تُظهر معظم عمليات البحث عن خصائص السيليكون الموصل نفس النتيجتين: "سيليكون مع أسود الكربون، موصل للكهرباء". هذا غير كافٍ لتحديد خصائص القطعة. فبدون معرفة درجة المقاومة الكهربائية، ونوع الحشو، وتغير الصلابة، لا يمكنك مقارنة الأسعار أو التنبؤ بسلوك القطعة بعد دورات الضغط.
السيليكون الموصل هو مطاط سيليكون قياسي (PDMS) مُحمّل بكربون أسود، أو جرافيت مطلي بالنيكل، أو مواد مالئة أساسها الفضة حتى يتشكل مسار موصل متصل. تتراوح المقاومة الحجمية من حوالي 0.001 أوم·سم (للسيليكون المملوء بالفضة) إلى 10⁸ أوم·سم (للأنواع المضادة للكهرباء الساكنة). أما مقاومته للحرارة والبرودة والظروف الجوية فتبقى قريبة من مقاومة البوليمر الأساسي.
ما الذي يجعل السيليكون موصلاً للكهرباء؟
لا يوجد شيء في البوليمر نفسه. مطاط السيليكون الأساسي عازل، بمقاومة حجمية تتراوح بين 10¹⁴ و10¹⁵ أوم·سم وقوة عازلة في نطاق 20-25 كيلو فولت/مم. تُضاف الموصلية ميكانيكيًا، عن طريق تحميل كمية كافية من الحشو الموصل بحيث تتلامس الجزيئات وتُشكّل شبكة متصلة عبر المطاط.
تلك النقطة هي عتبة الترشيح. أسفل هذه النقطة، بالكاد تتغير المقاومة النوعية مهما أضفت من مواد مالئة. أما عند تجاوزها، فقد تنخفض المقاومة النوعية عدة مراتب مع تغير في الحمل يتراوح بين 1 و2%. لهذا السبب تُصنع المواد الموصلة، لا تُخلط عشوائيًا في المصنع، ولهذا السبب أيضًا قد يُسلمك موردان يُقدمان "سيليكونًا مملوءًا بالكربون" قطعًا بفارق ثلاثة عقود في المقاومة.
درجات المقاومة الحجمية ومواد الحشو النموذجية لها
| الصف الدراسي | المقاومة الحجمية | الحشو النموذجي | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|---|
| مضاد للكهرباء الساكنة | 10⁶–10⁸ أوم·سم | أسود الكربون منخفض التحميل | وسادات مضادة للكهرباء الساكنة، وصواني حمل |
| الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي / تبديد الشحنات الساكنة | 10³–10⁶ أوم·سم | الكربون الأسود | حشوات أفران التسخين، وحشيات معالجة الدوائر المتكاملة |
| موصل (عام) | 10¹–10³ أوم·سم | أسود الكربون عالي التحميل | أقراص توصيل لوحة المفاتيح، وسادات التأريض |
| حماية من التداخل الكهرومغناطيسي، كربون | 0.5–10 أوم·سم | أسود الكربون / ألياف الكربون | حشوات تغليف منخفضة التكلفة |
| حماية من التداخل الكهرومغناطيسي، مملوءة بالمعدن | 0.001–0.1 أوم·سم | نيكل-جرافيت، فضة-ألومنيوم، فضة نقية | حشيات الحماية MIL-DTL-83528 |
للعلم،, درجات الكربون القياسية لشركة شين-إيتسو تتراوح مقاومة (EC-BL / EC-BM / EC-BH) بين 0.009 و0.05 أوم.متر، أي ما يقارب 0.9 إلى 5 أوم.سم. تتميز السيليكونات الموصلة المتوفرة تجاريًا بموثوقية عالية عمومًا بين 0.01 أوم.متر و10 أوم.متر؛ أما فوق 100 أوم.متر، فتتذبذب المقاومة بشدة مع تغير طفيف في الكربون، ويصعب الحفاظ على قيمة ثابتة في نطاق 10 كيلو أوم.متر إلى 100 ميجا أوم.متر في الإنتاج.
