ما المزايا الفريدة التي يقدّمها مركب البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) في إغلاق المكونات الإلكترونية؟

عند العمل مع مادة الـPDMS (بولي دايميثيل سيلوكسان)، نلاحظ أن هذه المادة تمتلك خاصية فريدة لا تتوفر في مواد أخرى (مثل الإيبوكسي أو البولي يوريثان). فمُعَدِّل يونغ لمادة الـPDMS أقل من ١ ميغاباسكال. وهذه الخاصية تسمح للـPDMS بامتصاص الإجهاد الديناميكي، ما يجعلها مناسبة للاستخدام في الأجهزة القابلة للطي، أو الدوائر المطّاطة، أو غيرها من الأجهزة الخاضعة لإجهادات كبيرة. كما تتميّز مادة الـPDMS أيضًا بخاصية فريدة في تبدد الطاقة عبر طبقة لزجة، مما يوفّر التصاقًا جيدًا للدوائر الإلكترونية بعد أكثر من ١٠٬٠٠٠ دورة ثني في تطبيقات أجهزة الاستشعار الحيوية القابلة للارتداء. علاوةً على ذلك، تتمتّع مادة الـPDMS بخاصية ضغط فريدة تسمح لها بالانضغاط بنسبة ١٥٪ يوميًّا مع الاحتفاظ بإحكام إغلاقها. ويمكن الاستفادة من هذه الخاصية القيّمة لمادة الـPDMS في تصميم تقنيات الأجهزة الطبية المزروعة (المُدمجة في الجسم الحي)، إذ يُعدّ اعتمادية هذه الأجهزة ذات أهمية قصوى.

أنظمة الميكروإلكتروميكانيكا (MEMS) وأجهزة الاستشعار والأجهزة الرقيقة — التصاق تطابقي دون إجهاد واجهي.

يتماسك مادة البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) مباشرةً مع الأسطح عبر الالتصاق على المستوى الجزيئي. ولا تتقشّر مادة PDMS كما تفعل الغراء القائمة على المذيبات التقليدية. وتُقلّد مادة PDMS تفاصيل الأسطح بدقة تصل إلى ٢٠ ملي نيوتن/متر. كما تُقلّد تفاصيل الأسطح بدقة تصل إلى النانومتر، وتشكّل ختمًا محكمًا حول مكوّنات MEMS ذات الغشاء دون أن تتسبب في تشويهها. وتؤدي مادة PDMS أداءً ممتازًا في ظل درجات الحرارة القصوى والمتفاوتة التي تتراوح بين -٤٠°م و+١٥٠°م، وذلك بفضل قوة التصاقها التي تبلغ ٥ جول/متر². وهذا ما يجعل من مادة PDMS خيارًا ممتازًا لأجهزة الاستشعار المستخدمة في قطاع السيارات. وقيمة معامل بواسون لمادة PDMS قريبة من ٠٫٥، وهي ميزة تفوق بها السيليكونات الأكثر صلابة. وهذه الخاصية تمنع التقشّر غير المرغوب فيه عند نقاط الاتصال المرنة بين النحاس وبولي-إيمايد. ولهذا الأمر أهمية بالغة خاصةً في شاشات OLED. فتؤدي المواد القياسية إلى انخفاض في إخراج الضوء بنسبة تزيد عن ٣٠٪ بسبب الإجهادات الناتجة عن واجهات الاتصال، بينما تحافظ مادة PDMS على ظاهرة التألق الكهربائي (Electroluminescence)، وتحسّن استقرارها طوال عمر الجهاز. وهذا ما يجعل من مادة PDMS خيارًا ممتازًا للمصنّعين الذين يسعون إلى إنتاج أجهزة طويلة الأمد.

يحتفظ مركب البوليديميثيلسيليكون (PDMS) بثابت عزل كهربائي يتراوح بين ٢,٣ و٢,٨، وذلك حتى تردد ١ ميجاهرتز. ويختلف هذا اختلافًا كبيرًا عن كلوريد البوليفينيل (PVC)، الذي يبلغ ثابت عزله الكهربائي ٣,٩ عند تردد ٥٠ هرتز فقط، وعن معظم راتنجات الإيبوكسي التي تتجاوز قيمتها ٣. وتنبع هذه الاستقرار الممتاز للعزل الكهربائي من غياب العزم ثنائي القطب في السلاسل غير القطبية الموجودة بين مركب البوليديميثيلسيليكون (PDMS) والعازل. ولذلك فإن ظلّ الفقد يساوي ٠,٠٠١، وهو ما يعادل تحسُّنًا يبلغ نحو ١٠ أضعاف مقارنةً براتنجات الإيبوكسي القياسية. ونتيجةً لهذه الخاصية في مركب البوليديميثيلسيليكون (PDMS)، تتحسَّن سلامة الإشارة في التطبيقات عالية التردد. وتُغلف هوائيات الجيل الخامس (5G) المُصنَّعة حسب الطلب بمركب البوليديميثيلسيليكون (PDMS) لأن هذا المركب يعكس الإشارات بنسبة أقل مقارنةً بالمواد الختمية الصلبة.

