بیشتر جستجوها برای خواص سیلیکون رسانا، همان دو خط را برمی‌گردانند: “سیلیکون به علاوه کربن سیاه، رسانای الکتریسیته است.” این برای مشخص کردن یک قطعه کافی نیست. بدون درجه مقاومت، نوع پرکننده و تغییر سختی، نمی‌توانید قیمت‌ها را مقایسه کنید یا پیش‌بینی کنید که قطعه پس از چرخه‌های فشرده‌سازی چگونه رفتار می‌کند.
سیلیکون رسانا، لاستیک سیلیکونی استاندارد (PDMS) است که با کربن سیاه، گرافیت روکش‌دار با نیکل یا پرکننده‌های پایه نقره پر شده تا یک مسیر رسانای پیوسته تشکیل شود. مقاومت حجمی از حدود 0.001 Ω·cm (پر شده با نقره) تا 10⁸ Ω·cm (درجه‌های آنتی‌استاتیک) متغیر است. مقاومت در برابر گرما، سرما و آب و هوا نزدیک به پلیمر پایه باقی می‌ماند.
چه چیزی سیلیکون را رسانا می‌کند؟
هیچ چیز در خود پلیمر وجود ندارد. لاستیک سیلیکونی پایه یک عایق است، با مقاومت ویژه حجمی حدود 10¹⁴–10¹5Ω·cm و مقاومت دی‌الکتریک در محدوده 20-25 kV/mm. رسانایی به صورت مکانیکی، با بارگذاری پرکننده رسانای کافی که ذرات با هم تماس پیدا کرده و یک شبکه پیوسته از طریق لاستیک تشکیل می‌دهند، اضافه می‌شود.
آن نکته این است که آستانه نفوذ. ... در زیر آن، مقاومت ویژه به سختی تغییر می‌کند، مهم نیست چقدر پرکننده اضافه کنید. اگر از آن عبور کنید، مقاومت ویژه می‌تواند با تغییر ۱ تا ۲۱TP3T در بارگذاری، چندین مرتبه کاهش یابد. به همین دلیل است که گریدهای رسانا فرموله می‌شوند، نه اینکه در کارگاه مخلوط شوند، و به همین دلیل است که دو تأمین‌کننده با قیمت “سیلیکون پر شده با کربن” می‌توانند قطعاتی با سه دهه اختلاف مقاومت به شما تحویل دهند.
گریدهای مقاومت حجمی و پرکننده‌های معمول آنها
| کلاس پایه | مقاومت ویژه حجمی | پرکننده معمولی | استفاده معمول |
|---|---|---|---|
| آنتی استاتیک | ۱۰⁶–۱۰⁸ اهم·سانتی‌متر | کربن سیاه با بار کم | پدهای اتلاف الکتریسیته ساکن، سینی‌های جابجایی |
| ESD / اتلاف استاتیک | ۱۰³–۱۰⁶ اهم·سانتی‌متر | کربن سیاه | درزگیرهای فر سوخته، واشرهای جابجایی IC |
| رسانا (عمومی) | ۱۰¹–۱۰³ اهم·سانتی‌متر | کربن سیاه با بارگذاری بالا | قرص‌های تماسی صفحه کلید، پدهای اتصال به زمین |
| محافظ EMI، کربن | ۰.۵–۱۰ اهم·سانتی‌متر | کربن سیاه / فیبر کربن | واشرهای محفظه کم‌هزینه |
| محافظ EMI، پر شده با فلز | ۰.۰۰۱–۰.۱ اهم·سانتی‌متر | نیکل-گرافیت، نقره-آلومینیوم، نقره خالص | واشرهای محافظ MIL-DTL-83528 |
برای مرجع،, گریدهای کربن استاندارد شین-اتسو (EC-BL / EC-BM / EC-BH) در محدوده 0.009-0.05 اهم متر، یعنی تقریباً 0.9-5 اهم متر قرار دارند. سیلیکون رسانای موجود در بازار عموماً بین 0.01 اهم متر و 10 اهم متر قابل اعتماد است. بالاتر از 100 اهم متر، مقاومت با تغییرات اندک کربن به شدت نوسان می‌کند و حفظ مقدار ثابت در محدوده 10 کیلو اهم متر تا 100 مگا اهم متر در تولید دشوار است.