كيف تُغير الحشوات الموصلة الخواص الميكانيكية؟
تُقوّي هذه المواد الجزء وتُقلّل من مقاومته للتمزق. أما الحشوات المستخدمة لأسباب كهربائية، فتُعتبر إما تقوية أو عيباً، وذلك بحسب الحمل الواقع عليها.
| ملكية | سيليكون قياسي (نموذجي) | موصل مملوء بالكربون (نموذجي) |
|---|---|---|
| صلابة | نطاق شور أ 30-70، مجموعة كاملة متوفرة | صلابة شور A من 45 إلى 70، درجات لينة محدودة |
| قوة الشد | 6-10 ميجا باسكال | ~5–6 ميجا باسكال (≈776 رطل لكل بوصة مربعة) |
| استطالة عند نقطة الكسر | 300–700% | ~250–350% |
| قوة التمزق | 20-40 كيلو نيوتن/متر | ~85 نقطة في البوصة (≈15 كيلو نيوتن/متر) |
| مجموعة الضغط (22 ساعة / 175 درجة مئوية) | 15–30% | أعلى، يعتمد على الحشو |
| لون | أي | أسود، أو رمادي معدني للمعادن المملوءة |
هناك نتيجتان للتصميم. أولاً، لا يمكنك طلب سيليكون موصل من نوع Shore A 20 بمقاومة كهربائية مماثلة لمقاومة التداخل الكهرومغناطيسي؛ فكمية الحشو المطلوبة لن تسمح لك بتحقيق ذلك. ثانياً، ترتبط قوة الإحكام وقوة التوصيل الكهربائي ارتباطاً وثيقاً؛ فالمركب الأكثر صلابة يحتاج إلى ضغط أكبر للإحكام، وهذا الضغط الإضافي يُسرّع من تصلب الحشية التي يجب أن تحافظ أيضاً على التوصيل الكهربائي.
هل يحافظ السيليكون الموصل على نفس نطاق درجة الحرارة؟
في الغالب. لا تزال الأنواع المملوءة بالكربون تعمل بشكل مستمر تقريبًا عند درجات حرارة تتراوح بين -55 درجة مئوية و200 درجة مئوية، مع ارتفاعات طفيفة إلى 230 درجة مئوية، وتحافظ على مقاومة البوليمر الأساسي للأوزون والأشعة فوق البنفسجية والعوامل الجوية. لا يُغير الحشو من بنية السيلوكسان الأساسية.
ما يتغير هو استقرار القيمة الكهربائية، وليس عمر القطعة. يؤدي تكرار دورات التسخين والتبريد والضغط لفترات طويلة إلى تغيير طفيف في شبكة الحشو، مما يؤدي إلى ارتفاع المقاومة تدريجيًا مع مرور الوقت، بينما يبدو المطاط نفسه سليمًا. نادرًا ما تلاحظ الفرق التي تختبر نموذجًا أوليًا في درجة حرارة الغرفة في اليوم الأول هذه المشكلة؛ إذ تظهر في المنتجات المُعادة من الميدان على شكل تلامس متقطع، وليس على شكل حشية متشققة. إذا كان للتطبيق حد أقصى للمقاومة، فيجب اختبار هذا الحد بعد التقادم الحراري، وليس قبله.
تُضيف الحشوات القائمة على الفضة قيودًا خاصة بها: التوافق الكهروكيميائي مع الغلاف المُتصل، وليس درجة الحرارة. يؤدي استخدام السيليكون المملوء بالفضة النقية مع الألومنيوم المكشوف في بيئة رذاذ الملح إلى تآكل الحافة. لهذا السبب، يُدرج معيار MIL-DTL-83528 درجات الفضة-الألومنيوم والنيكل-الجرافيت بشكل منفصل عن الفضة النقية.
ما هي المعايير التي تحدد وتختبر هذه الخصائص؟
| معيار | ما يغطيه |
|---|---|
| ASTM D257 | المقاومة الحجمية والسطحية للمواد العازلة وشبه الموصلة |
| ASTM D991 | المقاومة الحجمية للمطاطات الموصلة للكهرباء |
| MIL-DTL-83528 | مواد حشيات مطاطية موصلة للحماية من التداخل الكهرومغناطيسي، حسب نوع الحشو |
| MIL-STD-285 / IEEE 299 | قياس فعالية الحماية للعلب |
| ASTM D2240 | صلابة مقياس الصلابة |
| ASTM D412 / D624 | الشد، الاستطالة، التمزق |
| ASTM D395 | مجموعة الضغط |
| توجيهات RoHS 2011/65/EU | المواد المحظورة، ذات الصلة بالدرجات المملوءة بالمعادن |
إنّ ورقة البيانات التي تذكر فقط "موصل، 10² أوم" دون ذكر طريقة الاختبار لا تُعدّ مواصفةً. اسأل عن المعيار المستخدم، والسماكة المطلوبة، وضغط التلامس المطلوب.
لماذا لا تتطابق مقاومة القطعة المقاسة مع بياناتها في ورقة البيانات؟
لأن المقاومة النوعية خاصية للمادة، بينما المقاومة ناتجة عن الهندسة. R = ρ × l / A. مركب ذو مقاومة نوعية 1 أوم.سم في قرص تلامس بسمك 0.5 مم ومساحة 5 مم² يتصرف بشكل مختلف تمامًا عن نفس المركب في حشية ذات مقطع عرضي 3 مم.
