Plazma w procesie CVD

Głównym zadaniem powłok zabezpieczających jest ochrona podzespołów elektronicznych przed czynnikami środowiskowymi, takimi jak wnikanie wilgoci, gromadzenie się kurzu oraz uszkodzenia spowodowane substancjami chemicznymi, promieniowaniem i innymi zanieczyszczeniami. Warstwa ochronna znacząco zwiększa niezawodność i żywotność urządzenia, co ma kluczowe znaczenie w wymagających warunkach, typowych dla przemysłu lotniczego, medycznego, motoryzacyjnego i czy zastosowań przemysłowych.

W przypadku produkcji elektroniki atrakcyjnym rozwiązaniem jest zastosowanie zamiast zalewania cienkich powłok ochronnych. Warstwy utworzone w wyniku zalewania mają zazwyczaj grubość 1–10 mm, co znacznie zwiększa wagę komponentów i uniemożliwia ich późniejszą przeróbkę. Powłoki ochronne są prawie 1000 razy cieńsze, a ich średnia grubość mieści się w zakresie 25–250 µm.

Do powszechnie stosowanych materiałów powłok ochronnych zaliczają się materiały chemiczne na bazie polimerów, takie jak akryle, silikony, uretany i epoksydy. Materiał powłoki ochronnej jest zazwyczaj cieczą, którą można nakładać za pomocą takich metod jak natryskiwanie, zanurzanie lub malowanie pędzlem. Po nałożeniu dopasowuje się do kształtów podzespołów i obwodów, tworząc skuteczną barierę ochronną. Jeżeli powłokę należy pokryć tylko na wybranych obszarach podłoża, najczęściej wymagane jest wcześniejsze maskowanie. Oprócz zapobiegania korozji metalowych elementów obwodu i ogólnej ochrony przed wpływem czynników środowiskowych, warstwy ochronne często muszą zapewniać izolację elektryczną poprzez wytrzymywanie napięć od 50 V do kilku kV i zapobiegać tworzeniu się dendrytów prowadzących do zwarć. Powłoki ochronne mają jednak również swoje wady, w tym różnice w grubości, konieczność maskowania oraz konieczność dłuższego schnięcia i utwardzania.

Nowa metoda tworzenia cienkich warstw ochronnych - chemical vapor deposition

Chemical vapor deposition (dosł: osadzanie chemiczne z fazy gazowej, CVD) to metoda nakładania powłok ochronnych na bazie polimerów, znana głównie z wykorzystania parylenu. Cienkie warstwy osadza się na podłożu poprzez wprowadzenie do komory próżniowej gazów reaktywnych i zgazowanych, ciekłych prekursorów chemicznych. Gazy te reagują ze sobą, tworząc na powierzchni podłoża stałą powłokę. Parametry procesu (temperatura, ciśnienie, skład gazu) mają decydujące znaczenie dla określenia właściwości powłoki.

Ogólnie rzecz biorąc, powłoki CVD są niezastąpione w produkcji urządzeń elektronicznych ze względu na ich zdolność do poprawy wydajności i ochrony płytki przed różnymi obciążeniami środowiskowymi i eksploatacyjnymi. Powłoki CVD zapewniają szereg korzyści w zastosowaniach przemysłowych - gwarantują one jednolitą grubość mimo skomplikowanych kształtów układu czy jego znacznej powierzchni. Ich dokładność i wszechstronność sprawiają, że stanowią podstawę nowoczesnych procesów produkcji półprzewodników i układów elektronicznych.

Wyzwania w procesie CVD

Poniżej wymieniono niektóre z wad procesu CVD:

• Wysokie koszty: Systemy próżniowe stosowane w procesach CVD są zazwyczaj drogie w zakupie, obsłudze i konserwacji. Koszt ten może okazać się zaporowy dla mniejszych producentów lub zastosowań o mniejszej wielkości produkcji.
• Złożoność: Procesy CVD są skomplikowane i aby je optymalizować i kontrolować, wymagają specjalistycznej wiedzy. Osiągnięcie pożądanych właściwości powłoki często wiąże się z koniecznością precyzyjnego dostrojenia parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie i skład gazu, co może być trudne i czasochłonne.
• Ograniczona kompatybilność z podłożem: Nie wszystkie materiały i podłoża są kompatybilne z procesami CVD. Niektóre komponenty mogą nie być stabilne w warunkach próżni lub mogą nie być odporne na działanie gazów reaktywnych wykorzystywanych w trakcie osadzania, co ogranicza zakres zastosowań.
• Wolniejsze tempo osadzania: W porównaniu do innych metod powlekania, procesy CVD charakteryzują się wolniejszym tempem osadzania. Może to mieć wpływ na wydajność i efektywność produkcji, zwłaszcza w przypadku produkcji wielkoseryjnej.
• Ograniczenia wymiarowe: Urządzenia CVD mogą mieć ograniczenia dotyczące wymiarów podłoży lub elementów, które można powlekać, szczególnie pod względem grubości lub wymiarów.
• Czystość powierzchni: Podłoża pokryte np. parylenem muszą zostać oczyszczone przed procesem osadzania, ponieważ zanieczyszczone powierzchnie będą wykazywały słabą przyczepność.
• Obawy dotyczące środowiska i bezpieczeństwa: Substancje chemiczne stosowane w procesach CVD mogą być niebezpieczne lub toksyczne. Prawidłowe postępowanie z odpadami, ich utylizacja i procedury bezpieczeństwa są niezbędne do ograniczenia ryzyka dla operatorów i środowiska.

