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聚对二甲苯类三防漆在下一代电子产品中的作用

2019年10月27日 点击:


电子产品设计师和制造商都面临着轻薄短小以及更严格的环保等压力,还需要确保新技术在其操作环境中能够可靠地运行,这包括暴露于化学品、湿气、电荷和极端温度环境下,同时还需符合越来越严格的环境、安全、特种行业、政府法规及生物法规等要求。本文将详细介绍聚对二甲苯类三防漆及在帮助制造商应对电子行业当前和未来挑战时所发挥的作用。


20世纪50年代末Union Carbide公司科学家开发出了聚对二甲苯,是一系列独特的聚合物有机涂层材料的通称。呈线性多晶结构,具有良好的绝缘性能、阻隔性能、化学惰性。聚对二甲苯涂层超薄、无针孔,并且由于它们的分子水平聚合而可真正敷形于部件——基本上一次一个分子地在基板表面上“生长”。


聚对二甲苯涂层采用气相沉积工艺,而不是通过点涂、喷涂、刷涂或浸涂,该工艺开始时将待涂覆的部件放置在沉积室中,然后将称为“二聚体”的粉末原料放入系统另一端的蒸发器中,加热二聚体,使其升华为蒸气,然后再次加热使其分解成单分子蒸气,将该蒸气转移到环境温度室中,它会自发地聚合到部件上,形成薄聚对二甲苯膜,在受控真空封闭系统中进行聚对二甲苯沉积工艺,沉积室在整个工艺中保持在室温下,在涂覆工艺中不使用溶剂、催化剂或增塑剂。


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因为在沉积过程中没有液相,所以不会在液体涂层的应用中后续产生弯月面、淤积或桥接效应;整个部件受到相同保护,聚对二甲苯涂层的分子“生长”不仅确保了在制造商规定的厚度下均匀的敷形涂层,而且由于聚对二甲苯由气体形成,它还可渗透到每个裂缝(无论看起来如何难以到达),确保了基板的完全包封。


此外,聚对二甲苯涂层非常轻,具有优异阻隔性能的同时,不会增加精密部件的大小或质量。典型的聚对二甲苯涂层的厚度范围为500埃至75微米(其他大多数涂层材料做不到如此薄),且仍然能提供相同水平的保护。


聚对二甲苯系有几种变体,但都是完全线性、高度结晶的材料,具有超薄和重量轻的优点,它们还可提供优异的介电、湿气和化学屏障,增加引线键合的强度,确保有效的信号传输,并且与生物相容,聚对二甲苯具有极低的介电常数和损耗因数,使其能够通过薄涂层提供具有介电绝缘功能的小而紧密的封装,实际上每单位厚度的击穿电压会随着聚对二甲苯膜厚度的减小而增加。


聚对二甲苯涂层已在电子、运输、航空航天、国防和医疗设备行业中使用45年之久,事实上在其他解决方案不足以满足行业不断增长需求时,聚对二甲苯涂层可在产品需要小巧、更轻便、更坚固和更可靠时提供解决方案。


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行业挑战和聚对二甲苯解决方案



小巧轻便


无论是针对消费市场还是国防市场,电子产品制造商始终面临着电子封装更小更轻的压力;无论整个设备的大小如何,都面临这个问题。虽然近年来移动电话实际上变得越来越大,但它们的功率和功能都比前代产品更多,因此它们的内部元器件不得不缩小,同样,汽车和飞机的尺寸几乎没有变化,但是两者不断使用额外的电子部件来增加其功能和可靠性,与此同时,这些行业越来越多地呼吁减轻重量以提高系统效率。


因为聚对二甲苯涂层是以蒸气涂覆,所以分子会长成一层薄膜,均匀粘附在每个表面和边缘以及裂缝内。涂层可完全封装复杂的基板,提供极佳的阻隔和介电保护。另外,由于它们的超薄性,它们可在不显著增加尺寸或重量的情况实现保护。


相比之下,液体涂料通常通过喷涂、刷涂或浸涂涂覆,并且由于淤积、桥接或弯月面效应可能无法提供完全覆盖,虽然这些涂层解决方案足以满足某些应用的要求,但对于当今先进的电子设计,他们的应用有局限性。


绿色电子


每年全球销售超过15亿部手机。通常这类设备每两年更换一次,有些是回收利用,但有些则最终进入垃圾填埋场或焚烧炉,使用氟、氯和其他卤素材料的报废设备材料被处置或焚烧时会释放出有毒污染物,因此许多设备制造商已经致力于减少或消除这些材料的用量。


随着国际标准和环保倡议的不断发展,必须增加环保产品和材料的供应,尽管含有氯分子的聚对二甲苯变体即使在高温下也非常稳定,但已引入了一种新型变体——ParyFree®,它完全不含卤素,并具备其他商用聚对二甲苯的有益特性。


