Parylene 薄膜对传感器硅橡胶组件的封装防护

袁莓婷，何燕春，曲 亮

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

1 研究背景

现代清洗技术的绿色化进程，限制了挥发性有机化合物（ⅤOC）试剂的使用，有机溶剂清洗逐渐被各种环保清洗方式取代，其中，以水为主要清洗剂的水清洗和半水清洗工艺应用越来越广泛。与此同时，自动化的清洗设备也逐步取代了手工操作，这些清洗设备中广泛使用了一些橡胶、硅橡胶制成的密封件、O形圈、垫片、弹性体元件，这些组件与金属材料相比较，更易受到清洗剂的腐蚀，而影响使用寿命。对于水清洗设备中排水管路上的压力传感器，它的一个重要组件是硅橡胶膜片；而半水清洗使用的石油烷烯烃类清洗剂对硅橡胶材料具有较强的溶胀作用；当压力传感器使用一段时间后，由于硅橡胶膜片长时间接触清洗溶液，会发生溶胀变形，导致传感器失效，从而导致整个清洗设备出现故障[1-3]。

使用化学气相沉积法（CⅤD）生成的聚对二甲苯类（Parylene）薄膜是一种均匀、超薄、致密无孔隙、具有优异电绝缘性能、物理机械性能及防潮、防霉、防腐蚀等特性的高分子材料。利用聚对二甲苯薄膜对压力传感器的硅橡胶组件进行封装，将会提高硅橡胶的性能，改善硅橡胶在清洗溶液中的抗腐蚀、耐溶胀等性能，从而延长硅橡胶产品的工作寿命[4-6]。

2 Parylene 薄膜材料和涂敷工艺

2.1 Parylene 材料

Parylene 是一种纯净的晶体和非晶体的线性聚合物，属于一种具有完全线形、高度结晶的高聚物。根据分子结构的不同，Parylene 聚合物通常有3 个品种，即聚对二甲苯（Parylene N）、聚氯代对二甲苯（Parylene C）和聚二氯代对二甲苯（Parylene D），如图1 所示。每种类型都具有不同的特性，要根据具体应用的确切性质选择最适宜的Parylene 种类，它可以被涂敷到各种形状的表面，在盐雾、霉菌、湿热、腐蚀性等恶劣环境中，显示了很好的隔离防护功能。

图1 Parylene 的化学结构

N 型Parylene 是对二甲苯的高聚物，在各类Parylene 材料中具有最强的渗透能力，能够有效地在各种细缝或盲孔表面形成薄膜，尤其对硅橡胶的紧密黏合性特别优越。它的介电常数极低（2.65），耗散因子小，且随外界频率的增加变化不大，主要用于橡胶、光学领域。由于Parylene N 具有高频损耗和低介电常数，经常在高频应用中使用。

为二甲苯链的侧环上添加一个氯原子，就得到了C 型Parylene。C 型Parylene 具有非常低的水分子和腐蚀性气体的透过率，沉积生长速率也比N 型快得多，相应的渗透能力也差于N 型，是目前应用最广、防护效果最好的Parylene。

D 型Parylene 有2 个氯原子加在苯环上，这导致薄膜的热稳定性比Parylene N 和Parylene C 更强，但渗透能力与Parylene N 和Parylene C 相比有所下降。

2.2 Parylene 材料涂敷工艺

采用化学气相沉积法（CⅤD）制备Parylene 薄膜是在专门的真空涂覆设备中，将固态粉状原料在120～180 ℃的温度下进行蒸发汽化，产生气态二聚体；然后在650～700 ℃高温下将二聚体分子的2 个侧链碳碳链裂解生成稳定的活性单体；最后活性单体在室温下进行聚合沉积，瞬间吸附在基体上聚合成为聚对二甲苯薄膜。

由于该膜层是由活性小分子在基材表面“生长”出的完全敷形的聚合物薄膜涂层，使任何形状表面都可以形成一层完整、超薄、形状完全一致的敷形涂层，不存在涂敷的“盲区”；气相生长过程直接形成固体，单气体会均匀地分散到工件各表面，不会出现像液相的特性，从而消除了涂层厚度不均匀、保证了涂层无裂纹或针孔等缺陷。

另外，涂层厚度可精确控制，涂层厚度取决于原料消耗量、工件的涂敷面积及气体单体在沉积腔内的驻留时间，通常的沉积速率为0.5～5 μm/h。目前，可以制备厚度0.1～50 μm、均匀致密、无针孔的Parylene薄膜。

2.3 涂膜过程

由于Parylene N 薄膜与硅橡胶吸附能力最明显，因此，本试验选用的材料为美国PTC 公司生产的对二甲苯环二体（Parylene N），白色结晶粉末，质量分数大于99%。

本试验使用的气相沉积设备是美国SCS 公司的PDS-2060Ⅴ真空涂敷系统。

将硅橡胶试件放入真空涂敷系统的沉积室内并抽真空，室温下通过气相沉积，获得Parylene N 薄膜，沉积压力小于等于13 Pa，沉积时间为60 min，成膜厚度为5 μm。

2.4 试验

将涂敷Parylene N 的硅橡胶试件和未涂敷Parylene N 的硅橡胶试件分别放入不同的溶剂和溶液中，定期观察试件，进行耐溶剂试验考核，并对试验结果进行分析。

3 结果与讨论

3.1 Parylene 材料的化学抵抗特性

在室温环境下，Parylene 可以抵抗化学物质的侵袭，并且在150 ℃下不溶于所有的有机溶剂，而且溶剂都不会对它产生渗透，同时也不能通过应力-破裂作用降解其他材料的试剂影响。表1 为Parylene 材料对有机溶剂及酸碱溶液的耐受性能。

表1 Parylene 薄膜室温下浸入有机试剂及酸碱溶液90 min 后产生的厚度变化（红外法测量）

由表1 可知，这些有机溶剂对Parylene 有轻微的溶胀作用，聚合物薄膜的最大厚度增加为3%。相比较，Parylene N 耐受有机溶剂的能力更好一些。

无机溶剂对Parylene涂层的影响要小于有机溶液，特别是质量分数低的无机溶液在室温下基本上对Parylene 没有什么影响。

3.2 硅橡胶试件的耐溶剂性

将涂敷有Parylene N 的硅橡胶试件和未涂敷Parylene N 的硅橡胶试件放入溶剂中，浸泡一段时间，比较试件体积溶胀的变化，如表2 所示。

表2 硅橡胶试件的体积溶胀变化

由表2 可知，硅橡胶的体积溶胀与接触溶液的时间成正比。涂敷有Payrlene N 薄膜保护的硅橡胶，其体积溶胀改变明显好于未涂敷Payrlene N 的硅橡胶。对于清洗设备使用的清洗液——含3%水溶液的AX32清洗剂，涂敷Payrlene N 的硅橡胶的耐溶胀能力增加了至少50 倍以上，相当于压力传感器的使用寿命从目前的1 个月，增加到4 年。

4 结论

采用Parylene N 薄膜材料封装压力传感器的硅橡胶组件，改善了硅橡胶的耐溶剂性能，减缓了硅橡胶在溶剂中的体积溶胀速度，大幅度地提高了压力传感器的工作寿命。此项技术还可被应用到橡胶、硅橡胶材质的密封圈、传感器、阀门及迫紧装置的表面防护，以改善它们在溶剂或油类物质中的硬度、拉伸强度和体积溶胀等性能的保持率。