Parylene – das Multitalent unter den Kunststoffen für die Beschichtung

Werkstoffe 02. 02. 2017

Von Franz Selbmann und Mario Baum, Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS

Dem Trend der Miniaturisierung und Funktionserweiterung in der Mikrosystemtechnik folgend sowie zur Erschließung von neuen Anwendungsgebieten bedarf es der Etablierung neuer Materialien. Parylene ist ein Kunststoff, der sich im Bereich der Mikrosystemtechnik einsetzen lässt und der eine Vielzahl hervorragender Eigenschaften vereint, wie beispielsweise optische Transparenz, Biokompatibilität und Biostabilität, chemische Beständigkeit, elektrische Isolation, eine wasserabweisende Oberfläche sowie eine geringe Permeabilität für Gase und Wasser. Dabei kann Parylene insbesondere auf zahlreichen Substraten bei Raumtemperatur und frei von mechanischen Spannungen abgeschieden werden, woraus eine enorme Anwendungsbreite des Materials resultiert.

1 Einleitung

Bereits im Jahr 1965 formulierte der Wissenschaftler Gordon Moore das nach ihm benannte Gesetz zur kontinuierlichen Steigerung der Komplexität und Leistung von mikroelektronischen integrierten Schaltungen. Die jüngere Entwicklung umfasst darüber hinaus auch Systeme mit mechanischen Komponenten, sogenannte MEMS (engl. Micro Electro Mechanical Systems) und optischen Elementen, die ebenfalls eine immer größere Komplexität und Leistung erreichen und eine Vielzahl neuer Anwendungen erschließen. Dazu gehören unter anderem Einsatzmöglichkeiten in der Medizintechnik, wie zum Beispiel Implantate, die Körperfunktionen überwachen und unterstützen. Um die weitere Entwicklung dieser Systeme voranzutreiben, bedarf es des Einsatzes moderner Materialien mit überlegenen Eigenschaften.

2 Grundlegendes zu Parylene

Der Kunststoff Parylene bezeichnet eine Polymerfamilie auf Basis des Poly-para-­xylylen, wobei sich durch den Austausch von bestimmten Atomen verschiedene Parylene-Typen erzeugen lassen. Gegenwärtig­ sind fünf verschiedene Typen etabliert, die sich wiederum geringfügig in ihren Eigenschaften unterscheiden.

Zudem sind am Markt mehrere Unternehmen im Bereich des Anlagenbaus und der Parylene-Abscheidung aktiv, wie beispielsweise Specialty Coating Systems SCS Inc. in den USA oder Plasma Parylene Systems GmbH in Deutschland. Im Gegensatz dazu liegt der Fokus am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS auf der Entwicklung von neuen Anwendungen für Parylene, der Optimierung und Charakterisierung der Abscheidung sowie Zuverlässigkeitsuntersuchungen.

3 Eigenschaften und Anwendungen

Alle Parylene-Typen sind elektrische Isolatoren mit Durchschlagfestigkeiten von über 2 MV/cm und können daher als Isolationsschichten eingesetzt werden. Zudem weisen alle Parylene-Typen eine im Vergleich zu anderen Polymeren geringe Permeabilität für Wasser und Gase auf, womit sich breite Anwendungsmöglichkeiten für die Verkapselung ergeben, die nachfolgend ­näher vorgestellt werden.

Nicht zuletzt durch die chemische Inertheit von Parylene gegenüber aggressiven Chemikalien, wie allen gängigen Säuren, Basen und Lösemitteln, eignet sich Parylene besonders, um die Funktionalität von Bauteilen auch an Orten mit rauen Umgebungsbedingungen langfristig zu gewährleisten. Eindrucksvoll zeigt sich dies beispielsweise an der unterdrückten Korrosion einer mit nur 5 µm Parylene verkapselten Leiterplatte, die einer korrosiven Salzlösung ausgesetzt wurde (Abb. 1).

Abb. 1: Unverkapselte und mit circa 5 µm Parylene C verkapselte Leiterplatte nach einer Woche in 5%-iger Salzlösung sowie jeweils ein Kontaktpad

 

Darüber hinaus sind einige Parylene-Typen nach ISO 10993-1 zertifiziert biokompatibel und biostabil, wodurch sich Anwendungen in der Verkapselung von medizinischen Geräten bis hin zu Implantaten ergeben. Die Verkapselung dient dabei in erster Linie der Vermeidung wechselseitiger Kontaminationen in Körperflüssigkeiten, zum Beispiel im Implantat, und damit der Gewährleistung von dessen ordnungsgemäßer Funktion. Entscheidend für die Verwendung von Parylene in der Medizintechnik ist dabei der Umstand, dass Parylene mit gängigen Methoden wie Autoklavieren oder Elektronenbeschuss sterilisiert werden kann, ohne seine Eigenschaften zu verlieren.

