אלקטרוניקה גמישה ומתיחה המופעלת על ידי חומרים מתקדמים מסיליקון

התפקיד של גומי סיליקון נוזלי (LSR) במעגלים גמישים

caoutchouc סיליקון נוזלי או LSR משמשים כיום בצורה רחבה במעגלים גמישים כיוון שהם מתאימים מאוד (שחזור של כ-500% מאמץ) ושומרים על יציבות גם כאשר הטמפרטורות משתנות מ-50 מעלות צלזיוס שלילי עד 200 מעלות. מה שמייחד את החומר הזה הוא הדקיקות שלו, מה שמאפשר לייצר ממנו צורות של מעגלים קטנים מאוד הנדרשים לרכיבים כמו מחברים במסכי קיפול ואלמנטים גמישים שראינו בסמרטפונים מודרניים. מאמר שהפורסם בשנה שעברה בכתב העת Advanced Materials Engineering הראה גם משהו מעניין. המעגלים האלה שעשויים מ-LSR שינו את ההתנגדות החשמלית שלהם בפחות מ-5% לאחר שנעקרו יותר מ-100 אלף פעמים. ביצועים כאלה פירושם שהם יכולים לשרוד הרבה יותר זמן ללא כשל בהשוואה לחומרים אחרים שזמינים כיום.

התפתחויות בפסי מוליכות נמתחים משובצים בסיליקון

חומר מוליך היברידי חדש, כמו סיליקונים מועשרים בשברי כסף, יכולים כעת להגיע ל מוליכות של כ-3500 S/cm ולמתוח עד פי שלושה מאורכם המקורי לפני שבוראים. הנתיבים המוליכים המיוחדים הללו הם מה שהופך לאפשריים את חיישני העור הדביקים שעוקבים אחר תנועות השרירים בזמן שמישהו מתאמן, וכל זאת תוך שמירה על אותות חזקים גם במהלך תנועה אינטנסיבית. שיטות הידבקות לייזר מתקדמות מאפשרות לחוקרים ליצור קווי מוליכות ברוחב 15 מיקרומטר בתוך בסיסי סיליקון. זה מרשים במיוחד בהתחשב בעובדה שמדובר בהפחתה של כ-60 אחוז בגודל הפיצ'רים לעומת מה שהיה אפשרי בשנת 2021. פיצ'רים קטנים כל כך פותחים פתח לה_RESOLUTION הרבה יותר גבוהה באינטגרציה של חיישנים אלו אל פני שטח.

מקרה לדוגמה: חיישנים דמויי עור מבוססי סיליקון למעקב רפואי

מחקר חדש בחן 200 אנשים הסובלים מבעיות נשימה לטווח ארוך ומצא משהו מעניין על חיישנים סיליקוניים דקים במיוחד, שעוברים רק 0.8 מ"מ. הם התגלו כמייצגים הישג יוצא דופן במעקב אחר הנשימה לאורך כל היום, עם דיוק מרשים של 98.3%. זהו תוצאה הרבה יותר טובה מאלקטרודות קשיחות מהדור הקודם, שהשיגו דיוק של כ-75%. לפי הדוח הגדול של השנה שעברה על טכנולוגיות בריאות הניתנות לשימוש, מה שגורם לחיישנים החדשים האלה לפעול כל כך טוב הוא היכולת שלהם לאפשר גזים לעבור דרך החומר. תכונה זו מונעת בעיות בעור כאשר אדם לובש אותם במשך שבעה ימים רצופים. לכן הגיוני שרופאים מתלהבים מהטכנולוגיה הזו עבור חולים שצריכים טיפול מתמשך אך לא תמיד יכולים להגיע למרפאות.

