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Parylene在雷达产品中的应用探讨

2018年10月23日 点击:

摘  要:

介绍了雷达在严酷的环境条件下“三防”的重要性,列举了聚合物Parylene的特点,阐述了Parylene涂覆所采取的气相沉积原理和制备工艺。对Parylene涂层的性能与环氧涂层、有机硅涂层、聚氨酯涂层的性能进行了对比分析和探讨;并针对雷达的微波组件、数字电路组件、高功率组件等电子设备,分析了Parylene涂层应用优势。

关键词:

雷达;派拉伦;聚氨酯;三防涂层


0 引 言

雷达电子设备的使用环境是非常严酷的,各种自然环境条件和平台环境条件相对于民用电子设备来说,工作环境的温度剧变大、气压低、盐蚀严重且电子设备的发展趋势是体积小、功率大、集成化高、可靠性和环境适应性要求高。为保证能在恶劣的环境下正常工作,不影响到雷达整机的使用寿命和可靠性,对于雷达电子设备来说,有效的三防处理是保证雷达电子设备可靠性和提高使用寿命的必要手段。现有“三防技术”中,常用的聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂、有机硅等涂层对雷达电子设备的微波电路性能有一定影响,且对较高频率影响尤为明显。随着三防技术的发展,一种新型聚合物Parylene涂层材料,可以很好地解决上述问题,使得它在雷达电子设备上具有良好的应用潜力。

1 Parylene介绍

“Parylene”译名“派拉伦”,是20 世纪60 年代中期美国Union Carbide公司开发应用的一种新型覆形涂层材料[ 1 ] ,它是一种对二甲苯的聚合物。Parylene

涂层用独特的真空气相沉积工艺制备,由活性小分子在基材表面“生长”出完全敷形的聚合物薄膜涂层,它能涂覆到各种形状的表面,包括尖锐的棱边、裂缝里和

内表面。这种室温沉积的0. 1 μm ~100 μm 薄膜涂层,厚度均匀、致密无针孔、透明无应力、不含助剂、不损伤工件、有优异的电绝缘性和防护性。精细的尺寸和优异的性能相结合,使Parylene在要求高性能和高可靠性的现代高新技术产品中得到了越来越多的应用。

2 Parylene与传统涂层性能对比以及涂覆的工艺

Parylene涂层的涂覆采取的是气相沉积原理,其过程类似于真空金属镀膜,真空沉积过程是在0. 1 torr左右的压力下进行的,对二甲苯的聚合物在真空状态

中受热后从固态转变为气态,又在工件表面由气态转变为固态沉积下来,吸附在被涂覆物体上,并进行聚合过程,如图1所示[ 2 ] 。在被涂覆物体的表面形成一层均匀、致密的保护层,得到所谓真正的敷形特性的涂覆,如图2所示。Parylene真空镀膜的整个过程操作简单,只需要简单的监控。

下面表1给出Parylene涂层的主要性能及与其他材料涂层的比较。

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表1 Parylene涂层的主要性能及与其他涂层的比较

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 从表1可以看出, Parylene具有相对较低的介电常数和介质损耗因数,可在较薄的涂层厚度下达到较高的防护效果,且涂层均匀性好,如果应用于微波组件

的防护,可有效减少涂覆材料对其性能的影响和传输过程中造成的附加功率损耗。另外,从导热性、吸水性来看, Parylene具有较好的防潮、导热效果;利用涂覆工艺原理,涂层厚度具有良好的一致性,厚度差可控制在3μm以内,这是其他材料很难达到的。

3 Parylene优点

(1)完全的封装。气相沉积使Parylene涂覆达到液态涂覆所难以达到的表面并且不会在相邻的表面之间形成桥接。

(2)无应力应用。在室温下Parylene的聚合过程不需要溶剂或其他添加剂,而这些物质都会产生漏气以及在易损表面产生不同的应力。

(3)化学纯净性和惰性。因为Parylene沉积过程是瞬间完成在涂覆时不需要凝结时间, Parylene涂层没有凝结结晶残留,因此特别纯净并具有化学惰性。

(4)一致性。Parylene涂层是由凝结的活性单体在现面生长成高聚物形成的,分子之间紧密相连,这种独特的过程使其具有非常好的一致性、均匀性并且不会产生针孔和缺陷。

(5)有用的特性。Parylene所表现的有用特性包括干膜润滑性、粒子的稳定性、疏水性、生物相容性、化学不可溶性、对水解剥蚀的不敏感性、热稳定性、低渗

透性和高绝缘性。这种涂层可以通过几种方法除去以利于修复所覆盖的基片例如昂贵的电路,被修复的电路可以重新用Parylene涂覆。

(6)过程控制。由于Parylene涂层是在基片表面向外生长的,高聚物可以被控制在100 nm到几十个纳米,这种性能,同Parylene的低渗透物性一起,可以做到用最少的涂覆量得到最需要的保护。

4 雷达中的应用探讨

雷达电子设备主要由微波组件、数字电路组件、高功率组件等组成,通过一定的装配和互联关系而实现一定的功能。由于雷达电子设备所处的环境恶劣,因

此关键部位三防尤为重要。

4. 1 Parylene在雷达微波组件上的应用

雷达电子设备的常规三防处理是采用液态涂料涂覆,高频微波组件一般不涂覆或者采用密封的方法,对于在盒体内的微波电路板采用密封方法,既可以起到防护作用,也起到电磁屏蔽的作用。但是工艺比较复杂,对于大功率的电路来说,由于元器件的发热不能及时散出,会出现较严重的热故障。微波组件三防工艺

