乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)材料具有理想的耐环境老化性能、化学稳定性、耐辐射性能及优越的电气性能、机械性能、加工性能,是航天线缆领域的理想材料之一。目前,某些应用场景对使用ETFE导线的部件提出了轻量化要求,这些部件服役于中高空轨道,面临复杂的空间环境。为保证部件在恶劣环境中正常工作,需对其进行封装,以固定、密封、保护集成电路。有机硅灌封胶是电子封装领域的重要材料。目前使用的有机硅灌封胶基本可满足航空航天领域应用需求。然而,在某些封装部件的装配生产过程中,由于ETFE材料的表面能极低、表面润湿性和粘接性差等原因,易出现有机硅灌封胶与ETFE导线绝缘层脱胶等问题,这会降低产品合格率并造成安全隐患。

提升有机硅灌封胶与ETFE导线之间的粘接性能,可从灌封胶配方的改进及导线的表面处理两方面着手。等离子体表面处理是一种操作简单、成本低、经济环保的方法，利用等离子体对材料表面进行改性处理时,其中的高能活性粒子可以使材料表面分子成功电离或激发,从而活化材料表面。进一步经等离子体活化的材料表面活性位点可以引入一些特定官能团,主要是含氧官能团,如:-OH以及-COOH等。极性含氧官能团的增加可以显著提高材料总的表面能,大大改善材料表面的润湿性以及粘接性等。此外,由于等离子体中存在大量活性粒子(如电子、离子等)会撞击材料表面引起表面刻蚀,导致材料表面产生微细坑洼,大大增加活化的材料表面粗糙度,从而使得材料的粘接性能大幅提高。

等离子体表面处理工艺

将待处理的导线分别使用石油醚、无水乙醇擦拭除油,之后置于干燥器中10min使表面溶剂挥发。然后将导线放置到等离子体处理设备的处理台,设定处理功率、处理时间、气体流量。开启真空系统抽真空至10Pa,稳定2min。通入气体,并保持气压稳定在恒定值2min。开启射频电源进行等离子体处理。

等离子处理时间对导线绝缘层接触角的影响

在处理功率为80W及100W的条件下,测定了处理时间1~10min(样品编号见图1)的导线绝缘层的水接触角,结果见图2。

图1　处理工艺及相应样品编号(第1组)

图2　处理时间对导线绝缘层接触角的影响

由图2可知,随着处理时间的延长,导线绝缘层与水的接触角呈先减小后增大的趋势。处理7min时,绝缘层的水接触角最低。处理10min时,接触角略有回升。在相同的处理时间下,处理功率80W时绝缘层的水接触角略高于100W时的水接触角。处理功率为100W时,处理时间5和7min的样品水接触角差别不大。

SEM分析

选择部分代表性样品的断面进行了SEM分析,结果见图3。

图3 不同处理工艺导线绝缘层的SEM照片

由图3可见,未经等离子体处理的导线绝缘层表面呈现平整致密的纹路。等离子体处理后导线绝缘层表面出现了一定深度的沟壑状形貌,表明等离子体处理对导线绝缘层表面有一定的刻蚀效果。

XPS分析

图4和图5为未处理导线及B-3样品绝缘层表面的XPS测试结果,表3为其元素分布数据。

图4 处理前后导线绝缘层的XPS谱

图5 处理前后导绝缘层的C1 s谱

由XPS测试结果及元素分布数据可知,未处理的导线绝缘层表面O及N的含量不为0,这可能是由绝缘层表面吸附作用引起的。B-3样品处理后F/C减小,而O/C增加。对比处理前后绝缘层的C1s谱可知,处理后291eV附近峰的强度降低,这可能是由于291eV对应的CF2基团含量降低引起的;而285eV附近的峰型变宽可能是因为形成了新基团。

图6为样品数据拟合后绝缘层表面的C1s谱,表4为基团相对含量数据。由拟合基团含量对比可知,经等离子体处理后,导线表面C—F相对含量减少,而C—OH和C=O等极性基团相对含量增加。这些亲水的极性基团的出现,使处理后导线亲水性提高,表现为绝缘层表面水接触角的降低。

粘接性能

考察了100W处理7min时导线与几种有机硅灌封胶的粘接性能,结果见表5。

由表5可见,未处理的导线与有机硅灌封胶几乎无粘接性。经等离子体处理后,导线与有机硅灌封胶的粘接性能得到提升,破坏形式均为内聚破坏。不同灌封胶粘接性能测试数据的差异推测与灌封胶的本体强度相关。

等离子体表面处理工艺可使导线绝缘层表面产生沟壑状或锥形的改变,可显著提升有机硅灌封胶与ETFE的界面粘接力。随着处理功率的升高和处理时间的延长,ETFE绝缘层表面产生由浅到深的沟壑状纹理;相同处理功率下,随着处理时间的延长,导线绝缘层表面水接触呈减小趋势,7min时达到最小接触角11.7°,10min时接触角反而增大至22.5°;经等离子体处理后导线表面F/C较未处理样品降低,且生成了C=O等极性亲水性基团。等离子体表面改性工艺对于提升低表面能材料与有机硅灌封胶的粘接性效果显著,具有广阔的应用前景。