רכיבים אלקטרוניים בסביבות קשות

עולם האלקטרוניקה מתפתח ומתרחב, ויישומים והתקנים חדשים מפותחים כדי לעמוד בדרישות הולכות וגדלות לפונקציונליות, לביצועים ולאמינות. רבים מהרכיבים האלקטרוניים האלו חייבים לפעול בסביבות קשות, שבהן הם חשופים לטמפרטורות קיצוניות, לחות גבוהה, כימיקלים קורוזיביים ותנאים מאתגרים אחרים. תכנון רכיבים אלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים לסביבות קשות, הוא משימה מורכבת ורב-גונית, המצריכה התייחסות מדוקדקת למגוון גורמים.

בעת תכנון רכיבים אלקטרוניים לסביבות קשות, חיוני להביא בחשבון את התנאים הספציפיים שאליהם ייחשף המכשיר. אלה עשויים להיות טמפרטורה קיצונית, רמות גבוהות של לחות, חשיפה לכימיקלים או לגזים קורוזיביים, חשיפה לקרינה והפרעות אלקטרומגנטיות. הבנת התנאים הסביבתיים קריטית לבחירת החומרים והרכיבים שיכולים לעמוד בתנאים האלו ולהתפקד באופן מהימן לאורך זמן.

טמפרטורה ולחות

טמפרטורה היא אחד הגורמים הסביבתיים הקריטיים ביותר שיש להביא בחשבון בעת תכנון רכיבים אלקטרוניים לסביבות קשות. מכשירים אלקטרוניים רבים מתוכננים לפעול בטווח טמפרטורות מסוים, וחשיפה לטמפרטורות מחוץ לטווח זה עלולה לגרום פגיעה בביצועים, כשל ברכיבים ואפילו נזק קטסטרופלי.

טמפרטורה עשויה להשפיע על רכיבים אלקטרוניים בסביבות קשות בכמה אופנים. כאשר הרכיבים נחשפים לטמפרטורות גבוהות, הם עלולים לייצר התפשטות תרמית, להתעקם, להתכופף ואפילו להיסדק. טמפרטורות גבוהות גם עלולות לגרום להתפרקות חומרים ועקב כך לכשל ברכיבים. לדוגמה, רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומי תעופה וחלל והגנה, עשויים להיות חשופים לטמפרטורות גבוהות עד 200 מעלות צלזיוס. הם חייבים להיות מתוכננים עם חומרים ורכיבים שיכולים לעמוד בתנאים קיצוניים אלו.

רכיבים אלקטרוניים עשויים להיות חשופים גם לטמפרטורות נמוכות. הבר עלול לגרום להם להיות שבירים ולהפחית את ביצועיהם. לדוגמה, רכיבים אלקטרוניים המשמשים בציוד קידוח נפט וגז, עשויים להיות חשופים לטמפרטורות כגון מינוס 40 מעלות צלזיוס. הם חייבים להיות מתוכננים עם חומרים ורכיבים שיכולים לעמוד בתנאים קיצוניים אלה.

שינויי טמפרטורה מהירים עלולים לגרום הלם תרמי ולהביא לכשל ברכיבים. לדוגמה, רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומי רכב וחלל, עשויים להיות חשופים לשינויי טמפרטורה מהירים כאשר הרכב עובר מסביבה אחת לאחרת. הם חייבים להיות מתוכננים עם חומרים ורכיבים שיכולים לעמוד בשינויים המהירים האלו.

רכיבים אלקטרוניים עשויים להיחשף גם למחזוריות תרמית - הרכיב נחשף שוב ושוב למחזוריות של טמפרטורות גבוהות ונמוכות. הדבר עלול לגרום לחומרים להתרחב ולהתכווץ. הדבר יביא לעייפות, ובסופו של דבר לכשל ברכיבים. לדוגמה, רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומים צבאיים עשויים להיות חשופים למחזוריות תרמית כאשר הם מועברים מסביבה אחת לאחרת, ועליהם להיות מתוכננים עם חומרים ורכיבים שיכולים לעמוד במחזורים אלה.

לחות היא גורם סביבתי קריטי שיש להביא בחשבון בעת תכנון רכיבים אלקטרוניים לסביבות קשות. לחות גבוהה עלולה לגרום עיבוי, שעלול להביא לקורוזיה ולסוגים אחרים של נזק. כדי לתכנן רכיבים שיכולים לעמוד ברמות לחות גבוהות, על המעצבים לבחור חומרים עמידים לקורוזיה ולחות, ולשלב ציפויים או אטמים המגנים מחדירת לחות למכשיר. לחות יכולה לגרום קורוזיה למשל. קורוזיה עלולה לגרום לחומרים להתפרק, ובסופו של דבר להביא לכשל ברכיבים.

