استخدام المواد السلوكية في عمليات التعبئة من أجل التطبيقات الإلكترونية

استخدام المواد السلوكية في عمليات التعبئة من أجل التطبيقات الإلكترونية

إن التكرير المضغوط هو عملية صناعية راسخة في صناعة الإلكترونيات، لا سيما لإنتاج مكونات تتطلب قدرة كهربائية موثوقة وإدارة حرارية، وتشمل هذه الطريقة وضع مصفوفة متجانسة مادية سلوكية مليئة بالجسيمات السلوكية - في إطار تجويف مسخن، ثم تضغط على تشكيل المواد في شكلها النهائي، مع تقلص الأجهزة الإلكترونية في حجمها وزيادة أدائها، فإن الطلب على أنواع عالية من المنتجات.

أنواع المواد السلوكية المستخدمة

ويعتمد اختيار المواد السلوكية للقولبة المضغوطة على مستوى السلوك المطلوب، وقيود التكاليف، والممتلكات الميكانيكية، وظروف التجهيز، ويرد أدناه وصف لأكثر الفئات شيوعا.

البارود المعدني

فالمسحوق المميت يوفر أعلى قدر من التسلية الكهربائية بين المشغلات، فالمسحوق الفضي مثلا يوفر القدرة على التصرف بالجملة بالقرب من معدن نقي، مما يجعله مثاليا للتطبيقات التي تكون فيها المقاومة الدنيا حرجة، ومسحوق النحاس بديل أكثر فعالية من حيث التكلفة، وإن كان قد يتطلب معطفا وقائيا لمنع تسرب الجسيمات أثناء التجهيز، وكثيرا ما يُختار مسحوق النيكل لممتلكات المغناطيسية ومقاومة التآكلة، مما يجعلها متوافقة مع السائل المغناطيسية.

المواد المحتوية على الكربون

ويستخدم السود والغرافيت الكربونية على نطاق واسع في ميزانيتها للسلوك وانخفاض التكلفة، أما السود الكربوني الذي يتألف من جزيئات الكربون المتناثرة، فهو يشكل شبكة سلوكية في أجزاء من الحجم تتراوح عادة بين 10 و20 في المائة، كما أن الرسم البياني، الذي يحتوي على هيكله المخطط، يوفر قدرة جيدة على السير الحراري والكهربائي على طول الطائرات البصلية، وهذه المواد جذابة بشكل خاص بالنسبة للتداخل الكهرومغناطيسي المحتوي على مواد مضادة.

Polymers

فالبوليمرات السلوكية، مثل البولينيل (PANI)، والبوليبيرول (PPy)، والبولي أو4-ethylenedioxythiophene) متعددة البوليستيرين، وثنائيات البوليسترين، وثنائية البوليسترين، وثنائية البوليسترين، وأجهزة الميكانيكية، يمكن أن تكون، على عكس المركبات المملوءة، من الممكن أن تُحل أو تُشتَّت ثمَّت.

Composites Hybrid Advanced

ومن أجل تحقيق الأداء الأمثل، كثيرا ما يجمع المصنعون بين المشغلات المتعددة السلوكيات، فعلى سبيل المثال، يمكن لمزيج من الفطائر الفضية والنانووبات الكربونية أن يقلل من مجموع التحميلات في حين يحافظ على السلوكيات العالية، كما أن النظم الهجينة تتيح للمصممين أن يصمموا الخواص الكهربائية والحرارية والميكانيكية في وقت واحد، وهذا النهج أصبح أكثر شيوعا مع أن نماذج المواد الحسابية تيسر التنبؤ بعتبات الاستيلاك.

مزايا استخدام المواد السلوكية في عمليات التخصيب

ويوفر الضغط على المواد السلوكية عدة فوائد رئيسية تجعله جذاباً لإنتاج المكونات الإلكترونية.

تحسين الأداء الكهربائي

وتتمثل الميزة الرئيسية في القدرة على إنشاء أجزاء ذات قدرة على السلوك تخضع للرقابة الدقيقة، ومن خلال تعديل نوع المشغل، والتحميل، ومعايير التجهيز، يمكن للمهندسين أن يحققوا مقاومة تتراوح بين 10 ^و4 ] [FLT:]] ، مما يساعد على الحد من الآثار المتكررة للكهرباء (الزي الرسمي الثابت).

