שומרים על האלקטרוניקה באוויר
אחד האתגרים בתפעול כלים בלתי מאויישים הוא שמירה על תקינות הרכיבים האלקטרוניים, בצורה כזו שתאפשר הפעלתם לאורך זמן וללא תקלות. חברת סימטל הישראלית מסבירה איך עושים זאת עם פולימר ייחודי הקרוי פארילן
הגנה לישראל
| 19/05/2011
(shutterstock.com)
חברת סימטל הישראלית מצפה רכיבים ומכלולים לתעשיות הביטחוניות, בציפוי פולימרי ייחודי הקרוי פארילן ( Parylene ממשפחת ה Para-Xylylene ). הפארילן הינו פולימר המשמש כציפוי קונפורמי מהמתקדמים בעולם כיום. שימוש בציפוי זה החל לפני למעלה מ-40 שנה באפליקציות תעופה וחלל ומשם, במהלך השנים, התפתח למגוון רחב של תחומים.
מרבית תהליכי הפיתוח כיום בכל תחום ובתחום ה-UAV בפרט, נדרשים לפתרונות רב רובדיים. כאשר מתקדמים בסרגל המזעור, תהליך הפיתוח מלווה במצבים בהם פתרון לבעיה מסוימת מחייב פשרה בדרישות אחרות והפיתוח מכוון אל ה"רע במיעוטו". פתרונות רב רובדיים הינם פתרונות אשר נותנים מענה לאלמנט פיתוח אחד או יותר, מבלי לפגוע בספציפיקציות פיתוח אחרות או לחילופין, לתת מענה לבעיות ותכונות נדרשות נוספות.
עד תחילת שנות ה-70 פותחו למעלה מעשרים סוגים של פארילן, אך רק ארבעה הבשילו לכדי מוצר מסחרי. הארבעה הינם Parylene N,C,D ו–F, כאשר לכל סוג יתרונות וחוזקות ספציפיים. Parylene C (להלן פארילן) הינו הפופולארי ביותר מבין כל סוגי הפארילן, זאת בעיקר בשל יכולותיו לתת מגוון פתרונות בציפוי אחד. הפארילן נחשב לפולימר הטוב ביותר לאיטום כנגד לחויות, חומצות, בסיסים, גזים תוקפניים ועוד. זאת לצד כושר בידוד חשמלי יוצא דופן (שכבת פארילן בעובי של 25 מיקרון מבודדת חשמלית מתח פריצה בגובה של 5500 וולט), שקיפות למגוון קרינות בספקטרומים שונים (RF, אופטי, X-ray, גמא, א"א) ותכונות מכניות ייחודיות (מקדם חיכוך נמוך, יכולת התארכות).
פארילן בכטב"מים
תכונותיו של הפארילן יכולות להפוך אותו לידידו הטוב של מתכנן הכטב"מ כפתרון רב רובדי וקיימות מספר דוגמאות לכך. מערכות ניווט וייצוב מותקנות תדיר על גבי כטב"מים. ב-80 אחוזים מהאפליקציות סוג החיווי וההיזון החוזר מהלווינים הינו מבוסס תקשורת RF. תקשורת זו רגישה מאוד לעיוותים וסוגים רבים של ציפויי הגנה ושיטות איטום גורמים לחסימות חלקיות, אובדני הספקים וגרימת הסטים לתשדורות. למעשה, אין כיום ציפוי המבטיח אפס עיוותים לתשדורתRF . גם ציפוי הפארילן אינו יוצא מהכלל הזה.
מדוע אם כן מיושם הפארילן ברבות מאפליקציות הRF-? הסיבה לכך נעוצה בעובדה שרמת העיוות הנגרמת על ידי הפארילן הינה מזערית, קבועה וידועה בכל טווח הספקטרום (נבדק עדGHz 60 ייתכן ובפועל ניתן לעמוד אף בתדירויות גבוהות יותר). זו הסיבה לכך שכיום מפתחים מתייחסים אל הפארילן כאל ציפוי שקוף ל-RF . כך דרישות שונות, אשר בעבר טופלו על ידי מספר טכנולוגיות (אביזרי איטום, זיווד, חיזוקים מכניים ) או התפשרות על ביצועים, ניתנות למימוש בטכנולוגיה אחת המהווה פתרון רב רובדי (בבחינת להרוג כמה ציפורים באבן אחת).
שהייה ארוכה של כטמב"מים באויר חושפת אותם לכל משרע הטמפרטורות של היממה, ההפרשים יכולים להגיע עד 30-40 מעלות צלזיוס באזורינו ואף למעלה מכך באזורים אחרים בעולם. הפרשי טמפרטורה אלו מביאים להתעבות של לחות אצורה בתוך התקני הזיווד האלקטרונים. תופעת קונדנסציה זו עלולה לגרום לדגרדציה בתפקודם ובמקרים קיצוניים להשבתתם. תופעה זו מדרבנת את מפתחי הכטמ"בים למצוא פתרונות יצירתיים לבעיית העיבוי מחד תוך שמירה על משקל קל של הכטב"מ ותכונות נוספות (אופטיות, אלקטרו- מגנטיות, חשמליות ועוד) מנגד.
