چرا سیلیکون در حال تحول در طراحی محصولات الکترونیکی است

افزایش پذیرش لاستیک سیلیکونی در سیستم‌های الکترونیکی و برقی

سیلیکون واقعاً در دنیای الکترونیک امروزی در حال رشد سریع است، و بر اساس مطالعات اخیر پونمون (2023)، حدود هفت در ده تولیدکننده شروع به استفاده از این ماده در محصولات خود برای مدیریت مشکلات حرارتی کرده‌اند. چه چیزی باعث محبوبیت این ماده شده است؟ خب، وقتی شرکت‌ها متوجه شدند که سیلیکون چقدر خوب در برابر دماهای بسیار پایین تا 55- درجه سانتی‌گراد و بالا تا 300 درجه سانتی‌گراد مقاومت می‌کند و در عین حال شکل یا خواص خود را از دست نمی‌دهد، دیگر نمی‌توانستند از پتانسیل آن چشم‌پوشی کنند. این ویژگی باعث می‌شود که این ماده به‌ویژه برای مواردی مانند ساعت‌های هوشمند، قطعات داخل خودروهای برقی و حسگرهای کوچکی که امروزه همه‌جا یافت می‌شوند، ارزش زیادی داشته باشد. در مقایسه با مواد پلاستیکی یا لاستیکی معمولی، سیلیکون بسیار بهتر در برابر آسیب‌های ناشی از تابش خورشید، حملات اوزون و نفوذ آب مقاومت می‌کند. به همین دلیل مهندسان دوست دارند از آن برای ایجاد آب‌بندی حول مدارهای ظریف و محافظت از تراشه‌های حساس کامپیوتری استفاده کنند تا بتوانند حتی در شرایط سخت نیز به‌طور قابل اعتماد کار کنند.

عوامل کلیدی پشت تغییر به سمت قطعات مبتنی بر سیلیکون

سه عامل اصلی حاکمیت سیلیکون را تقویت می‌کنند:

این ویژگی‌ها، همراه با انطباق با استانداردهای RoHS و REACH، به دو نیاز اساسی به دوام و پایداری پاسخ می‌دهند. به عنوان مثال، دستگاه‌های قابل پوشیدن پزشکی از سازگاری زیستی سیلیکون بهره می‌برند تا بدون ایجاد تحریک پوستی، تماس با پوست را به مدت ۳۰ روز یا بیشتر حفظ کنند.

روند بازار نشان‌دهنده افزایش سفارشی‌سازی و انعطاف‌پذیری طراحی قطعات سیلیکونی است

بر اساس داده‌های MarketsandMarkets از سال 2024، بازار جهانی الکترونیک سیلیکونی در حالی به نظر می‌رسد تا تا سال 2030 با نرخ رشد مرکب سالانه حدود 7.8 درصد گسترش یابد. این رشد عمدتاً توسط درخواست‌های فزاینده برای فرمولاسیون‌های تخصصی که با کاربردهای خاص هماهنگ می‌شوند، تغذیه می‌شود. امروزه تولیدکنندگان فقط محصولات استاندارد را فروخته نمی‌کنند. آن‌ها شروع به تولید سیلیکون‌های رسانای الکتریکی برای محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در دستگاه‌های جدید 5G کرده‌اند، نسخه‌های شفاف اپتیکی را برای استفاده در واشرهای هدست‌های واقعیت افزوده (AR) و واقعیت مجازی (VR) تولید می‌کنند و مواد مقاوم در برابر شعله را توسعه می‌دهند که استانداردهای سختگیرانه UL 94 V-0 مورد نیاز برای پوسته‌های باتری وسایل نقلیه الکتریکی (EV) را برآورده می‌سازند. با بررسی گزارش‌های اخیر صنعت، به ویژه مطالعه روندهای مواد الکترونیکی 2024، چیز جالبی مشاهده می‌شود. بیش از 40 درصد از تولیدکنندگان تجهیزات اصلی (OEM) درخواست سطوح سختی شور و اجزایی را دارند که دقیقاً با رنگ برند آن‌ها هماهنگ باشد. به نظر می‌رسد که تمایل به سفارشی‌سازی در سراسر این بخش پابرجا خواهد ماند.

