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乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)材料具有理想的耐環(huán)境老化性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射性能及優(yōu)越的電氣性能、機(jī)械性能、加工性能,是航天線纜領(lǐng)域的理想材料之一。目前,某些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)使用ETFE導(dǎo)線的部件提出了輕量化要求,這些部件服役于中高空軌道,面臨復(fù)雜的空間環(huán)境。為保證部件在惡劣環(huán)境中正常工作,需對(duì)其進(jìn)行封裝,以固定、密封、保護(hù)集成電路。有機(jī)硅灌封膠是電子封裝領(lǐng)域的重要材料。目前使用的有機(jī)硅灌封膠基本可滿足航空航天領(lǐng)域應(yīng)用需求。然而,在某些封裝部件的裝配生產(chǎn)過(guò)程中,由于ETFE材料的表面能極低、表面潤(rùn)濕性和粘接性差等原因,易出現(xiàn)有機(jī)硅灌封膠與ETFE導(dǎo)線絕緣層脫膠等問(wèn)題,這會(huì)降低產(chǎn)品合格率并造成安全隱患。

提升有機(jī)硅灌封膠與ETFE導(dǎo)線之間的粘接性能,可從灌封膠配方的改進(jìn)及導(dǎo)線的表面處理兩方面著手。等離子體表面處理是一種操作簡(jiǎn)單、成本低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方法，利用等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行改性處理時(shí),其中的高能活性粒子可以使材料表面分子成功電離或激發(fā),從而活化材料表面。進(jìn)一步經(jīng)等離子體活化的材料表面活性位點(diǎn)可以引入一些特定官能團(tuán),主要是含氧官能團(tuán),如:-OH以及-COOH等。極性含氧官能團(tuán)的增加可以顯著提高材料總的表面能,大大改善材料表面的潤(rùn)濕性以及粘接性等。此外,由于等離子體中存在大量活性粒子(如電子、離子等)會(huì)撞擊材料表面引起表面刻蝕,導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生微細(xì)坑洼,大大增加活化的材料表面粗糙度,從而使得材料的粘接性能大幅提高。

等離子體表面處理工藝

將待處理的導(dǎo)線分別使用石油醚、無(wú)水乙醇擦拭除油,之后置于干燥器中10min使表面溶劑揮發(fā)。然后將導(dǎo)線放置到等離子體處理設(shè)備的處理臺(tái),設(shè)定處理功率、處理時(shí)間、氣體流量。開啟真空系統(tǒng)抽真空至10Pa,穩(wěn)定2min。通入氣體,并保持氣壓穩(wěn)定在恒定值2min。開啟射頻電源進(jìn)行等離子體處理。

等離子處理時(shí)間對(duì)導(dǎo)線絕緣層接觸角的影響

在處理功率為80W及100W的條件下,測(cè)定了處理時(shí)間1~10min(樣品編號(hào)見圖1)的導(dǎo)線絕緣層的水接觸角,結(jié)果見圖2。

圖1　處理工藝及相應(yīng)樣品編號(hào)(第1組)

圖2　處理時(shí)間對(duì)導(dǎo)線絕緣層接觸角的影響

由圖2可知,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),導(dǎo)線絕緣層與水的接觸角呈先減小后增大的趨勢(shì)。處理7min時(shí),絕緣層的水接觸角最低。處理10min時(shí),接觸角略有回升。在相同的處理時(shí)間下,處理功率80W時(shí)絕緣層的水接觸角略高于100W時(shí)的水接觸角。處理功率為100W時(shí),處理時(shí)間5和7min的樣品水接觸角差別不大。

SEM分析

選擇部分代表性樣品的斷面進(jìn)行了SEM分析,結(jié)果見圖3。

圖3 不同處理工藝導(dǎo)線絕緣層的SEM照片

由圖3可見,未經(jīng)等離子體處理的導(dǎo)線絕緣層表面呈現(xiàn)平整致密的紋路。等離子體處理后導(dǎo)線絕緣層表面出現(xiàn)了一定深度的溝壑狀形貌,表明等離子體處理對(duì)導(dǎo)線絕緣層表面有一定的刻蝕效果。

XPS分析

圖4和圖5為未處理導(dǎo)線及B-3樣品絕緣層表面的XPS測(cè)試結(jié)果,表3為其元素分布數(shù)據(jù)。

圖4 處理前后導(dǎo)線絕緣層的XPS譜

圖5 處理前后導(dǎo)絕緣層的C1 s譜

由XPS測(cè)試結(jié)果及元素分布數(shù)據(jù)可知,未處理的導(dǎo)線絕緣層表面O及N的含量不為0,這可能是由絕緣層表面吸附作用引起的。B-3樣品處理后F/C減小,而O/C增加。對(duì)比處理前后絕緣層的C1s譜可知,處理后291eV附近峰的強(qiáng)度降低,這可能是由于291eV對(duì)應(yīng)的CF2基團(tuán)含量降低引起的;而285eV附近的峰型變寬可能是因?yàn)樾纬闪诵禄鶊F(tuán)。

圖6為樣品數(shù)據(jù)擬合后絕緣層表面的C1s譜,表4為基團(tuán)相對(duì)含量數(shù)據(jù)。由擬合基團(tuán)含量對(duì)比可知,經(jīng)等離子體處理后,導(dǎo)線表面C—F相對(duì)含量減少,而C—OH和C=O等極性基團(tuán)相對(duì)含量增加。這些親水的極性基團(tuán)的出現(xiàn),使處理后導(dǎo)線親水性提高,表現(xiàn)為絕緣層表面水接觸角的降低。

粘接性能

考察了100W處理7min時(shí)導(dǎo)線與幾種有機(jī)硅灌封膠的粘接性能,結(jié)果見表5。

由表5可見,未處理的導(dǎo)線與有機(jī)硅灌封膠幾乎無(wú)粘接性。經(jīng)等離子體處理后,導(dǎo)線與有機(jī)硅灌封膠的粘接性能得到提升,破壞形式均為內(nèi)聚破壞。不同灌封膠粘接性能測(cè)試數(shù)據(jù)的差異推測(cè)與灌封膠的本體強(qiáng)度相關(guān)。

等離子體表面處理工藝可使導(dǎo)線絕緣層表面產(chǎn)生溝壑狀或錐形的改變,可顯著提升有機(jī)硅灌封膠與ETFE的界面粘接力。隨著處理功率的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng),ETFE絕緣層表面產(chǎn)生由淺到深的溝壑狀紋理;相同處理功率下,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),導(dǎo)線絕緣層表面水接觸呈減小趨勢(shì),7min時(shí)達(dá)到最小接觸角11.7°,10min時(shí)接觸角反而增大至22.5°;經(jīng)等離子體處理后導(dǎo)線表面F/C較未處理樣品降低,且生成了C=O等極性親水性基團(tuán)。等離子體表面改性工藝對(duì)于提升低表面能材料與有機(jī)硅灌封膠的粘接性效果顯著,具有廣闊的應(yīng)用前景。