لماذا يُحدث السيليكون ثورة في تصميم المنتجات الإلكترونية

الانتشار المتزايد للسيليكون المطاطي في الأنظمة الإلكترونية والكهربائية

يُعد السيليكون من المواد التي تشهد انتشارًا واسعًا في العالم الإلكتروني اليوم، ووفقًا لأحدث الدراسات الصادرة عن مؤسسة بونيمون (2023)، بدأ نحو 7 من أصل 10 مصنّعين بدمج هذه المادة في منتجاتهم لإدارة مشكلات الحرارة. فما الذي جعل هذه المادة شائعة بهذا الشكل؟ حسنًا، عندما لاحظت الشركات قدرة السيليكون الكبيرة على تحمل درجات الحرارة القصوى التي تتراوح بين -55 درجة مئوية وحتى 300 درجة دون أن يفقد شكله أو خصائصه، لم يعد بإمكانها تجاهل إمكانياته. ويجعل هذا الخصوصية منه مادة ذات قيمة كبيرة في تطبيقات مثل الساعات الذكية، والأجزاء الداخلية للمركبات الكهربائية (EV)، وأجهزة الاستشعار الصغيرة المنتشرة في كل مكان حاليًا. مقارنةً بالمواد البلاستيكية أو المطاطية التقليدية، يتمتع السيليكون بمقاومة أعلى بكثير تجاه أضرار أشعة الشمس، والهجمات الناتجة عن الأوزون، ودخول المياه. ولهذا السبب يفضّل المهندسون استخدامه في تصنيع طرود الإغلاق حول الدوائر الحساسة وحماية الرقائق الإلكترونية الحساسة، عندما تحتاج إلى العمل بموثوقية حتى في الظروف القاسية.

العوامل الرئيسية وراء التحول نحو المكونات القائمة على السيليكون

ثلاثة عوامل تدفع هيمنة السيليكون:

هذه الخصائص، إلى جانب الامتثال لمعايير RoHS وREACH، تلبي المطلبين معًا: المتانة والاستدامة. على سبيل المثال، تستفيد الأجهزة القابلة للارتداء في المجال الطبي من التوافق الحيوي للسيليكون للحفاظ على تلامسه مع الجلد لأكثر من 30 يومًا دون التسبب في تهيج

اتجاهات السوق تُظهر زيادة في التخصيص وتنوع التصميم لمكونات السيليكون

وفقًا لبيانات شركة MarketsandMarkets لعام 2024، من المتوقع أن يتوسع سوق السيليكون الإلكتروني العالمي بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ حوالي 7.8٪ حتى عام 2030. ويتم دفع هذا النمو بشكل رئيسي بسبب الزيادة في الطلبات على تركيبات متخصصة تتناسب مع تطبيقات معينة. لم تعد الشركات المصنعة اليوم تبيع منتجات قياسية فحسب، بل بدأت بإنتاج سيليكون موصل كهربائيًا لاستخدامه في الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في أجهزة الجيل الخامس الجديدة، وإنتاج نسخ شفافة بصريًا تُستخدم في طرقات واقع المعزز والواقع الافتراضي، بالإضافة إلى تطوير مواد مقاومة للهب تفي بمعايير UL 94 V-0 الصارمة المطلوبة لتغليف بطاريات المركبات الكهربائية. وبحسب أحدث التقارير الصناعية، ولا سيما دراسة اتجاهات مواد الإلكترونيات لعام 2024، نلاحظ حدوث شيء مثير للاهتمام، حيث زاد عدد مصنعي المعدات الأصلية الذين يطلبون مستويات مخصصة من صلابة Shore ومكونات تتطابق بدقة مع ألوان علاماتهم التجارية بنسبة تزيد عن 40٪. ويبدو أن الدفع نحو التخصيص أصبح ظاهرة دائمة في جميع أنحاء القطاع.