ویژگی‌های مواد اولیه که سیلیکون را برای الکترونیک مناسب می‌کند

مقاومت حرارتی و محیطی سیلیکون در تجهیزات الکترونیکی

سیلیکون عملکرد قابل اعتمادی در دماهای بسیار پایین و بالا (از ۵۰- درجه سانتی‌گراد تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد) دارد و در مقایسه با پلاستیک‌ها و لاستیک‌ها در کاربردهایی مانند سنسورهای خودرو و محفظه‌های صنعتی عملکرد بهتری ارائه می‌دهد. مقاومت آن در برابر شعله و توانایی تحمل طولانی‌مدت در معرض نور ماوراء بنفش، اوزون و رطوبت، آن را به ماده‌ای ضروری برای تجهیزات الکترونیکی بیرون از ساختمان و با دمای بالا تبدیل کرده است.

عایق‌بندی الکتریکی و استحکام دی‌الکتریک مواد سیلیکونی

با استحکام دی‌الکتریکی بیش از ۲۰ کیلوولت بر میلی‌متر، سیلیکون به عنوان یک عایق الکتریکی قوی عمل می‌کند و از ایجاد قوس الکتریکی و اتصال کوتاه در سیستم‌های توزیع برق و دستگاه‌های مصرفی جلوگیری می‌کند. این ویژگی، همراه با مقاومت در برابر تخلیه کرونایی، ایمنی را در کاربردهای با ولتاژ بالا مانند پوسته‌های باتری خودروهای الکتریکی (EV) و اتصالات صنعتی تضمین می‌کند.

دوام، انعطاف‌پذیری و مقاومت شیمیایی لاستیک سیلیکون

کشش‌پذیری سیلیکون—تا 600 درصد افزایش طول—و مقاومت آن در برابر روغن‌ها، اسیدها و حلال‌ها، امکان آب‌بندی مجدد را در محیط‌های پویا فراهم می‌کند.

این مزایا هزینه‌های نگهداری تجهیزات پردازش شیمیایی و دستگاه‌های پزشکی قابل پوشیدن را کاهش می‌دهد.

قابیلیت قالب‌گیری و انعطاف‌پذیری طراحی الاستومرهای سیلیکونی

لاستیک سیلیکون مایع (LSR) به داخل حفره‌های ریزمقیاس جریان می‌یابد و امکان قالب‌گیری دقیق اجزایی با ضخامت تنها 0.2 میلی‌متر را برای رابط‌های لمسی و آب‌بندهای ریز فراهم می‌کند. این آزادی طراحی، محصولات الکترونیکی فشرده و سبک‌وزن را بدون compromise کردن دوام پشتیبانی می‌کند.

کاربردهای واقعی: سیلیکون در غلاف‌بندی، آب‌بندی و روشنایی

غلاف‌بندی سیلیکونی سخت‌افزار/اجزاء در محیط‌های سخت

محدوده پایداری حرارتی سیلیکون از منفی 60 درجه سانتی‌گراد تا 230 درجه سانتی‌گراد، همراه با توانایی آن در مقاومت در برابر مواد شیمیایی، باعث می‌شود که این ماده نقش بسیار مهمی در محافظت از اجزایی مانند سنسورهای صنعتی، واحدهای کنترل خودروها و قطعات الکترونیکی مورد استفاده در هواپیماها داشته باشد. وقتی از انسapsulation سیلیکونی صحبت می‌کنیم، منظور ایجاد یک لایه محافظ انعطاف‌پذیر است که از نفوذ رطوبت جلوگیری می‌کند، در برابر سوخت‌ها مقاومت می‌کند و ارتعاشات را کاهش می‌دهد. قطعاتی که به این شکل محافظت می‌شوند، در شرایط سخت حدود 40 درصد طول عمر بیشتری نسبت به زمانی که از پلاستیک‌های سفت معمولی استفاده می‌شود دارند. به عنوان مثال، پلتفرم‌های انرژی فراساحلی را در نظر بگیرید. آب شور می‌تواند در طول زمان بسیار مخرب باشد، اما سیلیکون در برابر این خوردگی بهتر از بیشتر جایگزین‌های موجود مقاومت می‌کند. به همین دلیل بسیاری از مهندسان مواد سیلیکونی را برای این کاربردهای سختگیرانه مشخص می‌کنند که در آن قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد.

