إلى عمر أطول بنسبة ثلاثين بالمئة تقريبًا من حيث دورة تشغيل القدرة لهذه المكونات.

مواد سد الفراغ من السيليكون في أنظمة تبديد الحرارة لمحطات قاعدة 5G

المجموعات المليمترية المستخدمة في تكنولوجيا الجيل الخامس تخلق نقاط حرارة شديدة جداً، تصل أحياناً إلى حوالي 150 واط لكل سنتيمتر مربع. وهذا يعني أننا بحاجة إلى ملء فجوات خاصة يمكن أن تتكيف مع تلك الخرطوشات الصغيرة على سطح أقل من 50 ميكرومتر. هذه المواد المركبة السيليكونية تعمل بشكل جيد جداً لأنها تحافظ على اتصال ضغط جيد فوق 15 باوند لكل إنش مربع حتى عندما تتأرجح درجات الحرارة بشكل شديد بين -40 درجة مئوية و +125 درجة مئوية. إنهم يتعاملون مع مشاكل التوجيه الشائعة في إعدادات هوائيات MIMO الكبيرة النظر إلى التجارب الميدانية الفعلية في بيئات المدن يظهر شيئا مثيرا للاهتمام أيضا. انخفضت المقاومة الحرارية من وصلات المكونات إلى الهواء المحيط بنحو ربع عند استخدام هذه المواد بدلاً من أوراق الجرافيت العادية. هذا يُحدث فرقًا كبيرًا في مدة استمرارية الأنظمة قبل الحاجة إلى الصيانة أو قطع الغيار.

تحليل الجدل: السيليكون مقابل مواد الواجهة الحرارية القائمة على الجرافين

توفر مواد TIM المحسنة بالجرافين نظرياً موصلات حرارية تصل إلى 1500 واط / ميكال، ولكن التطبيقات العملية تواجه تحديات من مقاومة اتصال الواجهة ومشاكل الأكسدة عند تعرضها لظروف رطبة فوق 80٪ من الرطوبة النسبية. أظهرت الأبحاث المنشورة في مجلة المواد المتقدمة العام الماضي أن مواد السيليكون المركبة تحتفظ بنحو 92% من كفاءتها الحرارية الأصلية حتى بعد الخضوع لـ 5000 دورة من اختبارات الرطوبة والتجمد. هذا مثير للإعجاب مقارنةً بخيارات الجرافين التي حافظت على نحو 67% من فعاليتها في ظل ظروف مماثلة وعندما نأخذ في الاعتبار خصائص العزل الكهربائي الطبيعية التي تمتلكها هذه المواد (مع تصنيفات CTI فوق 600 فولت) ، يصبح من الواضح لماذا يفضل العديد من المهندسين السيليكون للأنظمة الإلكترونية الحيوية، على الرغم من أنه لا ي

السيليكون ذو الجودة البصرية في تكنولوجيات العرض والإضاءة الجيل التالي

سيليكون عالي نفاذية الضوء للتعبئة بتقنية LED الصغيرة

أصبحت السيليكونات المصنفة للوضوح البصري مع نقل حوالي 92٪ من الضوء المرئي مكونًا ضروريًا في تعبئة وحدات LED الصغيرة في الوقت الراهن. فهي تتيح للمصنّعين إنتاج شاشات ليست رقيقة فحسب، بل توفر أيضًا سطوعًا أفضل بكثير على كامل سطح الشاشة. ما يميّز هذه المواد هو قدرتها على تقليل مشاكل تشتت الضوء دون التأثير على القوة الهيكلية عند ارتفاع درجات الحرارة أثناء التشغيل. ووفقًا لأحدث الأبحاث الصادرة عن دراسة تعبئة وحدات LED الصغيرة لعام 2023، فإن الإصدارات المستقرة ضد الأشعة فوق البنفسجية تُظهر تدهورًا لونيًا ضئيلاً جدًا، مع أقل من 2٪ من الاصفرار حتى بعد مرور 1000 ساعة تحت اختبارات الشيخوخة المُسرّعة. يجعل هذا الأداء منها خيارات مثالية للتطبيقات التي تتعرض فيها المنتجات للشمس بشكل متكرر، مثل أنظمة الترفيه في السيارات أو تلك الهواتف القابلة للطي الفاخرة التي يُحب الناس طيها وفتحها طوال اليوم.

