PECVD法制备纳米硅烷复合防护膜及性能研究

PECVD法制备纳米硅烷复合防护膜及性能研究

蔡泉源

江苏菲沃泰纳米科技股份有限公司 江苏无锡 214183

摘要：受盐雾、潮湿和水分等环境影响电子产品在使用过程中易产生故障，迫切需要制备防护膜提高其可靠性。本文中采用等离子增强化学气相沉积法（PECVD）以六甲基环三硅氧烷为单体沉积过渡层，再分别沉积二丙烯酸二乙二醇酯和2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯在过渡层上形成纳米复合防护膜层。并研究了放电功率、沉积时间、单体流量、氦气流量、缓蚀剂等对复合膜的性能影响。

关键词：PECVD，纳米，硅烷，复合防护膜

前言：近年来研究发现因环境腐蚀而导致大量电子器件出现短路、断路或接触不良等故障现象[1]。目前，在各行各业的产品中，电子部件占有的比率越来越大，对防水、防潮、耐腐蚀性要求越来越严格。因此，迫切需要可靠的方法对电子元件进行有效防护。目前，采用防护膜对电子产品进行防护，是应对三防问题的有效措施。制备防护膜的方法主要有：第一、液相法，液体树脂通过热或光固化在产品表面形成涂层[2]。第二、气相法，如蒸镀法，化学气相沉积法等[3]。以上方法存在膜层不均一，不环保，高温等缺点，且多数防护膜采用单一材料，防护效果不理想，而复合膜则通过多层结构可显著提高防护效果。等离子增强化学气相沉积法（PECVD）是一种新型气相制备方法，具有反应温度低，沉积速率快，成膜质量好，不易龟裂等优势越来越受到人们的关注[4]。

本文中采用PECVD法以六甲基环三硅氧烷为单体沉积过渡层，再分别沉积二丙烯酸二乙二醇酯和2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯在过渡层上形成纳米复合防护膜层。并研究了放电功率、沉积时间、单体流量、氦气流量、缓蚀剂等对复合膜的性能影响。该复合膜具有较佳的耐盐雾性，可附着于电子等各类产品表面，对这些产品起到良好的防护作用。

实验部分

1.1主要原料

丙酮，六甲基环三硅氧烷，二丙烯酸二乙二醇酯，2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯，苯骈三氮唑，二乙烯苯均为分析纯，阿拉丁。氦气（He），无锡金光。

1.2主要仪器与设备

SK-06B盐雾试验箱，无锡亚泰；A3-SR-200光学膜厚测量仪，昆山胜泽光电；FT-35XMC等离子化学气相沉积设备，菲沃泰公司自主研发。

1.3实验步骤

1.3.1 基材准备

用丙酮对于Fe片(30*20*2mm)基材进行清洗3遍，去除基材表面异物，然后放置60℃干燥箱进行干燥备用。

1.3.2 PECVD制备复合膜

将基材放置于镀膜设备的反应腔内，腔内温度为40℃，抽真空至200毫托以下，通入100sccm He。将六甲基环三硅氧烷单体蒸汽以150-500μL/min流量通入到反应腔内，等离子脉冲电源功率25-200W，沉积时间900s-3600s，在基材表面形成硅烷膜层。

将镀膜基材继续放置于反应腔内，腔内温度为40℃，在放电功率120W，沉积时间3600s，单体流量300μL/min条件下分别沉积二丙烯酸二乙二醇酯和2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯，形成复合膜层。