ثلاثة عوامل تهيمن على الإنتاج:
- السماكة ومساحة التلامس. يعني التصميم الأقل سمكًا والأعرض مقاومة أقل. وتؤدي التغييرات في تصميم هندسة الختم إلى تغيير الأداء الكهربائي دون أن يلاحظها أحد.
- ضغط. تنخفض مقاومة التلامس مع ازدياد الانحراف، وتستقر عادةً ضمن نطاق الضغط 15-30%. أما الحشيات غير المضغوطة بشكل كافٍ فتُظهر قراءات عالية وغير متسقة.
- حالة السطح. تؤثر كل من الطبقة الخارجية المصبوبة، وبقايا مادة فصل القالب، والتنظيف بعد عملية التشكيل، على مقاومة التلامس. وقد تختلف قراءات الأسطح المملوءة بالكربون، التي تُقاس مباشرة بعد فك القالب، عن قراءات الأجزاء التي تُقاس بعد معالجتها حرارياً عند 200 درجة مئوية لمدة 4 ساعات.
عندما نُقدّم عروض أسعار للأجزاء الموصلة، غالبًا ما تتضمن المواصفات الواردة قيمة مقاومة بالأوم دون تحديد أداة التثبيت، أو معدل الضغط، أو تباعد المجسات. لا يمكن التحقق من هذه القيمة، وهي السبب الأكثر شيوعًا للطعن في نتائج العينة الأولى.
أين تظهر حدود الملكية في الأجزاء الحقيقية
أقراص لاصقة بلوحة مفاتيح. أقراص كربونية من فئة 10¹–10³ أوم·سم، مصبوبة في مادة غير موصلة لوحة مفاتيح سيليكون مخصصة الجسم. المتطلب الكهربائي هو إغلاق المفتاح، وليس مرور التيار، لذا فإن انحراف المقاومة أهم من القيمة المطلقة. انظر مقارنتنا لـ لوحات مفاتيح سيليكون موصلة مقابل لوحات مفاتيح سيليكون غير موصلة و مواد ودرجات لوحة مفاتيح السيليكون.
حشوات الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي. تُحدد أنواع الحشوات المعدنية وفقًا للمواصفة MIL-DTL-83528 حسب نوع الحشوة. في هذه الحالة، تُحدد مادة الغلاف وبيئة التآكل اختيار الحشوة قبل أن تؤثر المقاومة الكهربائية.
وسادات التأريض والحماية من التفريغ الكهروستاتيكي. درجات مقاومة للكهرباء الساكنة والتفريغ الكهروستاتيكي، حيث يكمن الهدف في تفريغ الشحنة ببطء، وليس التوصيل. المقاومة المنخفضة جدًا تُعد عيبًا، وليست ميزة. طلاء موصل رغوة السيليكون تظهر الحشيات هنا عندما يتعين على الغطاء إحكام الإغلاق وتصريف الشحنات الساكنة في نفس الوقت.
موصلات زيبرا / المطاطية. طبقات موصلة وعازلة متناوبة بدلاً من مركب موصل ضخم؛ الخاصية المهمة هي درجة الميل ونطاق الضغط، وليس المقاومة الحجمية وحدها.
أما بالنسبة للجانب العازل من نفس عائلة المواد، فقد تم تغطية السلوك الأساسي في أدلتنا لـ الخصائص الكهربائية للسيليكون و شرائط مطاط السيليكون في العزل الكهربائي. الموصلية الحرارية نظام حشو منفصل تمامًا — انظر الموصلية الحرارية للسيليكون. إن الموصلية الكهربائية والموصلية الحرارية ليستا نفس المركب، وطلب كليهما في درجة واحدة يعني عادة تحميل الألومينا أو نتريد البورون مما يؤدي إلى زيادة الصلابة مرة أخرى.
ما ليس السيليكون الموصل للكهرباء
إنها ليست سلكًا. حتى الأنواع المطلية بالفضة لا تتجاوز مقاومتها 0.001 أوم·سم، أي أعلى بخمسة مراتب من مقاومة النحاس. يُستخدم السيليكون الموصل للتوصيل والتوصيل الأرضي والحماية والتحويل، وليس لنقل تيارات كهربائية ذات قيمة.
كما أنها ليست بديلاً مباشراً من حيث التكلفة. أسعار درجات الكربون قريبة من أسعار المركبات القياسية. أما النيكل والجرافيت فأسعارهما أعلى بعدة مرات، وتُسعّر المركبات المملوءة بالفضة بناءً على محتواها من الفضة، مما يعني أن السعر يتغير تبعاً لسوق المعادن، وأن نسبة الخردة في هندسة القطعة تؤثر بشكل مباشر على تكلفة الوحدة.
