ظهور آксسوری‌های الکترونیک سیلیکونی مینیاتوری

افزایش تقاضا برای دستگاه‌های کوچک و سبک، ادغام سیلیکون را پیش می‌راند

با کوچک‌تر شدن وسایل الکترونیکی، دنیای الکترونیک اخیراً به شدت به سمت استفاده از سیلیکون روی آورده است. طبق گزارش IndustryWeek از سال گذشته، حدود دو سوم تولیدکنندگان اکنون در مورد محصولاتی با ضخامت کمتر از ۱۵ میلی‌متر، به‌طور کامل از سیلیکون برای قطعات کوچک دستگاه‌های خود استفاده می‌کنند. چه چیزی باعث جذابیت سیلیکون شده است؟ خب، این ماده حتی در طراحی‌های بسیار نازک نیز عالی کار می‌کند؛ همان طرح‌هایی که مصرف‌کنندگان به خاطر ساعت‌های هوشمند مناسب جیبی و صفحه‌های تاشوی پیشرفته‌ای که همه درباره‌شان صحبت می‌کنند، دوست دارند. بخش‌های تحقیقاتی شرکت‌های فناوری متوجه شده‌اند که می‌توانند از سیلیکون به جای پلاستیک‌های سنگین‌تر برای قطعاتی مانند اتصال‌دهنده‌ها و آب‌بندی‌ها استفاده کنند. این تغییر در برخی موارد تا نزدیک به نصف وزن را کاهش می‌دهد، در حالی که دوام و استحکام لازم برای ماندگاری حفظ می‌شود.

نقش سیلیکون در امکان‌پذیر کردن طراحی‌های الکترونیکی کوچک‌تر و کارآمدتر

فرمول‌های پیشرفته لاستیک سیلیکون مایع (LSR) امکان داشتن ضخامت دیواره‌هایی کمتر از 0.3 میلی‌متر را در قطعاتی مانند واشرهای ضد آب و پوسته‌های آنتن فراهم می‌کنند. این امر به شرح زیر است:

• کاهش 50 درصدی اندازه حسگرها در ایمپلنت‌های پزشکی
• چیدمان مدارها با چگالی 30 درصد بیشتر در سمعک‌ها
• ادغام بدون درز با الکترونیک ترکیبی انعطاف‌پذیر (FHE)

این پیشرفت‌ها امکان دستیابی به چگالی بالاتر قطعات را با حفظ قابلیت اطمینان در فضاهای محدود فراهم می‌کنند.

تغییر بازار به سمت لوازم قابل پوشیدن و ایمپلنت‌ها با استفاده از قطعات کوچک‌شده سیلیکونی

پیش‌بینی‌های بازار نشان می‌دهد که حدود ۲۰۰ میلیون سنسور زیستی با پوشش سیلیکونی تا سال ۲۰۲۶ در فناوری سلامت قابل پوشیدن به کار گرفته خواهند شد، بر اساس گزارش Global Market Insights در سال گذشته. پیشرفت‌های اخیر در دستگاه‌های قابل کاشت نشان می‌دهد که سیلیکون چقدر به عنوان ماده‌ی مناسب برای پوسته‌بندی اجزای الکترونیکی بسیار کوچک عمل می‌کند، زیرا مقاومت خوبی در برابر مایعات بدن دارد. امروزه تولیدکنندگان بزرگ تجهیزات الکترونیکی مصرفی به طور فزاینده‌ای درخواست اجزای سیلیکونی با تلرانس‌های بسیار دقیق زیر یک میلی‌متر دارند. این دقت را برای کاربردهایی مانند عینک‌های واقعیت افزوده و حلقه‌های جدید پرداخت بدون تماس که اخیراً همه‌جا دیده می‌شوند، نیاز دارند. تمام این تقاضا صنعت را به سرمایه‌گذاری تقریباً ۲٫۱ میلیارد دلاری برای ارتقای تجهیزات قالب‌گیری دقیق خود در سال‌های اخیر واداشته است.