ParyFree可为电子制造商提供无卤涂层解决方案,与传统的非卤素聚对二甲苯变体相比,可提供更好的防潮屏障。


阻隔水分、灰尘和化学品


与此同时,各个行业的设备电子部件含量也在增加;这些系统必须可靠运行的苛刻环境范围也在扩大。无论是在太空真空中、在汽车引擎盖下、在油田的钻井平台上、还是在人体内,必须保护关键电子设备免受其环境(例如,潮湿、化学品、流体、灰尘等)的影响,以确保可靠运行;生活中就是这样。此外,近年来可穿戴设备的使用急剧增加,并且用户要求他们的设备(例如,电话、耳机、手表、健身监视器等)可以完全承受这些影响因素。从本质上讲,消费电子产品现在升级为需要国防级的防护。


涂有ParyFree的电路板可通过独立设施进行盐雾测试,根据ASTM B117-(03),涂覆的电路板在暴露144小时后未呈现腐蚀、盐或重的氧化铁沉积物,涂有Parylenes C和ParyleneHT®的板显示出相似的结果。


最近也按照IEC 60529的适用要求测试了涂覆有ParyFree电子产品,测试条件为14.2.7和14.2.8中指定的IPX7和IPX8,通过该测试表明可防止因水进入而产生的有害影响,未涂覆(基准)电子产品在测试期间功能失效,但所有涂覆了ParyFree的电子产品均通过了两种测试条件,在测试期间和测试后都能正常运行。这些测试表明,与其他特种涂层系统(SCS)聚对二甲苯变体一样,ParyFree适用于在1米(IPX7)和1.5米(IPX8)深度下保护电子产品和其他设备免受水溅和水浸30分钟以上。


防止电弧和静电放电


电子产品长期以来容易受到电弧和静电放电(ESD)的影响,而且现代设备实际上更容易受到这些电气风险的影响,因为单个元件更小,此外接触点也更紧密,更紧密的布线根本不能承受与旧设备的较粗布线相同的突然震动。


聚对二甲苯具有非常高的介电强度——高达相同厚度其他涂层的2倍。因此,它们提供了极佳的绝缘保护,以防止电弧和静电放电(ESD)损坏而不会显著增加质量。例如,25微米的聚对二甲苯涂层将具有7000伏的介电容量,没有其他涂层可以像聚对二甲苯那样薄的同时仍然可提供相同水平的保护。


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耐受热循环极限、压力和振动的稳定性


用于汽车、飞机、石油钻探和太空探索的电子产品暴露在恶劣的环境中,人们希望这些产品可以在其中可靠地运行。例如,在飞机机翼或携带卫星进入太空的火箭中的电路板组件将从海平面温度快速下降至零下温度的平流层高度,除了温度变化之外,作为飞行的一部分,微小、精密的关键任务电路必须承受快速的压力变化和强烈的振动。


在地球应用中取得成功的一些保护方法在太空大气层中可能会失败。由于涂层应用的性质,可能被环氧树脂或丙烯酸密封剂捕获的空气释放,使得关键部件在飞行或操作过程中受不到保护。


Parylene HT专门设计用于保护必须暴露于恶劣高温环境中的组件,该涂层在350℃(长时间)的空气中具有热稳定性,并且在升高至450°C短时间内仍可保持稳定,为许多航空航天、国防和运输应用提供了极佳的保护。Parylene HT在紫外线环境下也是稳定的。


聚对二甲苯涂层虽然超薄且重量轻,但可以增强精细元器件和引键合,有助于确保精密电子产品的安全。此外,由于薄膜的分子生长,不会产生在压力快速变化时造成灾难性风险的空洞或气泡。


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生物相容性和生物稳定性


神经刺激器、心脏起搏器、耳蜗和眼部植入物、电外科工具,以及越来越多的设备可对患者的生活产生巨大影响,前提是它们具有生物兼容性、生物稳定性,并且在接触或植入人体时具有操作可靠性。聚对二甲苯保护医疗电子元件免受潮湿、生物液体和生物气体的影响,这类影响可能导致组件过早失效。这种保护不仅延长了设备的使用寿命,还降低了在最关键时刻发生失效的风险。SCS Parylenes N、C和Parylene HT符合ISO-10993的生物测试要求,包括细胞毒性、致敏、皮内反应性、急性全身毒性、植入(2、12和26周)、血液相容性(溶血和PTT)和致热性。涂层经过了认证,符合USP VI级塑料的生物测试要求。


结论


在选择材料和解决方案时,产品设计工程师需要了解产品的功能及其在指定环境中的反应方式。为帮助确保满足这些要求,行业规定了制造商(通常是其分包商)必须满足的各项法规条例,这些要求建立了产品和工艺的测试、认证标准。


虽然可以根据各种标准和行业法规对聚对二甲苯涂层的认证要求进行评估,但涂层供应商也可以根据其工艺认证和合规性进行部分评估。以下是制造商应审查的一些工艺、产品规格及认证(如适用):


• AS9100和/或ISO 9001管理系统

• IPC-CC-830的要求

• MIL-I-46058C的QPL

• 生产件批准程序(PPAP)

• 欧盟的RoHS指令

• REACH合规性

• 无卤倡议

• ISO 10993,USP VI级生物评估和认证

• ISO 14644洁净室

• UL(QMJU2)


随着全球行业需求和法规指令的不断发展,制造商必须确保其产品符合相关标准,并确保产品在任何环境下都能可靠运行。聚对二甲苯类三防漆为设计师和工程师提供了一系列解决思路,有助于提高产品可靠性和性能。