לדוגמה, רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומים ימיים עלולים להיות חשופים לרמות גבוהות של לחות וריסוס של מים מלוחים, ויש לתכננם עם חומרים וציפויים שיכולים לעמוד בתנאים אלה. לחות יכולה לגרום נזקי רטיבות, לכן רכיבים אלקטרוניים עשויים להיות חשופים למחזורי לחות, המתרחשים כאשר רמות הלחות משתנות במהירות או בתדירות גבוהה.

כדי לתכנן רכיבים אלקטרוניים שיכולים לעמוד בטמפרטורות קיצוניות, על המעצבים לבחור חומרים ורכיבים שיכולים לסבול את הלחצים התרמיים וההתפשטות התרמית המתרחשים בתנאים אלה. כמו כן עליהם לוודא שהעיצובים שלהם כוללים מנגנוני קירור מתאימים לפיזור חום ולמניעת התחממות יתר. על ידי התחשבות בקפידה בטמפרטורה כגורם סביבתי קריטי, מעצבים יכולים ליצור רכיבים אלקטרוניים בעלי ביצועים אמינים גם בסביבות הקשות ביותר.

חשיפה כימית

רכיבים אלקטרוניים נחשפים בסביבות קשות רבות לכימיקלים או לגזים קורוזיביים, שעלולים לגרום נזק או התדרדרות לאורך זמן. בסביבות קשות מסוימות, רכיבים אלקטרוניים עלולים להיחשף לרמות גבוהות של קרינה, שאף הן עלולות לגרום נזק או התדרדרות לאורך זמן.

דוגמאות לסביבות קשות עם חשיפה לקרינה:

סביבות קשות עם חשיפה כימית ביישומים תעשייתיים: רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומים תעשייתיים, כגון עיבוד כימי או כרייה, עשויים להיות חשופים לכימיקלים או גזים מאכלים.

חשיפה כימית ביישומים בתחום רכב ותחבורה: רכיבים אלקטרוניים ביישומי רכב ותחבורה עשויים להיות חשופים לכימיקלים קורוזיביים כגון מלח דרכים או גזים כגון אדי פליטה.

יישום רפואי וביו-רפואי: רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומים רפואיים וביו-רפואיים עשויים להיות חשופים לכימיקלים קשים או לחומרי ניקוי המשמשים בהליכי עיקור.

בכל אחת מהדוגמאות, רכיבים המשמשים באותם יישומים חייבים להיות מתוכננים עם חומרים עמידים לחומרים אלה ולשלב ציפויים או מחסומים מגנים למניעת חשיפה כימית.

בתחום הקרינה אפשר לציין סכנות בתחנות כוח גרעיניות למשל. הרכיבים האלקטרוניים עלולים להיות חשופים לרמות גבוהות של קרינה מתגובות גרעיניות. עליהם להיות מתוכננים עם חומרים עמידים לנזקי קרינה ובעלי מיגון או אמצעי הגנה אחרים כדי להפחית את השפעת הקרינה.

הדמיה רפואית: רכיבים אלקטרוניים המשמשים בהדמיה רפואית, כגון מכשירי רנטגן או סורקי CT, עלולים להיות חשופים לקרינה מייננת. עליהם להיות מתוכננים עם חומרים עמידים לנזקי קרינה ובעלי מיגון או אמצעי הגנה אחרים כדי להפחית את השפעתה.

הפרעה אלקטרומגנטית

בסביבות רבות, רכיבים אלקטרוניים עשויים להיות חשופים להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), אשר עלולות לגרום ירידה בביצועים ואפילו כשל. כדי לתכנן רכיבים שיכולים לעמוד ב-EMI, מתכננים חייבים לשלב מיגון או אמצעי הגנה אחרים כדי להפחית את ההשפעה של קרינה אלקטרומגנטית.

כך למשל רכיבים אלקטרוניים המשמשים ביישומי תעופה וחלל והגנה, עשויים להיות חשופים לרמות גבוהות של הפרעות אלקטרומגנטיות ממקורות כגון מכ"ם או מערכות תקשורת; רכיבים אלקטרוניים המשמשים בציוד תקשורת, כגון מגדלים סלולריים או רשתות תקשורת, עלולים להיות חשופים לרמות גבוהות של הפרעות אלקטרומגנטיות ממקורות כגון מכשירים אלקטרוניים אחרים; בתחום הרכב, רכיבים אלקטרוניים עשויים להיות חשופים להפרעות אלקטרומגנטיות ממקורות כגון מערכת ההצתה של הרכב או מכשירים אלקטרוניים אחרים.