مزایای مادی سیلیکون در الکترونیک کوچک‌شده

الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشسان در سیلیکون، امکان یکپارچه‌سازی دستگاه‌های هم‌شکل را فراهم می‌کند

سیلیکون می‌تواند بیش از سه برابر اندازه اصلی خود کشیده شود بدون اینکه پاره شود، که این ویژگی آن را به ماده‌ای عالی برای فناوری‌های قابل پوشیدن که مستقیماً با پوست تماس دارند و همچنین ایمپلنت‌های پزشکی که باید با اشکال بدن هماهنگ شوند تبدیل می‌کند. پیشرفت‌های اخیر در مدارهای انعطاف‌پذیر باعث می‌شوند جریان الکتریسیته حتی هنگام حرکت یا تغییر شکل نیز حفظ شود، چیزی که گزارش مواد پیشرفته ۲۰۲۴ آن را به عنوان یک دستاورد بسیار مهم معرفی کرد. وقتی تمام این ویژگی‌های انعطاف‌پذیر را با اجزای عملیاتی واقعی ترکیب کنیم، شاهد امکانات بسیار جالبی در دستگاه‌های الکترونیکی خواهیم بود که واقعاً می‌توانند با هر سطحی که روی آن قرار دارند هماهنگ شوند.

مدیریت حرارتی در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک از طریق مواد غلاف‌کننده پیشرفته سیلیکونی

الکترونیک‌های با چگالی بالا حرارت قابل توجهی تولید می‌کنند، اما مواد انسجام‌دهنده سیلیکونی حاوی نیترید بور، هدایت حرارتی به میزان 5 وات بر متر کلوین را فراهم می‌آورند که 15 برابر نسخه‌های استاندارد است. این مواد از گرمایش بیش از حد در ماژول‌های قدرت کوچک و دیودهای نوری جلوگیری می‌کنند و عملکرد پایدار را حتی در دماهای بالای 200 درجه سانتی‌گراد تضمین می‌نمایند (پارکر هانیفین 2023).

عایق‌بندی الکتریکی و مقاومت در برابر عوامل محیطی در مدارهای با چگالی بالا

با استحکام دی الکتریکی معادل 20 کیلوولت بر میلی‌متر و آب‌گریزی ذاتی، سیلیکون به‌طور مؤثر مدارهای زیرمیلی‌متری را که در معرض رطوبت، گردوغبار و بخارات شیمیایی قرار دارند، عایق‌بندی می‌کند. مقاومت آن در برابر قوس الکتریکی و تخلیه کرونایی، آن را برای کاربردهای با ولتاژ بالا مانند سیستم‌های شارژ خودروهای الکتریکی مناسب می‌سازد که در آن‌ها ایمنی و طول عمر امری حیاتی است.

دوام در برابر تنش‌های مکانیکی و حرارتی در طراحی‌های کوچک

سیلیکون قالب‌گیری شده با فشار، تحمل بیش از ۱۰٬۰۰۰ چرخه خمش و نوسانات دمایی از ۵۵- درجه سانتی‌گراد تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد را بدون ترک خوردن یا سخت شدن دارد. آزمایش‌های پیری شتاب‌دار نشان می‌دهند که پس از پنج سال استفاده شبیه‌سازی‌شده، ۹۳٪ از خواص مکانیکی حفظ می‌شود که نشان‌دهنده قابلیت اطمینان بلندمدت در محیط‌های سخت است.

نوآوری‌های فناوری در فرمولاسیون‌ها و فرآیندهای سیلیکون

تولید دقیق برای لوازم الکترونیکی کوچک‌شده قابل اعتماد از جنس سیلیکون

بهبودهای اخیر در فرآیند قالب‌گیری تزریقی لاستیک سیلیکون مایع (LSR) امکان تولید قطعات با دقت بسیار بالا و با تلورانس‌های کمتر از ۰٫۱ میلی‌متر را فراهم کرده است که برای محصولاتی مانند ساعت‌های هوشمند و دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت تقریباً ضروری است. ترکیبات جدید مواد، استحکام کششی را نسبت به نسخه‌های قدیمی‌تر حدوداً ۵۰ درصد افزایش داده‌اند، در حالی که همچنان انعطاف‌پذیری مطلوب لازم برای ایجاد سطوح آب‌بندی نازک اما بادوام را حفظ کرده‌اند. همچنین، تولیدکنندگان از سیستم‌های تصویربرداری پیشرفته مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده می‌کنند که نقص‌ها را با نرخی کمتر از ۰٫۰۲ درصد شناسایی می‌کنند. این سطح از دقت زمانی اهمیت فراوانی دارد که در مورد کاربردهای حیاتی مانند پوسته دستگاه‌های تنظیم‌کننده ضربان قلب صحبت می‌شود، جایی که حتی کوچک‌ترین نقص‌ها می‌تواند منجر به عواقب فاجعه‌باری شود.

