Parylene 薄膜對傳感器硅橡膠組件的封裝防護

袁莓婷，何燕春，曲 亮

（航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

1 研究背景

現(xiàn)代清洗技術(shù)的綠色化進程，限制了揮發(fā)性有機化合物（ⅤOC）試劑的使用，有機溶劑清洗逐漸被各種環(huán)保清洗方式取代，其中，以水為主要清洗劑的水清洗和半水清洗工藝應用越來越廣泛。與此同時，自動化的清洗設(shè)備也逐步取代了手工操作，這些清洗設(shè)備中廣泛使用了一些橡膠、硅橡膠制成的密封件、O形圈、墊片、彈性體元件，這些組件與金屬材料相比較，更易受到清洗劑的腐蝕，而影響使用壽命。對于水清洗設(shè)備中排水管路上的壓力傳感器，它的一個重要組件是硅橡膠膜片；而半水清洗使用的石油烷烯烴類清洗劑對硅橡膠材料具有較強的溶脹作用；當壓力傳感器使用一段時間后，由于硅橡膠膜片長時間接觸清洗溶液，會發(fā)生溶脹變形，導致傳感器失效，從而導致整個清洗設(shè)備出現(xiàn)故障[1-3]。

使用化學氣相沉積法（CⅤD）生成的聚對二甲苯類（Parylene）薄膜是一種均勻、超薄、致密無孔隙、具有優(yōu)異電絕緣性能、物理機械性能及防潮、防霉、防腐蝕等特性的高分子材料。利用聚對二甲苯薄膜對壓力傳感器的硅橡膠組件進行封裝，將會提高硅橡膠的性能，改善硅橡膠在清洗溶液中的抗腐蝕、耐溶脹等性能，從而延長硅橡膠產(chǎn)品的工作壽命[4-6]。

2 Parylene 薄膜材料和涂敷工藝

2.1 Parylene 材料

Parylene 是一種純凈的晶體和非晶體的線性聚合物，屬于一種具有完全線形、高度結(jié)晶的高聚物。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的不同，Parylene 聚合物通常有3 個品種，即聚對二甲苯（Parylene N）、聚氯代對二甲苯（Parylene C）和聚二氯代對二甲苯（Parylene D），如圖1 所示。每種類型都具有不同的特性，要根據(jù)具體應用的確切性質(zhì)選擇最適宜的Parylene 種類，它可以被涂敷到各種形狀的表面，在鹽霧、霉菌、濕熱、腐蝕性等惡劣環(huán)境中，顯示了很好的隔離防護功能。

圖1 Parylene 的化學結(jié)構(gòu)

N 型Parylene 是對二甲苯的高聚物，在各類Parylene 材料中具有最強的滲透能力，能夠有效地在各種細縫或盲孔表面形成薄膜，尤其對硅橡膠的緊密黏合性特別優(yōu)越。它的介電常數(shù)極低（2.65），耗散因子小，且隨外界頻率的增加變化不大，主要用于橡膠、光學領(lǐng)域。由于Parylene N 具有高頻損耗和低介電常數(shù)，經(jīng)常在高頻應用中使用。

為二甲苯鏈的側(cè)環(huán)上添加一個氯原子，就得到了C 型Parylene。C 型Parylene 具有非常低的水分子和腐蝕性氣體的透過率，沉積生長速率也比N 型快得多，相應的滲透能力也差于N 型，是目前應用最廣、防護效果最好的Parylene。

D 型Parylene 有2 個氯原子加在苯環(huán)上，這導致薄膜的熱穩(wěn)定性比Parylene N 和Parylene C 更強，但滲透能力與Parylene N 和Parylene C 相比有所下降。

2.2 Parylene 材料涂敷工藝

采用化學氣相沉積法（CⅤD）制備Parylene 薄膜是在專門的真空涂覆設(shè)備中，將固態(tài)粉狀原料在120～180 ℃的溫度下進行蒸發(fā)汽化，產(chǎn)生氣態(tài)二聚體；然后在650～700 ℃高溫下將二聚體分子的2 個側(cè)鏈碳碳鏈裂解生成穩(wěn)定的活性單體；最后活性單體在室溫下進行聚合沉積，瞬間吸附在基體上聚合成為聚對二甲苯薄膜。

