Chimica, classi e proprietà del parilene

Il parilene è un materiale ampiamente utilizzato, applicato soprattutto su circuiti elettronici critici per garantire una protezione efficace in condizioni ambientali difficili. In particolare nei settori dei dispositivi medici, aerospaziale e spaziale, il parilene è il materiale di elezione.

Il parilene è un polimero dalle proprietà e dal processo di deposizione unici. La polimerizzazione in fase vapore, unita a una particolare struttura molecolare, consente la produzione di film sottili altamente impermeabili, ideali per rivestimenti barriera ad alte prestazioni.

In qualità di fornitore di servizi di rivestimento, COAT-X produce film sottili di Parylene N, C, F-VT4 e F-AF4 con il nome di CX PROTECT e rivestimenti barriera compositi multistrato quali CX ULTRA e CX ULTIMA.

Le macchine per la deposizione di film sottili di parilene sono disponibili in varie dimensioni, da 30 L a 600 L (CX-30, CX-300 e CX-600).

Per garantire le migliori proprietà barriera, abbiamo sviluppato il CXC-20, un sistema a cluster che combina un reattore CVD per film di parilene e un reattore ALD (deposizione a strato atomico) per film ceramici ultrasottili privi di difetti.

Chimica del parilene

"Parylene" è il nome generico di una famiglia di polimeri termoplastici lineari derivati da poli-para-xililene. La sua struttura di base è costituita da anelli aromatici di benzene collegati da gruppi metilene (–CH₂–), che formano una catena polimerica termoplastica lineare e semicristallina. L'unità ripetitiva fondamentale del Parylene N è: –[ CH₂–C₆H₄–CH₂ ]n–

Questa struttura conferisce un’elevata simmetria molecolare, consentendo un compatto impacchettamento delle catene, un elevato grado di cristallinità e eccezionali proprietà barriera.

Il grado di polimerizzazione (n) raggiunge in genere valori nell’ordine delle decine di migliaia, dando origine a film ad alto peso molecolare (Mw ~500.000–1.000.000 g/mol) con eccellenti proprietà meccaniche. La cristallinità conferisce rigidità, resistenza chimica e proprietà di barriera all’umidità.

A differenza dei rivestimenti liquidi convenzionali, il parilene non esiste mai in forma liquida: il polimero si forma direttamente sulla superficie del substrato attraverso la polimerizzazione di monomeri gassosi a temperatura ambiente, un processo unico che gli conferisce proprietà di rivestimento perfettamente conformi.

Tipi di parilene

In commercio sono disponibili cinque tipi. Ciascuno di essi deriva da una modifica della struttura chimica di base ottenuta mediante la sostituzione di atomi di idrogeno con alogeni (cloro, fluoro) o altri gruppi funzionali.

• Parylene N è l'elemento fondante della famiglia, composto esclusivamente da carbonio e idrogeno. La sua struttura lineare altamente cristallina gli conferisce l'indice di rifrazione più basso e la migliore capacità di penetrazione nelle fessure rispetto a tutte le altre qualità.
• Parylene C è il tipo più diffuso a livello industriale. L’aggiunta di un atomo di cloro in posizione 2 dell’anello aromatico migliora significativamente la barriera contro l’umidità e i gas corrosivi rispetto al tipo N, pur mantenendo eccellenti proprietà dielettriche.
• Parylene D presenta due atomi di cloro (nelle posizioni 2 e 5). Questa doppia sostituzione garantisce una resistenza termica superiore rispetto al grado C, a scapito di una costante dielettrica leggermente più elevata. Utilizzato per applicazioni esposte a temperature elevate prolungate.
• Parylene VT4 tutti e quattro gli atomi di idrogeno degli anelli aromatici sono sostituiti da fluoro, mentre i ponti metilenici (–CH₂–) rimangono inalterati. La fluorurazione degli anelli riduce notevolmente l’energia superficiale del polimero, diminuisce la sezione d’urto di assorbimento dei raggi UV del cromoforo aromatico e passiva l’anello contro gli attacchi chimici elettrofili.
• Parylene AF4 è fluorurato: gli atomi di idrogeno del gruppo –CH₂– sono sostituiti da atomi di fluoro. Questa modifica garantisce un’eccezionale stabilità termica (fino a 450 °C di picco) e resistenza ai raggi UV, oltre a un coefficiente di attrito estremamente basso. Si tratta del grado più avanzato per applicazioni aerospaziali, spaziali e biomediche particolarmente esigenti.
• Rivestimenti compositi multistrato combinare il parilene con sottili strati ceramici depositati mediante ALD (deposizione a strati atomici), come l’ossido di alluminio (Al₂O₃), il biossido di silicio (SiO₂) o il biossido di titanio (TiO₂). Queste architetture ibride riducono il tasso di trasmissione del vapore acqueo (WVTR) di diversi ordini di grandezza rispetto al solo parilene.

Processo di deposizione del parilene

Il parilene viene depositato mediante un processo CVD (deposizione chimica da vapore) in tre fasi, effettuato sotto vuoto. Questo processo unico nel suo genere, privo di solventi e catalizzatori e condotto a temperatura ambiente, consente di rivestire in modo uniforme tutte le superfici, comprese geometrie 3D complesse, cavità e superfici sotterranee.

Il processo di rivestimento con parilene è un processo CVD sotto vuoto articolato in tre fasi. Ciascuna fase presenta caratteristiche termodinamiche e cinetiche distinte.

Fase 1 — Sublimazione (vaporizzazione) dei dimeri

~150 °C · sotto vuoto

Il dimero solido (polvere di di-para-xililene) viene riscaldato fino a sublimazione, passando direttamente dallo stato solido a quello gassoso senza passare per lo stato liquido.

Fase 2 — Scissione pirolitica (cracking)

~680 °C · forno a tubo di quarzo

Il gas dimerico passa attraverso un forno ad alta temperatura che rompe il legame C–C centrale del dimero, producendo due radicali monomerici di para-xililene altamente reattivi.

Fase 3 — Deposizione e polimerizzazione

Temperatura ambiente – camera di deposizione

Il vapore del monomero entra nella camera a temperatura ambiente. Condensandosi su tutte le superfici, polimerizza spontaneamente, formando, molecola dopo molecola, una pellicola continua.

Questa polimerizzazione superficiale in fase vapore non richiede solventi, iniziatori né catalizzatori e avviene a temperatura ambiente sul substrato. Il film risultante è eccezionalmente puro (>99,9% in peso), privo di difetti e si forma simultaneamente su tutte le superfici esposte indipendentemente dalla geometria, comprese le cavità rientranti, gli spazi capillari e la parte inferiore dei componenti: una conformabilità che nessun rivestimento applicato in fase liquida è in grado di eguagliare.