تکنیک‌های پیشرفته کاربردی برای هندسه‌های کوچک و پیچیده

آخرین پیشرفت‌ها در چاپ سه‌بعدی سیلیکون، وضوح لایه را به زیر ۲۰ میکرون رسانده است که این امر امکان ایجاد ساختارهای مشبک پیچیده برای مدیریت جریان هوا در طراحی دستگاه‌های شنوایی را فراهم می‌کند. با استفاده از فناوری تزریق دو ماده، تولیدکنندگان می‌توانند مسیرهای هادی را مستقیماً در داخل خود ماده پایه سیلیکونی چاپ کنند و از این رو دسته‌های نامرتب سیم‌های موجود در سیستم‌های سنتی حسگر حذف می‌شوند. در مورد پوشش‌دهی پروب‌های عصبی، تکنیک الکترواسپری لایه‌هایی به طور مداوم بسیار نازک با ضخامت حدود ۵ میکرون تولید می‌کند. این مقدار حدود ۳۰ درصد نازک‌تر از لایه‌هایی است که با روش‌های معمول غوطه‌وری به دست می‌آیند و این تفاوت زمانی اهمیت زیادی دارد که صحبت از عایق‌بندی مناسب و اطمینان از عملکرد ایمن این دستگاه‌های پزشکی در داخل بدن باشد.

ادغام قابلیت‌های حسگر هوشمند و اینترنت اشیا در دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون

این روزها سنسورهای کوچک MEMS که تنها چند میلی‌متر اندازه دارند، مستقیماً درون مواد سیلیکونی تعبیه می‌شوند و همچنان انعطاف‌پذیری خود را حفظ می‌کنند. برخی آزمایش‌ها به طور واقعی نشان داده‌اند که برچسب‌های RFID قابل کشش، حتی هنگامی که تا دو برابر اندازه اولیه خود کشیده شوند، عملکرد خوبی دارند و حدود ۹۸٪ از قدرت سیگنال خود را نگه می‌دارند. این نوع فناوری درهایی را به روی کاربردهای گوناگون گشوده است، به ویژه در تجهیزات ورزشی که ورزشکاران به بازخورد مداوم در دوره‌های بهبودی نیاز دارند. در محیط‌های صنعتی نیز مشاهده می‌شود که این سنسورهای محیطی محافظت‌شده با سیلیکون در مقابل شرایط سخت با رتبه IP68 مقاومت می‌کنند و حتی در دماهای حدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد به درستی کار می‌کنند. این امر آن‌ها را به ابزارهای ارزشمندی برای سیستم‌های نظارتی خط تولید تبدیل می‌کند که پیش‌بینی خرابی تجهیزات قبل از وقوع، هم زمان و هم هزینه را صرفه‌جویی می‌کند.

کاربردهای کلیدی در پزشکی و الکترونیک مصرفی

سنسورهای قابل کاشت و تحریک‌کننده‌های عصبی: سیلیکون کوچک‌شده در دستگاه‌های پزشکی

دلیل اینکه چرا سیلیکون در پیوندهای پزشکی عملکرد بسیار خوبی دارد، به نحوه تعامل آن با بدن ما و حفظ انعطاف‌پذیری آن در طول زمان مربوط می‌شود. پزشکان از سیلیکون درجه پزشکی برای وسایلی مانند دستگاه‌های نظارت قلبی و تجهیزات تحریک مغزی استفاده می‌کنند، زیرا این مواد واقعاً با شرایط داخل بدن انسان سازگار می‌شوند و باعث تحریک یا ناراحتی نمی‌شوند. علاوه بر این، این مواد تمایل دارند هنگام جمع‌آوری اطلاعات از بیماران، خوانش بهتری ارائه دهند. یک مطالعه اخیر در سال ۲۰۲۴ نشان داد که حدود دو سوم تمام الکترودهای EEG و EMG موجود از سیلیکون ساخته شده‌اند. چرا؟ زیرا این ماده برق را بسیار خوب هدایت می‌کند و در معرض مایعات یا بافت‌های بدن دچار اختلال نمی‌شود.

