軍用印制電路組件氣相沉積促進工藝技術(shù)

中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 喻少英 張 烜 劉 鑫

聚對二甲苯(parylene)材料在20世紀60年代中期由美國聯(lián)碳公司開發(fā)、應用。它由獨特的氣相沉積工藝制備，具有優(yōu)良的物理、機械、電性能[1]，70年代就被美國軍用標準認定為電子電路優(yōu)質(zhì)保護材料，是一種高度晶度的熱塑性高分子材料[2-3]。苯環(huán)上取代基有鹵素、烷基、芳基、氰基、硝基等數(shù)十種，到目前為止Parylene家族已形成一系列性質(zhì)相近的多種型號[4-5]。其中，以鹵素取代基的穩(wěn)定性較好，3種主要的型號為N型(無取代基)、C型(1氯取代基)和D型(2氯取代基)。ParyleneN是一種很好的介電材料，具有非常低的介質(zhì)耗電常數(shù)、高絕緣強度以及不隨頻率變化的絕緣常數(shù)，所有Parylene中穿透能力最高的一種。ParyleneD具有更高的耐熱能力。ParyleneC將良好的電性能、物理性能結(jié)合在一起，并且對于潮濕和其他腐蝕性氣體具有低滲透性，除了可以提供真正的無針孔涂覆隔離外，ParyleneC是涂覆重要電路板的首選材料，具有高的絕緣性、熱穩(wěn)定性、耐溶劑性、無熱應力、膜超薄、均勻、透明、無針孔，并且在元器件的底部及狹窄的縫隙均能涂覆到。由于它的這些優(yōu)點，用來做電子線路板的保護材料，將提高電子設備工作的可靠性和性能的穩(wěn)定性。但聚對二甲苯是化學惰性的材料，它與基底材之間的濕潤性比較差，即附著力差，為解決這個問題，一般采用對基體表面進行偶聯(lián)劑處理和等離子處理等方法。目前，國外使用的主要牌號為sailine A174的硅烷偶聯(lián)劑，國內(nèi)主要使用的牌號為KH560、SC-70等。并且Wu等研究認為，一端含有乙烯基或苯胺基，另一端含有甲氧基的硅烷偶聯(lián)劑對Parylene附著力的提高效果很好[6-7]。因此，本文著重對真空涂覆促進工藝進行全面研究，以提高Parylene涂層與基板的附著力，并找出最佳的促進工藝及工藝參數(shù)。

1 試驗部分

1.1 試驗項目

(1) 選擇不同的促進劑進行對比試驗。

(2) 找出最佳促進濃度、促進時間。

(3) 找出電路板ParyleneC涂層耐三防性能的最佳厚度范圍。

(4) 測試ParyleneC涂層耐溶劑性能。(5) 測試ParyleneC涂層耐高、低溫性。(6) 測試ParyleneC涂層的附著力。

1.2 試驗要求

(1) 在最佳促進工藝下，ParyleneC涂層的附著力≤2級。

(2) 溫度試驗按GJB150.5-86《軍用設備環(huán)境使用方法、溫度沖擊試驗》執(zhí)行。

(3) 濕熱試驗按GJB150.9-86《軍用設備環(huán)境試驗方法、濕熱試驗》執(zhí)行。

(4) 霉菌試驗按GJB150.10-86《軍用設備環(huán)境試驗方法、霉菌試驗》執(zhí)行。

(5) 鹽霧試驗按GJB150.11-86《軍用設備環(huán)境試驗方法、鹽霧試驗》執(zhí)行。

1.3 試驗設備

PDS-2060真空涂覆設備；MP30不導電覆蓋厚度測量儀；PSL-4G型超低溫恒溫恒濕箱；MJ-010霉菌試驗箱；CDTC1300 鹽霧試驗箱；CST320T溫度沖擊箱。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同促進劑試驗對比

分別選擇了3種促進劑，牌號為770、SC-70、A-174，溶液為異丙醇和水(表1)。

表1 幾種促進劑附著力試驗數(shù)據(jù)

由表1附著力可知，SC-70和A-174均滿足要求，其中A-174附著力好，但由于進口A-174價格昂貴，比國產(chǎn)SC-70價格要高出10倍。因此，選擇SC-70更理想，從工藝上著手提高附著力。

2.2 最佳促進時間和促進液濃度的確定

(1) 根據(jù)附著力測試，對促進工藝時間進行篩選(表2)。

表2 相同濃度、不同促進工藝時間附著力試驗數(shù)據(jù)

漂洗時間對附著力影響很大，漂洗時間不易太長，故選擇漂洗時間為5s。不進行晾曬，附著力為3級，效果不好，因此促進工藝時間必須由浸+晾+漂3部組成，缺一不可。

(2) 固定促進工藝時間，對促進液濃度進行篩選(表3)。

表3 相同促進工藝時間、不同濃度附著力試驗數(shù)據(jù)