הנטייה לפולימרים סיליקוניים עצמיי ריפוי באלקטרוניקה נטענת

סיליקונים שיכולים לתקן את עצמם הודות לקשרי הסולפיד הדינמיים הללו הם חומר מרשים למדי. הם למעשה מתקנים חתכים של 2 מ"מ באופן עצמאי תוך כ-40 דקות כאשר הם נשמרים בטמפרטורת החדר הרגילה, מה שהופך אותם מאוד שימושיים לרצועות שעוני חכם ולחלקי אביזרי AR/VR. גם המספרים מספרים סיפור מעניין. חברות שיוצרות מוצרים עם החומר המתאפס הזה רואות בערך מחצית מכמות תביעות האחריות שהיו להן לפני החלפה מסיליקון רגיל. זהו הבדל עצום הן מבחינת עמידות המוצר והן מבחינת העלות על העסק לאורך זמן, במיוחד בהתחשב בשכיחות שבה אנשים משתמשים בהתקנים בימינו.

קשיים בשמירה על שלמות חשמלית במהלך עיוות מכני

חומר הסיליקון הניתן להימשכות הגבוהה ביותר עדיין מאבד יותר מ-20% מהולכה שלו כאשר הוא נמתח מעבר ל-250% התארכות, על אף כל הנוסחאות החדשות והמתקדמות שפורסמו. בשנה שעברה פורסם בכתב העת Nature Electronics מחקר מעניין שמצביע על כך שבעיות ההולכה נובעות בעיקר מסדקים זעירים שנוצרים בתוך חלקיקי החומר מוליכים. עם זאת, מגמות חדשות ומרגשות צצות, תוך שימוש בדפוסי פרקטל שאנו רואים בטבע כדי לעצב עקומות שפזורות את המאמץ בצורה טובה יותר על פני השטח של החומר. עיצובים אלו יכולים לצמצם את נקודות ריכוז המאמצים בכ-70%. הבעיה? ייצור בהיקף גדול הופך לקשה מאוד בגלל הסיבוכיות הרבה של הדפוסים הללו. חברות רבות מתמודדות עם אתגר זה כעת, כשהן מנסות לעבור מדגימות מעבדה לייצור מסדרות אמיתיות.

הישגים בתחום ניהול תרמי באמצעות חומרי סיליקון פונקציונליים

שמן סיליקון בעל מוליכות תרמית גבוהה (3 וואט/מטר•קלווין) לאלקטרוניקת הספק

אלקטרוניקת הספק של ימינו מתמודדת עם רמות חום גבוהות במיוחד, שיכולות לעלות על 300 וואט לסמ"ר, מה שפירושו שאנחנו צריכים חומרי ממשק תרמיים מאוד טובים כדי להתמודד עם זה. שמנות הסיליקון המתקדמות ביותר בשוק מגיעות היום לערכים של מוליכות תרמית סביב או מעל 3 וואט למטר קלווין, הודות לתרכובות משופרות הכוללות מילוי של ניטריד בור ואמוניה. חומרים חדשים אלו מעבירים חום בערך פי ארבעה טוב יותר מאשר תרכובות חומר חנקן עתיקות מתקופות עבר. מעבדות של חוקרים מובילים בדקו שמנות אלו ומצאו שהן מורידות את טמפרטורת נקודות החום בין 18 ל-22 מעלות צלזיוס במודולי IGBT. שיפור מסוג זה תורם למעשה להארכה של כ-30 אחוזי חיים נוספים מבחינת מחזורי הספק של רכיבים אלו.