شنوایی‌سنج‌های کوچک‌شده و پایشگرهای سلامت قابل پوشیدن با استفاده از سیلیکون انعطاف‌پذیر

روندهای طراحی متمرکز بر بیمار، پذیرش دستگاه‌های قابل پوشیدن مبتنی بر سیلیکون را افزایش داده است. بستر نازک از جنس سیلیکون امکان تولید هدفون‌هایی با حجمی ۴۰ درصد کوچکتر از مدل‌های سنتی را فراهم می‌کند، در حالی که انواع کشسان آن تماس پایدار با پوست را در دستگاه‌های نظارتی سلامت که در معرض حرکت هستند، تضمین می‌کنند. این دستگاه‌ها در حال حاضر ۲۲ درصد از راهکارهای نظارت از راه دور بیمار را تشکیل می‌دهند.

ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های تناسب اندام که از لوازم الکترونیکی مقاوم سیلیکونی بهره می‌برند

جذب ضربه و مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش (UV) توسط سیلیکون، عمر مفید دستگاه‌های قابل پوشیدن مصرف‌کننده را افزایش می‌دهد. بیش از ۸۰ درصد از ساعت‌های هوشمند لوکس از واشرهای سیلیکونی برای محافظت از قطعات الکترونیکی داخلی در برابر رطوبت و ذرات استفاده می‌کنند. فرمولاسیون‌های ترکیبی سیلیکون همچنین امکان یکپارچه‌سازی بدون درز حسگرهای بیومتریک را در بند ساعت فراهم می‌کنند و باعث بهبود راحتی و وضوح سیگنال می‌شوند.

الکترونیک مصرف‌کننده ضدآب و مقاوم در برابر ضربه با استفاده از رزین‌ریزی سیلیکونی

ترکیبات رزین‌ریزی سیلیکونی مدارهای با چگالی بالا را در شرایط سخت محافظت می‌کنند. در تلفن‌های هوشمند، این مواد میزان خرابی ناشی از آب را تا ۳۵٪ کاهش می‌دهند. سیستم‌های سرگرمی و اطلاع‌رسانی خودرو به طور فزاینده‌ای به ماژول‌های غلاف‌شده با سیلیکون متکی هستند که قادر به تحمل ارتعاشات تا ۲۰G می‌باشند و عملکرد قابل اعتمادی را در محیط‌های پویا تضمین می‌کنند.

روندهای آینده و توسعه پایدار در الکترونیک سیلیکونی کوچک‌شده

مواد بین‌سطحی حرارتی و مواد غلاف‌کننده نسل جدید برای دستگاه‌های کوچک‌تر

مواد جداساز حرارتی (TIMs) جدید مبتنی بر سیلیکون اکنون به هدایت الکتریکی حدود 8 تا 12 وات بر متر کلوین می‌رسند و با توجه به تحلیل‌های صنعتی سال گذشته، این امر آن‌ها را در مدیریت مسائل گرمایی در سیستم‌های الکترونیکی بسیار فشرده امروزی بسیار مؤثر کرده است. نکته واقعاً جالب درباره این مواد این است که می‌توانند با لایه‌های چسبی کمتر از 30 میکرون کار کنند و در عین حال انعطاف‌پذیری کافی داشته باشند تا در هنگام استفاده روی ریزتراشه‌های پرقدرت در دستگاه‌های پوشیدنی و حسگرهای اینترنت اشیا ترک نخورند یا شکسته نشوند. فرمول‌های جدید مواد غلاف‌کننده تنها در انتقال حرارت خوب نیستند، بلکه در مقابل مشکلات آلودگی یونی نیز مقاوم هستند؛ بدین معنا که عمر الکترونیک افزایش می‌یابد، حتی در شرایط سخت و طی زمان طولانی. این دو مزیت، این مواد را به‌ویژه برای تولیدکنندگانی که با چالش‌های کوچک‌سازی در صنایع مختلفی روبرو هستند، ارزشمند کرده است.