خصائص المادة الأساسية التي تجعل السيليكون مثاليًا للإلكترونيات

المقاومة الحرارية والبيئية للسيليكون في الإلكترونيات

يحافظ السيليكون على أداء موثوق به عبر نطاق واسع من درجات الحرارة (-50°م إلى 350°م)، ويتفوق على البلاستيك والمطاط في تطبيقات مثل مستشعرات السيارات والأغلفة الصناعية. كما أن مقاومته للحريق وقدرته على تحمل التعرض الطويل للأشعة فوق البنفسجية، والأوزون، والرطوبة تجعله لا غنى عنه في الإلكترونيات الخارجية وذات الحرارة العالية.

العزل الكهربائي ومقاومة العزل الكهربائي للمواد السيلكونية

بفضل قوة عزل كهربائية تتجاوز 20 كيلوفولت/مم، يعمل السيليكون كعازل كهربائي قوي، ويمنع حدوث القوس الكهربائي والدوائر القصيرة في أنظمة توزيع الطاقة والأجهزة الاستهلاكية. هذه الخاصية، جنبًا إلى جنب مع مقاومته لتفريغ الكورونا، تضمن السلامة في التطبيقات عالية الجهد مثل أغلفة بطاريات المركبات الكهربائية (EV) والموصلات الصناعية.

متانة ومرونة ومقاومة السيليكون المطاطي للتآكل الكيميائي

مرونة السيليكون—التي تصل إلى 600٪ من الاستطالة—ومقاومته للزيوت والأحماض والمحاليل تمكن من تحقيق إغلاق متكرر في البيئات الديناميكية.

هذه المزايا تقلل من تكاليف الصيانة في معدات معالجة المواد الكيميائية والأجهزة الطبية القابلة للارتداء.

قابلية القولبة والمرونة التصميمية لمطاطيات السيليكون

يتدفق مطاط السيليكون السائل (LSR) إلى تجاويف بحجم الميكرون، مما يسمح بقوالبة دقيقة لمكونات رقيقة تصل إلى 0.2 مم تُستخدم في واجهات اللمس والسدّادات الدقيقة. ويتيح هذا الحرية التصميمية دعم المنتجات الإلكترونية المدمجة والخفيفة دون المساس بالمتانة.

تطبيقات عملية: استخدام السيليكون في التغليف والختم والإضاءة

تغليف السيليكون للمعدات/المكونات في البيئات القاسية

إن مدى الاستقرار الحراري للسيليكون، الذي يمتد من سالب 60 درجة مئوية حتى 230 درجة مئوية، إلى جانب قدرته على مقاومة المواد الكيميائية، يجعله مهمًا جدًا في حماية أشياء مثل أجهزة الاستشعار الصناعية، ووحدات التحكم في السيارات، والمكونات الإلكترونية المستخدمة في الطائرات. وعند الحديث عن عزل السيليكون، فإن ما يحدث هو تشكيل درع مرن يمنع دخول الرطوبة، ويقاوم الوقود، ويخفف الاهتزازات. وعمومًا، فإن المكونات المحمية بهذه الطريقة تدوم أطول بنسبة تقارب 40 بالمئة في الظروف القاسية مقارنةً باستخدام البلاستيك الصلب التقليدي. فعلى سبيل المثال، منصات الطاقة العميقة في البحر؛ يمكن أن تكون مياه البحر المالحة مدمرة جدًا مع مرور الوقت، لكن السيليكون يقاوم هذا التآكل بشكل أفضل من معظم البدائل المتاحة اليوم. ولهذا السبب يُفضل كثير من المهندسين استخدام مواد السيليكون في هذه التطبيقات الصعبة حيث تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية.