מילוי פריצה סיליקונית במערכות פיזור חום של תחנות בסיס 5G

מערכי גלי המילימטר בשימוש בטכנולוגיית 5G יוצרים כתמים חמים די אינטנסיביים, ולפעמים מגיעים לכ-150 וואט לסנטימטר רבוע. זה אומר שאנחנו צריכים ממלאי פערים מיוחדים שיכולים להתאים באמת לעקומות הקטנות האלה על פני השטח, שהמרחק ביניהן פחות מ-50 מיקרומטר. תערובות הסיליקון שמשתנות מפאזות אלו עובדות ממש טוב מכיוון שהן שומרות על לחץ מגע טוב מעל 15 פאונד לדצימטר רבוע גם כאשר הטמפרטורות משתנות בצורה דרסטית בין מינוס 40 מעלות צלזיוס לבין פלוס 125 מעלות. הן מתמודדות עם בעיות ההזנה הנפוצות מאוד במערכות אנטנה MIMO גדולות. בחינה של מבחנים בשטח בסביבות עירוניות מראה גם משהו מעניין: ההתנגדות התרמית מהצמתים של הרכיבים אל האוויר הסביבה יורדת בכ-רבע כאשר משתמשים בחומרים אלו במקום בגילי גרפיט רגילים. זה מהווה הבדל משמעותי בנוגע לאורך החיים של המערכות לפני שתידרש תחזוקה או החלפת חלקים.

ניתוח מחלוקת: סיליקון לעומת חומרי ביניים תרמיים מבוססי גרפן

חומרי TIM עם שיפור של גרפן מציעים תיאורטית מוליכות תרמית של עד 1500 וואט למטר-קלווין, אך יישומים מעשיים נתקלים בקושי שנובע מהתנגדות מגע בין-פנייתית ובעיות חמצון כאשר הם נחשפים לתנאי לחות של יותר מ-80% רטיבות יחסית. מחקר שפורסם בכתב העת Advanced Materials בשנה שעברה הראה שחומרי קומפוזיט סיליקון שמרו על כ-92% מהיעילות התרמית המקורית שלהם גם לאחר עברו 5000 מחזורי בדיקות של לחות וקפיאה. זהו הישג מרשים למדי בהשוואה לאפשרויות גרפן, שהשמרו רק על כ-67% מהיעילות בתנאים דומים. וכשמתחשבים גם בתכונות הבידוד החשמלי הטבעיות של חומרים אלו (עם דירוג CTI מעל 600 וולט), נהיה ברור למה רבים מהמהנדסים מעדיפים סיליקון במערכות אלקטרוניות קריטיות, גם אם אינו מגיע לאותן ערכים גבוהים של מוליכות תאורטית.

סיליקון באיכות אופטית בטכנולוגיות תצוגה וא chiếu דור הבא

סיליקון עם העברה גבוהה של אור לאריזת מיני LED

סיליקונים בעלי דירוג בהירות אופטית עם כ-92% העברת אור נראה הפכו כיום לרכיב חיוני באריזת מיני LED. הם מאפשרים לייצר מסכי תצוגה לא רק דקים יותר, אלא גם עם בהירות טובה בהרבה על פני כל שטח המסך. מה שמייחד את החומרים האלה הוא היכולת שלהם להפחית בעיות של פיזור אור, מבלי להקריב את עמידות המבנה כאשר הטמפרטורה עולה במהלך פעילות. לפי מחקר עדכני משנת 2023 בנושא אריזת מיני LED, גרסאות יציבות ל-UVC מציגות גם דעיכה מינימלית של הצבע, עם פחות מ-2% הזדחלות צבע גם לאחר 1,000 שעות בבדיקות זקנה מאיצות. ביצועים אלו הופכים אותם לבחירות אידיאליות ליישומים שבהם יש חשיפה לשמש, כמו במערכות בידור ברכב או בסמרטפונים הקפלים המתקדמים שאנשים ממשיכים לקפל ולפתוח כל היום.

מדד שבירה מתכוונן בסיליקון אופטי משפר את יעילות התצוגה

סיליקונים שפותחו עם מדדי שבירה מתכווננים בטווח של 1.41 עד 1.53 עוזרים לצמצם את השיקופים המטרידים של פרנל שמתרחשים בנקודות המגע בין חומרים. התוצאה? יצרנים מבחינים בשיפור של כ-18% בכמות האור שנמשך ממערכי מיקרו LED, בהשוואה לחומרי שטיפה רגילים הזמינים היום בשוק. כאשר מדד השבירה של שכבות החצי מוליך מתאים בצורה טובה לסיליקון האופטי בשימוש, ניתן להשיג תפוקת אור טובה יותר, תוך שמירה על יציבות תרמית ועל גמישות פיזיקלית שתאפשר יישומים בעולם האמיתי.