پرکننده‌های رسانا چگونه خواص مکانیکی را تغییر می‌دهند؟
آنها قطعه را سفت می‌کنند و مقاومت پارگی را برای شما کاهش می‌دهند. پرکننده‌ای که به دلایل الکتریکی وجود دارد، بسته به بارگذاری، همچنان به عنوان تقویت‌کننده یا به عنوان یک نقص عمل می‌کند.
| ویژگی | سیلیکون استاندارد (معمولی) | رسانای پر شده با کربن (معمولی) |
|---|---|---|
| سختی | شور ای ۳۰ تا ۷۰، طیف کامل موجود است | Shore A 45–70، گریدهای نرم محدود |
| استحکام کششی | ۶–۱۰ مگاپاسکال | تقریباً ۵–۶ مگاپاسکال (≈۷۷۶ psi) |
| ازدیاد طول در نقطه شکست | ۳۰۰–۷۰۰۱TP3T | ~250–350% |
| استحکام پارگی | ۲۰–۴۰ کیلونیوتن بر متر | ~۸۵ ppi (≈۱۵ kN/m) |
| تنظیم فشار (۲۲ ساعت / ۱۷۵ درجه سانتیگراد) | 15–30% | بالاتر، وابسته به پرکننده |
| رنگ | هر | مشکی، یا خاکستری متالیک برای پر شده با فلز |
دو پیامد برای طراحی. اول اینکه، شما نمی‌توانید سیلیکون رسانای Shore A 20 با مقاومت ویژه در سطح EMI را درخواست کنید؛ بارگذاری پرکننده مورد نیاز به شما اجازه نمی‌دهد به آنجا برسید. دوم، نیروی آب‌بندی و نیروی تماس الکتریکی با هم مرتبط هستند - یک ترکیب سخت‌تر برای آب‌بندی به فشرده‌سازی بیشتری نیاز دارد و فشرده‌سازی بیشتر، قرار گرفتن روی واشری را که باید رسانا نیز باشد، تسریع می‌کند.
آیا سیلیکون رسانا محدوده دمایی یکسانی را حفظ می‌کند؟
گونه‌های پر شده با کربن هنوز هم تقریباً به طور مداوم در محدوده دمایی ۵۵- تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند و در فواصل کوتاهی تا ۲۳۰ درجه سانتیگراد نیز می‌رسند و مقاومت ازن، اشعه ماوراء بنفش و مقاومت در برابر آب و هوا پلیمر پایه را حفظ می‌کنند. پرکننده، اسکلت سیلوکسان را تغییر نمی‌دهد.
آنچه تغییر می‌کند، پایداری مقدار الکتریکی است، نه بقای قطعه. چرخه‌های حرارتی مکرر و فشرده‌سازی طولانی، شبکه پرکننده را کمی تغییر می‌دهند، بنابراین مقاومت در طول عمر مفید افزایش می‌یابد، در حالی که خود لاستیک سالم به نظر می‌رسد. تیم‌هایی که نمونه اولیه را در دمای اتاق در روز اول آزمایش می‌کنند، به ندرت این را می‌بینند. در بازگشت‌های میدانی به صورت تماس متناوب ظاهر می‌شود، نه به صورت ترک خوردگی واشر. اگر کاربرد دارای سقف مقاومت باشد، آن سقف باید پس از پیرسازی حرارتی آزمایش شود، نه قبل از آن.
