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乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)材料具有理想的耐環境老化性能、化學穩定性、耐輻射性能及優越的電氣性能、機械性能、加工性能,是航天線纜領域的理想材料之一。目前,某些應用場景對使用ETFE導線的部件提出了輕量化要求,這些部件服役于中高空軌道,面臨復雜的空間環境。為保證部件在惡劣環境中正常工作,需對其進行封裝,以固定、密封、保護集成電路。有機硅灌封膠是電子封裝領域的重要材料。目前使用的有機硅灌封膠基本可滿足航空航天領域應用需求。然而,在某些封裝部件的裝配生產過程中,由于ETFE材料的表面能極低、表面潤濕性和粘接性差等原因,易出現有機硅灌封膠與ETFE導線絕緣層脫膠等問題,這會降低產品合格率并造成安全隱患。

提升有機硅灌封膠與ETFE導線之間的粘接性能,可從灌封膠配方的改進及導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單、成本低、經濟環保的方法，利用等離子體對材料表面進行改性處理時,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,從而活化材料表面。進一步經等離子體活化的材料表面活性位點可以引入一些特定官能團,主要是含氧官能團,如:-OH以及-COOH等。極性含氧官能團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)會撞擊材料表面引起表面刻蝕,導致材料表面產生微細坑洼,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

將待處理的導線分別使用石油醚、無水乙醇擦拭除油,之后置于干燥器中10min使表面溶劑揮發。然后將導線放置到等離子體處理設備的處理臺,設定處理功率、處理時間、氣體流量。開啟真空系統抽真空至10Pa,穩定2min。通入氣體,并保持氣壓穩定在恒定值2min。開啟射頻電源進行等離子體處理。

等離子處理時間對導線絕緣層接觸角的影響

在處理功率為80W及100W的條件下,測定了處理時間1~10min(樣品編號見圖1)的導線絕緣層的水接觸角,結果見圖2。

圖1　處理工藝及相應樣品編號(第1組)

圖2　處理時間對導線絕緣層接觸角的影響

由圖2可知,隨著處理時間的延長,導線絕緣層與水的接觸角呈先減小后增大的趨勢。處理7min時,絕緣層的水接觸角最低。處理10min時,接觸角略有回升。在相同的處理時間下,處理功率80W時絕緣層的水接觸角略高于100W時的水接觸角。處理功率為100W時,處理時間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行了SEM分析,結果見圖3。

圖3 不同處理工藝導線絕緣層的SEM照片

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

XPS分析

圖4和圖5為未處理導線及B-3樣品絕緣層表面的XPS測試結果,表3為其元素分布數據。

圖4 處理前后導線絕緣層的XPS譜

圖5 處理前后導絕緣層的C1 s譜

由XPS測試結果及元素分布數據可知,未處理的導線絕緣層表面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。對比處理前后絕緣層的C1s譜可知,處理后291eV附近峰的強度降低,這可能是由于291eV對應的CF2基團含量降低引起的;而285eV附近的峰型變寬可能是因為形成了新基團。

圖6為樣品數據擬合后絕緣層表面的C1s譜,表4為基團相對含量數據。由擬合基團含量對比可知,經等離子體處理后,導線表面C—F相對含量減少,而C—OH和C=O等極性基團相對含量增加。這些親水的極性基團的出現,使處理后導線親水性提高,表現為絕緣層表面水接觸角的降低。

粘接性能

考察了100W處理7min時導線與幾種有機硅灌封膠的粘接性能,結果見表5。

由表5可見,未處理的導線與有機硅灌封膠幾乎無粘接性。經等離子體處理后,導線與有機硅灌封膠的粘接性能得到提升,破壞形式均為內聚破壞。不同灌封膠粘接性能測試數據的差異推測與灌封膠的本體強度相關。

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