Parylene ist zudem transparent im sichtbaren Bereich des Lichts und besitzt einen mit Flintglas vergleichbaren Brechungsindex. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, Parylene als Verkapselung für optische Bauelemente wie zum Beispiel Leuchtdioden (Abb. 2) zu verwenden, um diese wiederum vor unerwünschten Umwelteinflüssen zu schützen. Der spezielle Typ Parylene HT ist zudem beständig gegenüber UV-Licht. In Ergänzung zu diesen Eigenschaften besitzt Parylene eine wasserabweisende Ober­fläche sowie einen niedrigen Reibungskoef­fizienten.

Abb. 2: Mit 3 µm Parylene C verkapselte Leuchtdiode im korrosiven Salzwasser

 

4 Abscheidung von Parylene

Die Beschichtung mit Parylene erfolgt mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition CVD) in dem nach seinem Erfinder benannten Gorham-Prozess. Dabei werden die sogenannten Monomere, das heißt die einzelnen Bausteine des späteren Polymers, durch die Spaltung von kommerziell verfügbaren Vorstufen erzeugt. Die Schicht selbst wird aus der Gasphase abgeschieden, wodurch sich eine sehr homogene und konforme Schichtdicke ergibt, wie Untersuchungen an Querschliffen von beschichteten dreidimensionalen Substraten im Rasterelektronenmikroskop belegen (Abb. 3).

Abb. 3: Nachweis der Konformität im Rasterelektronenmikroskop an Querschliffen von mit 600 nm Parylene beschichteten Siliziumsäulen

Abb. 4: Parylen auf porösem Aluminiumoxid

 

Ein weiterer Vorteil der Abscheidung aus der Gasphase liegt darin, dass auch raue und poröse Oberflächen beschichtet werden können, wodurch die Poren bei entsprechender Schichtdicke sogar verschlossen und Unebenheiten ausgeglichen werden, wie sich ebenfalls rasterelektronenmikroskopisch zeigen lässt (Abb. 4). Da die Abscheidung zudem bei Raumtemperatur erfolgt, sind die erzeugten Schichten frei von mechanischen Spannungen.

Zudem lassen sich eine Vielzahl von verschiedenen Substraten beschichten, da das einzige limitierende Kriterium die Stabilität des Substrats gegen das bei der Beschichtung herrschende Vakuum ist. Entsprechend lassen sich selbst Material wie Papier beschichten (Abb. 5), was Anwendungen im Bereich der Konservierung, beispielsweise von historischen Dokumenten, eröffnet.

Abb. 5: Beschichtung von klassischem Löschpapier mit circa 2,4 µm Parylene (rechts) sowie Demonstration der Barrierewirkung im Vergleich zu unbeschichteten Papier im Wasser (links)

Abb. 6: Freistehendes, an der Reflexion zu erkennendes Parylene in einer Metallhalterung

 

Durch die Verwendung von geeigneten ­Opferschichten ist zudem die Herstellung von freitragenden Parylene möglich (Abb. 6). Dabei konnten bisher Aspektverhältnisse (Dicke zu Durchmesser) von bis zu 1 : 30000 realisiert werden, was vergleichbar mit einem Trampolin ist, dessen Sprungtuch 30 m Durchmesser und eine ­Dicke von nur 1 mm besitzt.

Um die Haftung auf verschiedenen Substratoberflächen zu verbessern, können verschiedene Oberflächenbehandlungen­ eingesetzt werden, womit selbst auf schwierigen Untergründen wie Metallen zufriedenstellende Haftungsergebnisse ­erzielt werden können. Vorteilhaft ist die im Fraunhofer ENAS anlagenbedingt vorhandene Möglichkeit, diese Oberflächenkonditionierungen in-situ, das heißt unmittelbar vor der Beschichtung und direkt in der Beschichtungskammer durchführen zu können.

5 Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass mit Parylene ein vielseitiges Beschichtungsmaterial zur Verfügung steht, für das sich stetig neue Anwendungen erschließen. Diese reichen im Bereich der Verkapselung von medizinischen Anwendungen, über konservatorische Anwendungen bis hin zum Korrosionsschutz, wobei sich unabhängig davon auch Anwendungen als elektrische Isolationsschicht oder als Material für freitragende Strukturen finden lassen. Parylene ist damit ein Material, welches das Potential besitzt, einen Beitrag für den weiteren technischen Fortschritt zu leisten.

DOI: 10.7395/2017/Baum1

 
 
 

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