פרדוקס התעשייה: שיווי משקל בין שקיפות לעמידות בסיליקונים שקופים

למרות שסיליקונים ברמה מעבדתית יכולים להגיע לשיעור העברת אור של 94%, גרסאות מסחריות בדרך כלל מחליפות בהירות ליתר עמידות — ממלאים עמידיםScratch-resistant fillers לרוב מקטינים את השקיפות ב-6–8%. טיפולים חדשים בקנה מידה ננומטרי על פני השטח שומרים כעת על יותר מ-90% העברת אור, תוך כדי שמשלשיגים את ההתנגדות לאיבוד, התקדמות קריטית לעדשות AR/VR ולפאנלים דיגיטליים חיצוניים שנחשפים לשחיקה סביבתית.

שילוב חכם ותאימות עם האינטרנט של הדברים (IoT) בגישורי אלקטרוניקה מסיליקון

הגמישות של הסיליקון מאפשרת לשלב כל מיני חלקים עובדים לתוך מבנים עקומים. חיישני הטמפרטורה המובנים בחומרים אלה שומרים על דיוקם בתוך חצי מעלות צלזיוס אפילו לאחר כפייה חמישים פעמים. בינתיים, גרסאות מוקדמות של מעקב אחר כושר באמצעות זיהוי תנועה הגיעו לשיעורי זיהוי כמעט מושלמים ב-98%. ביצועים כאלה מחזיקים מעמד טוב כאשר הדברים נעים כל הזמן. מה שזה אומר עבור יישומים אמיתיים הוא די ישיר: אנחנו יכולים עכשיו לאסוף נתונים באיכות טובה מקימות חיישני IoT מתיחות מבלי לדאוג שהם יתפרקו מכנית בתנאי שימוש נורמליים.

התאמה לטעינה אלחוטית משופרת באמצעות סיבוב סיליקון, עם אב טיפוס חדש שמשיג 84% יעילות באמצעות תיבות בעובי 3 מ"מ. במהלך מפעלי טעינה מהירים של 15W, החום נשאר מתחת ל-40°C, על פי נתוני קונסורציום הכוח אלחוטי 2023. יציבות חום זו הופכת סיליקון אידיאלי עבור חגורות שעון חכם וחפצי חומר לובש רפואי הדורשים סטריליזציה תכופה.

השוק מתקדם בבירור עם מכשירי סיליקון חכמים, עם גידול של כ-25% בכל שנה, על פי ממצאים חדשים מ"מארקטסנדמארקטס" ב-2024, כמעט שני שלישים מכל המשתמשים רוצים שהג'ג'טים שלהם לעיבוד סימנים חיוניים יעקבו כל הזמן. חברות מובילות בתחום החלו להרכיב מכשירים הכוללים חיישנים SpO2 תואמים ביולוגית יחד עם מדגישי התנהגות העור. מוצרים אלה משתמשים בחומרים סיליקון ברמה רפואית הממלאים את דרישות ISO 10993-5 המיועדים במיוחד ללבוש ארוך טווח נגד העור מבלי לגרום לעצבנות או אי נוחות. שילוב הטכנולוגיה המתקדמת וחומרים ידידותיים לעור הופך את המכשירים הנלבשים האלה יעילים ונוחים לשימוש יומיומי.

