Parylene

Unerreichter Oberflächenschutz

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Parylene

Unerreichter Oberflächenschutz

Diener electronic erhebt den Anspruch, die ideale Oberflächenlösung für alle Fälle zu bieten. In vielen Fällen ist eine Parylenebeschichtung die ideale Lösung zum Schutz hochwertiger Bauteile, Baugruppen oder Geräte.

Parylene ist eine Gruppe von Polymeren, die chemisch exakt als Para-Xylylene bezeichnet werden. In einer nur für diese Materialklasse anzuwendenden Prozesstechnik können nahezu transparente Schutzschichten erzeugt werden.

Das bietet Parylene

✓ Kontur unabhängig konstante Schichtdicken mit weniger als 1 µm Abweichungen
✓ ab 1 µm zuverlässig "pinhole-free", d.h. ohne Fehlstellen
✓ thermisch belastbar (abhängig vom Parylenetyp)
✓ chemisch inert (beständig gegen eine Vielzahl von Chemikalien)
✓ resistent gegen Umwelteinflüsse und UV-Strahlung
✓ sehr gute Barriere Eigenschaften
✓ auf Plasma gereinigten und vorbehandelten Oberflächen sehr gut haftend
✓ bedecken auch komplexe Konturen, Kanten, Schlitze und Hohlräume konform

Was sind Parylene?

Und warum sind sie so einmalig?

Der Chemiker Michael Szwarc untersuchte 1947 die Reaktionen von Xylol (auch "Xylene") bei hohen Temperaturen bis 1000 °C. Dabei entdeckte er an kalten Oberflächen seiner Apparatur einen transparenten Niederschlag. Dieser feste Film wurde als Poly(p-Xylylene) analysiert.

Als effektiveren Prozess zur Herstellung führte das Unternehmen Union Carbide 1955 die heute noch übliche Methode durch Pyrolyse des Dimers Paracyclophan ein, die den Weg zur kommerziellen Anwendung eröffnete. Union Carbide gab dem Polymer Poly(p-Xylylene) auch den handlicheren Namen Parylene.

Parylene ist ein organisches Polymer, das (in der Grundform als Parylene N) nur aus den Atomen Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) besteht. Parylene ist hydrophob und widerstandsfähig gegen nahezu alle Chemikalien. Das gilt für andere Polymere wie PTFE auch, aber die ganz besonderen Eigenschaften resultieren aus der außergewöhnlichen Fertigungstechnik. Sie haben nur als dünne Beschichtungen wirtschaftliche Bedeutung. Das Polymer bildet sich durch Polymerisation des gasförmigen Monomers auf den kalten Substratoberflächen. Alle flüssigen Beschichtungen enthalten Gaseinschlüsse und haben auch bei geringer Oberflächenspannung eine Tendenz, sich örtlich zusammenzuziehen. Dadurch kommt es zu Lücken, Kantenflucht und variabler Schichtdicke. Durch die Polymerisation des Parylenes direkt aus der Gasphase legt sich Molekül an Molekül, es gibt keine Poren, keine Kantenflucht und eine im molekularen Maßstab konstante Schichtdicke. Parylene polymerisiert auf kalten Oberflächen. Dadurch kommt es zu keiner Temperaturbelastung des Substrats. Fast jedes Material kann durch Parylene beschichtet werden.

Parylenebeschichtungen haben außerordentlich gute Barriere Eigenschaften gegen fast alle Substanzen und bilden dadurch einen unerreicht hohen und vor allem zuverlässigen Schutz gegen chemischen Angriff, gegen Umwelteinflüsse und vor Alterung.

Weitere Informationen

Vorprodukt: Dimer

Chemisch exakter Begriff: Paracyclophan oder Di-p-xylylene

Handlicherer Begriff: Parylene-Dimer
 

Nach Pyrolyse: Monomer

Chemisch exakter Begriff: Chinondimethan oder p-xylylene

Handlicherer Begriff: Parylene-Monomere
 

Endprodukt: Polymer

Chemisch exakter Begriff:  Poly(p-xylylene)

Handlicherer Begriff: Parylene N

Was leisten Parylene?

Paryleneschichten sind allen anderen Beschichtungsmethoden in den folgenden Eigenschaften überlegen:

✓ Konstanz der Schichtdicke
✓ Abdeckung von Kanten und Spitzen
✓ Eindringen in extrem dünne Spalten
✓ Dichtigkeit bei geringster Schichtdicke
✓ Barriereeigenschaften gegen Durchdringung von Gasen und Flüssigkeiten
✓ Schutz gegen Feuchtigkeit
✓ Schutz gegen elektrischen Durchschlag
✓ Oxidationsschutz
✓ Alterungsbeständigkeit und Schutz gegen Materialalterung
✓ Biokompatibilität

Die Eigenschaften von Parylene

Parylene sind Derivate des Benzols. Die Grundform Parylene N besteht aus einem Benzolmolekül an dessen Benzolring an zwei Ecken jeweils das Wasserstoffatom durch eine CH2-Gruppe ersetzt ist. Die Vorsilbe "para-" (abgekürzt "p-") zeigt an, dass diese beiden CH2-Gruppen an gegenüberliegenden Ecken des Benzol-Sechsecks angebunden sind.

Parylene N ist als ein reiner Kohlenwasserstoff.