تحسين الإدارة الحرارية

وهناك العديد من التطبيقات الإلكترونية التي تولد حرارة كبيرة، كما أن المواد السلوكية تساعد على تفككها، إذ تعزز مواسير المعادن والكربونات من السمية الحرارية لمصفوفة البوليمر، مما يقلل البقع الساخنة ويزيد من موثوقية الأجهزة، فعلى سبيل المثال، تظهر الآن في مجمعات الإضاءة المزودة بالغرافيت المزودة بالبطاقات في مبانٍ مائية مصغرة، بدلاً من ربطات محركات المقاومة.

المرونة والتقليل من النضج

ويمكن أن ينتج التكتل الضغطي أشكالاً معقدة ذات جدران رقيقة، وثباتات عميقة، وتفاصيل دقيقة يصعب أو مكلفة تحقيقها مع الذقن أو الطوابع، وهذه الحرية تتيح للمصممين الجمع بين المهام الهيكلية والسلوكية والحرارية في جزء واحد من العفنات، فمثلاً يمكن أن يشمل السكن الموصل مسارات المتكاملة لحماية وتطهير الأرض، مما يزيل الحاجة إلى إدراج معدن منفصل.

كفاءة التكاليف في الإنتاج العالي الحجم

وبعد إنشاء أدوات، يقدم التنظيف الضغطي فترات دورة سريعة تتراوح بين 30 و90 ثانية لكل جزء من معدلات الخردة المنخفضة، كما أن المواسير القائمة على الكربون تزيد من تخفيض التكاليف المادية مقارنة بالمعادن النقية، وبالنسبة للإنتاج الواسع النطاق لمكونات مثل المقاومين الشلنيين، وجمعيات الكابلات، وتغذية الهوائيات، يمكن أن تكون تكلفة الوحدة الواحدة أقل بكثير من تكلفة قطع الغيار أو الطوابع المعدنية المميتة.

إدماج المهام المتعددة

ويتيح التكرير الضغطي التشارك في تصميم المناطق السلوكية وغير الموصلية في عملية واحدة، وتستخدم هذه القدرة لإنشاء أجهزة اتصال متداخلة ثلاثية الأبعاد، تُلصق آثار سلوكية على طبقة بلاستيكية فرعية، وتستخدم التكنولوجيا أيضا في مكونات تتطلب وجود سلوك كهربائي وتصلب هيكلي، مثل محطات البطاريات وأجهزة فرشاة السيارات.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من مزاياه، فإن استخدام المواد السلوكية في العناق الضغطي يشكل عدة عقبات تقنية يجب إدارتها من أجل التنفيذ الناجح.

الاتساق المادي والتلخيص

إن تحقيق التشتات الموحدة للجسيمات السلوكية في جميع أنحاء مصفوفة البولمر أمر بالغ الأهمية، إذ يمكن أن تؤدي أوجه التباين المحلية في السلوك، بل وتتسبب في وجود دوائر قصيرة أو دوائر مفتوحة، وتتطلب عتبة الاستعمار - الحد الأدنى من تحميل المشغل، حيث تشكل شبكة متماسكة باستمرار مستويات تحكم الجسيمات والحجم وظروف التجهيز، وبضعة في المائة من هذه العتبة، وتسير المواد كحد أدنى من نقاط التحكم في الجسيمات.

المعالجة الأمثل للمواصفات

ويجب أن يكون التدرج والضغط والوقت العلاجي متوازناً بعناية، وقد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تدهور البوليمر أو تأكسد مواقد المعادن (لا سيما النحاس)، بينما قد يؤدي عدم كفاية درجة الحرارة إلى تبلّل جسيمات المواسير بصورة سيئة، وبالمثل، فإن الضغط الضئيل جداً يمكن أن يؤدي إلى الإباحة وانخفاض السلوك، في حين أن الضغط قد يضغط على مشغل من جراء التقلبات القاعية (ضغط).

تكلفة المصورين ذوي الكفاءة العالية

ويمكن أن يكلف المسحوق الفضي ارتفاعا قدره 500 دولار للكيلوغرام، مما يحد من استخدامه في التطبيقات التي لا يمكن التفاوض بشأنها في مجال السلوك العالي، مثل الموصلات ذات التردد العالي أو الكهروود الطبية، والنحاس والنيكل أرخص، ولكنهما يجلبان تعقيدات التجهيز الخاصة بهما، ويجب على المصنعين أن يقيّموا بعناية المفاضلة بين تكلفة الأداء والتكاليف المادية، مع الاحتفاظ أحيانا بصيغة مختلطة لخفض الملاءات باهظة التكلفة.

