قوالب نقل السيليكون - دليل كامل

كثيراً ما يصف الناس عملية قولبة نقل السيليكون بأنها عملية متوازنة.

من جانبنا في أرضية المصنع، فإن STM لا يتعلق بالتوازن بقدر ما يتعلق بالتحكم.

نلجأ عادةً إلى قولبة النقل عندما تصبح قولبة الضغط غير مضمونة النتائج، وتصبح قولبة الحقن غير ضرورية أو مكلفة للغاية بالنسبة للإنتاج بكميات كبيرة. تأتي إلينا معظم مشاريع قولبة النقل بشرط واحد واضح: أن يكون المنتج مثالياً من المرة الأولى، وليس بعد عدة مراحل من التجميع أو التصحيح.

لا تشرح هذه المقالة تقنية STM بالطريقة التي تشرحها الكتب الدراسية، بل تشرح كيفية عمل هذه التقنية فعلياً أثناء تجارب القوالب، وإنتاج الدفعات الصغيرة، ومشاريع العملاء الحقيقية.

ما هو قالب نقل السيليكون؟

قولبة نقل السيليكون (STM) هي عملية يتم فيها دفع السيليكون غير المعالج من وعاء النقل إلى قالب مغلق وساخن تحت الضغط، ثم يتم معالجته إلى شكله النهائي.

في الواقع العملي، نادراً ما يتم اختيار تقنية STM لمجرد أن الجزء معقد.

يتم اختيارها لأن الجزء لا يتحمل التعبئة غير المتساوية أو حركة الإدخال أو الانحراف في الأبعاد.

نرى استخدام تقنية التشكيل بالحقن المجهري (STM) بشكل شائع في صناعة المقابض الطبية، والتغليف الإلكتروني، وأجزاء السيليكون المصبوبة مباشرةً على حشوات معدنية أو بلاستيكية. هذه أجزاء يصعب على تقنية التشكيل بالضغط ملؤها بشكل متجانس، كما أن تقنية التشكيل بالحقن تزيد التكلفة والتعقيد دون فوائد واضحة.

كيف تعمل عملية قولبة نقل السيليكون في أرضية المصنع

تحضير القالب

إذا فشلت قطعة مصنعة بتقنية التشكيل بالنقل في الفحص، فغالباً ما يتم العثور على السبب الجذري قبل أسابيع، أثناء تصميم القالب.

نعمل بقوالب من الفولاذ والألومنيوم. يُستخدم الفولاذ عندما تكون الاستقرارية طويلة الأمد مهمة. أما الألومنيوم، فيُستخدم عادةً في المراحل الأولى من أخذ العينات لأنه يُقلل من وقت الإنتاج. ولكن بغض النظر عن المادة، يجب تصميم قوالب المجهر النفقي الماسح (STM) بشكل مختلف عن القوالب البلاستيكية.

لقد رأينا مشاريع بدت فيها جميع التفاصيل صحيحة نظرياً، لكن دقة قوالب السيليكون كانت ضيقة للغاية. نتج عن ذلك زيادة في الزوائد في منطقة ونقص في الحقن في منطقة أخرى. بعد ذلك، توقفنا عن التعامل مع قوالب STM على أنها قوالب حقن أبسط. فهي ليست كذلك.

قبل بدء الإنتاج، تُنظف القوالب وتُغطى بمواد مانعة للالتصاق. قد تبدو هذه الخطوة روتينية، لكن إهمالها أو استخدام الطلاء الخاطئ غالباً ما يؤدي إلى التصاق القوالب وظهور عيوب سطحية لا تظهر إلا بعد عدة دورات إنتاج.

إعداد المواد

تستخدم تقنية STM بشكل أساسي المطاط عالي التماسك (HCR). أحد الأسباب بسيط: يتصرف المطاط عالي التماسك بشكل أكثر قابلية للتنبؤ تحت ضغط النقل، خاصة عند استخدام الحشوات.

تتراوح نسب الخلط عادةً بين 10:1 و20:1، وذلك حسب المركب. نظرياً، لا يبدو الانحراف الطفيف خطيراً. لكن في الواقع، غالباً ما لا تظهر أخطاء النسب فوراً.

في إحدى المرات، قمنا بتشغيل دفعة كانت فيها النسبة غير دقيقة بعض الشيء. خرجت القطع من القالب بسلاسة وبدت مقبولة. لم نلاحظ اختلاف الصلابة في نفس التجويف إلا أثناء الفحص النهائي. كان ذلك كافياً لرفض الدفعة.

منذ ذلك الحين، نتعامل مع خلط المواد كعملية مضبوطة، وليس كخطوة تحضيرية. فإذا كانت النسبة خاطئة، فلن يُصلحها أي تعديل لاحق بشكل كامل.

بعد الخلط، يُوضع السيليكون في وعاء النقل. التسخين المسبق هنا يُحدث فرقًا ملحوظًا. فالمادة الباردة تجبرنا على زيادة الضغط، مما يُسبب عادةً مشاكل جديدة بدلًا من حل مشاكل التدفق.