مؤشر انكسار قابل للتعديل في السيليكون البصري يعزز كفاءة العرض

تم تصميم السيليكونات بمؤشرات انكسار قابلة للتعديل تتراوح بين 1.41 و1.53 مما يساعد على تقليل تلك الانعكاسات المزعجة من نوع فيرنسال التي تحدث عند التقاء المواد. والنتيجة هي أن الشركات المصنعة تلاحظ زيادة بنسبة حوالي 18٪ في كمية الضوء المستخرج من مصفوفات الميكرو LED مقارنةً بالمواد العازلة التقليدية الموجودة في السوق اليوم. وعندما يتماشى مؤشر الانكسار لطبقات أشباه الموصلات بشكل جيد مع السيليكون البصري المستخدم، تحصل الشركات على إخراج ضوئي أفضل مع الحفاظ في الوقت نفسه على استقرار حراري وكفاءة ميكانيكية كافية تتيح استخدام المنتجات في التطبيقات الواقعية.

مفارقة الصناعة: تحقيق التوازن بين الوضوح والمتانة في السيليكونات الشفافة

على الرغم من أن السيليكونات ذات الجودة المخبرية يمكنها تحقيق نفاذية للضوء تصل إلى 94%، إلا أن الإصدارات التجارية غالبًا ما تُضحّي بالوضوح من أجل المتانة — حيث تقلل المواد المالئة المقاومة للخدوش عادةً من الشفافية بنسبة 6–8%. ومع ظهور معالجات سطحية جديدة على النطاق النانوي، أصبح من الممكن الحفاظ على أكثر من 90% من النفاذية مع ثلاث أضعاف مقاومة التآكل، وهي تطور حاسم للعدسات المستخدمة في الواقع المعزز/الواقع الافتراضي والإشارات الرقمية الخارجية المعرضة للتلف البيئي.

التكامل الذكي والتوافق مع إنترنت الأشياء في إكسسوارات الإلكترونيات السيليكونية

تتيح مرونة السيليكون دمج جميع أنواع الأجزاء العاملة مباشرةً في هياكل مرنة. وتحتفظ أجهزة استشعار درجة الحرارة المدمجة في هذه المواد بدقتها ضمن نصف درجة مئوية، حتى بعد ثنيها خمسين مرة. وفي الوقت نفسه، حققت الإصدارات الأولية من أجهزة تتبع اللياقة التي تعتمد على كشف الحركة معدلات تمييز تقترب من الكمال بنسبة 98%. ويظل هذا النوع من الأداء جيدًا عندما تكون الأشياء في حركة مستمرة. وما يعنيه ذلك بالنسبة للتطبيقات الفعلية أمر بسيط إلى حد ما: يمكننا الآن جمع بيانات عالية الجودة من إعدادات أجهزة الاستشعار المرنة المتصلة بالإنترنت دون الحاجة إلى القلق بشأن تعطلها ميكانيكيًا في ظل ظروف الاستخدام العادية.

تم تحسين توافق الشحن اللاسلكي من خلال التغليف بالسيليكون، حيث حققت النماذج الأولية الحديثة كفاءة بنسبة 84٪ من خلال أغلفة بسمك 3 مم. وفقًا لبيانات منتدى الطاقة اللاسلكية لعام 2023، تظل الحرارة دون 40°م أثناء جلسات الشحن السريع بقدرة 15 واط. تجعل هذه الاستقرار الحراري من السيليكون مثاليًا لأحزمة الساعات الذكية والأجهزة القابلة للارتداء الطبية التي تتطلب تعقيمًا متكررًا.

من الواضح أن السوق يسير قُدمًا، مع تسجيل الأجهزة القابلة للارتداء المصنوعة من السيليكون الذكية نموًا بنسبة حوالي 25٪ سنويًا مع تزايد اهتمام الأشخاص بصحتهم. وفقًا لأحدث النتائج الصادرة عن MarketsandMarkets في عام 2024، يرغب ما يقرب من ثلثي جميع المستخدمين في أن تقوم أجهزتهم الرياضية بتتبع العلامات الحيوية باستمرار. وقد بدأت الشركات الرائدة في هذا المجال بدمج أجهزة تحتوي على مستشعرات SpO2 متوافقة حيويًا إلى جانب أجهزة مراقبة توصيلية الجلد. وتستخدم هذه المنتجات مواد سيليكون طبية تفي بمتطلبات ISO 10993-5 المصممة خصيصًا للاستخدام الطويل الأمد على الجلد دون التسبب في تهيج أو انزعاج. ويُعدّ هذا المزيج من التقنية المتقدمة والمواد الصديقة للجلد عاملًا جاعلًا لهذه الأجهزة القابلة للارتداء فعّالة ومريحة للاستخدام اليومي.

