Parylene涂覆技術在天饋系統防護上的應用

敖遼輝

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

Parylene涂覆技術在天饋系統防護上的應用

敖遼輝

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

針對部分天饋器件結構復雜和腔體尺寸太小無法進行傳統鍍覆防護的特點,提出了真空氣相沉積派拉綸(Parylene)膜層防護處理方法。采用涂覆硅烷偶聯劑、優化涂覆工藝過程解決了Parylene涂覆層與基體的結合力、Parylene膜層質量等關鍵技術,通過防護試驗和電性能測試驗證了防護方法的有效性和可行性。

直升機載雷達;毫米波平板裂縫陣天線;天饋系統;涂覆技術;防護;派拉綸;真空氣相沉積

1 引 言

天線、饋源、波導是電子裝備天伺饋系統的重要組成部分,為了降低傳輸損耗,常常對波導等微波元件進行鍍銀或鍍金,但其內表面的防護問題突出,常用的鍍銀層易變色、發黑,引起信號傳輸質量降低,甚至嚴重影響整機性能。某些結構復雜和腔體尺寸太小的饋線,如一些毫米波頻段的和差網絡,由于電鍍時管壁的屏蔽作用,其腔體內部很多區域沒有鍍層,耐腐性很低,基體沒有鍍層保護,大大降低了其使用壽命。

近年來,隨著電子設備輕量化要求的推廣,鋁合金材料大量用于天線、饋線的制造。由于鋁合金自身抗蝕性差和電偶腐蝕因素的存在,鋁合金天饋器件的防護問題更加突出。某直升機載雷達最初采用鋁合金饋線,由于饋線腐蝕不得不更換防護性更好的銅饋線,導致其重量增加2倍。

毫米波平板裂縫陣天線的特點是多層、空腔和薄壁,結構緊湊復雜,精度要求高。采用鋁合金材料高速切削加工成型的平板裂縫陣天線,是一種用定位銷和工裝裝配定位夾緊,真空釬焊整體焊接成形的壁厚較薄的腔體類零件[1]。加工完成后,連最基本的化學氧化處理都不能進行,也無法進行傳統的鍍覆防護處理,只能依靠材料自身的耐蝕性來保障天線的防護能力,給天線系統長期工作可靠性帶來隱患。

本文針對目前饋源、波導及平板裂縫陣天線防護手段不足的需求,提出了一種真空氣相沉積聚對二甲苯膜層防護饋線工作面的方法,開展相關工藝技術研究,并進行了性能測試驗證。

2 Parylene涂覆技術

2.1 Parylene簡介

派拉綸(Parylene)是一種堅韌、透明和良好均勻性的新型高分子材料,具有優異的電絕緣性能、物理機械性能、防潮防霉防酸防鹽霧等特性,在鹽霧、霉菌、潮濕、腐蝕性等惡劣環境中有很好的隔離防護功能。自20世紀60年代中期美國Union Carbide公司開發以來,它就以獨特的工藝性能優勢,在電子、光學、航天、航空、醫學和其他領域里得到廣泛的應用[2]。這層0.1～ 100 μ m薄膜致密均勻,無針孔,無應力,有優異的電絕緣性和防護性,是當代最有效的防潮濕、防霉菌和防鹽霧腐蝕的涂層材料[3]。同時,該材料在真空氣相沉積時的特性是無孔不入,在傳統防護工藝的防護死角能得到均勻連續的膜層,正可用于饋源、波導內腔的防護。

2.2 天饋器件涂覆工藝過程

通常在天饋器件加工完成后,其內腔信號傳輸面在進行傳統的鍍覆處理后(部分天饋器件無法進行),再進行Parylene涂覆處理過程。主要步驟包括:對需要防護處理的平板裂縫陣天線、饋源及波導的需要電接觸的部位用壓敏膠帶或可剝膠保護;對需要防護的部位進行硅烷偶聯劑處理;將需要防護處理的平板裂縫陣天線、饋源及波導進行真空氣相沉積派拉綸處理;涂覆完成后去除保護壓敏膠帶或可剝膠。

Parylene涂覆通常采用真空氣相沉積工藝。涂覆過程大體可分為3步:首先在真空條件下,將對二甲苯環二聚體在175℃下加熱升華為氣態;二聚體氣體進入裂解腔,在680℃溫度下,二聚體的分子鍵被斷開,裂解成具有反應活性的對二甲苯單體;對二甲苯單體進入室溫的真空沉積室,在電路組件的基體表面上沉積并聚合,形成聚對二甲苯薄膜。Parylene的涂覆流程如圖1所示。

圖1 氣相沉積制備Parylene流程圖Fig.1 Schematic of vapor deposition for Parylene

3 天饋器件Parylene涂覆需解決的關鍵技術

3.1 Parylene涂覆層與基體的結合力

涂層與基體的結合力好壞是直接影響涂層防護可靠性的重要指標。常用天饋線的基體金屬及表面處理狀態包括鋁材、銅材、鋁合金導電氧化膜、鍍銀層、鍍金層等,其與Parylene涂層的結合力強弱順序為:鋁合金導電氧化膜>銅材>鋁材>鍍銀層>鍍金層。