آب‌بندی و واشرکشی با سیلیکون در الکترونیک مصرفی

واشرهای سیلیکونی تقریباً به استانداردی در گوشی‌های هوشمند، وسایل پوشیدنی و لوازم خانگی تبدیل شده‌اند، زیرا چسبندگی خوبی دارند و در عین حال انعطاف‌پذیری کافی برای تحمل حرکت را فراهم می‌کنند. آزمایش‌های اخیر در مورد عملکرد این واشرها نشان می‌دهد که واشرهای سیلیکونی می‌توانند حتی پس از هزاران چرخه تغییر دما بین ۴۰- درجه سانتی‌گراد و ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد نیز محکم و بدون نشت باقی بمانند. مزیت واقعی این است که دستگاه‌ها طول عمر بیشتری دارند، زیرا مشکلات ناشی از نفوذ رطوبت به داخل حدوداً نصف می‌شود. همچنین، سازندگان از نسخه‌های شفاف موجود در حال حاضر استقبال می‌کنند که بدون تأثیر بر مقاومت آنها در برابر آسیب ناشی از نور خورشید در طول زمان، به‌راحتی در بدنه‌های شیشه‌ای یا پلی‌کربنات جای می‌گیرند.

استفاده از لاستیک سیلیکون مایع (LSR) در کاربردهای ال‌ای‌دی و روشنایی

شفافیت نوری و مقاومت حرارتی LSR تا حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، باعث شده است که این ماده امروزه برای کاربردهایی مانند چراغ‌های خیابانی LED و چراغ‌های جلوی خودرو بسیار محبوب شود. هنگامی که تولیدکنندگان از روش‌های پوشش‌دهی با LSR استفاده می‌کنند، نتایج قابل توجهی نیز مشاهده شده است. بیشتر آنها گزارش داده‌اند که حتی پس از حدود ۱۰۰۰۰ ساعت کار مداوم، بازده انتقال نور به میزان تقریباً ۹۲٪ حفظ شده است. مزیت دیگر قابلیت بالای LSR در قالب‌گیری به اشکال پیچیده است. این امر امکان ساخت آرایه‌های ریز لنز را فراهم می‌کند که در واقع توزیع نور را در دستگاه‌های کوچک‌تر تقریباً ۳۵٪ افزایش می‌دهد. علاوه بر این، با وجود قرار گرفتن مداوم در معرض پرتوهای UV، مشکل زرد شدن در طول زمان وجود ندارد؛ در حالی که مواد معمولی قادر به تحمل این شرایط نیستند.

سیلیکون در فناوری‌های هوشمند و پوشیدنی: ترکیبی از راحتی و عملکرد

ترکیب انعطاف پذیری، سازگاری زیستی و دوام سیلیکون باعث شده که در نسل بعدی فناوری های هوشمند و قابل پوشیدن ضروری باشد. همانطور که دستگاه ها برای ادغام بدون مشکل با سبک زندگی کاربران تکامل می یابند، خواص مواد سیلیکون طراحی هایی را که اولویت عملکرد و ارگونومی را دارند، امکان پذیر می کند.

دستگاه های هوشمند با استفاده از سازگاری زیستی و انعطاف پذیری سیلیکون

فناوری بهداشتی قابل پوشیدن به شدت به سیلیکون درجه پزشکی وابسته است، زیرا این ماده باعث تحریک پوست نمی‌شود و به خوبی با بدن ما کار می‌کند. تحقیقات اخیر در سال 2024 نشان داده‌اند که دستگاه‌های ساخته‌شده از سیلیکون حدود ۶۰٪ کمتر از آنهایی که از مواد پلاستیکی جایگزین ساخته شده‌اند، باعث قرمزی پوست می‌شوند. برای افرادی که نیاز دارند طول روز از وسایلی مانند دستگاه‌های نظارت قند خون یا پچ‌های ضربان قلب استفاده کنند، این موضوع بسیار مهم است، زیرا این دستگاه‌ها می‌توانند ساعت‌ها روی بدن بمانند بدون اینکه مشکلی ایجاد کنند. علاوه بر این، انعطاف‌پذیری و حرکت سیلیکون آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای دستگاه‌های ردیابی تناسب اندام تبدیل می‌کند که در حین ورزش تکان می‌خورند، همچنین برای قطعات داخلی هدست‌های واقعیت مجازی مناسب است که در آن راحتی اهمیت دارد اما فضا محدود است.

