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聚对二甲苯(Parylene)三防漆在下一代电子产品中的作用
  2020-04-21      11

    作者:Tim Seifert,Specialty Coating Systems公司(SCS公司)

    电子产品的设计者和制造商都面临必须把封装做得更小、更轻、更环保的压力。他们还必须保证他们的新技术在他们的操作环境中能可靠地运行,这些环境可能包括暴露在化学品、潮湿、静电环境中、极端温度下运行,同时还要遵循越来越多、更加严格的环保、安全、特定行业、政府、生态方面的法律法规。我将在本文更深入地分析Parylenes三防漆涂覆材料和它们在帮助制造商应对当前与未来面临电子行业的各种挑战中的作用。

    Parylenes是union Carbide公司的科学家在20世纪50年代后期开发的材料,它是一系列独特的高分子有机涂层材料的总称。它们从本质上是多晶的和线性的,具有有效单位厚度的非导电性与屏障属性,而且从化学特性上讲,呈惰性状态。Parylenes涂层非常薄,无针孔,而且鉴于其分子级聚合物特性,真正符合元件的要求,在基片的表面基本上一次会“生长”一个分子。

    涂敷Parylenes涂层使用的是真空镀膜工艺,而不是用喷涂、用刷子刷涂或浸渍涂敷。这个工艺首先要把要涂敷涂层的零件放在镀膜室中。然后,把被称为“二聚物”的粉末状原材料放在系统另一端的汽化器里。接着,加热二聚物,使它升华为二聚物蒸汽,此后再次加热,把二聚物分解为单分子结构的蒸汽。把单分子蒸汽送到周围的温度室内,在这里单分子蒸汽自动聚集到零部件上,形成很薄的Parylenes薄膜。Parylenes的镀膜工艺是在一个封闭的受控制的真空系统中进行,镀膜室的温度在整个工艺的加工过程中始终保持室温状态。在这个涂敷工艺中不使用溶剂、催化剂或塑化剂。

    因为在这个镀膜工艺中的Parylenes没有液相状态,所以没有类于液相涂敷应用中看到的弯月面、池状淤积或桥接效应;因而,整个零件得到同等的保护。Parylenes涂层的分子“生长”不仅保证能够按照制造商规定的厚度形成均匀的三防漆,而且由于Parylenes是从蒸汽中形成的,它还可以渗透进入组件的每一个缝隙中,而不论这个缝隙看上去涂敷起来有多困难。这保证了基板是完全密封的,而又不会堵塞微小的开口。

    此外,Parylenes涂层非常轻,在不增加涂层的尺寸和质量的情况下,为元件提供良好的防护性能。典型的Parylenes涂层的厚度范围从500埃到75微米不等。尽管其他的大多数涂层材料也能提供与Parylenes同等的保护水平,但它们的厚度不能做到像Parylenes那么薄。

    有几种衍生材料属于对二甲苯系列,但它们都是完全线性的高度结晶材料,它们的优点是涂层非常薄而且重量很轻。它们的绝缘性、抗潮湿性和抗化学性的性能都非常优异,能够提高导线焊点的强度,从而确保信号传输的有效性,并具有生物相容性。Parylenes的介电常数和损耗因子都非常小,因此即使涂层很薄,其绝缘性能也非常出色,可以用它们密封很小而且紧凑的封装。单位厚度的击穿电压将会随着Parylenes薄膜的厚度减小而增加。

    Parylenes涂层已经在电子、交通运输、航空航天、国防和医疗设备等行业应用了超过45年,解决了各种行业难题。在实际应用中,当产品需要达到小、轻、耐用和可靠的要求时,而其他方案又无法完全满足行业不断增长的需求时,Parylenes涂层就是最好的解决方案。


在盐雾测试后的有ParyFree涂层和无涂层的电路板

电子行业的难题与Parylenes解决方案

小而轻

    无论面向的是消费电子产品,还是军用硬件产品,电子产品制造商都面临把电子产品的封装做得更小、更轻的持续不断的压力;这是电子行业的常态,与整个设备的尺寸无关。虽然近几年手机的尺寸实际上变得更大了,但由于它们的功能和功耗都要比之前的产品更强,因此必须缩小手机内部元件的尺寸。与此似类,现在的汽车和飞机的尺寸跟以前的差不多,但使用更多的电子元件来增加它们的功能和可靠性。与此同时,越来越多的人呼吁这些行业减小电子器件的重量,以提高系统的效率。

