كيفية اختيار زيت السيليكون المناسب للطلاء الإلكتروني والتزييت؟

تشير مقاومة العزل الكهربائي لمادة ما إلى مقدار المجال الكهربائي الذي يمكن أن تتحمله قبل أن تفقد خصائصها العازلة وتصبح موصلةً كهربائيًّا، وهي سمةٌ بالغة الأهمية في لوحات الدوائر المطبوعة ذات الجهد العالي، والأجهزة الدقيقة، ومكونات الإلكترونيات القدرة، إذ تقلل من خطر تعطل النظام الناجم عن القوس الكهربائي، والدوائر القصيرة، وفشل النظام. ولذلك، عند التعامل مع المعدات التي يبلغ تصنيفها أكثر من ١ كيلوفولت، تصبح قدرة العزل على مقاومة تدفق التيار عبر مساحة سطحه بالغة الأهمية من حيث السلامة. كما أن المقاومة الحجمية (Volume Resistivity) تقاس أيضًا لمعرفة مدى كفاءة العزل في مقاومة تدفق التيار. وفي أي نظام، كلما زادت مقاومة العزل، قلّ التسرب الكهربائي، وتحسَّنت درجة توازن الخلايا. وفي أجهزة الاستشعار الدقيقة، يساعد زيت السيليكون على توفير العزل المناسب لضمان دقة الإخراج القابل للضبط، كما يطيل عمر المعدات بفضل خصائصه العازلة التي تفوق المتوسط. وذكر تقرير «إلكتروإنسايت» لعام ٢٠٢٣ أن المواد التي تمتلك مقاومة عزل كهربائي تقل عن ١٥ كيلوفولت/ملم تتعرَّض لانقطاع بنسبة أعلى بـ ٣٤٪ في المحولات ومعدات التبديل. ويجب تجنُّب استخدام هذه المواد في أنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية (EV). ومن الأمثلة الأخرى زيت التدليك.

وهو لا يزال يعمل بكفاءة عالية تحت دورات التسخين والتبريد المتكررة، ولا يزال يعمل في الظروف المناخية التي عادةً ما تُسرّع من عملية التدهور وتُعرّض تشغيل شبكة الطاقة للخطر.

جهد الانهيار: زيت السيليكون المُعدَّل بالميثيل مقابل الزيت المُعدَّل بالفينيل

زيت السيليكون المُعدَّل بالميثيل له جهد انهيار يتراوح بين ١٥ و١٨ كيلوفولت/ملم، ومعامل استقرار حراري قدره ٠٫٨٥، في حين أن زيت السيليكون المُعدَّل بالفينيل له جهد انهيار يتراوح بين ٢٢ و٢٨ كيلوفولت/ملم، ومعامل استقرار حراري قدره ١٫١٢. وأظهرت الاختبارات القياسية لهذه المواد أن زيت السيليكون المُعدَّل بالفينيل يتمتع بجهد انهيار ومعامل استقرار حراري أعلى من زيت السيليكون المُعدَّل بالميثيل. ويمكن تفسير هذه الفروق بالاعتماد على مجموعات الفينيل. فبما أن مجموعات الفينيل تمتلك تركيبًا عطريًّا، فهي قادرة على ربط الجزيئات معًا وتكديسها بشكل أقرب إلى بعضها البعض. وهذه العملية تجعل المواد أقل عرضةً للتأيُّن عندما تتعرَّض لمجال كهربائي شديد. وباستطاعة هذه الزيوت المُعدَّلة بالفينيل الحفاظ على نحو ٩٢٪ من خصائصها العازلة بينما تتراوح درجة الحرارة بين ٠ و٢٠٠ درجة مئوية. وهذا يختلف عن الزيوت المُعدَّلة عادةً بالميثيل التي تحافظ فقط على نحو ٧٨٪ من خصائصها العازلة. ولذلك يفضِّل المهندسون غالبًا استخدام الزيوت المُعدَّلة بالفينيل في المحولات العازلة كهربائيًّا والأنظمة الكهربائية المستخدمة في الطائرات. فبينما تحافظ الزيوت المُعدَّلة بالميثيل على نحو ٧٨٪ من خصائصها العازلة الأصلية، فإن الزيوت المُعدَّلة بالفينيل تحافظ على نحو ٩٢٪ من خصائصها العازلة الأصلية، ما يجعلها أكثر ملاءمةً للاستخدام في المحولات العازلة كهربائيًّا والأنظمة الكهربائية للطائرات. وعند تعديل هذه المواد لتتوافق مع المعايير الصناعية الأخرى المعمول بها، أثبتت قدرتها على خفض تكرار حدوث الأعطال الميكانيكية، وكذلك دعمها للعمر التشغيلي الإجمالي للأنظمة الميكانيكية. وينطبق هذا بشكل خاص على المحولات العازلة كهربائيًّا وعلى التطبيقات الأخرى التي تتطلب درجة عالية من الموثوقية.