سنسورها و دستگاه‌های قابل پوشیدن با استفاده از سیلیکون قالب‌گیری‌شده برای راحتی و دوام

پوسته سیلیکونی که از طریق قالب‌گیری دقیق ساخته شده، حسگرهای ظریف بیومتریک را در برابر تعریق، تجمع گرد و غبار و ضربه‌های فیزیکی محافظت می‌کند. بر اساس آزمایش‌های بالینی مختلف، افرادی که دستگاه‌های پزشکی با لبه‌های نرم سیلیکونی را به کار می‌برند، احساس راحتی بیشتری نسبت به استفاده از گزینه‌های سفت دارند. برخی مطالعات حتی نشان می‌دهند که در موارد خاص، نمره راحتی تا حدود ۷۰ تا ۷۵ درصد افزایش می‌یابد. همچنین فایده دیگری نیز وجود دارد. نحوه جذب ارتعاشات توسط سیلیکون در واقع عملکرد دستگاه‌های ردیاب حرکتی را بهبود می‌بخشد. وقتی ورزشکاران این دستگاه‌ها را در طول جلسات تمرینی شدید استفاده می‌کنند، نرخ خطای آن‌ها به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و تقریباً ۳۰ تا ۳۵ درصد پایین‌تر از گزینه‌های بدون سیلیکون است.

نوآوری‌ها در قالب‌گیری دیواره نازک برای طراحی‌های سبک‌وزن قابل پوشیدن

بهبودهای اخیر در نحوه کار با لاستیک سیلیکون مایع (LSR) امکان ایجاد لایه‌هایی به ضخامت تنها ۰٫۲ میلی‌متر را فراهم کرده است که همچنان مقاوم در برابر پارگی هستند؛ خبری عالی برای تولید دستگاه‌های پوشیدنی که احساس حجیم و نامطبوعی در بدن ایجاد نمی‌کنند. این دیواره‌های نازک‌تر باعث می‌شوند که بند ساعت‌های هوشمند تا ۴۴٪ کم‌وزن‌تر شوند، بدون آنکه استحکام خود را از دست بدهند و همچنان تحمل کششی بالای ۸ مگاپاسکال را داشته باشند. آنچه واقعاً جالب است، این است که تولیدکنندگان امروزه چه کاری با این مواد انجام می‌دهند. آن‌ها حالب‌های بسیار ریزی در سطح محصول ایجاد می‌کنند تا عرق بتواند در حین ورزش خارج شود و مسیرهای خاصی درونی طراحی می‌کنند که سنسورهای کوچک ضربان قلب در تماس با پوست قرار می‌گیرند. نتیجه چیست؟ دستگاه‌هایی که ظاهری برجسته و مدرن دارند و در عین حال عملکرد مناسبی در هنگام پوشیده شدن طولانی‌مدت دارند.

راهبردهای طراحی و تولید برای محصولات الکترونیکی با کیفیت بالا از جنس سیلیکون

ملاحظات طراحی قطعات سیلیکونی در الکترونیک پیشرفته

طراحی واقعاً خوب محصولات سیلیکونی از درک نحوه حرکت گرما از طریق مواد و خواص الکتریکی مورد نیاز شروع می‌شود. هنگامی که مهندسان سیلیکون را به مواد سفتی مانند برد مدار چسبانده می‌شود، باید مراقب تفاوت در میزان انبساط مواد با افزایش دما باشند. این تفاوت در نرخ انبساط در واقع عامل اصلی بیشتر خرابی‌ها در قطعات الکترونیکی است که در سیلیکون محصور شده و سپس چرخه‌های مکرر گرمایش و سرد شدن را تجربه می‌کنند. برای دیواره‌های بسیار نازک زیر نیم میلی‌متر، ضروری است که قبل از تولید انبوه، انواع مختلف مواد آزمایش شوند. در غیر این صورت خطر پاره شدن قطعات هنگام خارج کردن از قالب وجود دارد. همچنین فراموش نکنید که این طرح‌های نازک همچنان باید استانداردهای سختگیرانه ضدآب IP67 را رعایت کنند.

مقایسه تکنیک‌های تزریق، فشرده‌سازی و روکش‌زنی (Overmolding) برای سیلیکون

پیشرفت‌های اخیر در ماشین‌کاری دقیق بالا در سیلیکون، امکان دستیابی به تلرانس‌های کمتر از ۵۰ میکرومتر در قالب‌گیری تزریقی را فراهم کرده است که قبلاً منحصراً مربوط به فرآیند اوورمولدنگ بود.