    因为Parylenes涂层采用的是蒸气镀膜的办法,聚对苯二甲的分子生长成为薄膜,均匀附着在每一个表面、边缘和缝隙中。这种蒸气镀膜涂层完全密封复杂的基板,提供极佳的屏障和绝缘保护。此外,鉴于其超薄的特性,这种涂层可以在不增加涂层的厚度或质量的情况下为电子产品提供保护。

    与Parylenes相比,液体涂层材料通常是用喷射涂敷、用刷子刷或浸润涂敷,由于可能存在涂料池状淤积、桥接或弯月面等效应,可能无法提供完全覆盖。虽然这些涂敷方案对某些应用来说可能是够用的,但当我们步入当下先进的电子设计时,这些方案存在一定的局限性。

绿色电子产品

    全球手机的年销销量超过15亿部。这些设备一般平均两年更换一次;有些回收利用,但其他的最终被填埋或焚烧掉。因此,很多设备制造商已承诺在设备中减少使用或者不使用氟、氯和其他卤化物材料,在处置或焚烧废弃设备时,这些材料会排放有毒污染物。

    由于国际标准与倡议在不断变化,必须增加环保型产品与材料的供应。虽然含有氯分子的Parylenes衍生物即使在高温下也非常稳定,但现已经引进一种新的Parylenes衍生物“ParyFree”,这种材料完全不含卤化物,能够提供其他市面上现有的对二甲苯材料的优势属性。有了ParyFree,电子制造商可以采用无卤化物涂层的解决方案,与传统的无卤化物Parylenes衍生产品相比,其防潮性能更好。

防潮、防灰尘和防化学作用

    与此同时,各个行业的设备中使用电子产品的部分都越来越多;这些系统必须能够在各种苛刻的环境中可靠地运行。无论是在真空环境中、汽车的引擎盖下大面、油田的钻探设备中,还是在人体内,关键的电子设备都必须得到良好的保护,不受环境(诸如水分、化学物质、液体、灰尘等)的影响,保证设备的可靠运行;人的生命可能就是由一条导线的可靠性决定的。此外,近几年来,可穿戴设备的使用急剧增加,用户要求自己的装备(例如手机、耳机、手表、健身监控器等)能够在恶劣天气下工作。从本质上讲,现在要求提高消费电子产品的耐用性。

    由独立工厂对涂敷了ParyFree涂层的电路板进行盐雾测试。按照ASTM B117-(03)的要求进行测试,暴露在盐雾下144小时之后,带涂层的电路板表现出来没有腐蚀、盐份或大量的铁氧化物沉积。涂敷ParylenesC和ParylenesHTR涂层的电路板也表现出相似的结果。

    最近,涂敷ParyFree涂层的电子产品也按照IEC 60529的可适用要求进行测试,根据IEC 60529IPX和IPX8指定的14.2.7和14.2.8测试条件,来证明涂层能够保护设备避免因水分渗入造成的有害影响。在测试过程中,未涂敷涂层的(控制)电子设备在测试中功能失效,但所有涂敷ParyFree涂层的电子设备都通过了两个测试条件,在测试期过程中和测试完成后都能够正常工作。这些测试表明,ParyFree三防漆和其他SCS公司的Parylenes衍生物三防漆一样,都可以在1米水深(IPX7)和1.5米(IPX8)的情况下保护电子设备和其他设备不会受到水泼溅和浸在水中超过30分钟的影响。

防止电弧放电和静电放电

    电子设备长期以来一直都容易受电弧放电和静电放电(ESD)的影响。因为电路板上的各个元件的尺寸更小,所以现代电子设备实际上更容易受这些电气风险的影响。此外,接触点之间的距离也更近,比较薄的线路根本无法承受像旧设备比较厚线路所承受的突然震动。如果不对线路加以保护,这种电气故障会导致设备过早失效。