مرحلة النقل

بمجرد إغلاق القالب، يقوم المكبس بدفع السيليكون إلى داخل التجاويف. تتراوح الضغوط النموذجية من 500 إلى 2000 رطل لكل بوصة مربعة.

من الشائع الاعتقاد بأن الضغط العالي يُحسّن عملية التعبئة. في تقنية STM، هذا صحيح جزئيًا فقط. فعند استخدام الضغط لتعويض ضعف التهوية، غالبًا ما ينتج عن ذلك زيادة في الزوائد وانزلاق الحشوات.

نولي اهتماماً بالغاً لتصميم البوابات وفتحات التهوية. عندما تظهر فقاعات الهواء في نفس المكان في كل دورة، فإن السبب نادراً ما يكون المادة المستخدمة، بل عادةً ما يكون هواءً محصوراً لا يجد منفذاً.

يأتي التدفق الجيد من التحكم في درجة الحرارة وتصميم القالب، وليس من القوة الغاشمة.

علاج

تتراوح درجات حرارة المعالجة عادةً بين 150 درجة مئوية و 200 درجة مئوية، وتختلف أوقات الدورة بناءً على سمك الجزء.

بالنسبة للأجزاء الرقيقة، تبدو عملية المعالجة سريعة وسهلة. أما بالنسبة للأجزاء السميكة أو الهيكلية، فيصبح وقت المعالجة عاملاً حاسماً. غالباً ما نوصي بالمعالجة اللاحقة عند حوالي 200 درجة مئوية لعدة ساعات، خاصةً في التطبيقات الطبية أو التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية.

يُوفّر تخطّي مرحلة المعالجة اللاحقة الوقت أثناء الإنتاج، ولكنه غالباً ما يؤدي إلى تشوّهات في شكل الانضغاط أو مشاكل ميكانيكية بعد أشهر. ويصعب شرح هذه المشاكل للعميل مقارنةً بشرح دورة معالجة أطول في البداية.

ديمولدينغ

إزالة القوالب هي إحدى تلك الخطوات التي نادراً ما تحظى بالاهتمام حتى يحدث خطأ ما.

يجب وضع دبابيس الإخراج بعناية. فالضغط الزائد أو سوء الوضع قد يُشوه السيليكون اللين أو يترك علامات واضحة. بالنسبة للأجزاء الحساسة، نستخدم أحيانًا تقنية إزالة القوالب بمساعدة التفريغ لتقليل الضغط أثناء الإزالة.

إذا تضرر جزء في هذه المرحلة، فلن تتمكن أي كمية من عمليات التشكيل الجيدة في المراحل السابقة من إصلاحه.

المعالجة البعدية

يُعدّ الزوائد المعدنية أمراً شائعاً في تقنية STM. ويتراوح سمك الزوائد المعدنية النموذجي من 0.05 مم إلى 0.2 مم، وذلك حسب ملاءمة القالب وقوة التثبيت.

بالنسبة للأجزاء ذات الإنتاج الكبير، نستخدم غالبًا تقنية إزالة الزوائد بالتبريد الشديد. أما بالنسبة للأجزاء الظاهرة أو ذات الإنتاج المنخفض، فإن التشذيب اليدوي يوفر تحكمًا أفضل. وتُضاف معالجات سطحية مثل التنشيط بالبلازما عند الحاجة إلى اللصق أو الطلاء.

غالباً ما يتم التقليل من شأن هذه الخطوات أثناء عملية الاقتباس، لكنها تلعب دوراً رئيسياً في المظهر النهائي والاتساق.

اختيار المواد: لماذا لا تزال HCR هي الخيار الافتراضي

لا تزال مادة HCR هي المادة الأساسية لتقنية STM لأنها توفر مقاومة أفضل للتمزق وثباتًا في الأبعاد تحت الضغط.

تتراوح الصلابة عادةً بين 30 و80 على مقياس شور أ. المواد الأكثر ليونة تتدفق بسهولة ولكنها تتطلب تهوية أفضل. أما المواد الأكثر صلابة فتحافظ على شكلها بشكل أفضل ولكنها تتطلب تحكمًا أدق في درجة الحرارة والضغط.

في التطبيقات الطبية وتطبيقات ملامسة الأغذية، تُعتبر المركبات المعتمدة معياراً أساسياً. ونحن نتحقق دائماً من سلوك المعالجة من خلال تجارب عملية، وليس فقط من خلال بيانات المنتج.

معايير العملية التي تؤثر على الإنتاجية

من بيانات الإنتاج لدينا، فإن أكثر المعايير حساسية هي:

• نقل الضغط: 500–2000 رطل لكل بوصة مربعة
• درجة حرارة القالب: 150–200 درجة مئوية
• سرعة النقل: السرعة الزائدة تحبس الهواء، والبطء الشديد يُعرّض الجسم لخطر التصلب المبكر
• مدة المعالجة: غالباً ما يؤدي عدم كفاية الوقت إلى تلف النوى

عندما تنحرف هذه المعايير، تظهر العيوب بسرعة.