پرکننده‌های مبتنی بر نقره محدودیت خاص خود را دارند: سازگاری گالوانیکی با محفظه جفت شونده، نه دما. سیلیکون پر شده با نقره خالص در برابر آلومینیوم لخت در محیط مه نمکی، فلنج را دچار خوردگی می‌کند. به همین دلیل است که MIL-DTL-83528 گریدهای نقره-آلومینیوم و نیکل-گرافیت را جدا از نقره خالص فهرست می‌کند.
کدام استانداردها این ویژگی‌ها را تعریف و آزمایش می‌کنند؟
| استاندارد | آنچه را پوشش می‌دهد |
|---|---|
| ASTM D257 | مقاومت ویژه حجمی و سطحی مواد عایق و نیمه رسانا |
| ASTM D991 | مقاومت حجمی الاستومرهای رسانای الکتریکی |
| MIL-DTL-83528 | مواد واشر الاستومر رسانا برای محافظ EMI، بر اساس نوع پرکننده |
| MIL-STD-285 / IEEE 299 | اندازه‌گیری اثربخشی حفاظتی محفظه‌ها |
| ASTM D2240 | سختی سنج دورومتر |
| ASTM D412 / D624 | کشش، ازدیاد طول، پارگی |
| ASTM D395 | مجموعه فشرده سازی |
| استاندارد RoHS 2011/65/EU | مواد محدود شده، مربوط به گریدهای پر شده با فلز |
یک برگه اطلاعات که فقط عبارت “رسانا، 10² Ω” را بدون روش آزمایش ذکر می‌کند، مشخصات فنی محسوب نمی‌شود. بپرسید کدام استاندارد، با چه ضخامتی و تحت چه فشار تماسی.
چرا مقاومت اندازه‌گیری شده قطعه هرگز با مشخصات فنی مطابقت ندارد؟
از آنجا که مقاومت ویژه یک خاصیت ماده است و مقاومت نتیجه هندسه است. R = ρ × l / A. یک ترکیب 1 اهم·سانتی‌متر در یک قرص تماسی با ضخامت 0.5 میلی‌متر و سطح مقطع 5 میلی‌متر مربع، رفتار بسیار متفاوتی نسبت به همان ترکیب در یک سطح مقطع واشر 3 میلی‌متری دارد.
سه عامل در تولید غالب هستند:
- ضخامت و سطح تماس. نازک‌تر و پهن‌تر به معنای مقاومت کمتر است. تغییرات طراحی در هندسه آب‌بند، عملکرد الکتریکی را بی‌صدا تغییر می‌دهد.
- فشرده سازی. مقاومت تماسی با افزایش انحراف کاهش می‌یابد و معمولاً در محدوده فشاری 15-30% تثبیت می‌شود. واشرهای کم فشرده، فشار بالا و ناپایداری را نشان می‌دهند.
- وضعیت سطح. پوسته قالب‌گیری شده، بقایای جدایش قالب و تمیزکاری پس از قالب‌گیری، همگی بر مقاومت تماسی تأثیر می‌گذارند. سطوح پر شده با کربن که بلافاصله پس از جدا شدن از قالب اندازه‌گیری می‌شوند، می‌توانند با قطعاتی که پس از پخت نهایی در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۴ ساعت اندازه‌گیری می‌شوند، متفاوت باشند.
وقتی قطعات رسانا را ذکر می‌کنیم، مشخصات ورودی اغلب مقدار مقاومت را بر حسب اهم بدون فیکسچر، بدون نرخ فشرده‌سازی و بدون فاصله پروب فهرست می‌کند. این عدد را نمی‌توان با آن بررسی کرد و این رایج‌ترین دلیل اختلاف نظر در نتایج مقاله اول است.