    Parylenes的介电强度非常高,与同等厚度的其他涂层相比高出两倍。同样地,它们提供非常优异的绝缘保护,在没有明显增加质量的情况下,防止电弧放电和ESD的损害。例如,25微米厚的Parylene涂层的介电能力是7000伏特。没有其他的涂层可以做得像Parylene那样薄,还能提供相同水平的保护。

承受极端热循环、压力和震动的稳定性

    用于汽车、飞机、石油钻探和太空探索的电子产品需要暴露在极端的环境下,并希望他们在这样的环境下能够可靠地工作。例如,安装在喷气式飞机机翼中或要把人造卫星送进太空的运载火箭中电路板,在快速上升过程中,从海平面温度迅速下降到同温层高度的低温。除了温度变化外,微小的、精密的关键电子电路必须承受快速的压力变化和剧烈的振动。

    某些在地球上成功应用的保护方法到太空的大气层中可能就会失效。因涂敷应用的性质被密封在环氧树脂或丙烯酸密封剂的下面的空气,在某次飞行或操作中,可能会释放出来,使关键元件失去保护。

    ParylenesHT是专门设计用来保护必须承受严酷的高温环境的元件。涂层(长期)在350°C的空气中具有热稳定性,短期在450°C空气中保持稳定,能够为许多航空航天、军工和交通运输应用提供出色的保护。ParylenesHT在紫外线下也保持稳定。

    Parylenes涂层非常薄,重量也很轻,可以用来提高微小的元件和焊接的强度,有助于保护易脆的电子产品。此外,鉴于涂层薄膜的分子生长,没有在压力快速出现变化产生灾难性风险的空洞或气泡。

生物相容性与生物稳定性

    神经刺激器、心脏起搏器、耳蜗和眼部植入物、电外科工具,以及越来越多的其他设备,只要它们具有生物相容性和生物稳定性,并且与人体接触时或植入人体内能够可靠地工作,就能够极大地改善患者的生活质量。Parylenes保护医疗电子元件不受潮湿、生物液体和生物气体的影响,这些东西会导致电子元件过早失效。这种保护不仅可以延长设备的使用寿命,还能够降低在关键时刻发生故障的风险。SCS公司的ParylenesN、C和ParylenesHT均符合ISO-10993的生物学测试要求;测试包括细胞毒性、致敏作用、皮下反应、急性全身毒性、移植(2周、12周和26周)、血液相容性(溶血反应和PTT)和致热原性。这种涂敷材料还经过认证,符合USP四级VI塑料的生物测试的要求。

结论

    在选择材料和涂敷方案时,产品设计工程师必须知道产品的功能和它在给定环境中会有什么反应。为了确保达到这些要求,各个行业列出制造商(往往是他们的分包商)必须满足的各种规定。因此,需要为可能要测试和认证的产品和工艺建立标准。

    尽管可以根据各种标准和行业法规的认证来评估Parylenes涂层材料,从某种程度上讲,也可以根据涂层材料供应商的工艺认证和合规性来评估他们。如适用,制造商可以按照以下部分工艺和产品规范、认证来评估涂料来核实供应商的资质:

    •        AS9100、ISO 9001管理系统

    •        IPC-CC-830的要求

    •        美国军用标准MIL-I-46058C规定的合格产品目录

    •        生产零件准入工艺(PPAP)

    •        欧盟的危害性物质限制指令(RoHS)

    •        REACH合规要求

    •        无卤化物倡议

    •        ISO 10993,USP四级生物学评估与认证

ISO 14644洁净室

UL认证(QMJU2)

    随着全球性行业要求与指令的不断变化,制造商必须保证他们的产品符合相关的各种标准的要求。此外,他们必须确保自己的产品在任何可能条件下都能够可靠地运行。Parylenes三防漆涂料为设计师和工程师提供一系列解决方案,帮助他们最新的创新性产品提高可靠性与性能。

    作者简介:Tim SeifertSpecialty Coating Systems公司负责航空航天与国防业务的市场推广经理。

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