إرشادات تصميم توفر الوقت لاحقاً

لا تزال سماكة الجدار الموحدة هي القاعدة الأكثر موثوقية. فالتغيرات المفاجئة في السماكة غالباً ما تؤدي إلى عدم اكتمال التعبئة أو إلى إجهاد داخلي.

يجب أن يدعم وضع البوابة والمجرى التدفق السلس، وليس فقط أقصر المسارات. ينبغي تثبيت الحشوات ميكانيكيًا كلما أمكن ذلك. الاعتماد على تدفق السيليكون وحده لتثبيت الحشوات عادةً ما يؤدي إلى مشاكل في المحاذاة.

يقلل التصميم الجيد من الهدر بشكل أكثر فعالية من التعديلات العدوانية على المعايير.

مراقبة الجودة: اكتشاف المشاكل مبكراً

تشمل عيوب STM الشائعة فقاعات الهواء، والحقن غير الكامل، والوميض المفرط، وعدم المعالجة الكافية.

نقوم بفحص الصلابة وقوة الشد والأبعاد بشكل دوري. أما بالنسبة للأجزاء الطبية والإلكترونية، فإن التحقق الإضافي يضمن الأداء على المدى الطويل.

معظم العيوب تعود إلى تصميم التهوية أو عدم استقرار المعلمات، وليس إلى جودة المواد.

المزايا والعيوب في الاستخدام الفعلي

ما يجيده STM

• تعبئة متسقة للأشكال الهندسية المعقدة
• قولبة إدخال موثوقة بدون تجميع ثانوي
• تكلفة أدوات معقولة للإنتاج المتوسط

حيث يكون لتقنية المجهر النفقي الماسح حدود

• أوقات معالجة أطول من قولبة الحقن
• مخلفات المواد من العدائين وأواني النقل
• الاعتماد المتزايد على الخبرة في مجال العفن والعمليات

يعمل نظام STM بشكل أفضل عندما تكون الدقة والموثوقية أهم من السرعة الخام.

التطبيقات النموذجية التي نتعامل معها

يُستخدم المجهر النفقي الماسح (STM) عادةً في:

• مكونات الأجهزة الطبية
• التغليف الإلكتروني
• أختام صناعية مزودة بحشوات
• منتجات استهلاكية متخصصة

تكمن قوتها في إنتاج أجزاء يجب أن تؤدي وظيفتها باستمرار، وليس فقط أن تبدو صحيحة.

التشكيل بالنقل مقابل طرق تشكيل السيليكون الأخرى

التحويل مقابل قالب الضغط

يُعدّ التشكيل بالضغط خيارًا اقتصاديًا للأجزاء البسيطة والسميكة. بينما يوفر التشكيل بالنقل تحكمًا أفضل في التدفق وتكاملًا أفضل للحشوات في المكونات الدقيقة.

التحويل مقابل صب الحقن

تتفوق عملية التشكيل بالحقن في التشغيل الآلي بكميات كبيرة. أما عملية التشكيل بالنقل فهي أكثر مرونة وفعالية من حيث التكلفة بالنسبة للأحجام المتوسطة باستخدام مواد HCR.

أسئلة مكررة

كم تبلغ تكلفة STM؟

تعتمد التكاليف على مدى تعقيد القطعة وحجمها. وعادةً ما تقع تكلفة تقنية التشكيل بالحقن المجهري (STM) بين تكلفة التشكيل بالضغط والتشكيل بالحقن.

ما هي مدة دورة واحدة من دورات المجهر النفقي الماسح (STM)؟

عملية النقل نفسها سريعة، لكن عملية المعالجة تستغرق عادةً من دقيقة إلى 15 دقيقة، وذلك حسب السماكة والمادة.

هل STM مناسب للأجهزة الطبية؟

نعم. يستخدم STM على نطاق واسع للمكونات الطبية نظرًا لثبات المواد وإمكانية التشكيل بالحقن.

كيف يختلف STM عن القولبة بالحقن؟

تعمل تقنية STM بضغط منخفض وتناسب الأجزاء المعقدة متوسطة الحجم. أما تقنية قولبة الحقن فتفضل الإنتاج الآلي عالي الحجم.

خاتمة

لا يُختار قولبة نقل السيليكون لأنها عصرية أو سهلة، بل لأنها تحل مشاكل محددة تعاني منها طرق القولبة الأخرى.

عندما يتم تصميم القوالب واختيار المواد والتحكم في العملية بشكل صحيح، فإن تقنية STM توفر أجزاء متسقة وعالية الأداء مع عدد أقل من المفاجآت اللاحقة.

لقد عملنا في مجال قولبة السيليكون في العديد من الصناعات لسنوات. إذا كنتم بصدد تقييم تقنية STM لمنتجكم أو مقارنة خيارات القولبة، يسعدنا مناقشة مشروعكم بناءً على ظروف الإنتاج الفعلية، وليس على افتراضات.