حلول التحليل الطيفي للصناعات الإلكترونية والكهربائية

التطبيق 1: مطياف الأشعة تحت الحمراء في اختبار مواد تجميع المنتجات الإلكترونية

تشير مواد تجميع المنتجات الإلكترونية إلى المواد الخام أو المساعدة المستخدمة أثناء عملية التصنيع، مثل الأشرطة اللاصقة أو الغراء للربط، والرغوة للعزل، والأغشية الواقية للحماية، أو أغشية الفصل للتغليف. يؤثر أداء هذه المواد بشكل مباشر أو غير مباشر على جودة المنتجات الإلكترونية. ويمكن استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء (العلاقات الدولية) لإجراء تحليل نوعي لهذه المواد.

الشكل 1: لاصق أكريليك

الشكل 2: لاصق سيليكوني

التطبيق 2: توصيف تجانس الطلاء للمواد اللاصقة الإلكترونية

بما أن معظم المواد اللاصقة تبدو عديمة اللون وشفافة بعد الاستخدام، يصعب فحص تأثير الطلاء بصريًا. لذلك، في الاستخدام العملي، تُضاف كمية معينة من عامل فلوري إلى المادة اللاصقة. ثم يُفحص وجود طبقة الطلاء اللاصقة وتجانسها من خلال فحص ظاهرة الفلورة للمنتج المطلي.

باستخدام مطياف التألق الجزيئي، يتم فحص طيف انبعاث التألق للمنتج المغطى بمادة لاصقة (مادة لاصقة للطلاء، طلاء متجانس). ومن خلال تحليل الطيف لتحديد قمم التألق المميزة ومقارنة شدة التألق لهذه القمم، يمكن تحديد ما إذا كانت العينة مغطاة بمادة لاصقة أم أن الطلاء متجانس. هذه الطريقة سهلة الاستخدام وتُعطي نتائج مهمة.

الشكل 3: تراكب ثلاثة أطياف اختبار متكررة

التطبيق 3: التحليل النوعي أو شبه الكمي لملدّنات الفثالات في البولي فينيل كلوريد وأنواع البلاستيك الأخرى

ينص توجيه الاتحاد الأوروبي (تقييد المواد الخطرة) على أنه اعتبارًا من 22 يوليو 2019، يجب أن تتوافق جميع المنتجات الكهربائية والإلكترونية (باستثناء المعدات الطبية ومعدات المراقبة) المصدرة إلى أوروبا مع الحدود المقيدة لمواد التلدين الفثالاتية. ومن بين هذه المواد، تُستخدم إسترات الفثالات على نطاق واسع كمواد ملدنة في المنتجات الإلكترونية والكهربائية.

الشكل 4: مادة مادة PVC تحتوي على كمية صغيرة نسبياً من الفثالات

الشكل 5: مادة مادة PVC تحتوي على كمية كبيرة نسبياً من إسترات الفثالات

التطبيق 4: التحديد النوعي لمواد العزل الكهربائي

يُعدّ مطاط السيليكون، بخصائصه الاستثنائية التي تشمل مقاومته لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومته للعوامل الجوية، ومقاومته للأوزون، ومقاومته للتفريغ الكهربائي، فضلاً عن أدائه الممتاز في العزل الكهربائي، مادةً فريدةً ومتعددة الاستخدامات بين أنواع المطاط. وهو مناسبٌ بشكلٍ خاص للاستخدام كمادة عازلة عضوية في صناعات الكهرباء والطاقة. وقد شهد مطاط السيليكون في السنوات الأخيرة انتشاراً واسعاً في أنظمة العزل الكهربائي.

تستخدم معظم شركات تصنيع العوازل المركبة حاليًا مطاط السيليكون الميثيلي فينيل المملوء بنسبة عالية من هيدروكسيد الألومنيوم كمادة عازلة خارجية. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم كعازل للغلاف الخارجي لمانعات الصواعق المركبة، وقواطع الدائرة، والمحولات، ومفاتيح الجهد العالي، وغيرها من المكونات الكهربائية.