تجارة الممتلكات الميكانيكية

فإضافة مشغلات سلوكية إلى جهاز متعدد المرايا كثيرا ما يؤدي إلى تدهور الممتلكات الميكانيكية مثل الانحراف في أوقات الفراغ، ومقاومة التأثير، والحياة الدهنية، ويمكن أن يؤدي تحميل المشغلات العالية (أكثر من 30 إلى 40 في المائة بالحجم) إلى الرشوة المركبة، وعلى العكس من ذلك، فإن عدم كفاية محتوى المشغل قد يؤدي إلى ضعف الميكانيكية، ويطور الباحثون البوليمرات القوية ووكلاء الانقلاب لتخفيف هذه المبادلات، واستخدامات المتجانسة.

طول المدة

يجب أن تحتفظ المركبات الجاهزة بممتلكات مستقرة على مدى عمر المنتج، عوامل مثل التدوير الحراري، الرطوبة، والهز الآلي يمكن أن تسبب هجرة أو تطهير للملئ، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة، والاختبارات السريعة في العمر، بما في ذلك الصدمات الحرارية والتعرض الحراري للحرارة، هي عوامل أساسية للتحقق من الموثوقية، وفي بعض الحالات، تستخدم عمليات الحرق في تخفيف الضغوط الداخلية.

تطبيقات صناعة الإلكترونيات

وتستخدم مواد السلوك المعبأة بالضغط عبر مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية والنظم الفرعية.

مجالس الدوائر المطبوعة

وفي حين تعتمد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية على آثار النحاس الخبيثة، تستخدم الصبغ الضغطي لإنتاج دوائر تصويرية سميكة متعددة الزمر على مجموعات فرعية من البلاستيك، وهذا النهج شائع في الكترونيات الاستهلاكية المنخفضة التكلفة، ولوحات مفاتيح الكمبر، وعلامات RFID، ويطبع الحبر السائل بعد ذلك ويُعد ضغطاً يُعدّل لضبط طبقة الاتصال الكهربائية الجيدة.

EMI Shielding

ويمكن أن يعطل التدخل الكترونيات الحساسة، إذ أن الضميمات والغازات التي يتم إعدادها من الذرّات المسيّرة (مثلاً، السليكون المملوء باللوم الفضي، والنيكل -غرافيت، أو الأسود) توفر حماية فعالة، وهذه البطاطس مُضغطة بين أجهزة الإغلاق المُقَرّة لتشكل مساراً سلوكياً مستمراً.

الموصلات والاتصالات

وتتطلب وسائل الاتصال الكهربائية مقاومة منخفضة للاتصال ومقاومة عالية للارتداء، وتستخدم مركبات مركبية مجهزة بالضغط لتقليل الاحتكاك، وخراطيم، وكتل فرشاة في حلقات الزلازل والمسافرين، ويمكن لعملية الفرز أن تتضمن مشغلات لتشحيم (مثل PTFE أو منزوع المغليبينوم) للحد من الاحتكاك، بينما يكفل المشغل السلوكي نقل إشارات موثوق بها.

أجهزة الاستشعار والمنشطات

وتتغير أجهزة الاستشعار البيسفورية القائمة على البوليمرات المحتوية على الكربون عندما تُشهَّل آلياً، ويتيح التكرير الضغط اختلاق أجهزة استشعار العادم مثل صفائف استشعار القوة وقياسات الإجهاد، مباشرة إلى مضاربة فرعية مرنة، كما يجري وضع نماذج نموذجية للمنشطات، بما في ذلك عضلات البوليمر الكهرومغناطيسية باستخدام الطبقات المضغوطة.

منطقة المحيط الهادي

وفي دوائر الهوائيات وأجهزة الترددات المقطعية، تعمل الأجزاء المبلدة المسكَّلة على أنها عناصر مشعة أو طائرات أرضية، ويمكن أن تتيح القدرة على زرع هياكل ثلاثية الأبعاد أن تكون له هوائيات متطابقة يمكن أن تُدمج في أسطح مُحَمَّلة (مثلاً داخل مُعدّل مركبات لمجسات وقوف السيارات).