為增加Parylene涂層在金屬材料及其鍍層上的附著力,在Parylene涂覆之前,必須在金屬材料及鍍覆層上增加一層過渡層。

硅烷偶聯劑是能同時與有機物和無機物產生一定結合力的化合物,是一種兩性結構物質。硅烷偶聯劑的通式為R-SiX3,其中R是與聚合物分子有親和力或反應能力的活性官能團,X為可水解烷氧基團,與水溶液、空氣中的水分及無機物表面吸附的水分均可引起分解而形成Si-OH基,與無機物表面有較好的反應性[4]。這樣,在有機表面和無機表面都能形成親合界面,增強基體金屬材料與表面有機膜層的附著力,使涂覆膜層不會脫落。

偶聯劑的涂覆方式有兩種:一種是采用沉積室里的AP裝置蒸發涂覆;一種是用偶聯劑溶液浸涂,浸涂后取出烘干。通過偶聯劑的涂覆,大幅提高了提高Parylene涂層與基體金屬的結合力。經偶聯劑處理及Parylene涂覆的鍍金、鍍銀板經高低溫沖擊試驗、10天濕熱試驗和96 h鹽霧試驗后未發現膜層起泡、脫落及基體腐蝕等現象,顯示Parylene涂覆層與基體結合力良好,防護性能優良。

3.2 Parylene膜層質量

膜層的防護性能與膜層質量的好壞有直接的關系。膜層質量較好,較薄涂層就可達到較高的防護效果;涂層較薄且均勻性好,可有效減少涂覆材料對天饋器件性能的影響及對信號傳輸過程中造成的附加功率損耗。

試驗表明,沉積速率越快,成膜質量越差。沉積速率太快,膜層有明顯的顆粒狀物質;沉積速率太慢,涂覆工藝時間較長,工藝性較差。通過優化涂覆工藝過程,使各技術參數得到很好的協調,提高了涂覆薄膜的質量。

涂覆工藝過程優化前后處理的膜層微觀圖片分別如圖2和圖3所示。對比兩圖表明,優化涂覆工藝過程后制備的膜層均勻、致密,無氣相成核顆粒,膜層質量大幅提高。

圖2 優化前沉積膜的微觀形貌Fig.2 The Parylene texture before optimization

圖3 優化后沉積膜的微觀形貌Fig.3 The Parylene texture after optimization

4 應用效果

某型3 cm波饋源、波導采用紫銅制作,腔體內部采用鍍銀處理后再進行Parylene涂覆處理。Parylene涂覆處理前后的電性能指標如表1所示,可見基本無變化。

表1 Parylene涂覆前后電性能對比表Table 1 The waveguide EM properties before and after parylene process

某型3 mm波饋源的基材為鋁合金,表面處理為導電氧化,經過Parylene涂覆處理后,其電性能指標基本無變化,如表2所示。

表2 Parylene涂覆前后3mm饋源電性能對比表Table 2 The feeder EM properties before and after Parylene process

5 結束語

本文利用Parylene真空氣相沉積時無孔不入的特性,開展了天饋器件防護處理研究,對其中的關鍵技術進行了分析并提出了解決方法。同時,該防護處理方法在饋源、波導等天饋器件上得到了驗證,并已應用在實際工程中,避免了天饋器件內表面因防護死角造成腐蝕引起性能下降的問題。另外,僅對部分頻段的饋源、波導進行了電性能驗證,需進一步開展平板裂縫陣天線等天饋器件、異形結構件的Parylene涂覆防護驗證,以擴大Parylene的應用范圍。

[1]謝義水,張光元,劉秀麗,等.毫米波平板隙縫陣天線工藝設計與制造[J].電訊技術,2008,48(12):87-89.

XIE Yi-shui,ZHANG Guang-yuan,LIU Xiu-li,et al.Design and Manufacture of Millimeter Wave Plate Slottedarray Antenna[J].Telecommunication Engineering,2008,48(12):87-89.(in Chinese)

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CHEN Xi.Advance of poly-P-xylylene in application of electronics[J].Electronics Process Technology,2002,23(4):146-148.(in Chinese)

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FANG Kai,JING Min,WANG Ye,et al.A Study on Application ofParylene in Radar[J].Modem Radar,2010(12):92-94.(in Chinese)

[4]張曉,范志康.偶聯劑及其處理工藝對粘結磁體性能的影響[J].電工材料,2004(2):25-28.

ZHANG Xiao,FAN Zhi-kang.Effects of Coupling Agent and Process onProperty of BondedMagnet[J].Electrical Engineering Materials,2004(2):25-28.(in Chinese)

AO Liao-hui was born in Yingshan,Sichuan Province,in 1972.He received the B.S.degree in 1994.He is now a senior engineer.His research concerns the protectionfor electronic equipment and composite molding.

Email:aolh@sina.com

Application of Parylene Smear Technology in Protection of Antenna-feeder Devices

AO Liao-hui
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Some antenna-feeder devices have too complicated structure or too tiny narrow path to be protected by traditional plating process.According to above characters,vacuum vapor deposition process for Parylene method is proposed.Silane process is used to improve the adhesion between Parylene film and the base.The deposition process is investigated to increase the film quality.The processed chamber has passed the anti-corrosion and E M test.

helicopter-borne radar;MMW plate slotted-array antenna;antenna-feeder device;smear technology;protection;Parylene;vacuum vapor deposition

TN05;TN957

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.042

1001-893X(2012)06-1035-03

2012-03-05;

2012-05-16

敖遼輝(1972—),男,四川營山人,1994年獲學士學位,現為高級工程師,主要研究領域為電子產品防護工藝和復合材料成型工藝。