不足之处:

(1) 涂覆材料对微波性能的影响大并会造成的附加功率损耗;

(2) 微波器件由于涂覆过厚的防护材料而导致特性畸变,同时增加设备重量,减少了热扩散能量。

相比之下,而采取Parylene涂覆来作为微波器件的三防处理手段,可以起到很好的作用,这是因为,Parylene涂层不仅有优异的介电性能、低的介质损耗和高的介电强度,同时具有优异的尺寸稳定性和低温性能。所以在微波组件上应用Parylene涂层的三防效果,明显优于液态涂料涂覆效果。

根据了解到的情况,美军标M IL2I246058C293 规定所使用的5大类材料中就有用真空气相沉积的方法聚合的超薄Parylene系列防护涂层。经过试验研究,涂层厚度在15 μm左右, Parylene防护的微波电路的频率4 GHz~6 GHz[ 4 ] 。

4. 2 Parylene在雷达数字电路组件上的应用

随着雷达装备技术的发展,数字电路组件也日益向小型化和高密度方向发展,由于大量使用高密度AMO、BGA表面贴装器件,所以数字电路组件三防措施也是非常重要。目前,雷达数字电路组件三防主要使用聚氨酯、环氧树脂等液体防护涂料。通过喷涂、刷涂,然后再烘干固化的工艺,在数字电路组件表面形成防护涂层。这类三防处理与Parylene三防处理相比,在数字电路组件上表现差异如下:

(1) 在基材表面由于此类液体涂料的粘度和表面张力等原因,涂层厚度不均匀,在棱、角等处涂层较薄;而Parylene涂覆通过气相沉积原理能够在基材表面形成厚度一致的薄膜,且涂层厚度可以控制很薄,能对印制电路组件的表面提供非常可靠的防护;

(2) 当元器件之间、元器件与基板之间仅有很小间距时,液体涂料会因涂层流淌不到而形成气隙,也容易与外界物质反应,形成腐蚀;而Parylene完全的封装性、化学纯净性和惰性,解决了这类问题,它通过气相沉积使Parylene涂覆液态涂层所难以达到的表面;不会在相邻的表面之间形成桥接;另外,涂层没有凝结结晶残留,特别纯净并具有化学惰性起到了很好保护作用;

(3) 聚氨酯涂层固化、烘干后会因溶剂或小分子助剂的挥发,产生收缩应力或在涂层中形成微小针孔;这些传统涂层的介电强度一般也在2000 V /25μm以下,因此必须要经一次或多次涂覆,用较厚的涂层才能实现较可靠的防护;但Parylene涂覆利用气相沉积原理一次成型,在室温下Parylene的聚合过程不需要溶剂或其他添加剂,所以不会产生漏气和表面产生不同的应力且介电强度是聚氨酯的3倍以上。

通过以上对比可以看出,在雷达使用环境条件下,使用Parylene材料对雷达数字电路组件进行三防处理,能够更好的满足雷达电子设备的三防要求。

4. 3 Parylene在雷达高功率组件上的应用

雷达的高功率组件是电阻电容密集度非常高的地方,通过Parylene三防处理,可以很好解决防霉、导热、水汽渗透等问题。与其他涂层相比, Parylene防护的电路电阻几乎不下降,而且水汽渗透低、导热性好、防霉效果强,还有利于组件工作热量的消散。它作为防护涂层能使电阻、电容、电路具有更高的可靠性,因此,在雷达高功率组件上Parylene涂层与其他涂料比较更显示出其优异的防护优势。

5 结束语

Parylene由于其优异的性能,将逐渐成为军用、航空高密集度小型化产品防护处理的一种趋势。在严酷环境条件下, Parylene防护处理可使雷达器件抗恶劣环境的(湿热、霉菌、盐雾)能力以及可靠性大大提高,相信将来Parylene将更多地应用各个领域中。从另一个角度看,雷达电子设备的“三防”性能已成为系统整机重要的技术指标之一。单纯的工艺技术实施是一方面,更重要是突破传统“三防技术”的范畴,把“三防”理念向电路、结构、工艺设计和综合性的技术管理等方面扩展,更加注重“三防设计”,而并非单纯的在产品完成后进行“三防防护”。

参考文献

[ 1 ]  陈 曦. 聚对二甲苯在电子领域中应用的新进展[ J ]. 电子工艺技术, 2002, 23 (4) : 146 - 148.Chen Xi. Advance of poly2P2xylylene in app lication of elec2tronics[ J ]. Electronics Process Technology, 2002, 23 ( 4) :146 - 148.

[ 2 ]  杨冰论. Parylene一种最优质的三防材料[ J ]. 舰船电子工程, 2008, 28 (2) : 156 - 158.Yang Binglun. Parylene the best three p roofings technology[ J ]. Ship Electronic Engineering, 2008, 28 (2) : 156 - 158.

[ 3 ]  吴礼群. Parylene覆形涂层[ J ]. 电子机械工程, 2004, 20(6) : 51 - 53, 61.Wu L iqun. Parylene conformal coating[ J ]. ElectroMechan2ical Engineering, 2004, 20 (6) : 51 - 53, 61.

[ 4 ]  魏 斌. 微波电路的基本特性和防护技术的发展趋势[ J ]. 电子工艺技术, 2002, 23 (4) : 143 - 145, 148.Wei Bin. The basis characteristic of microwave circuit andthe trend of p roofing technology [ J ]. Electronics ProcessTechnology, 2002, 23 (4) : 143 - 145, 148.

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