الشكل 6: مطاط السيليكون - طيف المطاط الخام

الشكل 7: مطاط السيليكون - طيف المنتج النهائي

التطبيق 5: التحليل الكمي لدرجة تصلب الحبر

مع الانتشار الواسع للأجهزة الإلكترونية، يتزايد استخدام شاشات الكريستال السائل (شاشة LCD)، مما يدفع نموًا سريعًا في صناعتها. وتُعدّ المواد اللاصقة المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، وهي مادة أساسية في إنتاج شاشات الكريستال السائل، تتميز بسرعة معالجتها، وخلوها من المذيبات، وكفاءتها الإنتاجية العالية. وتُستخدم هذه المواد بشكل أساسي في إحكام غلق وتثبيت الدبابيس المعدنية، مما يجعلها قابلة للتطبيق على نطاق واسع في صناعة لوحات الدوائر الإلكترونية. في هذه المواد اللاصقة، تتحلل المحفزات الضوئية بسرعة إلى جذور حرة أو كاتيونات تحت تأثير شدة مناسبة من الأشعة فوق البنفسجية، مما يُحفز تفاعلات بلمرة الروابط غير المشبعة ويؤدي إلى تصلب المادة.

الشكل 8: راتنج الإيبوكسي - المعالجة الحرارية

الشكل 9: بولي أكريلات - معالجة بالأشعة فوق البنفسجية

التطبيق 6: توصيف الخصائص البصرية لمواد أشباه الموصلات (النقل، الانعكاس)

تُعدّ مواد أشباه الموصلات من أهم المواد الأساسية في صناعة الإلكترونيات. ومع التطور السريع لتقنيات الليزر والأشعة تحت الحمراء، حظيت الخصائص البصرية الاستثنائية لأشباه الموصلات في طيف الأشعة تحت الحمراء باهتمام متزايد. واليوم، تُستخدم موادٌ تتراوح بين أشباه الموصلات العنصرية مثل الجرمانيوم (جي) والسيليكون (نعم) إلى أشباه الموصلات المركبة مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وسيلينيد الزنك (ZnSe) على نطاق واسع في تطبيقات الأشعة تحت الحمراء. وتُشكّل هذه المواد مكونات أساسية في أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء الأمامية (كاميرا تصوير حراري (FLIR))، ونوافذ الليزر، وقباب الصواريخ، وغيرها من أنظمة الأشعة تحت الحمراء البصرية.

الشكل 10: طيف النقل لرقاقة السيليكون

الشكل 11: طيف النقل لسيلينيد الزنك (ZnSe)

التطبيق 7: تحديد المواد للمكونات الإلكترونية والكهربائية

تُصنع ركائز أو أغلفة المنتجات الإلكترونية عادةً باستخدام البلاستيك الهندسي. تُصاغ هذه المواد بمواد مضافة محددة، مثل عوامل التقوية ومثبطات اللهب ومركبات مقاومة الشيخوخة، لتلبية مختلف المتطلبات البيئية. ويُعدّ تركيب هذه المكونات ونسبها عاملاً حاسماً في تحديد أداء وعمر الأجزاء الإلكترونية النهائية. ويُستخدم التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء كأداة فعّالة للتحليل النوعي لتراكيب هذه المواد.

الشكل 12 راتنج الإيبوكسي

الشكل 13: كبريتيد البوليفينيلين (PPS)

التطبيق 8: اختبار مواد تغليف المنتجات الإلكترونية

تُعدّ المنتجات الإلكترونية سلعًا كثيفة التقنية. ومع التطورات التكنولوجية المتواصلة، تطورت المكونات الإلكترونية لتصبح دوائر متكاملة فائقة الاتساع، ما زاد من تعقيدها وتطورها. ونتيجةً لذلك، ازدادت متطلباتها فيما يتعلق بالظروف البيئية الخارجية صرامةً. وباعتبارها وسيلة الحماية والتخزين أثناء التداول والتخزين، فإن الوظيفة الأساسية للتغليف هي حماية المنتجات الإلكترونية. ولا يمكن حماية هذه المنتجات من الرطوبة والصدمات الميكانيكية أثناء النقل والتخزين، وبالتالي الحفاظ على مظهرها ووظائفها، إلا من خلال ضمان تصميم هيكلي مدروس وتغليف عالي الجودة. وتُشكّل مواد التغليف أساس منتجات التغليف، ويؤثر اختيارها المناسب تأثيرًا مباشرًا على سلامة المنتجات الإلكترونية والتكاليف الاقتصادية. لذا، يُعدّ اختيار مواد التغليف المناسبة أمرًا بالغ الأهمية.