التخصيص وتطور التصنيع في إكسسوارات الإلكترونيات المصنوعة من السيليكون

الطباعة ثلاثية الأبعاد لإكسسوارات الإلكترونيات المصنوعة من السيليكون المخصصة حسب المقاس

شهد عالم الإلكترونيات السيليكونية تغييرات كبيرة بفضل تقنيات التصنيع الإضافي التي يمكنها إنشاء أجزاء على شكل الجسم بدقة تصل إلى نصف ملليمتر. مع الطباعة ثلاثية الأبعاد ذات المادتين، تدمج الشركات الآن مناطق الدوائر الصلبة مع تلك الأسطح اللينة المريحة التي يرغب المرضى فعليًا في ارتدائها بالقرب من بشرتهم. وهذا أمر مفيد بشكل خاص عند تصنيع الأجهزة القابلة للارتداء التي تعمل داخل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي دون التسبب في تداخل. ووفقًا للخبراء في هذا المجال، انخفضت أوقات تطوير النماذج الأولية بنسبة تقارب 87 بالمئة منذ التحول من طرق القوالب التقليدية، وهو ما أكدته تقارير تطبيقات السيليكون المخصصة الصادرة العام الماضي. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال هذه المنتجات الجديدة تفي بمعايير مقاومة الماء IP67 المهمة المطلوبة في المستشفيات حيث تكون الظروف رطبة أحيانًا.

اتجاهات التخصيص الجماعي في الإلكترونيات الاستهلاكية باستخدام صب المطاط السيليكوني السائل (LSR)

إن التحسينات الحديثة في صب مطاط السيليكون السائل (LSR) تجعل من الممكن إنتاج منتجات شديدة التخصيص بفضل القوالب الخاضعة للتحكم بالذكاء الاصطناعي والتعديلات الفورية لدرجة سيولة السيليكون أثناء المعالجة. فعلى سبيل المثال، يمكن لعلامة تجارية كبرى للساعات الذكية إنتاج نحو 150 لونًا مختلفًا بدرجات مختلفة من الصلابة، تتراوح بين اللينة والمتوسطة-الصلبة (حوالي 50 إلى 80 على مقياس شور A)، وكل ذلك ضمن الدفعة نفسها. يرغب المستهلكون حاليًا في أن تبدو أجهزتهم فريدة من نوعها، وبالتالي فإن هذا النوع من التخصيص يتماشى تمامًا مع ما يطلبه الناس. بالإضافة إلى ذلك، تظل الشركات المصنعة قادرة على الحفاظ على معايير السلامة من الحرائق UL94-V0 المهمة للمنتجات القابلة للارتداء. تشير تقارير الصناعة إلى أن هذه التقنية تقلل من هدر المواد بنحو الثلث. ومع كل هذه التطورات، لا يزال تصنيع الأجزاء المعقدة خلال أقل من 60 ثانية لكل دورة أمرًا يواجه صعوبات لدى المصنعين.

أسئلة شائعة

ما الذي يجعل مطاط السيليكون السائل (LSR) مناسبًا للدوائر المرنة؟

يُعد السيليكون المطاطي السائل (LSR) مثاليًا للدوائر المرنة نظرًا لقدرته العالية على التمدد (استعادة تصل إلى 500٪ من الانفعال) واستقراره الحراري، حيث يحافظ على الأداء عبر نطاق درجات حرارة يتراوح بين -50°م و200°م.

ما الفوائد التي تقدمها أجهزة الاستشعار الشبيهة بالجلد القائمة على السيليكون لمراقبة الصحة؟

توفر أجهزة الاستشعار الشبيهة بالجلد القائمة على السيليكون فوائد مثل معدلات دقة عالية (98.3٪ مقارنةً بـ 75٪ للأقطاب الصلبة)، وقابلية للتنفس، وتقليل تهيج الجلد، مما يجعلها مناسبة للمراقبة طويلة الأمد.

لماذا تعد إدارة الحرارة مهمة في الإلكترونيات السيليكونية؟

تُعد إدارة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأن الإلكترونيات السيليكونية غالبًا ما تتعرض لمستويات حرارة عالية؛ ويمكن أن تساهم مواد إدارة الحرارة الفعّالة، مثل شحوم السيليكون المتقدمة، في تعزيز عمر الجهاز وأدائه.

كيف يسهم السيليكون في التوافق مع إنترنت الأشياء (IoT) في الإلكترونيات؟

تتيح مرونة السيليكون دمجًا سلسًا لمكونات مثل مستشعرات درجة الحرارة والحركة، مما يمكّن من جمع بيانات موثوقة في أجهزة إنترنت الأشياء دون مخاطر فشل ميكانيكي.

كيف أثر الطباعة ثلاثية الأبعاد على تصنيع الإلكترونيات السيلكونية؟

أحدثت الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في تصنيع الإلكترونيات السيلكونية من خلال تمكين إنتاج أجزاء مخصصة ذات أشكال تتناسب مع الجسم بدقة عالية، وتقليل أوقات تطوير النماذج الأولية بنسبة تقارب 87%.