تحسين لزوجة الزيت لضمان التزييت المباشر والالتصاق بالطلاء

لزوجة زيت السيليكون (50–1,000 سانتيستوكس) بالنسبة إلى ديناميكية حركة: مشغِّلات MEMS، ومُبدِّلات EV، وآليات التوصيل

وبما أن التكوينات تتفاوت حسب التطبيقات الميكانيكية والكهربائية، فإن اختيار اللزوجة المناسبة للغرض المقصود أمرٌ بالغ الأهمية. فعلى سبيل المثال، تتطلب محركات MEMS العاملة عند تردد يزيد عن ١٠٠ هرتز زيوتاً منخفضة اللزوجة تتراوح قيمتها بين ٥٠ و١٠٠ سانتيستوكس (cSt) لتسهيل الاستجابات السريعة التي تُقاس بالميكروثانية، وذلك عبر تقليل المقاومة الناتجة عن القصور الذاتي. أما مفاتيح التلامس المستخدمة في المركبات الكهربائية (EV) والمُصمَّمة لتحمل تيارات تتجاوز ٥٠٠ أمبير، فهي تتطلب زيتاً متوسط اللزوجة تتراوح قيمته بين ٢٠٠ و٥٠٠ سانتيستوكس (cSt)، وهو ما يُعد مثالياً لإدارة ظاهرة لحام القوس الكهربائي مع تمكين فصل التلامس بسرعة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن آلية التبديل (الريلاي) التي تتعرَّض لصدمات متكرِّرة شدتها ١٠ جي أو أكثر ستتطلَّب زيتاً عالي اللزوجة تتراوح قيمته بين ٥٠٠ و١٠٠٠ سانتيستوكس (cSt) لضمان توفير تشحيمٍ ثابتٍ رغم حدوث الصدمات المفاجئة. وفي جميع الأمثلة المذكورة أعلاه، يتوجَّب على المهندسين تحديد سلوك القص والضغط المحلي عند تلك النقاط. كما يجب أن تراعي مواصفات التصميم التغيرات السريعة في درجة الحرارة، لأن عدم التحكم فيها سيُضعف فيلم الزيت.

تأثير اللزوجة على احتفاظ الفيلم، والتحكم في الهجرة، والتزييت طويل الأمد في المقصورات المغلقة

تُعدّ زيوت السيليكون ذات اللزوجة بين ٣٥٠ و١٠٠٠ سانتيستوكس ممتازةً للحفاظ على طبقة رقيقة على الإلكترونيات المغلَّفة. وهذه الزيوت أقل عرضةً للتَّأثُّر بانزياح الترسيب الناتج عن الجاذبية، وبالتالي فإنها تشكِّل طبقات حدية مستقرة بسماكة تتراوح بين ٣ و٥ مايكرون على نقاط التلامس والمحامل. ويكتسب هذا الأمر أهميةً بالغةً في وحدات التحكم automobiles الخاضعة للاهتزاز المستمر. كما تتميز هذه الزيوت بمدى تشغيلي واسع جدًّا من درجات الحرارة (من −٤٠ إلى ٢٠٠ °م)، وتظل مؤشرات لزوجتها ثابتةً عند قيم تفوق ٢٠٠ طوال هذا المدى الحراري الكامل. وهذه اللزوجة تساعد على التخلص من مشكلات الزحف الشعري التي تؤدي إلى ظهور بقع جافة مزعجة. وبقيت هذه التركيبات مستقرةً أمام الإجهادات القصية، وبالتالي فهي لا تنفصل عن عوامل التكثيف مع مرور الزمن. ولذلك فإن العديد من المكوِّنات الفضائية وأجهزة الاستشعار الصناعية التي تستخدم هذه الزيوت يمكن أن تعمل دون الحاجة إلى صيانة لأكثر من ١٠ سنوات، مما يحقِّق متطلبات شهادة MIL-PRF-27617.