غلبه بر محدودیت‌های بسته‌بندی نیمه‌هادی در عصر کوچک‌سازی شدید

وقتی بسته‌بندی تراشه‌ها از طراحی‌های سنتی 2.5 بعدی فراتر می‌رود، چسب‌های سیلیکونی برای ایجاد پیوندهای ترکیبی در فواصل اتصال ۵ میکرومتری بسیار مهم می‌شوند. این عملکرد در واقع حدود ۶۰٪ بهتر از گزینه‌های معمولی اپوکسی است. برخی روش‌های پیشرفته تولید افزودنی امکان می‌دهند که این قطعات سیلیکونی دقیقاً در جای مورد نیاز خود در بسته‌های کوچک مقیاس تراشه قرار گیرند. بررسی اخیری که در سال ۲۰۲۵ از الکترونیک فضایی انجام شده، به این روند اشاره دارد. در همین حال، سازمان‌های مختلف صنعتی در حال کار بر روی استانداردسازی پروتکل‌های مورد تأیید ASTM هستند تا تولیدکنندگان بتوانند ثابت کنند محصولاتشان در برابر دمای مداوم بالای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت لازم را دارند.

تولید پایدار و مقیاس‌پذیر لوازم جانبی الکترونیکی سیلیکونی

مطابق گزارش‌های Greentech از سال گذشته، استفاده از فرمول‌های سیلیکونی بدون حلال، تقریباً ۷۸ درصد از انتشار ترکیبات آلی فرار را در مقایسه با روش‌های سنتی کاهش می‌دهد. سیستم‌های بازیافت که به صورت حلقه بسته کار می‌کنند، موفق می‌شوند بیش از ۹۰ درصد مواد سیلیکونی را قبل از پخت شدن آن روی دستگاه‌های ریزقالب‌گیری جمع‌آوری کنند. در همین حال، انواع خاص UV فعال تقریباً ۴۰ درصد در هزینه‌های انرژی در طول تولید انبوه صرفه‌جویی می‌کنند. تمام این بهبودها الزامات تعیین‌شده در ارزیابی‌های تأثیر زیست‌محیطی ISO 14040 را برآورده می‌سازند، بدین معنا که تولیدکنندگان اکنون می‌توانند قطعات کوچک را در سطح صنعتی تولید کنند بدون آنکه به‌طور قابل توجهی ردپای کربن عملیات خود را افزایش دهند.

‫سوالات متداول‬

چرا سیلیکون در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌شده ترجیح داده می‌شود؟

سیلیکون به دلیل سبکی، انعطاف‌پذیری و دوام بالا ترجیح داده می‌شود و آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای فضاهای تنگ در الکترونیک کوچک تبدیل می‌کند. خواص عایق بودن حرارتی و الکتریکی آن نیز عملکرد دستگاه را بیشتر بهبود می‌دهد.

سیلیکون چگونه به پایداری در تولید الکترونیک کمک می‌کند؟

تولید مبتنی بر سیلیکون انتشار ترکیبات آلی فرار را کاهش می‌دهد و قابلیت بازیافت را افزایش می‌دهد و در نتیجه تأثیرات زیست‌محیطی را کمتر می‌کند. فرمول‌های جدید همچنین هزینه‌های انرژی در تولید را کاهش می‌دهند.

پیشرفت‌های حاصل شده در سیلیکون برای دستگاه‌های پزشکی چه بوده‌اند؟

سیلیکون امکان تولید دستگاه‌های پزشکی کوچک‌تر و دقیق‌تری را فراهم کرده است که با بدن تطبیق بهتری دارند و راحتی بیمار و عملکرد دستگاه را در ایمپلنت‌ها و مانیتورهای سلامت قابل پوشیدن بهبود می‌بخشد.