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Parylene,为先进电子产品提供可靠防护
发布时间:2022-11-28点击量:178

Parylene.jpg

Parylene介绍

Parylene(聚对二甲苯)是一个独特的聚合物系列里多个成员共用的名称。该聚合物系列的基本成员聚对二甲苯 N 的英文名称为poly(para-xylylene), 它是一种完全线性结构的高结晶度材料。Parylene N 是一种出色的介电材料,具有不随频率变化的非常低的介电常数和介电损耗。Parylene N 涂敷狭小空间的能力仅次于 Parylene HT。Parylene结构如图 1 所示。

Parylene结构.jpg 

Parylene C是该系列中第二个商业化的成员。Parylene C和Parylene N是由同一原材料 (二聚物) 制成,只是其中一个芳香烃氢原子被一个氯原子取代。Parylene C兼具优良的电性能和物理性能,湿气和腐蚀性气体的渗透性非常低。

Parylene D是该系列中的第三个成员。Parylene D与Parylene N 是由同一原材料二聚物制成,其中两个芳香烃氢原子被氯原子取代。Parylene D 的特性与Parylene C 相似,能承受比Parylene C略高的使用温度,对于硫化氢的阻隔特性更佳。

Parylene HT用氟原子取代了 N 二聚物中的α氢原子。Parylene的这一变体适用于高温 (24小时内耐温可达 450℃) 以及需具备长期紫外线稳定性的应用场合。在这四种Parylene变体中,Parylene HT 具有最低的摩擦系数和介电常数,以及最高的渗透能力。

ParyFree是该系列中独特的新成员,它用无卤化的替代物取代了Parylene N二聚物的一个或多个氢原子。这种无卤素的Parylene具备Parylene C的先进阻隔性能,而且其机械和电性能优于其他市售Parylene。ParyFree 集出色的阻隔性、电性能和机械性能于一身,可提供优异的防潮、防水保护并抵御腐蚀性溶剂和气体,同时符合全球特定行业的无卤素要求。

因采用独特的气相沉积涂敷工艺,Parylene聚合物可形成具有连续结构的薄膜,厚度从几百埃到 75 微米不等。

Parylene沉积工艺

Parylene聚合物的沉积工艺类似真空金属镀膜。不过,真空金属镀膜是在不超过 10-5 托的压强下进行,而Parylene沉积则是在大约 0.1 托的压强下进行。在这些条件下,沉积室中气体分子的平均自由程约为 0.1 厘米。由于是非视距沉积,气态单体均匀作用于待涂敷物体的各个面,从而形成真正的无针孔敷形涂层。待涂敷基材只需具备合理的耐真空能力。 

Parylene沉积工艺包含图2所示的三个清晰步骤。

Parylene沉积工艺包含图 2.jpg

第一步是固态二聚物在 150℃ 左右汽化。第二步是在680℃ 条件下对二聚物蒸汽进行定量裂解 (热解),使两个亚甲基—亚甲基键断裂,得到稳定的双游离基活性单体。最后一步,单体蒸汽进入室温沉积室,在基材上聚合。在涂敷工艺中,基材温度保持在室温水平。 

由于不会发生液相分离,因而Parylene不会遭受任何流体效应的不利影响 (流体效应可导致集中、流动、架桥、弯月面或边缘效应裂缝)。Parylene也不含可能发生浸出或出气现象的溶剂、催化剂或塑化剂。

Parylene特性

以下讨论Parylene的电性能、阻隔特性、机械特性、热性能、光学特性、生物特性和其它特性。这些特性与丙烯酸、环氧树脂、聚亚安酯和硅胶等其它敷形涂敷材料的特性进行了比较。

A. 电性能
Parylene涂层的电性能如表1所示。

Parylene涂层的电性能如表 1.jpg

1. 薄膜介电特性
Parylene涂层的特点之一是厚度非常薄。表 1 数据显示,即便是非常薄的Parylene薄膜,也具备出色的介电耐电压性能,同时还表明,随着薄膜厚度减小,单位厚度的击穿电压升高。

2. 电路板绝缘电阻
对于Parylene涂层所提供保护作用的一项关键检测是依照检测模式 (按 MIL-I-46058C 所述) 涂敷电路板,并在一个温湿度循环中测量该电路板的绝缘电阻(MIL-STD-202,方法 106 和302)。简言之,本检测由10 个循环构成 (每天一个循环),每个循环包含七个步骤。这七个步骤涵盖低温、低湿度 (25°C,相对湿度50%) 条件以及更恶劣的条件 (65°C,相对湿度 90%)范围。在为期 10 天的检测中,在每一个循环起始以及在 65°C,相对湿度 90% 条件下分别读取电阻读数。

表 2 显示了厚度为 50.8 微米至 2.5 微米Parylene C涂层的检测结果。值得一提的是,即使是非常薄的涂层 (2.5微米),其绝缘电阻值也比规定值高出大约一个数量级。