التعليمات
هل السيليكون الموصل هو نفسه السيليكون الموصل حرارياً؟
لا. تأتي الموصلية الكهربائية من حشوات الكربون أو المعادن التي تشكل شبكة ترشيح. أما الموصلية الحرارية فتأتي عادةً من الألومينا أو نتريد البورون، وهما مادتان عازلتان كهربائياً.
ما هي أقل مقاومة كهربائية متوفرة في مطاط السيليكون؟
تصل مقاومة الأنواع المملوءة بالفضة النقية إلى حوالي 0.001 أوم·سم. أما ما دون ذلك، فيخرج المرء من نطاق المطاط الصناعي ويتجه إلى الموصلات المعدنية أو الأجهزة المطلية.
هل يمكن أن يكون السيليكون الموصل صالحًا للاستخدام في الأغذية أو في المجال الطبي؟
يستبعد تحميل الكربون الأسود عمومًا إدارة الغذاء والدواء 21 CFR 177.2600 والامتثال لمعايير LFGB فيما يتعلق بالتلامس المباشر مع الطعام. تعامل مع المواد الموصلة للمواد على أنها مواد صناعية وإلكترونية ما لم يتم تأكيد وجود مركب متوافق محدد.
هل يفقد السيليكون الموصل للكهرباء موصليته بمرور الوقت؟
يبقى الجزء سليماً، لكن مقاومته تميل إلى الارتفاع مع دورات التسخين والتبريد والضغط طويل الأمد. لذا، يُنصح بإجراء الاختبارات بعد التقادم الحراري، وليس على عينات جديدة.
ما نحتاجه قبل تحديد سعر قطعة موصلة
لا تُضيّق الخصائص المذكورة أعلاه نطاق البحث فحسب. لتحديد تركيبة معينة وسعرها، تُحدّد أربعة عوامل كل شيء تقريبًا: المقاومة النوعية أو المقاومة المستهدفة مع طريقة اختبارها، وصلابة المادة ومتطلبات قوة الإحكام، ومادة الغلاف المُستخدمة وبيئة التآكل، وما إذا كانت القطعة مصبوبة أو مبثوقة أو مقطوعة بالقالب. صفيحة سيليكون. ويتبع اختيار الحشو من ذلك، ويحدد اختيار الحشو كلاً من التكلفة والانحراف الذي ستراه في السنة الثالثة.
إذا كان شرط المقاومة لا يزال رقمًا واحدًا بدون أي تثبيت خلفه، فهذا هو أول شيء يجب حله - قبل الأدوات، وليس بعد النموذج الأولي الأول.
مراجع
- ASTM D257-14(2021)e1، طرق الاختبار القياسية لمقاومة التيار المستمر أو موصلية المواد العازلة - ASTM International. https://www.astm.org/d0257-14r21e01.html
- ASTM D991-89(2020)، خصائص المطاط - المقاومة الحجمية للمنتجات الموصلة كهربائياً والمضادة للكهرباء الساكنة - ASTM International. https://store.astm.org/d0991-89r20.html
- MIL-DTL-83528، مادة الحشية، موصلة، حشية واقية، إلكترونية، مطاط صناعي، EMI/RFI — وكالة الخدمات اللوجستية الدفاعية الأمريكية ASSIST، المراجعة J، 11 أكتوبر 2023. https://quicksearch.dla.mil/qsDocDetails.aspx?ident_number=34009
- IEEE Std 299-2006، الطريقة القياسية لقياس فعالية حاويات الحماية الكهرومغناطيسية - جمعية معايير IEEE. https://standards.ieee.org/standard/299-2006.html
- 21 CFR 177.2600، المنتجات المطاطية المخصصة للاستخدام المتكرر - إدارة الغذاء والدواء الأمريكية / eCFR، الإصدار الحالي. https://www.ecfr.gov/current/title-21/chapter-I/subchapter-B/part-177/subpart-C/section-177.2600
- التوجيه 2011/65/EU (RoHS)، النص الموحد بتاريخ 1 يناير 2025 — EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2011/65/2025-01-01/eng
- رحمان م. وآخرون، تحديد عتبة الترشيح للتوصيل الكهربائي للمركبات البوليمرية الموصلة خارجيا، بوليمرات (2019) - NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6418723/
- ميراندا آي وآخرون، خصائص وتطبيقات PDMS للهندسة الطبية الحيوية: مراجعة (2022) - NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8788510/
- الخصائص المميزة لمركبات مطاط السيليكون - شركة شين-إيتسو كيميكال، كتالوج المنتجات (PDF). https://www.shinetsusilicone-global.com/catalog/pdf/rubber_e.pdf