כדי לתכנן רכיבים אלקטרוניים שיכולים לעמוד ב-EMI, מתכננים חייבים לשלב מיגון או אמצעי הגנה אחרים כדי להפחית את ההשפעה של קרינה אלקטרומגנטית. זה יכול לכלול שימוש במארזי מתכת או במגנים, שילוב מסננים או רכיבי דיכוי EMI אחרים, או שימוש בטכניקות הארקה כדי למזער EMI.

שיקולי עיצוב ובחירה בחומרים וברכיבים

שיקולי עיצוב, בכלל זה בחירה של חומרים ורכיבים, הם קריטיים לתכנון רכיבים אלקטרוניים שיכולים לעמוד בסביבות קשות. להלן כמה שיקולים מרכזיים בעת תכנון רכיבים אלקטרוניים לסביבות קשות:

בחירת חומרים: יש לבחור חומרים על סמך יכולתם לעמוד בטמפרטורה קיצונית, לחות, קורוזיה, קרינה וגורמים סביבתיים אחרים. יש לבחור אותם גם על סמך תכונותיהם המכניות, כגון קשיחות, חוזק ועמידות, כדי להבטיח שהרכיב יוכל לעמוד בלחצים ובמתחים שייחשף אליהם.

בחירת רכיבים: יש לבחור רכיבים על סמך יכולתם לפעול בטווחי הטמפרטורה והמתח הנדרשים על ידי המכשיר. יש לבחור אותם גם על סמך יכולתם לעמוד בפני לחות, קורוזיה, קרינה וגורמים סביבתיים אחרים.

בדיקה ואימות: יש לבדוק רכיבים בתנאים המדמים את הגורמים הסביבתיים שאליהם הם ייחשפו, ולהעריך את ביצועיהם ומהימנותם בתנאים אלו. תהליך בדיקה ואימות זה עוזר למעצבים לזהות חולשות פוטנציאליות בעיצובים שלהם ולבצע שיפורים נדרשים כדי להבטיח שהרכיבים יכולים לעמוד בתנאים המאתגרים ביותר.

הגנה ואיטום: הגנה ואיטום חיוניים למניעת כניסה של לחות, אבק או מזהמים אחרים למכשיר. הדבר עשוי לכלול שימוש באטמים או בציפויים כדי להגן על הרכיב מפני לחות, אבק או מזהמים אחרים שעלולים לגרום נזק.

קירור ואוורור: מנגנוני קירור נכונים חיוניים לפיזור חום ולמניעת התחממות יתר, שעלולה לגרום כשל ברכיבים. אוורור מתאים נחוץ גם כדי למנוע הצטברות של לחות או מזהמים אחרים שעלולים לגרום נזק.

בעת תכנון רכיבים אלקטרוניים עבור סביבות קשות, על המעצבים לשקול היטב את הגורמים ולבחור חומרים ורכיבים שיכולים לעמוד בתנאי הסביבה הספציפיים שאליהם ייחשף המכשיר. זה עשוי להיות שימוש בחומרים מיוחדים כגון קרמיקה או חומרים מרוכבים העמידים לטמפרטורה קיצונית, לחות, קורוזיה או קרינה, וזה עשוי להיות בחירת רכיבים שתוכננו במיוחד לסביבות קשות, כגון רכיבים ברמה צבאית או תעשייתית.

תכנון רכיבים אלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים לסביבות קשות הוא משימה מורכבת ומאתגרת, המצריכה התייחסות מדוקדקת של מגוון רחב של גורמים. יש להביא בחשבון גורמים סביבתיים כגון טמפרטורה, לחות, חשיפה כימית, קרינה והפרעות אלקטרומגנטיות בעת בחירת חומרים ורכיבים ותכנון אמצעי הגנה.

על המעצבים לבחור בקפידה רכיבים, לבדוק ולאמת את העיצובים שלהם, ולשפר ללא הרף את העיצובים כדי להבטיח שהרכיבים יכולים לעמוד בתנאים המאתגרים ביותר. על ידי יישום הנחיות ושיטות עבודה מומלצות אלה, מעצבים ומהנדסים יכולים ליצור רכיבים אלקטרוניים המספקים ביצועים ואמינות גבוהים אפילו בסביבות הקשות ביותר.