אישית ופיתוח ייצור באביזרי אלקטרוני סיליקון

הדפסה תלת מימדית של אביזרים אלקטרוניים סיליקונים מותאמים אישית

עולם האלקטרוניקה הסיליקונית ראה כמה שינויים משמעותיים הודות לשיטות ייצור מוסיפות שיכולות ליצור חלקים בצורת גוף עם הדפסה תלת מימדית של חומרים כפולים, חברות משלבות כעת את אזורי המעגלים הקשיחים עם משטחי המגע הרכים והנחמדים שהחולים רוצים ללבוש ליד העור שלהם. זה מועיל במיוחד בעת ביצוע מכשירים לובשים שעובדים בתוך מכונות MRI מבלי לגרום להפרעות. לפי אנשי העסק, זמן פיתוח אב טיפוס ירד ב-87% מאז המעבר ממדי אולמות ישנים, דבר שאושר בדו"ח יישומי סיליקון מותאם אישית של השנה שעברה. בנוסף, המוצרים החדשים עדיין עומדים בסטנדרטים החשובים של עמידות למים IP67 הנדרשים בבתי חולים,

מגמות אישיתות המוניות באלקטרוניקה לצרכן באמצעות עיצוב LSR

שיפורים חדשים בעיצוב הזרקת LSR מאפשרים לייצר מוצרים מותאמים אישית מאוד הודות לעיצובים מבוקרים על ידי AI והתאמות בזמן אמת לכמה הסיליקון נשאר רקי במהלך העיבוד. קחו את אחת המותגים הגדולים של שעונים חכמים כדוגמה. הם יכולים להפיק כ-150 צבעים שונים עם רמות עוצמה שונות מרכות עד בינוניות (כ-50 עד 80 בסולם Shore A) כולם בתוך אותה ערכה. צרכנים רוצים שהג'ג'טים שלהם יראו ייחודיים בימים אלה, אז אימון כזה מתאים בדיוק למה שאנשים מבקשים. בנוסף, יצרנים עדיין מצליחים לשמור על תקני בטיחות האש חשובים אלה UL94-V0 שלם עבור wearables. דיווחים בתעשייה מצביעים על כך שהטכניקה הזו מקצצת את פסולת החומרים בכ-שלוש. עם זאת, יצירת חלקים מורכבים תוך 60 שניות בכל מחזור היא עדיין משהו שהיצרנים נאבקים איתו למרות כל ההתקדמות הזו.

שאלות נפוצות

מה הופך גומי סיליקון נוזלי (LSR) אידיאלי עבור מעגלים גמישים?

LSR הוא אידיאלי עבור מעגלים גמישים בשל יכולת ההמתח המצוינת שלו (כ-500% התאוששות מתח) ויציבות תרמית, שמירה על ביצועים בטמפרטורות הנעות מ -50 °C ל -200 °C.

מה היתרונות של חיישנים דומים לעור מבוססי סיליקון למעקב אחר הבריאות?

חיישנים דומים לעור מבוססי סיליקון מציעים יתרונות כגון שיעורי דיוק גבוהים (98.3% לעומת 75% עבור אלקטרודים נוקשים), נשימה וזעם עור מופחת, מה שהופך אותם מתאימים לניטור ארוך טווח.

מדוע ניהול תרמי חשוב באלקטרוניקה סיליקונית?

ניהול תרמי הוא קריטי מכיוון שאלקטרוניקה סיליקון נפגשת לעתים קרובות ברמות חום גבוהות; חומרים יעילים לניהול תרמי, כמו שומנים סיליקונים מתקדמים, יכולים לשפר את אורך החיים והביצועים של המכשיר.

כיצד סיליקון תורם לשיתוף IoT באלקטרוניקה?

גמישותו של הסיליקון מאפשרת שילוב חלקי של מרכיבים כמו חיישני טמפרטורה ותנועה, המאפשרת איסוף נתונים אמין במכשירים של IoT ללא סיכונים לכישלון מכני.

איך הדפסה תלת מימדית השפיעה על ייצור אלקטרוניקה סיליקונית?

הדפסה תלת ממדית שינתה את ייצור אלקטרוניקה סיליקון על ידי כך שהאפשרת חלקים מותאמים אישית בצורת גוף עם דיוק גבוה והפחית את זמני פיתוח אב טיפוס בכ- 87%.