הציפויים הקונפורמיים הקונבנציונליים מוגבלים ביכולת האטימה בעוביים נמוכים ובמשקלים קטנים, לפיכך המתכנן חייב ליישמם בעוביים גדולים (200 מיקרון ומעלה) דבר שמעמיס משקל שהוא פאקטור קריטי לכטב"מים ממוזערים.
גם בכטב"מים אסטרטגיים, גדולים כמזערים, ללא בעיית קונדנסציה ניתן לחסוך במשקל ובנפח בצורה מהותית על ידי שימוש באנקפסולנט. תפיסת האנקפסולציה הינה תפיסה מתקדמת בעולם בה מתכנני הציוד עושים שימוש באנקפסולנט, לרוב פארילן (ראה תקן צבאי Mil-I-46058C type XY) במקום בקופסאות מתכתיות או פלסטיות מאסיביות (עם בעיות אטימה) לאריזת מכלולים מוטסים. השימוש בפארילן מאפשר לעיתים להיפטר מכל ערכות הזיווד ולהישאר עם מעגלים ורכיבים חשופים לכאורה, אשר למעשה מוגנים בציפויי רב רובדי מתוחכם שבמקביל מהווה ננו-זיווד.
ישנן אפליקציות בהם מפתחי התקנים בלתי מאוישים נדרשים לתמוך במצבים של התקן רדום, גם לאורך טווח זמן של עשרות שנים. במקרים אלו נוטות מערכות אלקטרוניות רבות לפתח "מיקרו גבישים" דמויי מחט המכונים שפמי בדיל (Tin whiskers) . "שפמים" אלו הגדלים על גבי פדי מגעי הבדיל גורמים לנזקים קשים להתקן. הנזקים נמדדים בכמה מישורים: קצרים חשמליים, פגיעה בהגנות שהציפוי מספק (מאחר וגדילת השפמים פוצעת את הציפויים הקונבציונלים ומסירה את ההגנה) ועיוות פני השטח שגורר שינויים בקיבוליות. תופעה זו הופכת לנפוצה יותר ויותר כיום בעיקר בהתקנים ממוזערים.
למרות מחקרים רבים שנעשו בתחום, תופעה זו עדיין אינה מוסברת עד תום. במחקר נרחב שנעשה על ידי Woodrow & Ledbury ופורסם באפריל 2005 ב- International Conference on Lead-Free Electronic Components and Assemblies, סביב נושא השפעת ציפויים קונפורמיים שונים על תופעת ה Tin whisker, נמצא שהפארילן מספק את ההגנה הטובה ביותר וארוכת הטווח ביותר לנזקי ה"שפמים".
פתרון גם לכטב"מ תקיפה
מעבר לכל התכונות שנמנו עד כה ובנוסף להן, ישנה חשיבות גבוהה ליציבות החנ"מ בכטב"מים המיועדים לתקיפה. קרי, על המפתח לוודא שחומר הנפץ יתפוצץ ברגע המיועד ולא לפני כן. חומרי הנפץ מתחלקים למשפחות על פי רמת ההדף הנוצרת על ידם ברגע הפיצוץ ובשיטת ההצתה שלהם. מטבע הדברים בכטב"מים נוצר צורך להשתמש במשקל נמוך יותר של חומר נפץ ללא התפשרות על רמת ההדף וכל זאת תוך מניעת שפעול מוקדם/לא רצוי גם בסביבה לחה וטלטלות רבות בתאוצות משתנות.
חומרי נפץ בעלי הדף גבוה הינם חומרי הנפץ הרגישים יותר לטלטלות, ויברציות ומכות (אימפקט). גם כאן הפארילן נותן מענה רב רובדי. ראשית, הפארילן מגן על חומרי נפץ אלו ומגדיל את אדישותם טרם השפעול (גם בשכבות ציפוי תת מקרוניות). אך לצד זה, יש לו עדיפות מכיוון שהינו בעל משקל קל לכן בעת הפיצוץ הפארילן זניח לחלוטין בהשפעתו. תכונת האדישות של חנ"מ מצופה פארילן נובעת מיכולותיו של הפארילן לבודד את חומר הנפץ מהסביבה בצורה אופטימלית שכן הפארילן אינרטי, אטום ללחות, וקונפורמי לחלוטין . תכונת הקונפרמיות לא נדונה במאמר זה, אך שיטת יישומו של הפארילן מבוססת CVD (Chemical Vapor Deposition in Vacuum) , תוך שילוב עם גודל מולקולה מזערי, הפכו את הפארילן לציפוי הקונפורמי ביותר המוכר כיום.