由于該膜層是由活性小分子在基材表面“生長”出的完全敷形的聚合物薄膜涂層，使任何形狀表面都可以形成一層完整、超薄、形狀完全一致的敷形涂層，不存在涂敷的“盲區(qū)”；氣相生長過程直接形成固體，單氣體會均勻地分散到工件各表面，不會出現(xiàn)像液相的特性，從而消除了涂層厚度不均勻、保證了涂層無裂紋或針孔等缺陷。

另外，涂層厚度可精確控制，涂層厚度取決于原料消耗量、工件的涂敷面積及氣體單體在沉積腔內(nèi)的駐留時間，通常的沉積速率為0.5～5 μm/h。目前，可以制備厚度0.1～50 μm、均勻致密、無針孔的Parylene薄膜。

2.3 涂膜過程

由于Parylene N 薄膜與硅橡膠吸附能力最明顯，因此，本試驗選用的材料為美國PTC 公司生產(chǎn)的對二甲苯環(huán)二體（Parylene N），白色結(jié)晶粉末，質(zhì)量分數(shù)大于99%。

本試驗使用的氣相沉積設(shè)備是美國SCS 公司的PDS-2060Ⅴ真空涂敷系統(tǒng)。

將硅橡膠試件放入真空涂敷系統(tǒng)的沉積室內(nèi)并抽真空，室溫下通過氣相沉積，獲得Parylene N 薄膜，沉積壓力小于等于13 Pa，沉積時間為60 min，成膜厚度為5 μm。

2.4 試驗

將涂敷Parylene N 的硅橡膠試件和未涂敷Parylene N 的硅橡膠試件分別放入不同的溶劑和溶液中，定期觀察試件，進行耐溶劑試驗考核，并對試驗結(jié)果進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 Parylene 材料的化學抵抗特性

在室溫環(huán)境下，Parylene 可以抵抗化學物質(zhì)的侵襲，并且在150 ℃下不溶于所有的有機溶劑，而且溶劑都不會對它產(chǎn)生滲透，同時也不能通過應力-破裂作用降解其他材料的試劑影響。表1 為Parylene 材料對有機溶劑及酸堿溶液的耐受性能。

表1 Parylene 薄膜室溫下浸入有機試劑及酸堿溶液90 min 后產(chǎn)生的厚度變化（紅外法測量）

由表1 可知，這些有機溶劑對Parylene 有輕微的溶脹作用，聚合物薄膜的最大厚度增加為3%。相比較，Parylene N 耐受有機溶劑的能力更好一些。

無機溶劑對Parylene涂層的影響要小于有機溶液，特別是質(zhì)量分數(shù)低的無機溶液在室溫下基本上對Parylene 沒有什么影響。

3.2 硅橡膠試件的耐溶劑性

將涂敷有Parylene N 的硅橡膠試件和未涂敷Parylene N 的硅橡膠試件放入溶劑中，浸泡一段時間，比較試件體積溶脹的變化，如表2 所示。

表2 硅橡膠試件的體積溶脹變化

由表2 可知，硅橡膠的體積溶脹與接觸溶液的時間成正比。涂敷有Payrlene N 薄膜保護的硅橡膠，其體積溶脹改變明顯好于未涂敷Payrlene N 的硅橡膠。對于清洗設(shè)備使用的清洗液——含3%水溶液的AX32清洗劑，涂敷Payrlene N 的硅橡膠的耐溶脹能力增加了至少50 倍以上，相當于壓力傳感器的使用壽命從目前的1 個月，增加到4 年。

4 結(jié)論

采用Parylene N 薄膜材料封裝壓力傳感器的硅橡膠組件，改善了硅橡膠的耐溶劑性能，減緩了硅橡膠在溶劑中的體積溶脹速度，大幅度地提高了壓力傳感器的工作壽命。此項技術(shù)還可被應用到橡膠、硅橡膠材質(zhì)的密封圈、傳感器、閥門及迫緊裝置的表面防護，以改善它們在溶劑或油類物質(zhì)中的硬度、拉伸強度和體積溶脹等性能的保持率。