الإغلاق والختم باستخدام السيليكون في الإلكترونيات الاستهلاكية

أصبحت المواد السيلكونية اللاصقة شائعة جدًا في الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة المنزلية، لأنها تلتصق بشكل جيد مع الحفاظ على مرونة كافية للتعامل مع الحركة. تشير بعض الاختبارات الحديثة حول أداء هذه الختم إلى أن واقيات السيليكون يمكنها الحفاظ على إحكام الإغلاق حتى بعد التعرض لآلاف التغيرات في درجات الحرارة تتراوح بين ناقص 40 درجة مئوية و150 درجة مئوية. الفائدة الحقيقية تتمثل في أن الأجهزة تدوم لفترة أطول، حيث تنخفض المشكلات الناتجة عن دخول الرطوبة بنسبة تقارب النصف. كما يُقدّر المصنعون الإصدارات الشفافة المتاحة حاليًا، والتي تناسب تمامًا أغلفة الزجاج أو البولي كربونيت دون التأثير على مقاومتها للتلف الناتج عن أشعة الشمس بمرور الوقت.

استخدام مطاط السيليكون السائل (LSR) في تطبيقات الإضاءة والليد

إن الوضوح البصري بالإضافة إلى مقاومة درجات الحرارة العالية لمطاط السيليكون السائل (LSR) تصل إلى حوالي 200 درجة مئوية، ما يجعله شائعًا جدًا حاليًا في تطبيقات مثل مصابيح الشوارع LED والمصابيح الأمامية للسيارات. وعندما يعتمد المصنعون طرق التغليف باستخدام مطاط السيليكون السائل (LSR)، فإنهم يحققون نتائج ممتازة أيضًا. يُبلغ معظمهم عن الحفاظ على كفاءة انتقال الضوء بنسبة 92% تقريبًا، حتى بعد تشغيل هذه المكونات بشكل متواصل لمدة تقارب 10,000 ساعة. وميزة كبيرة أخرى هي سهولة صب مطاط السيليكون السائل (LSR) في أشكال معقدة. وهذا يسمح بإنشاء صفائف عدسات دقيقة تُحسّن فعليًا توزيع الضوء بنسبة تقارب 35% في الأجهزة الصغيرة. كما أنه لا تظهر عليها مشكلة الاصفرار مع مرور الوقت رغم التعرض المستمر لأشعة فوق البنفسجية، وهي مشكلة لا تستطيع المواد العادية تحملها.

السيليكون في التقنيات الذكية والأجهزة القابلة للارتداء: حيث يلتقي الراحة بالأداء

جعل صلابة السيليكون بين المرونة والتوافق الحيوي والمتانة ضرورياً في الجيل القادم من التقنيات الذكية والملبسة. مع تطور الأجهزة لتكاملها بسلاسة مع نمط حياة المستخدمين، تمكن خصائص المواد السيليكون من تصميمات تعطي الأولوية لكل من الأداء والعملة.

أجهزة ذكية تستفيد من التوافق الحيوي والمرونة للسيليكون

التكنولوجيا الصحية القابلة للارتداء تعتمد بشكل كبير على السيليكون الطبية لأنه لا يهيج الجلد ويعمل بشكل جيد مع أجسامنا. أظهرت أبحاث حديثة من عام 2024 أن الأجهزة المصنوعة من السيليكون تسبب حوالي 60٪ أقل من احمرار من تلك المصنوعة من البدائل البلاستيكية. بالنسبة للأشخاص الذين يحتاجون إلى ارتداء أشياء مثل أجهزة مراقبة السكر في الدم أو أشرطة ضربات القلب طوال اليوم، هذا مهم جداً لأنها يمكن أن تبقى على لعدة ساعات دون أن تسبب مشاكل. بالإضافة إلى ذلك، الطريقة التي ينحني بها السيليكون ويتحرك تجعله مثالياً لمراقبي اللياقة البدنية الذين يتم دفعهما أثناء التمرينات، وكذلك الأجزاء داخل سماعات الواقع الافتراضي حيث الراحة هي المفتاح ولكن المساحة محدودة.