电路板绝缘电阻表2.jpg

B. 阻隔特性和化学阻隔性

1. 阻隔特性

Parylene的阻隔特性如表 3 所示。与其它敷形涂敷材料的水蒸气透过率 (WVTR) 进行了比较,Parylene C 和 ParyFree 的水蒸气透过率低于多数常见聚合材料。

聚对二甲苯的阻碍特性.jpg

一家独立机构根据 IEC 60529 的适用要求,在 IPX7和 IPX8 防水等级的 14.2.7 和 14.2.8 测试条件下对涂敷Parylene的电子器件进行了测试。测试表明Parylene涂层可防止因进水而产生的有害影响。未涂敷(对照组) 的电子器件在测试过程中出现故障,而涂敷Parylene的电子器件在这两种测试条件下均通过了测试,在测试过程中和测试后均能正常工作。结果表明,Parylene敷形涂层适用于在1米 (IPX7 )和 1.5 米(IPX8) 水深条件下,为电子器件和其他设备提供 30 分钟以上的防水保护。

在由独立检测机构进行的盐雾检验中,涂敷 ParyFree的电路板按照 ASTM B117- (03) 暴露 144 小时后未出现腐蚀、盐沉积或明显的氧化铁沉积 (参见图 3)。涂敷Parylene C 和 Parylene HT 的电路板得到了类似的检验结果。

暴露 144 小时后的电路板.jpg 

2. 化学阻隔性

Parylene可抵御化学腐蚀且在 150°C 温度条件下不溶于所有的有机溶剂。Parylene薄膜暴露于腐蚀性汽车及航空流体等多种化学品后膨胀率很低;而在通过真空干燥去除溶剂后,膨胀完全逆转 (利用 FTIR 分析进行膨胀的表征)。其它测试表明薄膜的物理和化学特性未发生变化。

C. 热性能、低温性能、真空稳定性和灭菌特性

1. 热性能

基于试验数据的 Arrhenius 外推法 (Arrhenius extrapolation)、预计Parylene N、ParyFree 和Parylene C 可分别持续暴露于 60°C、60°C 和 80°C 空气中长达 10 年时间。在无氧或太空真空环境中,预计Parylene可以暴露在 220°C 温度下持续同样长的时间。已证明Parylene HT 可持续暴露于 350°C 的空气中,或暴露于 450°C 的空气中不超过 24 小时。 

在所有情况下,更高的温度会缩短使用寿命。如果您的应用场合的要求接近或超出这些时间-温度-大气条件,建议您在更接近预期应用场合实际情况的条件下对整个结构进行测试。

总体热性能参见表 4。

聚对二甲苯的热性能.jpg

2. 低温性能

在 -200°C 低温下,无支撑的 50.8 微米厚度Parylene C 薄膜经过 6 次 180° 弯折后才失效。而聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚四氟乙烯三种材质的薄膜,分别在三次、两次和一次弯折后失效。 

涂敷Parylene C 并在 -196°C 液氮中冷却的钢板,在改进版 Gardner 落球冲击试验中承受住了 11.3 牛顿•米以上的冲击,在室温下该数值约为 28.2 牛顿•米。

有支撑的Parylene N 薄膜已证明能够承受从室温至-269°C 低温的热循环,而不会出现开裂、从基材上剥落或电性能下降的情况。 

3. 真空稳定性

在美国国家航空航天局 (NASA) 喷气推进实验室进行的测试表明,在温度为 49.4°C,压强为  10-6 托的条件下,Parylene N 失重 0.30%。在 NASA 的戈达德太空飞行中心根据 ASTM E595 进行的真空稳定性测试显示出Parylene C 和 Parylene HT 分别失重0.07% 和 0.03%。收集的挥发性可凝材料的相应数值分别为 0.0003% 和 0.0017%。有关除气测试的更多信息,请访问 http://outgassing.nasa.gov 。

4. Parylene灭菌

Parylene N、C 和 Parylene HT 接受了多种灭菌方法测试,包括高压蒸汽灭菌、伽马射线和电子束辐照、过氧化氢等离子体和环氧乙烷。灭菌后分析通过与未经灭菌的对照样本进行对比,评估了这些灭菌方法对Parylene N、C 和 Parylene HT 样品的影响。对灭菌后的电性能、阻隔特性和机械特性进行了评估,结果表明,在对这些Parylene变体进行的大部分测试中,这些属性并未产生变化。

D. 物理与机械特性

Parylene的物理与机械特性综述参见表 5。

聚对二甲苯的物理与机械特性.jpg

由于Parylene的分子量大 (约500,000)、熔化温度高,结晶度高,因此无法以挤压或模压等传统方法成型。温度不高于 175°C 时,它们在有机或其他介质中的溶解度非常低,因此无法通过铸造成型。 