הכותבת מכהנת כמנכ"לית בחברת סימטל ציפויים בע"מ
חברת סימטל הישראלית מצפה רכיבים ומכלולים לתעשיות הביטחוניות, בציפוי פולימרי ייחודי הקרוי פארילן ( Parylene ממשפחת ה Para-Xylylene ). הפארילן הינו פולימר המשמש כציפוי קונפורמי מהמתקדמים בעולם כיום. שימוש בציפוי זה החל לפני למעלה מ-40 שנה באפליקציות תעופה וחלל ומשם, במהלך השנים, התפתח למגוון רחב של תחומים.
מרבית תהליכי הפיתוח כיום בכל תחום ובתחום ה-UAV בפרט, נדרשים לפתרונות רב רובדיים. כאשר מתקדמים בסרגל המזעור, תהליך הפיתוח מלווה במצבים בהם פתרון לבעיה מסוימת מחייב פשרה בדרישות אחרות והפיתוח מכוון אל ה"רע במיעוטו". פתרונות רב רובדיים הינם פתרונות אשר נותנים מענה לאלמנט פיתוח אחד או יותר, מבלי לפגוע בספציפיקציות פיתוח אחרות או לחילופין, לתת מענה לבעיות ותכונות נדרשות נוספות.
עד תחילת שנות ה-70 פותחו למעלה מעשרים סוגים של פארילן, אך רק ארבעה הבשילו לכדי מוצר מסחרי. הארבעה הינם Parylene N,C,D ו–F, כאשר לכל סוג יתרונות וחוזקות ספציפיים. Parylene C (להלן פארילן) הינו הפופולארי ביותר מבין כל סוגי הפארילן, זאת בעיקר בשל יכולותיו לתת מגוון פתרונות בציפוי אחד. הפארילן נחשב לפולימר הטוב ביותר לאיטום כנגד לחויות, חומצות, בסיסים, גזים תוקפניים ועוד. זאת לצד כושר בידוד חשמלי יוצא דופן (שכבת פארילן בעובי של 25 מיקרון מבודדת חשמלית מתח פריצה בגובה של 5500 וולט), שקיפות למגוון קרינות בספקטרומים שונים (RF, אופטי, X-ray, גמא, א"א) ותכונות מכניות ייחודיות (מקדם חיכוך נמוך, יכולת התארכות).
פארילן בכטב"מים
תכונותיו של הפארילן יכולות להפוך אותו לידידו הטוב של מתכנן הכטב"מ כפתרון רב רובדי וקיימות מספר דוגמאות לכך. מערכות ניווט וייצוב מותקנות תדיר על גבי כטב"מים. ב-80 אחוזים מהאפליקציות סוג החיווי וההיזון החוזר מהלווינים הינו מבוסס תקשורת RF. תקשורת זו רגישה מאוד לעיוותים וסוגים רבים של ציפויי הגנה ושיטות איטום גורמים לחסימות חלקיות, אובדני הספקים וגרימת הסטים לתשדורות. למעשה, אין כיום ציפוי המבטיח אפס עיוותים לתשדורתRF . גם ציפוי הפארילן אינו יוצא מהכלל הזה.
מדוע אם כן מיושם הפארילן ברבות מאפליקציות הRF-? הסיבה לכך נעוצה בעובדה שרמת העיוות הנגרמת על ידי הפארילן הינה מזערית, קבועה וידועה בכל טווח הספקטרום (נבדק עדGHz 60 ייתכן ובפועל ניתן לעמוד אף בתדירויות גבוהות יותר). זו הסיבה לכך שכיום מפתחים מתייחסים אל הפארילן כאל ציפוי שקוף ל-RF . כך דרישות שונות, אשר בעבר טופלו על ידי מספר טכנולוגיות (אביזרי איטום, זיווד, חיזוקים מכניים ) או התפשרות על ביצועים, ניתנות למימוש בטכנולוגיה אחת המהווה פתרון רב רובדי (בבחינת להרוג כמה ציפורים באבן אחת).
שהייה ארוכה של כטמב"מים באויר חושפת אותם לכל משרע הטמפרטורות של היממה, ההפרשים יכולים להגיע עד 30-40 מעלות צלזיוס באזורינו ואף למעלה מכך באזורים אחרים בעולם. הפרשי טמפרטורה אלו מביאים להתעבות של לחות אצורה בתוך התקני הזיווד האלקטרונים. תופעת קונדנסציה זו עלולה לגרום לדגרדציה בתפקודם ובמקרים קיצוניים להשבתתם. תופעה זו מדרבנת את מפתחי הכטמ"בים למצוא פתרונות יצירתיים לבעיית העיבוי מחד תוך שמירה על משקל קל של הכטב"מ ותכונות נוספות (אופטיות, אלקטרו- מגנטיות, חשמליות ועוד) מנגד.
