Chemie, Qualitäten und Eigenschaften von Parylene

Parylene ist ein weit verbreitetes Material, das vor allem auf kritischen elektronischen Schaltkreisen zum Einsatz kommt, um in rauen Umgebungen einen wirksamen Schutz zu gewährleisten. Insbesondere in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist Parylene das Material der Wahl.

Parylene ist ein Polymer mit einzigartigen Eigenschaften und einem besonderen Abscheidungsverfahren. Die Gasphasenpolymerisation in Verbindung mit einer besonderen Molekülstruktur ermöglicht die Herstellung hochundurchlässiger Dünnschichten, die sich ideal für hochleistungsfähige Barrierebeschichtungen eignen.

Als Auftragsbeschichtungsdienstleister produziert COAT-X unter dem Namen dünne Schichten aus Parylene N, C, F-VT4 und F-AF4. CX PROTECT sowie mehrschichtige Verbund-Barrierebeschichtungen als CX ULTRA und CX ULTIMA.

Abscheidungsanlagen für Parylene-Dünnschichten sind in verschiedenen Größen von 30 l bis 600 l erhältlich (CX-30, CX-300 und CX-600).

Um optimale Barriereeigenschaften zu erzielen, haben wir das CXC-20, ein Clustersystem, das einen CVD-Reaktor für Parylene-Schichten und einen ALD-Reaktor (Atomic Layer Deposition) für defektfreie ultradünne Keramikschichten kombiniert.

Parylene-Chemie

Parylene ist die Sammelbezeichnung für eine Familie linearer thermoplastischer Polymere, die aus Poly-para-xylylen. Seine Grundstruktur besteht aus aromatischen Benzolringen, die durch Methylengruppen (–CH₂–) verbunden sind und eine lineare, teilkristalline thermoplastische Polymerkette bilden. Die grundlegende Wiederholungseinheit von Parylene N lautet: –[ CH₂–C₆H₄–CH₂ ]n–

Diese Struktur sorgt für eine hohe molekulare Symmetrie, was eine dichte Kettenanordnung, einen hohen Kristallinitätsgrad und außergewöhnliche Barriereeigenschaften ermöglicht.

Der Polymerisationsgrad (n) erreicht in der Regel Werte im zehntausendfachen Bereich, wodurch hochmolekulare Folien (Mw ~500.000–1.000.000 g/mol) mit hervorragender mechanischer Festigkeit entstehen. Die Kristallinität sorgt für Steifigkeit, chemische Beständigkeit und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssigbeschichtungen liegt Parylen niemals in flüssiger Form vor: Das Polymer bildet sich durch die Polymerisation gasförmiger Monomere bei Raumtemperatur direkt auf der Substratoberfläche – ein einzigartiger Prozess, der ihm seine perfekt anpassungsfähigen Beschichtungseigenschaften verleiht.

Parylene-Typen

Im Handel sind fünf Qualitäten erhältlich. Jede davon entsteht durch eine Modifikation der chemischen Grundstruktur, bei der Wasserstoffatome durch Halogene (Chlor, Fluor) oder andere funktionelle Gruppen ersetzt werden.

• Parylene N ist das Grundelement der Familie, das ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht. Seine hochkristalline lineare Struktur verleiht ihm den niedrigsten Brechungsindex und die beste Spaltdurchdringung aller Sorten.
• Parylene C ist die in der Industrie am häufigsten verwendete Sorte. Durch die Einbindung eines Chloratoms an Position 2 des aromatischen Rings wird die Barriere gegen Feuchtigkeit und korrosive Gase im Vergleich zur Sorte N deutlich verbessert, während die hervorragenden dielektrischen Eigenschaften erhalten bleiben.
• Parylene D enthält zwei Chloratome (an den Positionen 2 und 5). Diese doppelte Substitution sorgt für eine höhere Temperaturbeständigkeit als bei der Güteklasse C, allerdings auf Kosten einer etwas höheren Dielektrizitätskonstante. Wird für Anwendungen eingesetzt, die dauerhaft erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind.
• Parylene VT4 Alle vier Wasserstoffatome der aromatischen Ringe sind durch Fluor ersetzt, wobei die Methylenbrücken (–CH₂–) unverändert bleiben. Die Ringfluorierung senkt die Oberflächenenergie des Polymers deutlich, verringert den UV-Absorptionsquerschnitt des aromatischen Chromophors und passiviert den Ring gegen elektrophile chemische Angriffe.
• Parylene AF4 ist fluoriert: Die Wasserstoffatome der –CH₂–-Gruppe sind durch Fluoratome ersetzt. Diese Modifikation sorgt für eine außergewöhnliche thermische Stabilität (Spitzenwert bis zu 450 °C) und UV-Beständigkeit sowie für einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten. Es handelt sich um die fortschrittlichste Sorte für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie für anspruchsvolle biomedizinische Anwendungen.
• Mehrschichtige Verbundbeschichtungen Parylene mit dünnen Keramikschichten kombinieren, die mittels ALD (Atomic Layer Deposition) abgeschieden wurden, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂) oder Titandioxid (TiO₂). Diese Hybridarchitekturen reduzieren die Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR) im Vergleich zu Parylene allein um mehrere Größenordnungen.

Parylene-Abscheidungsverfahren

Parylene wird in einem dreistufigen CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) unter Vakuumbedingungen abgeschieden. Dieses einzigartige Verfahren, das ohne Lösungsmittel und ohne Katalysator bei Raumtemperatur abläuft, ermöglicht eine gleichmäßige Beschichtung aller Oberflächen, einschließlich komplexer 3D-Geometrien, Hohlräume und Unterflächen.

Das Parylene-Beschichtungsverfahren ist ein dreistufiger Vakuum-CVD-Prozess. Jede Stufe weist spezifische thermodynamische und kinetische Eigenschaften auf.

Stufe 1 – Sublimation (Verdampfung) von Dimeren

~150 °C · unter Vakuum

Das feste Dimer (Di-para-Xylylen-Pulver) wird erhitzt, bis es sublimiert, d. h. direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht, ohne dabei den flüssigen Zustand zu durchlaufen.

Stufe 2 – Pyrolytische Spaltung (Cracking)

~680 °C · Quarzrohr-Ofen

Das Dimer-Gas durchströmt einen Hochtemperaturofen, der die zentrale C–C-Bindung des Dimers aufbricht, wodurch zwei hochreaktive para-Xylylen-Monomer-Radikale entstehen.

Phase 3 – Abscheidung und Polymerisation

Raumtemperatur – Abscheidungskammer

Der Monomerdampf gelangt in die Raumtemperaturkammer. Während er an allen Oberflächen kondensiert, polymerisiert er spontan und wächst Molekül für Molekül zu einem durchgehenden Film heran.

Diese Oberflächenpolymerisation in der Gasphase kommt ohne Lösungsmittel, Initiator oder Katalysator aus und findet bei Raumtemperatur auf dem Substrat statt. Der resultierende Film ist außergewöhnlich rein (>99,9 Gew.-%), fehlerfrei und wächst gleichzeitig auf allen freiliegenden Oberflächen, unabhängig von deren Geometrie, einschließlich einspringender Strukturen, Kapillarspalten und der Unterseiten von Bauteilen – eine Konformität, die keine flüssig aufgetragene Beschichtung erreichen kann.