Parylene聚合物由试验板支撑时,耐冲击性优良。涂敷25.4 微米厚Parylene C 的 “Q” 钢制试验板在 Gardner落球冲击试验中的结果在 28.2 牛顿•米左右。 

耐磨指数 (在 Taber® 磨耗试验机上使用 CS-17Calibrase® 磨耗砂轮测量,荷重砝码 1,000 克) 检测值,Parylene C 为 22.5,Parylene N 为 8.8。相比之下,聚四氟乙烯为 8.4,高冲击韧性聚氯乙烯为 24.4,环氧树脂为 41.9,聚亚安酯为 59.5。 

退火处理可增强Parylene的抗切通性、提高硬度并改善其耐磨性。这是聚合物密度和结晶度提高的结果。 

E. 光学特性和耐辐射性

1. 光学特性

Parylene在可见光范围内吸收得很少, 因此是透明无色的。波长小于280纳米时, 所有Parylene均发生强吸收, 如图 4 所示。

聚对二甲苯N,C,D,HT和ParyFree的紫外光谱.jpg

厚度12.7微米Parylene薄膜的傅里叶变换红外光谱如图 5, 6, 7 和 8 所示。

聚对二甲苯N的FTIR吸引光谱.jpg

ParyFree的FTIR吸引光谱.jpg

聚对二甲苯C的FTIR吸收光谱.jpg

聚对二甲苯D的FTIR吸收光谱.jpg

2. 耐辐射性

在真空中伽玛射线作用下,Parylene N, C, D 和 Parylene HT 薄膜表现出高度抗降解性。在辐射剂量率为 16 千戈瑞/小时的条件下,承受1,000 千戈瑞辐射剂量后,其拉伸和电性能保持不变。暴露在空气中会导致快速脆化。

尽管Parylene N, C, D 和 ParyFree在室内性能稳定,但不建议将其长期用于阳光直射 (紫外线) 的环境中。Parylene HT 具有显著的抗紫外线性能,暴露在空气中经过长达2,000 小时紫外线加速老化试验后,未发生性能退化。

F. 生物相容性和生物稳定性

按照 ISO 10993 的生物评估要求对Parylene N, C 和 Parylene HT进行了测试。此外,过去 40 年中,ParyleneParylene的生物相容性和生物稳定性已在多种医疗涂敷应用场合中得到了验证。 

附着力

敷形涂层广泛应用于电子、医疗器械、交通运输、航空航天与国防等行业,为应用场合提供防护、生物稳定性和表面改性,以增强组件和最终产品的整体可靠性。表面污染、存在氧化层和低表面能基材等影响附着力的因素会对可靠性造成不利影响。 

在涂敷Parylene之前使用 A-174 硅烷偶联剂处理,通常可使Parylene对多种基材的附着力达到理想状态。然而,有时在许多高难度基材 (如高抛光不锈钢、钛、异种合金和聚酰亚胺等) 上无法达到很高的标准。新的技术增强了Parylene涂层与素来具有挑战性的基材之间的附着力。 

Parylene具有生物相容性和生物稳定性。此外,已证明它们在高温下具有稳定性,使其成为适合恶劣环境应用场合的出色附着力增强工具。采用Parylene商业涂敷服务的客户可获新的附着力增强技术。 

Parylene应用场合

电子产品

Parylenee涂层敷形均匀,确保完全包覆电路板、铁芯和其他电子封装,例如微机电系统、芯片实验室技术和传感器。ParyleneParylene C 涂层已经证明可以抑制晶须、畸形突起 (OSE) 和枝晶形成。

医疗

Parylene获得了 FDA 认可,为导管、密封件、支架、人工耳蜗、手术工具、心脏起搏器和部件等植入及非植入式医疗器械提供理想的表面改性。Parylene涂层帮助器械和组件抵御湿气、生物液体和生物气体的侵蚀,并作为与生物组织接触的生物相容表面。

交通运输

超薄的Parylene涂层为家用汽车以及重载发动机和系统中的重要传感器、电路板和其它组件提供防护,即使在高温和长时间使用的情况下也可抵御腐蚀性化学品、流体和气体的侵蚀。

航空航天与国防

Parylene为包括飞机、太空计划和国防系统在内的航空航天和国防工业的诸多应用场合提供出色防护。Parylene涂层能够可靠地抵御湿气、灰尘、沙子、化学及生物制剂等的影响。 

Parylene总结

Parylene涂层

• 出色的介电特性

• 出色的化学阻隔性和防潮性能

• 具有生物相容性和生物稳定性的防护层

• 可涂敷于所有暴露表面的超薄敷形涂层

• 出色的缝隙渗透和多层渗透能力

• 短期 (24 小时) 耐温可达 450°C

• 出色的紫外线稳定性 

Parylene先进的涂敷技术、周密细致的生产和质量管理,令客户高枕无忧,同时尽可能减少客户为达到严苛要求和规格所需要的资源。

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