由表3可知，濃度由1%增加至2%，附著力沒有區(qū)別，故濃度控制在1%以內(nèi)，選擇0.5%和1%兩組濃度。

(3) 固定促進液濃度(0.5%、1%)和漂洗時間(5s)對浸時間和晾時間進行篩選(表4)。

表4 SC-70和A-174不同促進時間附著力試驗數(shù)據(jù)

從表4結(jié)果可知，編號1、2、3晾置時間不同(5min、15min、30min)，附著力全部為1級，說明晾置時間不同影響不大。從編號4、6看，濃度由0.5%增加到1%，附著力隨之增加。故綜合以上分析最佳工藝濃度為1%，促進工藝時間(浸+晾+漂)為5min+5min+5s。

2.3 電路板ParylengC涂層耐三防性能的最佳厚度范圍

依據(jù)MIL-46058C標準，ParylengC涂層厚度：12.7～50.8μm,丙烯酸和聚氨酯涂層厚度： 25.4～76.2μm通常丙烯酸和聚氨酯的使用厚度在50～70μm,之間，在滿足三防性能的前提下，厚度愈薄愈好，因此初步設置了13μm和23μm,兩個厚度進行濕熱試驗、霉菌試驗和鹽霧試驗(表 5、6、7)。

從表 5、6、7可知，涂層厚度大于 13μm，霉菌試驗為0級，說明Parylene涂層的防霉性很好，鹽霧試驗無明顯變化。而濕熱試驗經(jīng)SC-70促進，13μm厚度的模塊上仍有少量氣泡，而未經(jīng)促進的模塊表面有大面積氣泡，不合格。為此，選擇15～25μm厚度進行濕熱試驗，試驗結(jié)果全部合格。此時，厚度增加后，氣泡明顯減少，氣泡的形成與很多因數(shù)有關(guān)，但當濃度為1%時，在最佳促進工藝條件下，厚度≥15μm，無氣泡形成，故印制電路組件最佳耐三防性能的厚度為15～25μm。

2.4 Parylene涂層耐溶劑性能測試

進行耐介質(zhì)試驗，浸泡介質(zhì)為0.1mol NaOH溶液、0.1mol H2SO4溶液、5% NaCl溶液、二甲苯、丙酮、乙酸乙酯、四氯化碳、汽油、自來水，常溫、常壓、24h和3個月條件下，滿足技術(shù)指標要求?？梢?，ParyleneC材料耐溶劑性很強，幾乎不溶于所有的已知溶液。

表5 兩種厚度霉菌試驗結(jié)果

表6 兩種厚度濕熱試驗結(jié)果

表7 兩種厚度鹽霧試驗結(jié)果

2.5 ParyleneC涂層耐高低溫沖擊性測試

進行ParyleneC涂層高、低溫沖擊試驗，試樣為普通陽極化模塊、硬質(zhì)陽極化模塊、導電氧化鋁片、有阻焊環(huán)氧印制板、無阻焊環(huán)氧印制板、LY12硬鋁，按GJB150.5-86《軍用設備環(huán)境試驗方法、溫度沖擊試驗》執(zhí)行。技術(shù)指標要求為： (1)保護層除局部邊棱處外，無起泡、開裂或脫落； (2)允許保護層光澤顏色減退，但不應有嚴重起皺、結(jié)皮等現(xiàn)象。采用CST320-2T溫度沖擊箱，高溫(70℃)、低溫(-55℃)、轉(zhuǎn)換時間不大于 5min、循環(huán)3次，SC-70和A-174促進、ParyleneC真空沉積、不同膜厚(15μm、17μm、19μm)、促進濃度1% 條件下，經(jīng)高低溫沖擊試驗后，樣件全部合格。試驗由中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所二室例行試驗室承制。

經(jīng)溫度試驗考核，ParyleneC涂層的耐高、低溫性很好，熱穩(wěn)定性很高，滿足技術(shù)指標要求。

2.6 ParyleneC涂層附著力和柔韌性測試

表8 幾種材料的附著力和柔韌性試驗結(jié)果

對常用三防材料S31-11 、H01-1、1B31進行了附著力和柔韌性測試對比試驗，見表8。

從表8可知，經(jīng)促進后的 ParyleneC涂層的附著力達到1級，柔韌性達到R0.5mm，均優(yōu)于其他三防涂層。

3 結(jié)論

(1) 各項試驗表明，選擇的促進工藝參數(shù)合理(濃度為1%，時間為5min+5min+5s，達到了設計要求。

(2) 選擇的促進劑經(jīng)最佳促進工藝后，附著力達到1級，且經(jīng)濕熱、鹽霧、霉菌、溫度、介質(zhì)試驗考核后，全部達到技術(shù)指標要求，滿足軍用印制電路組件三防技術(shù)要求。

[1] Meng E, Tal Y C. A parylene MEMS flow sensing array//Proceedingof the 12th International Conference. USA ：Pasadena，2003:686-689.

[2] Beach W F ,Lee C, Bassett D R, et al. Xylene polymers //Proceeding of encyclopedia of polymer science and engineering. New York: Wiley, 1989： 990-993.

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[7] 張立新，周元林，王恩澤，等.新型涂層Parylene薄膜表面改性研究進展 .材料導報，2008，22(10)：112-113.