Wymienione wady opisują wyzwania, jakie producenci muszą wziąć pod uwagę przy wyborze powłok CVD do produkcji urządzeń elektronicznych. Pomimo tych problemów, stały postęp w dziedzinie technologii i kontroli procesów przyczynia się do zwiększenia możliwości i opłacalności stosowania powłok CVD w różnych zastosowaniach.

Rysunek: Aktywacja PCBA metodą Openair-Plasma przed nałożeniem powłoki ochronnej za pomocą PlasmaPlus. (Źródło: Plasmatreat GmbH)

CVD wzbogacony o plazmę

Firma Plasmatreat opracowała nową metodę nakładania bezrozpuszczalnikowych, hybrydowych nano-powłok (polimerowych lub ceramicznych) w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Ten innowacyjny proces, nazwany przez producenta PlasmaPlus, przypomina tradycyjne osadzanie chemiczne z fazy gazowej wspomagane plazmą próżniową (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD). Metoda ta wykorzystuje prekursorowy płyn odparowany w plazmie w celu wytworzenia powłoki. Powłoka jest nakładana na podłoże bezpośrednio po wyjściu ze strumienia plazmy i nie wymaga żadnej dodatkowej obróbki ani utwardzania. Powierzchnia materiału przeznaczonego do powlekania decyduje o rodzaju użytego strumienia plazmy, umożliwiając zarówno selektywną obróbkę małych obszarów lub ścieżek o szerokości kilku milimetrów, jak i pokrywanie dużych powierzchni, gdzie można zastosować szereg strumieni plazmy do powlekania o szerokości do kilku centymetrów z prędkością większą niż 5 m/min. Osadzane materiały mogą posiadać właściwości hydrofobowe i hydrofilowe, a także funkcje izolacyjne i barierowe dla wilgoci, warstwy chroniące przed korozją oraz wzmacniające wiązania. Warto zauważyć, że możliwość nakładania powłok barierowych dielektrycznych na urządzenia elektroniczne to rewolucyjne osiągnięcie w ochronie podzespołów elektronicznych, narażonych na niskie lub średnie napięcia. Gęsta, pozbawiona otworów struktura powłoki zapobiega przenikaniu wilgoci, co zwiększa ochronę antykorozyjną np. akumulatorów i elastycznych urządzeń elektronicznych. Powstałe powłoki są od 25 do 100 razy cieńsze od konwencjonalnych powłok ochronnych, co czyni je idealną metodą produkcji lekkich elementów.

Obecnie w celu ochrony obwodów drukowanych przemysł elektroniczny wykorzystuje powłoki konforemne na bazie polimerów. Metoda opracowana przez Plasmatreat udoskonala to podejście poprzez precyzyjny wybór obszaru i selektywną aplikację nanopowłok tylko na określone obszary płytki. Ponadto organiczno-ceramiczna struktura chemiczna powłok PlasmaPlus zapewnia lepszą stabilność termiczną, izolację elektryczną i twardość mechaniczną w porównaniu z czystymi powłokami polimerowymi, takimi jak powłoki akrylowe i to bez konieczności tworzenia grubych warstw.

Oprócz stosowania jako wierzchnia warstwa ochronna, powłoki dielektryczne zawierają związki chemiczne, które mogą łatwo wiązać się z materiałami stosowanymi na płytkach drukowanych lub podzespołach elektronicznych, takimi jak warstwy metalizowane chroniące przed zakłóceniami elektromagnetycznymi lub związki epoksydowe do formowania wtryskowego (stosowane w obudowach półprzewodników).

Źródło: Plasmatreat GmbH

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!