أجهزة استشعار وأجهزة للارتداء باستخدام السيليكون المصنوع من أجل الراحة والمتانة

إنّ غطاء السيليكون المصنوع من خلال التشكيل الدقيق يحافظ على تلك المستشعرات الحيوية الحساسة محمية من العرق، وتراكم الغبار، والضربات الجسدية. ووفقاً لختبارات سريرية مختلفة، يبلغ الأشخاص الذين يرتدون الأجهزة الطبية التي تحتوي على حواف السيليكون الناعمة عن شعورهم بالراحة أكثر بكثير من استخدام البدائل الصلبة. بعض الدراسات تظهر حتى أن درجات الراحة ترتفع حوالي 70-75% في بعض الحالات. وهناك فائدة أخرى أيضاً الطريقة التي يمتص بها السيليكون الاهتزازات تجعل أجهزة تتبع الحركة تعمل بشكل أفضل عندما يرتديها الرياضيون خلال جلسات التدريب المكثفة، ينخفض معدل الخطأ بشكل كبير، في مكان ما أقل بنسبة 30-35٪ مقارنةً بخيارات غير السيليكون.

الابتكارات في صناعة الجدران الرقيقة لتصميمات خفيفة الوزن

أدت التحسينات الحديثة في طريقة عملنا مع مطاط السيليكون السائل (LSR) إلى إمكانية إنشاء طبقات رقيقة تصل إلى 0.2 مم، ومع ذلك تظل مقاومة للتمزق، وهي أخبار جيدة لتصنيع الأجهزة القابلة للارتداء التي لا تشعر بالثقل على الجسم. تعني هذه الجدران الأرق أن أحزمة الساعات الذكية يمكن أن تكون أخف وزنًا بنسبة 44٪ دون المساس بالمتانة، حيث تظل قوية عند شد يفوق 8 ميجا باسكال. ولكن الشيء الأكثر إثارةً هو ما يمكن للمصنّعين فعله حاليًا باستخدام هذه المواد. فهم يضيفون ثقوبًا صغيرة عبر السطح لتسمح بخروج العرق أثناء التمارين، ويُنشئون ممرات خاصة داخلية في الأماكن التي تستقر فيها مستشعرات قياس معدل ضربات القلب مقابل الجلد. والنتيجة؟ أجهزة تبدو أنيقة وحديثة، وتعمل بكفاءة عند ارتدائها طوال اليوم.

استراتيجيات التصميم والتصنيع للمنتجات الإلكترونية عالية الجودة من السيليكون

اعتبارات التصميم لأجزاء السيليكون في الإلكترونيات عالية الأداء

يبدأ تصميم منتج السيليكون الجيد فعليًا بفهم كيفية انتقال الحرارة عبر المواد، وما هي الخصائص الكهربائية المطلوبة. عندما يثبت المهندسون السيليكون على مواد صلبة مثل لوحات الدوائر، يجب أن يكونوا حذرين من الاختلافات في معدل التمدد الحراري. إن هذه الفروقات في معدلات التمدد هي التي تسبب في الواقع معظم حالات فشل المكونات الإلكترونية التي تكون مغلّفة بالسيليكون، وتخضع لدورات متكررة من التسخين والتبريد. بالنسبة للجدران الرفيعة جدًا التي يقل سمكها عن نصف مليمتر، من الضروري اختبار درجات مختلفة من المادة قبل الإنتاج، وإلا فهناك خطر حقيقي أن تنفصل الأجزاء عند إخراجها من القالب. ولا تنسَ أن هذه التصاميم الرفيعة ما زالت بحاجة إلى الوفاء بمعايير العزل المائي الصارمة IP67 أيضًا.

مقارنة بين تقنيات الحقن والضغط والصب المغطي للسيليكون

تتيح التطورات الحديثة في تصنيع السيليكون عالي الدقة حقن القوالب لتحقيق تسامحات أقل من 50 ميكرومتر، كانت سابقًا حصرية للتصنيع بالتغليف (overmolding).

