VDP:一种电子变压器磁芯真空涂复新工艺
2003-03-13 13:56:01
来源：《国际电子变压器》2000.12
VDP:一种电子变压器磁芯真空涂复新工艺
一、前 言
用于各种电子变压器和电感器的铁氧体磁芯，无论是高导、低功耗的MnZn铁氧体，还是高频宽带应用的NiZn铁氧体，由于制造工艺的影响，铁氧体磁芯表面往往或多或少分布有细孔或微裂纹，空气中的水份借助毛细作用，会使铁氧体磁芯吸湿受潮，从而显著影响器件的电磁性能，机械强度也会大大降低。因此有必要进行磁芯表面的涂复处理[1]。
传统的涂复工艺有两种:一是用喷枪将涂复物喷射于铁氧体磁芯表面，自然干燥或烘干，这种方法适用于较大尺寸的圆柱形、环形磁芯;另一方面是将铁氧体磁芯放入装有涂复物的窗口内浸渍，然后在一定温度下进行聚合处理。由于涂层厚度难以控制，涂复物较难进入极小的微孔以及附着力很难令人满意等，因此，传统的涂复工艺无论从质量还是从效率来看，都无法适应现代化大生产的需要。
本文介绍一种适用于各种铁氧体磁芯的真空涂复新工艺，即VDP(VAPORIZED DEPOSIT PROCESS）气相分子沉积保护涂层工艺，供同行们参考。
二、VDP工艺过程
VDP气相分子沉积工艺采用一种叫做PARYLENE的新型高分子聚合物作为涂复材料，其工艺过程可分为三个步骤，如图1所示。
图1 VDP气相分子沉积工艺过程
第一步是在大约150℃温度下将固态的高分子二聚物在真空中进行蒸发，使这种白色粉末直接升华为气态，第二步是对这种气态的高分子二聚物加温至680℃左右，使其裂解为具有活性的单体;第三步使气态的单体象云雾般充满真空状态下的沉积室，然后在铁氧体磁芯表面发生聚合，不断生长成薄膜涂层，直至单体不再存在为止。这种方法最早由William F.Gorham发明，并申请了一种特殊的先进的蒸汽涂复新工艺专利[2]。目前，采用这种方法的相应设备也已被开发出来，形成了适用于各种基体表面涂复保护的系列化产品，并在自动化生产流水线及实验室中获得了广泛的应用。
三、VDP工艺特点
3.1 涂复材料的基本结构
VDP工艺所采用的涂复材料PARYLENE是一类独特的热塑性高分子聚合物的总称，目前这一家庭中的主要成员有三位:PARYL ENE-N是其中的基本成员，叫做聚对二甲苯;PARYLENE-C作为第二位成员，是用一个氯原子取代聚对二甲苯中的一个芳香烃氢原子而构成的;PARYLENE-D作为第三位成员，是用两个氯原子取代聚对二甲苯中的两个芳香烃氢原子而构成的。PARYLENE-C和PARYLENE-D的性质基本相似，但是具有更好的耐高温性能。PARYLENE 通过气相分子沉积而非液态的方式在铁氧体磁芯表面生成线性的、结晶的高分子聚合物，具有良好的绝缘性能和化学稳定性，无色、透明，且不会产生针孔，是一种无应力保护涂层。PARYLENE的化学结构如图2所示。
图2 PARYLENE的化学结构
3.2 VDP的工艺的特点
——可形成完整的保护薄膜
由于气相分子几乎无孔不入，所以VDP工艺能适应各种形状的磁芯，包括尖锐的边缘、针孔、微裂纹、管状磁芯的内表面，甚至盲孔，均将生成致密的、十分均匀的PARYLENE保护膜，不会出现液态涂复时在小孔、相邻的表面以及拐角处形成的“桥接”:此外，由于气相分子沉积是在室温下进行的，所以也不会产生液态涂复时的凝固应力和加热过程导致的严重张力。
——保护膜自身性能优越
PARYLENE薄膜的电气性能良好，表面电阻为
欧姆-厘米，比环氧类略高;厚度1密耳(mil)的薄膜耐压强度为5500-7000V（DC），随着厚度的减薄，单位厚度的击穿电压反而升高（图3）;介电常数为2.65-3.15（60Hz-1MHz时），与环氧类相当。
图3 PARYLENE薄膜的击穿电压
PARYLENE薄膜的分子量高达500000，结构致密，密度为1.1-1.5g/
，比环氧类略高;熔点290-420℃;比热、拉伸强度与环氧类相当;在低于175℃时，几乎不溶于任何有机溶剂。因为PARYLENE薄膜涂复时不需要其他溶剂或添加剂，所以涂层无凝结结晶残留物，化学性质特别稳定;活性单体分子间紧密相连，形成很长的聚合链，因此涂层的附着力和均匀性良好。
——膜厚可控且生长速度快
同真空金属镀膜不同，VDP工艺沉积速度相当快，通常每分钟可沉积0.2微米; 动力学研究表明，沉积速度与沉积室内单体浓度平方成正比，与温度成反比;只要控制单体浓度、沉积时间和温度，就可控制涂层厚度，一般PARYLENE薄膜的厚度控制在1-100微米之间。
3.3 存在的问题
目前世界上只有英、美等少数先进工业化国家掌握VDP工艺技术及设备，价格相当昂贵，我国要在短期内实现国产化尚有一定困难，据说台湾地区已引进了这一技术和设备。
此外，虽然PARYLENE薄膜在室内比较稳定，预计在100℃的空气中可旋转10年，但不能在室外阳光直接照射下长期使用可能会导致迅速脆裂。