جایی که محدودیت‌های املاک در قطعات واقعی ظاهر می‌شوند
قرص‌های تماسی صفحه‌کلیددار. قرص‌های کربنی در کلاس 10¹–10³ Ω·cm، که به صورت نارسانا قالب‌گیری شده‌اند صفحه کلید سیلیکونی سفارشی بدنه. نیاز الکتریکی، بسته شدن سوئیچ است، نه عبور جریان، بنابراین رانش مقاومت بیشتر از مقدار مطلق اهمیت دارد. به مقایسه ما مراجعه کنید صفحه کلیدهای سیلیکونی رسانا در مقابل غیر رسانا و مواد و درجه بندی صفحه کلید سیلیکونی.
واشرهای محافظ EMI. گریدهای پر شده با فلز، که بر اساس نوع پرکننده مطابق با MIL-DTL-83528 مشخص شده‌اند. در اینجا جنس محفظه و محیط خوردگی، انتخاب پرکننده را قبل از مقاومت تعیین می‌کنند.
پدهای اتصال به زمین و ESD. درجه‌های آنتی‌استاتیک و ESD، که در آنها نقطه به آرامی شارژ می‌شود و رسانا نیست. مقاومت ویژه خیلی پایین یک نقص است، نه یک مزیت. روکش رسانا فوم سیلیکونی واشرها اینجا ظاهر می‌شوند وقتی که بسته شدن باید همزمان آب‌بندی و تخلیه استاتیک را انجام دهد.
کانکتورهای زبرا/الاستومری. لایه‌های رسانا و عایق متناوب به جای یک ترکیب رسانای حجیم؛ ویژگی مهم، گام و محدوده فشرده‌سازی است، نه فقط مقاومت ویژه حجمی.
در سمت عایق همان خانواده مواد، رفتار پایه در راهنماهای ما پوشش داده شده است خواص الکتریکی سیلیکون و نوارهای لاستیکی سیلیکونی در عایق الکتریکی. رسانایی حرارتی یک سیستم پرکننده کاملاً جداگانه است - ببینید رسانایی حرارتی سیلیکون. رسانای الکتریکی و رسانای حرارتی ترکیب یکسانی نیستند و درخواست هر دو در یک گرید معمولاً به معنای بارگذاری آلومینا یا نیترید بور است که سختی را دوباره بالا می‌برد.
سیلیکون رسانا چه چیزی نیست؟
این یک سیم نیست. حتی گریدهای پر شده با نقره نیز حدود 0.001 اهم بر سانتی‌متر هستند، تقریباً پنج برابر بیشتر از مس. سیلیکون رسانا برای پل زدن، زمین کردن، محافظت و سوئیچ کردن وجود دارد - نه برای حمل جریان معنی‌دار.
همچنین این یک جایگزین هزینه کاهشی نیست. گریدهای کربن نزدیک به قیمت استاندارد ترکیبات هستند. نیکل-گرافیت چندین برابر بالاتر است و ترکیبات پر شده با نقره بر اساس میزان نقره قیمت‌گذاری می‌شوند، به این معنی که قیمت با بازار فلزات تغییر می‌کند و نرخ ضایعات روی هندسه قطعه شما مستقیماً بر هزینه واحد تأثیر می‌گذارد.
سوالات متداول
آیا سیلیکون رسانا همان سیلیکون رسانای حرارتی است؟
خیر. رسانایی الکتریکی از پرکننده‌های کربنی یا فلزی که یک شبکه نفوذی تشکیل می‌دهند، ناشی می‌شود. رسانایی حرارتی معمولاً از آلومینا یا نیترید بور، که عایق‌های الکتریکی هستند، ناشی می‌شود.
کمترین مقاومت ویژه موجود در لاستیک سیلیکونی چقدر است؟
عیارهای پر شده با نقره خالص تقریباً به 0.001 اهم بر سانتی‌متر می‌رسند. پایین‌تر از آن، از قلمرو الاستومر خارج شده و به اتصالات فلزی یا سخت‌افزار آبکاری شده وارد می‌شوید.