الشكل 14: طيف اختبار ATR لعينة حيوان أليف

الشكل 15: طيف اختبار ATR لعينة مادة PVC

التطبيق 9: تحليل عيوب المنتجات الإلكترونية (تحليل المواد الغريبة)

قد تحدث عيوب أثناء عملية تصنيع المنتجات الإلكترونية. ويُسهم التحديد النوعي لهذه العيوب وتصنيفها في تحسين عمليات الإنتاج وتعزيز جودة المنتج. إلا أن هذه العيوب عادةً ما تكون متناهية الصغر (بالميكرون) ولا يمكن الكشف عنها باستخدام الطرق التحليلية التقليدية. وباستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء المزود بمجهر الأشعة تحت الحمراء، يُمكن تحليل هذه العيوب الدقيقة بكفاءة عالية.

المجهر بالأشعة تحت الحمراء هو نظام يجمع بين مطياف الأشعة تحت الحمراء ومجهر ضوئي. ويتكون أساسًا من وحدة رئيسية تعمل بالأشعة تحت الحمراء، ونظام مجهر يعمل بالأشعة تحت الحمراء، وجهاز حاسوب. ونظرًا لدقته العالية، يعتمد المجهر بالأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي على مبدأ التداخل، وتشمل مكوناته الرئيسية مقياس تداخل مايكلسون، ونظامًا بصريًا للمجهر، وكاشفًا.

تُوضع العينة على منصة المجهر بالأشعة تحت الحمراء. يُولّد المطياف شعاعًا يُوجّه ويُركّز على العينة، مما يسمح بالتركيز الرأسي للمسار البصري. ومن خلال ضبط المحورين X وY للمنصة وفتحة العدسة، يُمكن استهداف العينة المحددة والمناطق الدقيقة المختلفة داخلها بدقة متناهية.

يقيس كاشف المجهر بالأشعة تحت الحمراء الانعكاس الطيفي لحزمة الجسيمات، مما يتيح مسحًا دقيقًا على المستوى الجزيئي للنقاط والخطوط والمناطق على العينة. يسمح هذا بالحصول السريع والآلي على العديد من أطياف الأشعة تحت الحمراء، مع تخزين إحداثيات كل نقطة قياس وطيفها المقابل في الحاسوب في آنٍ واحد. ومن خلال تحليل الصور التركيبية، يمكن الحصول على أطياف الأشعة تحت الحمراء ذات الدقة المكانية وصور تركيبية لمناطق دقيقة محددة. يُسهّل هذا تحليل خصائص مكونات العينة وبنيتها عبر مختلف المناطق الدقيقة الممسوحة ضوئيًا، وبالتالي تحديد بنية العينة والتوزيع المكاني للمجموعات الوظيفية وتغيراتها.

الشكل 16 طريقة ATR التقليدية

الشكل 17 طريقة الانعكاس الكلي الموهن الدقيق

بالنظر إلى الأجسام الغريبة على شاشة قاد في جهاز كمبيوتر محمول كمثال، فإن ملحقات ATR التقليدية أحادية الانعكاس تعاني من قيود: عمق اختراق ضحل، وامتصاص قوي للترددات العالية، وامتصاص ضعيف للترددات المنخفضة، وعدم القدرة على كشف العينات الصغيرة جدًا. في المقابل، يتيح استخدام وضع ميكرو-ATR في مجهر الأشعة تحت الحمراء جمع الإشارات الموضعية بعمق اختراق أكبر وإشارات مشبعة في المناطق الطيفية المقابلة، مما يسمح بكشف عينات أصغر من 200 ميكرومتر.