بهینه‌سازی ابزار و پارامترهای فرآیند برای هندسه‌های پیچیده سیلیکونی

استفاده از قالب‌های چند حفره‌ای مجهز به خنک‌کنندگی مطابق، زمان چرخه را در کار با لاستیک سیلیکونی مایع تا حدود ۱۸ تا ۲۲ درصد کاهش می‌دهد. یافته‌های اخیر یک تحقیق در سال ۲۰۲۳ نشان می‌دهد که حفظ سرعت تزریق بین نیم متر بر ثانیه تا کمی بیش از یک متر بر ثانیه به جلوگیری از مشکلات جریان در قطعات کانال‌های میکروسیال کمک می‌کند. برای قطعات فناوری قابل پوشیدن که نیازمند سختی در مقیاس شور A بین ۴۰ تا ۸۰ هستند، عملیات پخت پسین اهمیت بسیار زیادی دارد. اکثر تولیدکنندگان تشخیص داده‌اند که حرارت دادن این قطعات در دمای بین ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت تقریباً چهار تا شش ساعت تفاوت چشمگیری در دستیابی به خواص سختی پایدار در تمام قطعه ایجاد می‌کند.

تعادل بین هزینه، مقیاس‌پذیری و دقت در تولید LSR

قالب‌گیری روی هم قرار دادن به دقت ابعادی حدود 0.8٪ برای آن سنسورهای درجه پزشکی می‌رسد، اما بیایید درباره قیمت آن صادق باشیم. هزینه‌های ابزار دقیق در مقایسه با قالب‌های تزریق معمولی بین 60 تا 75 درصد افزایش می‌یابد. شرکت‌های هوشمند شروع به ترکیب روش‌ها کرده‌اند. آن‌ها از قالب‌گیری تراکمی برای لایه‌های پایه استفاده می‌کنند و سپس فقط در جاهایی که آن درزگیرهای حیاتی مورد نیاز هستند از ابزارهای دقیق ماشین‌کاری شده تزریق استفاده می‌کنند. در واقع این منطقی است. این روش ترکیبی باعث کاهش حدود 34٪ای در هزینه قطعات جداگانه در تولید سنسورهای خودرو می‌شود و در عین حال شکست تست نشتی را زیر 0.03٪ نگه می‌دارد. با توجه به موضوعی که در اینجا درباره آن صحبت می‌کنیم، بد نیست.

‫سوالات متداول‬

چه چیزی باعث محبوبیت سیلیکون در طراحی محصولات الکترونیکی می‌شود؟

سیلیکون به دلیل مقاومت حرارتی عالی، عایق بودن الکتریکی، دوام، انعطاف‌پذیری و قابلیت قالب‌گیری بالاتر نسبت به مواد سنتی مانند پی وی سی و لاستیک، در طراحی محصولات الکترونیکی محبوب است. این ماده در برابر دماهای شدید مقاوم است و از عوامل محیطی محافظت می‌کند و بنابراین برای الکترونیک مدرن ایده‌آل است.

سیلیکون چگونه به فناوری پوشیدنی کمک می‌کند؟

در فناوری پوشیدنی، سیلیکون زیست‌سازگاری، خواص دوستدار پوست و انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد و راحتی استفاده طولانی‌مدت را تضمین می‌کند. این ماده ارتعاشات را جذب می‌کند، خطاهای دستگاه‌های ردیاب حرکتی را کاهش می‌دهد و عملکرد دستگاه‌های ردیاب تناسب اندام و هدست‌های واقعیت مجازی را بهبود می‌بخشد.

کاربردهای اصلی سیلیکون در کاربردهای الکترونیکی چیست؟

سیلیکون برای غلاف‌بندی سخت‌افزار، آب‌بندی و واشرها در الکترونیک مصرفی و به عنوان لاستیک سیلیکون مایع (LSR) در کاربردهای ال‌ای‌دی و روشنایی استفاده می‌شود، زیرا دارای مقاومت حرارتی و شیمیایی، انعطاف‌پذیری و شفافیت نوری است.

تکنیک‌های کلیدی ساخت قطعات سیلیکونی چیست؟

تکنیک‌های کلیدی تولید قطعات سیلیکونی شامل قالب‌گیری تزریقی، قالب‌گیری تراکمی و قالب‌گیری روکشی (اورمولدنگ) می‌شود. هر یک از این تکنیک‌ها زمان چرخه‌های متفاوت، دقت و بازدهی هزینه‌ای را ارائه می‌دهند و برای کاربردهای مختلفی از اتصالات حجم بالا تا پوسته‌های نمونه‌سازی سنسور مناسب هستند.