تحسين أدوات التصنيع ومتغيرات العملية لهندسة الأشكال المعقدة من السيليكون

يمكن استخدام قوالب متعددة الفتحات مزودة بتبريد متماشٍ لتقليل أوقات الدورة بنسبة تتراوح بين 18 و22 بالمئة عند العمل مع مطاط السيليكون السائل. تشير أحدث النتائج من دراسة أجريت في عام 2023 إلى أن الحفاظ على سرعة الحقن بين نصف متر في الثانية وما يزيد قليلاً عن متر واحد في الثانية يساعد على تجنب مشكلات التدفق المزعجة في أجزاء القنوات الدقيقة. بالنسبة لمكونات الأجهزة القابلة للارتداء التي تحتاج إلى مقاييس صلابة Shore A تتراوح بين 40 و80، تصبح المعالجة اللاحقة أمرًا بالغ الأهمية. ويجد معظم المصنّعين أن تسخين هذه العناصر بين 150 و200 درجة مئوية لمدة تتراوح بين أربع إلى ست ساعات يحدث فرقًا كبيرًا في الحصول على خصائص صلابة مستقرة بشكل متسق.

موازنة التكلفة والقابلية للتوسيع والدقة في إنتاج السيليكون السائل (LSR)

تُمنح عملية الصب فوقية دقة أبعادية تبلغ حوالي 0.8٪ لأجهزة الاستشعار ذات الدرجة الطبية هذه، ولكن دعونا نكون صريحين بشأن التكلفة. ترتفع تكاليف القوالب بنسبة تتراوح بين 60 إلى 75٪ مقارنةً بالقوالب التصنيعية العادية. وقد بدأت الشركات الذكية بتبني أساليب مختلطة. فهم يستخدمون صب الضغط للطبقات الأساسية، ثم يلجأون إلى القوالب الدقيقة المصممة خصيصًا للحقن فقط عند الحاجة إلى تلك الختمات الحرجة. وهذا منطقي تمامًا. إن هذا النهج المختلط يقلل من تكلفة كل قطعة بنحو 34٪ عند تصنيع أجهزة الاستشعار للسيارات، مع الحفاظ على معدل فشل اختبارات التسرب أقل من 0.03٪. ليس سيئًا على الإطلاق بالنظر إلى ما نتحدث عنه هنا.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يجعل السيليكون شائعًا جدًا في تصميم المنتجات الإلكترونية؟

يُعد السيليكون شائعًا في تصميم المنتجات الإلكترونية نظرًا لمقاومته الحرارية المتفوقة، والعزل الكهربائي، والمتانة، والمرونة، وقابلية القولبة مقارنةً بالمواد التقليدية مثل كلوريد البولي فينيل (PVC) والمطاط. كما أنه يتحمل درجات الحرارة القصوى ويوفّر حماية ضد العوامل البيئية، مما يجعله مثاليًا للإلكترونيات الحديثة.

كيف يستفيد التكنولوجيا القابلة للارتداء من مادة السيليكون؟

في التكنولوجيا القابلة للارتداء، توفر مادة السيليكون خصائص التوافق الحيوي، والملاءمة للبشرة، والمرونة، ما يضمن الراحة أثناء الاستخدام الطويل. كما تمتص الاهتزازات، وتقلل من معدلات الأخطاء في الأجهزة التي تتبع الحركة، وتحسّن أداء أجهزة تتبع اللياقة البدنية وسماعات الواقع الافتراضي.

ما الاستخدامات الرئيسية للسيليكون في التطبيقات الإلكترونية؟

يُستخدم السيليكون في تغليف المكونات المادية، وفي الختم والحشوات بالإلكترونيات الاستهلاكية، وكذلك كمطاط سيليكون سائل (LSR) في تطبيقات الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) والإضاءة، وذلك بفضل مقاومته للحرارة والكيماويات، ومرونته، ووضوحه البصري.

ما هي تقنيات التصنيع الرئيسية لمكونات السيليكون؟

تشمل التقنيات الرئيسية لتصنيع مكونات السيليكون صب الحقن، والتشكيل بالضغط، والصب المحيطي. وتقدم كل تقنية أوقات دورة مختلفة، ودقة، وفعالية من حيث التكلفة، وهي مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات بدءًا من الموصلات ذات الإنتاج المرتفع وحتى هياكل المستشعرات النموذجية.