آیا سیلیکون رسانا می‌تواند از نظر درجه غذایی یا پزشکی مناسب باشد؟
بارگیری کربن سیاه به طور کلی منتفی است FDA 21 CFR 177.2600 و انطباق با استاندارد LFGB برای تماس مستقیم با مواد غذایی. گریدهای رسانا را مانند مواد صنعتی و الکترونیکی در نظر بگیرید، مگر اینکه یک ترکیب خاص با انطباق تأیید شود.
آیا سیلیکون رسانا به مرور زمان رسانایی خود را از دست می‌دهد؟
قطعه سالم می‌ماند، اما مقاومت با چرخه حرارتی و فشرده‌سازی طولانی‌مدت، تمایل به افزایش دارد. پس از پیرسازی حرارتی، نه روی نمونه‌های تازه، تأیید صلاحیت کنید.
آنچه قبل از نقل قول یک قطعه رسانا نیاز داریم
خواص فوق فقط دامنه را محدود می‌کنند. برای تعیین یک ترکیب و قیمت، چهار ورودی تقریباً همه چیز را تعیین می‌کنند: مقاومت ویژه یا مقاومت هدف با روش آزمایش آن، سختی و نیروی آب‌بندی مورد نیاز، جنس محفظه جفت‌گیری و محیط خوردگی، و اینکه آیا قطعه قالب‌گیری شده، اکسترود شده یا از طریق دایکات ساخته شده است. ورق سیلیکونی. انتخاب پرکننده از آنها پیروی می‌کند و انتخاب پرکننده هم هزینه و هم رانشی را که در سال سوم مشاهده خواهید کرد، تعیین می‌کند.
اگر مقاومت مورد نیاز هنوز یک عدد واحد بدون هیچ فیکسچری است، اولین چیزی که باید حل شود این است - قبل از ابزار، نه بعد از اولین قطعه.
منابع
- ASTM D257-14(2021)e1، روش‌های استاندارد آزمایش برای مقاومت یا رسانایی DC مواد عایق - ASTM International. https://www.astm.org/d0257-14r21e01.html
- ASTM D991-89(2020)، خواص لاستیکی - مقاومت حجمی محصولات رسانای الکتریکی و ضد الکتریسیته ساکن - ASTM International. https://store.astm.org/d0991-89r20.html
- MIL-DTL-83528، ماده واشرسازی، رسانا، واشر محافظ، الکترونیکی، الاستومر، EMI/RFI — آژانس لجستیک دفاعی ایالات متحده ASSIST، نسخه J، 11 اکتبر 2023. https://quicksearch.dla.mil/qsDocDetails.aspx?ident_number=34009
- IEEE Std 299-2006، روش استاندارد برای اندازه‌گیری اثربخشی محفظه‌های محافظ الکترومغناطیسی — انجمن استانداردهای IEEE. https://standards.ieee.org/standard/299-2006.html
- 21 CFR 177.2600، اقلام لاستیکی در نظر گرفته شده برای استفاده مکرر - FDA / eCFR ایالات متحده، نسخه فعلی. https://www.ecfr.gov/current/title-21/chapter-I/subchapter-B/part-177/subpart-C/section-177.2600
- دستورالعمل 2011/65/EU (RoHS)، متن تلفیقی از 1 ژانویه 2025 - EUR-Lex. https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2011/65/2025-01-01/eng
- رحمان م. و همکاران، تعیین آستانه نفوذ رسانایی الکتریکی برای کامپوزیت‌های پلیمری با رسانایی خارجی، پلیمرها (۲۰۱۹) — NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6418723/
- میراندا آی. و همکاران، خواص و کاربردهای PDMS برای مهندسی پزشکی: یک بررسی (2022) - NIH PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8788510/
- خواص مشخصه ترکیبات لاستیک سیلیکونی — شرکت شیمیایی شین-اتسو، کاتالوگ محصول (PDF). https://www.shinetsusilicone-global.com/catalog/pdf/rubber_e.pdf