Im Parylene-Molekül können aber ein oder mehrere Wasserstoffatome durch Halogen-Atome ersetzt werden. Halogene sind z.B. die chemischen Elemente Fluor und Chlor. Durch diese Variationen kann theoretisch eine Vielzahl von Parylene-Derivaten gebildet werden. Von praktischer Bedeutung und kommerziell verwendet sind aber nur die Typen Parylene N, Parylene C, Parylene D, F-VT4 und Parylene F-AF4.

Auf Parylene-Anlagen können alle diese Typen bei ähnlichen Parametern verarbeitet. Die Schichten haben auch ähnliche Eigenschaften. Wenn aber die bereits hervorragenden Eigenschaften des Parylene N hinsichtlich dielektrischer, thermischer und Barriere-Eigenschaften nicht ausreichen, können die alternativen Parylene-Typen eingesetzt werden.

Charakteristische Eigenschaften der Parylenetypen

Parylene N:

Grundausführung, nur aus den Atomen Wasserstoff und Kohlenstoff aufgebaut. Aber nicht die meistverwendete Type. Außerordentlich gute Spaltgängigkeit. Optimale dielektrische Eigenschaften und Durchschlagsfestigkeit, deshalb für die Beschichtung elektronischer Bauteile und Baugruppen bevorzugt. Niedrigster Reibungskoeffizient, deshalb oft verwendet bei Kathetern.

Parylene C:

Meistverwendetes Produkt mit ausgezeichneter Barrierewirkung. Hoher Feuchtigkeitsschutz auch durch besonders ausgeprägte hydrophobe Eigenschaften. Hohe Elastizität, deshalb für Kunststoff- und Elastomer Beschichtung einsetzbar. Hohes Schichtdickenwachstum (bis zu 10 µm/h)

Parylene D:

Lange Zeit insbesondere aufgrund seiner erhöhten Temperaturstabilität eingesetzt, aber auch sehr hydrophob. Zum Schutz von Elektronikbauteilen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Parylene F-VT4:

Da thermisch noch höher belastbar als Parylene D, verdrängt es dieses zunehmend in Hochtemperaturanwendungen.

Parylene F-AF4:

Bei weitem die höchste Temperaturbeständigkeit aller Parylene Typen. Außerdem ist diese Type extrem unempfindlich gegen aggressive Strahlenbelastung, insbesondere UV-Belastung. Teuerste Variante, deshalb nur dann eingesetzt, wenn diese besonderen Eigenschaften unbedingt gefordert werden.

Vollkommen konturkonforme Beschichtung:

Im Gegensatz zu flüssig aufgebrachten Beschichtungen, erreichen die Monomere aus der Gasphase auch die Stellen am Bauteil, die für Flüssigkeiten unerreicht bleiben.

Gut für die Gesundheit und Umwelt

Da Parylene chemisch sehr inert sind und zudem keinerlei Fremdmaterialien enthalten, sind sie als ungiftig und nicht gesundheitsschädlich klassifiziert. Parylene erfüllen alle Anforderungen hinsichtlich Lebensmittelechtheit und Biokompatibilität. Außerdem gibt es keine Trinkwassergefährdung und Umweltbelastung.  Parylene erfüllen die europäische Richtlinie RoHS 2002/95/EC (Beschränkung der Benutzung gefährlicher Substanzen in der Elektronik und Elektrotechnik).

Das Rohmaterial ist stets das reine Dimer. In der Regel werden beim Parylene-Beschichtungsverfahren keine Modifikationen durch Additive, Stabilisatoren, Legierungen durchgeführt. Daher gelten die Tabellenwerte grundsätzlich für Parylenetypen aller Hersteller. Qualitätsunterschiede gibt es dennoch. Exzellente Parylenebeschichtungen erzielt man durch äußerste Reinheit des Dimers.

Paryleneanlagen

Paryleneanlagen sind grundsätzlich Vakuumanlagen. Sie umfassen also in jedem Fall eine vakuumdichte und druckfeste Vakuumkammer und eine Vakuumpumpe. Mit rund 0,02 -0,1 mbar ist der Arbeitsdruck zwar nicht besonders niedrig. Damit eine gute Schichtqualität erzielt wird, ist es aber wünschenswert, dass Fremdmoleküle weitestmöglich entfernt werden. Eine hochwertige Abdichtung, Vermeidung gasender Bauteile und eine leistungsfähige Vakuumpumpe sind deshalb erforderlich.

Zwischen Vakuumkammer und Vakuumpumpe wird eine Kältefalle eingebaut, in der die Reste des Parylene-Monomerspolymerisieren, die aus der Vakuumkammer wieder abgesaugt werden. Wenn Monomer in die Vakuumpumpe geraten und dort polymerisieren würde, würde dies die Pumpe beschädigen.

Schematischer Aufbau einer Parylene-Beschichtungsanlage mit horizontaler Kammer

1) Verdampfer (Widerstandsheizung: Typ. Temperaturen von 130-180 °C)

2) Pyrolyserohr (Widerstandsheizung: Typ. Temperaturen von 550 -650 °C)

3)  Vakuumkammer (Basisdruck ca. 0,01 mbar; Arbeitsdruck zw. 0,02 – 0,1 mbar)

4) Karussell (sich drehender Substratträger)

5) Kühlfalle (z.B. Flüssigstickstoff: Temp. ca. -196 °C)

6) Vakuumpumpe

7) PC-Steuerung: Einstellung und Überwachung der Prozessparamete

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