المواد الحرارية المشتركة بين الأوجه

وتستخدم الأغطية المصممة بالضغط والتي تحتوي على مشغلات عالية في مجال السلوك الحراري (النايترون، أو أكسيد الألومنيوم، أو الغرافيت) بين موصلات الكهرباء وشبه الموصلات الحرارية، وتتفق هذه المشغلات مع المخالفات السطحية وتخفض المقاومة الحرارية، وتتيح عملية التقلب السيطرة الدقيقة على سميك الأب (نحو 0.5 إلى 5 مم) وتضمن توزيعاً ثابتاً.

الاتجاهات والتطورات المستقبلية

ويقود البحث والابتكار الصناعي المستمران اعتماد الإجهاد السلوكي في مجالات جديدة.

نانوماتريس وغرافيني

وقد أثبت التكوين الإلكتروني وقابلية السلوك الحراري، في غرافين، المرشح الأول للجيل القادم من المركبات الموصلية المسيّسة، وقد أثبت الضغط على النانوبلات الغرافينية في مصفوفات متعددة، وجود سُبل كهربائية تتجاوز 10 ³ ]([FbriLT:1]) S/m عند التحميلات التي تقل عن 5 في الوزن.

المواد الملائمة للبيئة والمنقولة

وعلى الرغم من أن الأنظمة البيئية وأهداف استدامة الشركات تدفع المصنعين إلى الاستعاضة عن البوليمرات التقليدية القائمة على النفط بحامضات بيولوجي مثل حامض البوليتكت، وبوليهيدروكياكلينوت، وخليط الخلايا، ويمكن أن تضاعف أجهزة التبريد السائلة مثل البوليميرات الكربونية والغرافيت الطبيعية مع هذه الحزمة من البوليفيات المضغوطة من أجل إحداث تحسينات في السلوكيات المضغوطة.

المركب المتقدم مع الشركات المصممة

ويجري تصميم تركيب تركيبات متعددة الوظائف تجمع بين السلوكيات الكهربائية والإدارة الحرارية والقوة الهيكلية باستخدام محاكاة العناصر الزهيدة والتعلم الآلي، مثلا، بين معقوفتين تديران الكهرباء لتوليد الطاقة، بينما يمكن أيضاً تفريق الحرارة في طلقة واحدة، كما يقوم المصنعون باستكشاف مواد ذات درجات وظيفية (FGMs) حيث تتباين مستويات السلوك من التركيز إلى آخر، ويتم ذلك في إطار تغييره.

الهندسة التلقائية والدقيقة

فالصناعة ٤,٠ وتكنولوجيات التوأم الرقمية تتيحان التحكم في عمليات التموين المضغوطة، وتغذي أجهزة الاستشعار القديمة بيانات عن الضغط ودرجات الحرارة والقابلية للرد على المتحكم في الصحافة، مما يعدل البارامترات للحفاظ على الجودة المتسقة، ويحسن مناولة المواد الآلية وإزالة جزء آلي من الإنتاج ويخفض تكاليف العمل، مما يجعل من الضغط التنافسي مع الصناعات المضافة من أجل الإنتاج الصغير إلى المتوسط.

2-5 دال و3D التكامل المطبوع

ويكتسب التصنيع الهجين الذي يجمع بين الإجهاد المختلط مع الترسيب المضاف للأثر السلوكي من الانتصاب، وفي هذه الطريقة، يتم التلاعب بقاعدة حرارة غير منتجة، ثم يطبع العجين أو النسيج على سطحه لتشكيل دائرة، ويوفر الجزء المذاب السلامة الهيكلية بينما تقدم الطبعة المطبوعة حلاً دقيقاً.

خاتمة

ويتواصل تطور استخدام المواد السلوكية في التموين الضغطي، مدفوعاً بطلب صناعة الإلكترونيات الذي لا هوادة فيه على الأداء العالي، وعوامل الشكل الأصغر، وانخفاض التكاليف، ومن المسحوق المعدني وملئات الكربون إلى البوليميرات الجاهزة، فإن شحيحة المواد المتاحة تتيح للمهندسين أن يصمموا السلوكيات، والإدارة الحرارية، والخصائص الميكانيكية لتطبيقات المحددة.

For further reading on percolation theory in conductive composites, see this review in Advanced Energy Materials]. A practical guide to compression molding of conductive elastomers is available from ]Parker Hannifin]. Recent developments in graphene polymer composites