التوافق المادي والموثوقية الحرارية عبر الركائز الإلكترونية
التوافق الكيميائي مع زيت السيليكون ومع أختام الإيثيلين بروبيلين ثنائي المونومر (EPDM)، والطلاءات البوليميدية، والطبقات الرقيقة من مادة FR-4، وطبقات حماية اللحام
لكي تؤدي زيت السيليكون وظيفته المطلوبة، يجب أن يظل كيميائيًّا متعادلًا تجاه محيطه، أي قريبًا من المواد نفسها المستخدمة في تصنيع الأجهزة الإلكترونية. وبالنظر إلى ختم الإيثيلين بروبيلين داين مونومر (EPDM) في موصلات التجميع والغلاف، فإنه لا ينبغي أن يؤدي إلى انتفاخ الختم أو هشاشته أو انضغاطه بعد عدة دورات من التوصيل المتكرر. أما بالنسبة للطلاءات البولييميدية على الدوائر المرنة، فقد يتسبب زيت السيليكون في عملية تليين البلاستيك التي قد تُضعف المادة اللاصقة وتُخلّ باستقرارها البعدي. ولتحقيق توافقٍ مرضٍ بين زيت السيليكون ولوحات FR-4، فلا بد أن لا يؤدي إلى هجرة الراتنج أو انفصال الطبقات، كما لا ينبغي أن يتسبب في فشل العزل الكهربائي. أما بالنسبة لطبقات الحماية المقاومة للذوبان (Solder Masks)، فلا ينبغي أن تتسبب زيوت السيليكون في تكوّن ألياف أنودية موصلة أو في ظهور فقاعات داخل الطبقة الواقية. ومشكلات التوافق ليست تافهةً على الإطلاق؛ فوفقًا لبيانات صناعية حديثة نشرها اتحاد تحليل حالات الفشل لعام 2023، فإن نحو 23% من حالات فشل أغلفة أجهزة استشعار السيارات و17% من مشكلات فشل المرحلات الصناعية تعود إلى عدم توافق المواد.

حدود الاستقرار الحراري ومقاومة الأكسدة: ضمان الأداء عبر نطاقات التشغيل من -40°م إلى 200°م

وبسبب تركيبها ومضادات الأكسدة المدمجة فيها، يمكن لهذه الزيوت التشغيل عند درجات حرارة قصوى. فهي قادرة على التشغيل حتى درجة -50°م، وهي ميزةٌ بالغة الأهمية للاستخدام في المناطق القطبية، حيث قد يؤدي فشل التزييت إلى تلفٍ شديدٍ في المعدات. كما أُثبت أن هذه الزيوت تحافظ على خصائصها العازلة والعازلة كهربائيًّا في زيوت عالية الأداء معدلة بمركب الفينيل والتي تعمل عند درجات حرارة تفوق 180°م. وقد خضعت أيضًا لاختبار ASTM D943 الذي أظهر معدل أكسدة منخفضًا جدًّا ومعدل تراكم طيني (وحلّي) منخفض جدًّا، ما يمنع حدوث التآكل في المكونات الميكانيكية. أما بالنسبة لأفضل الصيغ، فإن ثباتها أمام التغيرات الحرارية يتوافق مع معايير السلامة UL 2580 الخاصة بتطبيقات بطاريات المركبات الكهربائية (EV)، ومع القسم 25 من معيار DO-160 الخاص بالفشل الحراري في الإلكترونيات المستخدمة في الطيران.

الأسئلة الشائعة

ما المقصود بمقاومة العزل الكهربائي؟

يُحدد قوة العزل الكهربائي بأقصى مقدار من الإجهاد الذي يمكن أن تتحمله مادة عازلة قبل أن تتعرض لانهيار كهربائي. ويعتبر هذا الأمر بالغ الأهمية عند النظر في التطبيقات التي تعمل عند فولتية عالية، إذ يساعد على منع تتبع القوس الكهربائي والدوائر القصيرة الناتجة عن فشل العزل.

لماذا تكتسب اللزوجة أهميةً كبيرةً بالنسبة لزيوت السيليكون؟

تحدد لزوجة زيوت السيليكون قدرتها على التحمل والتدفق أثناء العمليات الميكانيكية أو الكهربائية، مما يجعلها ذات أهمية بالغة في الأعمال الدقيقة.

ما الفرق بين زيوت السيليكون المُعدَّلة بالفينيل وزيوت السيليكون المُعدَّلة بالميثيل؟

وبالمقارنة مع زيوت السيليكون المُعدَّلة بالميثيل، فإن زيوت السيليكون المُعدَّلة بالفينيل أكثر موثوقيةً من حيث مقاومتها العالية للحرارة وفولتية الانهيار الكهربائي. ولذلك فهي مثالية للاستخدام في التطبيقات الكهربائية عالية الأداء.

ما العوامل التي تحدد توافق زيت السيليكون مع المكوِّن الإلكتروني؟

يكتسب زيت السيليكون توافقًا مع المكونات الإلكترونية من خلال بقائه متعادلًا كيميائيًّا تجاه أختام الإيثيلين بروبيلين داين مونومر (EPDM)، والطلاءات البوليميدية، والطبقات الرقيقة من مادة FR-4، وطبقات حماية اللحام. وهذا يجعله مهمًّا لتجنب التحلل والأعطال.