הציפויים הקונפורמיים הקונבנציונליים מוגבלים ביכולת האטימה בעוביים נמוכים ובמשקלים קטנים, לפיכך המתכנן חייב ליישמם בעוביים גדולים (200 מיקרון ומעלה) דבר שמעמיס משקל שהוא פאקטור קריטי לכטב"מים ממוזערים.
גם בכטב"מים אסטרטגיים, גדולים כמזערים, ללא בעיית קונדנסציה ניתן לחסוך במשקל ובנפח בצורה מהותית על ידי שימוש באנקפסולנט. תפיסת האנקפסולציה הינה תפיסה מתקדמת בעולם בה מתכנני הציוד עושים שימוש באנקפסולנט, לרוב פארילן (ראה תקן צבאי Mil-I-46058C type XY) במקום בקופסאות מתכתיות או פלסטיות מאסיביות (עם בעיות אטימה) לאריזת מכלולים מוטסים. השימוש בפארילן מאפשר לעיתים להיפטר מכל ערכות הזיווד ולהישאר עם מעגלים ורכיבים חשופים לכאורה, אשר למעשה מוגנים בציפויי רב רובדי מתוחכם שבמקביל מהווה ננו-זיווד.
ישנן אפליקציות בהם מפתחי התקנים בלתי מאוישים נדרשים לתמוך במצבים של התקן רדום, גם לאורך טווח זמן של עשרות שנים. במקרים אלו נוטות מערכות אלקטרוניות רבות לפתח "מיקרו גבישים" דמויי מחט המכונים שפמי בדיל (Tin whiskers) . "שפמים" אלו הגדלים על גבי פדי מגעי הבדיל גורמים לנזקים קשים להתקן. הנזקים נמדדים בכמה מישורים: קצרים חשמליים, פגיעה בהגנות שהציפוי מספק (מאחר וגדילת השפמים פוצעת את הציפויים הקונבציונלים ומסירה את ההגנה) ועיוות פני השטח שגורר שינויים בקיבוליות. תופעה זו הופכת לנפוצה יותר ויותר כיום בעיקר בהתקנים ממוזערים.
למרות מחקרים רבים שנעשו בתחום, תופעה זו עדיין אינה מוסברת עד תום. במחקר נרחב שנעשה על ידי Woodrow & Ledbury ופורסם באפריל 2005 ב- International Conference on Lead-Free Electronic Components and Assemblies, סביב נושא השפעת ציפויים קונפורמיים שונים על תופעת ה Tin whisker, נמצא שהפארילן מספק את ההגנה הטובה ביותר וארוכת הטווח ביותר לנזקי ה"שפמים".
פתרון גם לכטב"מ תקיפה
מעבר לכל התכונות שנמנו עד כה ובנוסף להן, ישנה חשיבות גבוהה ליציבות החנ"מ בכטב"מים המיועדים לתקיפה. קרי, על המפתח לוודא שחומר הנפץ יתפוצץ ברגע המיועד ולא לפני כן. חומרי הנפץ מתחלקים למשפחות על פי רמת ההדף הנוצרת על ידם ברגע הפיצוץ ובשיטת ההצתה שלהם. מטבע הדברים בכטב"מים נוצר צורך להשתמש במשקל נמוך יותר של חומר נפץ ללא התפשרות על רמת ההדף וכל זאת תוך מניעת שפעול מוקדם/לא רצוי גם בסביבה לחה וטלטלות רבות בתאוצות משתנות.
חומרי נפץ בעלי הדף גבוה הינם חומרי הנפץ הרגישים יותר לטלטלות, ויברציות ומכות (אימפקט). גם כאן הפארילן נותן מענה רב רובדי. ראשית, הפארילן מגן על חומרי נפץ אלו ומגדיל את אדישותם טרם השפעול (גם בשכבות ציפוי תת מקרוניות). אך לצד זה, יש לו עדיפות מכיוון שהינו בעל משקל קל לכן בעת הפיצוץ הפארילן זניח לחלוטין בהשפעתו. תכונת האדישות של חנ"מ מצופה פארילן נובעת מיכולותיו של הפארילן לבודד את חומר הנפץ מהסביבה בצורה אופטימלית שכן הפארילן אינרטי, אטום ללחות, וקונפורמי לחלוטין . תכונת הקונפרמיות לא נדונה במאמר זה, אך שיטת יישומו של הפארילן מבוססת CVD (Chemical Vapor Deposition in Vacuum) , תוך שילוב עם גודל מולקולה מזערי, הפכו את הפארילן לציפוי הקונפורמי ביותר המוכר כיום.
הכותבת מכהנת כמנכ"לית בחברת סימטל ציפויים בע"מ