أظهرت بعض أنظمة الترددات اللاسلكية المرنة التي خضعت سابقًا لاختبارات تتعلق بانعكاسات الإشارة انخفاضًا في انعكاسات الإشارة بنسبة ٤٠٪.

المقاومة الحرارية (من -٦٠°م إلى ٢٠٠°م) ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية/الأكسدة في الأجهزة القابلة للارتداء والتطبيقات في البيئات القاسية.

يحتفظ بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) بنسبة تقارب ٩٥٪ من قوته العازلة حتى بعد خضوعه لـ ٥٠٠ دورة حرارية تتراوح بين -٦٠ °م و+٢٠٠ °م. وتبدأ مواد السيليكون في التحلل عند درجات حرارة تزيد عن ١٥٠ °م بسبب الأكسدة. ويتميّز PDMS بوزن جزيئي عالٍ وبنيته المشبعة تمامًا. كما يتمتّع PDMS بمقاومة استثنائية للحرارة والأضرار الناجمة عن الأشعة فوق البنفسجية. وقد أظهرت موصلات الخلايا الكهروضوئية المختومة بـ PDMS، والتي خضعت لاختبارات تحت تأثير إشعاع فوق بنفسجي شديد لمدة ٢٠٠٠ ساعة، فقدانًا أقل من ٣٪ من نفاذية الضوء الأصلية لها. ويشكّل PDMS خيارًا ممتازًا لأنظمة المراقبة الأكثر تطرّفًا المستخدمة في أجهزة الاستشعار في منطقة القطب الشمالي. فبينما تنخفض أداء معظم المواد بشكل كبير بسبب التشقق والاصفرار وفقدان الالتصاق، يُعدّ PDMS خيارًا ممتازًا لأجهزة استشعار الزيت ذات درجات الحرارة العالية عند ٢٠٠ °م.

مرونة إغلاق PDMS مقارنةً بالمواد المغلِّفة التقليدية في التطبيقات الواقعية للإلكترونيات الديناميكية

تتفوق مادة PDMS بشكل كبير على مواد التغليف الإيبوكسية التقليدية في التطبيقات مثل تكنولوجيا الملابس القابلة للارتداء والروبوتات الصناعية. وتشير مجلة جونسون ريليابيليتي لعام ٢٠٢٢ إلى أن ٢٥٪ من الإلكترونيات الصناعية التي تستخدم مواد أخرى غير PDMS تفشل بسبب الشد والانضغاط الذي تتعرض له الأختام. أما مادة PDMS فتحافظ على أداء الأختام حتى بعد مئات الآلاف من حركات الثني، مما يضمن مرونتها. ويعود سبب كفاءة PDMS إلى ثلاث خصائص حرجة في تركيبها الكيميائي:

١. امتصاص التشوه الديناميكي: حيث يمكن لمادة PDMS أن تمتد بنسبة تصل إلى ١٠٠٠٪ من طولها الأصلي، بينما تحدث ظاهرة التفكك المبكر للمفاصل الملصوقة عند المواد الإيبوكسية وغيرها من المواد اللاصقة البوليمرية عند نسبة شد تبلغ ٥٪ فقط. وهذا ما يسمح لـ PDMS بالحفاظ على التصاقها في المفاصل المعرّضة للاهتزاز.
 
٢. سلامة الأداء أثناء التغيرات الحرارية الدورية: حيث تحافظ مادة PDMS على رابطها المطاطي مع الأسطح ضمن نطاق درجات الحرارة من -٦٠°م إلى +٢٠٠°م خلال دورات التغير الحراري؛ بينما تُعتبر ٥٠ دورة نقطة الفشل المتوسطة للمواد اللاصقة الأكريليكية.

3. اختراق الفراغات الميكروية: يمكن لمادة PDMS ملء الفراغات الأصغر من 10 ميكرون، والاختراق عبر الشقوق التي لا تستطيع مواد البولي يوريثان اللزجة الأخرى دخولها. وفي أنظمة الميكروإلكتروميكانيكا (MEMS)، يُعد هذا شرطًا بالغ الأهمية لضمان منع تسرب الرطوبة.