1.3.3性能测试

使用膜厚仪检测膜厚。将镀膜基材放入盐雾试验箱中，使用5% NaCl溶液进行盐雾测试。

2.结果与讨论

2.1放电功率的影响

放电功率作为PECVD的一项重要参数影响着膜层的性能。分别使用25W，50W，100W，150W，200W功率制得复合膜。如图1所示，随着功率的增加，复合膜厚增加，同时耐盐雾性能增加。但是继续增加功率，膜厚趋于平稳无显著增加，同时耐盐雾性能也趋于平稳无显著增加。在放电功率为150W时，膜厚为368nm，耐盐雾时间为230h表现出较好的耐盐雾性。提高功率时，腔体内更易产生等离子体，有机单体更容易沉积形成膜层，沉积速率更快，因此膜厚增加。但是继续提高功率，等离子体刻蚀的作用增强，导致沉积速率趋于平缓，因此膜厚无明显增加。膜厚较低时，膜层致密性稍差，盐雾更易从膜层的缺陷处开始腐蚀膜层，进而影响整个膜层；膜厚增加，膜层致密性增加，盐雾则不易侵蚀至膜层内对膜层产生影响。

2.2沉积时间的影响

改变沉积时间为15min，20min，30min，45min和60min沉积六甲基环三硅氧烷过渡层。如图2所示，随着沉积时间的增加，复合膜厚增加，耐盐雾性能也同样增加。沉积时间为60min时，膜厚为410nm，耐盐雾时间为226h。功率恒定的情况下，提高沉积时间，沉积量增加膜厚增加。同上，沉积的膜越厚，膜层致密性越好，盐雾更不易侵蚀至膜层内部产生影响。

2.3单体流量的影响

改变单体流量为150μL/min，200μL/min，300μL/min，400μL/min和500μL/min沉积六甲基环三硅氧烷过渡层。如图3所示，随着单体流量的增加，膜厚增加，耐盐雾性能增加。在单体流量为500μL/min时，复合膜厚为415nm，耐盐雾时间为202h。随着单体流量的增加，沉积膜层的致密性增加。单体流量增加，膜层沉积速率更快，膜厚增加，膜层致密性较好，盐雾不易腐蚀膜层。

2.4氦气流量的影响

改变He流量为25sccm，50sccm，100sccm，150sccm和200sccm沉积六甲基环三硅氧烷膜层。如图4所示，随着He流量的增加，膜厚增加，耐盐雾性能提高。在He流量为200sccm时，膜厚为427nm，耐盐雾时间为224h。当He流量增加后，He被射频电源激发而产生的等离子体浓度更高，因此更有利于引发单体聚合，沉积速率更快。He流量的增加，等离子体浓度增加，聚合物更易产生交联，因此具有更好的致密性，耐盐雾性能提高。

2.5缓蚀剂的影响

在六甲基环三硅氧烷单体中加入缓蚀剂5％苯骈三氮唑 (二乙烯苯溶解)使用PECVD法制备复合膜。当加入缓蚀剂后，复合膜的膜厚基本无变化（364nm→369nm），其耐盐雾性能有相应提高，由168h提高至205h。

3. 结论

本文采用PECVD法以六甲基二硅氧烷、二丙烯酸二乙二醇酯和2-(全氟癸基)乙基甲基丙烯酸酯为单体成功制备了纳米硅烷复合防护膜。实验结果表面：1）随着放电功率的增加，复合膜厚增加，耐盐雾性能增加；2）随着沉积时间的增加，复合膜厚增加，耐盐雾性能增加；3）随着单体流量的增加，复合膜厚增加，耐盐雾性能增加；4）随着He流量的增加，复合膜厚增加，耐盐雾性能增加；5）缓蚀剂的加入可以有效提高复合膜的耐腐蚀性。本文采用PECVD法制备出的纳米硅烷复合防护膜具有较佳的耐腐蚀性，可以广泛应用于各个领域。

参考文献：

[1]鲜飞, 刘江涛, 易亚军, 等. 电子制造业中的三防涂覆技术[J]. 电子工艺技术, 2015, 36(05): 278–280.

[2]林雪, 吴建新, 蔡燕聪, 等. 水性三防漆在电子线路板防腐领域中的应用[J]. 粘接, 2017, 38(09): 71–74.

[3]H.E.Hintermann, 曾宪国. 耐磨和耐腐蚀的化学气相沉积层的应用[J]. 国外化学热处理, 1982(06): 45–53.

[4]Orazbayev S, etc. Superhydrophobic carbonous surfaces production by PECVD methods[J]. Applied Surface Science, 2020, 515: 146050.