تشير البيانات المقدمة من مكونات رادار الليزر (LiDAR) المستخدمة في السيارات والمغلَّفة بمادة PDMS إلى أن معدل فشل هذه المكونات السنوي يبلغ 0.02%، أي أقل بخمس مرات من معدل فشل المكونات المغلَّفة بالسيليكون.

لماذا تتميَّز خصائص مادة PDMS بهذه الاستثنائية؟ لأنها تمتص الطاقة الحركية، وتتمتع بمقاومة عالية للتآكل الجوي، ما يحميها من التحلل الناجم عن العوامل الجوية وغيرها من العوامل التي تُسبب تدهور المواد البلاستيكية. وقد أصبحت مادة PDMS المعيار الصناعي القياسي لختم الأجزاء المتحركة داخل المركبات، والتي تتعرَّض لتحديات عديدة، منها الزيوت ومذيبات التنظيف والتقلبات القصوى في درجات الحرارة.

التوافق مع عمليات التصنيع والتكامل القابل للتوسيع لمادة PDMS في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة

الطباعة الليثوغرافية المرنة، والطلاء الدوراني على مستوى الرقائق (wafer-level spin coating)، وسير عمل الختم الانتقائي بعد التصنيع

يتكامل مادة البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) بسلاسة مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات نظراً لتوافقها العالي ودقتها مع هذه المادة. وتتيح تقنية التصنيع الدقيق اللينة (Soft lithography) للمصنّعين تشكيل الملامح المجهرية على ختمات البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) على مستوى الرقائق (wafers). ويؤدي ذلك إلى إلغاء الحاجة إلى مجموعات القناع (mask sets) باهظة الثمن والخطوات المعقدة للنحت (etching) اللازمة لإنشاء الملامح الدقيقة الضرورية لتصنيع أجهزة أنظمة الميكروإلكتروميكانيكية (MEMS) والتغليف المتقدم. وفي عملية الطلاء بالدوران (spin coating)، تكون طبقات التغليف التي تغطي الرقاقة بانتظام خلال أقل من دقيقة واحدة على رقاقة قطرها 300 مم، جميعها أرق من 100 ميكرون في السماكة، ما يُمكّن من الإنتاج الضخم. وعادةً ما تستخدم الشركات ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV) أو الحرارة لمعالجة أجزاء الرقاقة التي تحتوي على أجهزة استشعار أنظمة الميكروإلكتروميكانيكية (MEMS) أو أجهزة الاستشعار الحيوية (biosensors) بعد التصلب الأولي. وهذه العملية انتقائيةٌ لتفادي إلحاق الضرر بالدوائر الإلكترونية المجاورة والحفاظ على ظروف الفراغ. أما مادة البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) قبل التصلب فهي ذات لزوجة منخفضة تسمح لها بالتدفق داخل الفراغات الأصغر من 5 ميكرون باستخدام تدفق الشعيرات (capillary flow)، ما يمكنها من تكوين ختمات محكمة في التجميعات المجهرية.

تؤكد التقارير الصناعية أن هذه التقنيات تقلل عيوب التغليف بنسبة ٦٦٪، وتقلل أوقات المعالجة بنسبة ٤٠٪. وبما أن هذه التقنيات لا تتطلب حرارةً ولا مذيبات، فإنها تحقق فوائد اقتصادية وبيئية للمصنّعين.

أسئلة شائعة

ما معامل يونغ لمادة PDMS؟
معامل يونغ لمادة PDMS أقل من ١ ميغاباسكال، وهو أقل بكثير من معامل يونغ للراتنجات الإيبوكسية أو البولي يوريثان.
لماذا تُفضَّل مادة PDMS في الإلكترونيات المرنة؟
تُفضَّل مادة PDMS في الإلكترونيات المرنة لأنها قادرة على امتصاص الإجهادات الديناميكية، وتبديد الطاقة، والحفاظ على الاتصالات الكهربائية الموصلة طوال عددٍ كبيرٍ من دورات الانثناء.
كيف تؤدي مادة PDMS تحت تغيرات درجات الحرارة؟
تؤدي مادة PDMS أداءً استثنائيًّا تحت تغيرات درجات الحرارة لأنها لا تُرسل الإجهاد إلى المكونات الحساسة، ولا تتغير شكلها أو تفقد وظيفتها بالنسبة لهذه المكونات مع مرور الزمن. ما المزايا التي تقدمها مادة PDMS في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة؟
في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة، يساعد بوليمير ديميثيل سيليكون (PDMS) في تقنيات التصنيع بالليثوغرافيا اللينة والطلاء بالدوران لتحقيق تكامل قابل للتوسّع، وانخفاض عدد عيوب التغليف، وتخفيض أوقات المعالجة.