对于铁氧体磁芯来说，在实施气相分子沉积之前，还应进行预处理，包括清洗和用稀释的有机硅烷溶液来处理等。
四、以技术创新推动电子变压器产业发展
随着电子科技和信息产业和快速发展，人们生活水平的不断提高，磁性产品特别是软磁铁氧体的市场前景看好[3]。但是，面对经济全球化和我国即将加入WTO的新形势，电子变压器行业和磁性行业应当联合起来，共同迎接机遇和挑战。目前，我国已经成为世界上磁性材料和电子变压器等磁性器件的生产大国，但在技术创新和产品升级能力上远还不是一个强国。例如:日本在1996年召开的第7届国际铁氧体会议上就宣称，已经开发出初始磁导率达23000的高导MnZn铁氧体[4]:近年来又在 PC40 和 PC50 之间推出PC44-PC47等牌号的高性能功率铁氧体;日本年产6万吨以上软磁铁氧体中，小磁环的销售额约占25%，其中相当部分要采用VDP等工艺进行表面处理。印度近年来大力发展磁性材料工业，预计今年软磁铁氧体的产量将超万吨[5]，并积极进军国际市场，不久的将来，我国与印度的磁性产品激烈的市场竞争在所难免。
作为基础电子产品，为了促进电子变压器向小型化、扁平化、微型化和片式化方向发展，磁性行业要开拓进取，不断增强自身的科技创新和产品升级能力，积极开发先进而实用的新技术、新工艺、新材料，为电子变压器行业的发展作出应有的贡献。
参考文献
[1] 孙亦栋等，铁氧体工艺，电子工业出版社，1984，176
[2] PARYLENE真空涂复系统说明书.1995
[3] 何水校，磁性材料及器件，Vol.
29，No.1，1998，44
[4] T.Ohiai，Proceedings of The ICF7 1996 C1-27
[5] S.L.Sarnot，A.Mathur and R.K.Govila，Proceedings of The ICF7 1996 C1-31
一、前 言
用于各种电子变压器和电感器的铁氧体磁芯，无论是高导、低功耗的MnZn铁氧体，还是高频宽带应用的NiZn铁氧体，由于制造工艺的影响，铁氧体磁芯表面往往或多或少分布有细孔或微裂纹，空气中的水份借助毛细作用，会使铁氧体磁芯吸湿受潮，从而显著影响器件的电磁性能，机械强度也会大大降低。因此有必要进行磁芯表面的涂复处理[1]。
传统的涂复工艺有两种:一是用喷枪将涂复物喷射于铁氧体磁芯表面，自然干燥或烘干，这种方法适用于较大尺寸的圆柱形、环形磁芯;另一方面是将铁氧体磁芯放入装有涂复物的窗口内浸渍，然后在一定温度下进行聚合处理。由于涂层厚度难以控制，涂复物较难进入极小的微孔以及附着力很难令人满意等，因此，传统的涂复工艺无论从质量还是从效率来看，都无法适应现代化大生产的需要。
本文介绍一种适用于各种铁氧体磁芯的真空涂复新工艺，即VDP(VAPORIZED DEPOSIT PROCESS）气相分子沉积保护涂层工艺，供同行们参考。
二、VDP工艺过程
VDP气相分子沉积工艺采用一种叫做PARYLENE的新型高分子聚合物作为涂复材料，其工艺过程可分为三个步骤，如图1所示。
图1 VDP气相分子沉积工艺过程
第一步是在大约150℃温度下将固态的高分子二聚物在真空中进行蒸发，使这种白色粉末直接升华为气态，第二步是对这种气态的高分子二聚物加温至680℃左右，使其裂解为具有活性的单体;第三步使气态的单体象云雾般充满真空状态下的沉积室，然后在铁氧体磁芯表面发生聚合，不断生长成薄膜涂层，直至单体不再存在为止。这种方法最早由William F.Gorham发明，并申请了一种特殊的先进的蒸汽涂复新工艺专利[2]。目前，采用这种方法的相应设备也已被开发出来，形成了适用于各种基体表面涂复保护的系列化产品，并在自动化生产流水线及实验室中获得了广泛的应用。
三、VDP工艺特点
3.1 涂复材料的基本结构
VDP工艺所采用的涂复材料PARYLENE是一类独特的热塑性高分子聚合物的总称，目前这一家庭中的主要成员有三位:PARYL ENE-N是其中的基本成员，叫做聚对二甲苯;PARYLENE-C作为第二位成员，是用一个氯原子取代聚对二甲苯中的一个芳香烃氢原子而构成的;PARYLENE-D作为第三位成员，是用两个氯原子取代聚对二甲苯中的两个芳香烃氢原子而构成的。PARYLENE-C和PARYLENE-D的性质基本相似，但是具有更好的耐高温性能。PARYLENE 通过气相分子沉积而非液态的方式在铁氧体磁芯表面生成线性的、结晶的高分子聚合物，具有良好的绝缘性能和化学稳定性，无色、透明，且不会产生针孔，是一种无应力保护涂层。PARYLENE的化学结构如图2所示。
图2 PARYLENE的化学结构
3.2 VDP的工艺的特点
——可形成完整的保护薄膜
由于气相分子几乎无孔不入，所以VDP工艺能适应各种形状的磁芯，包括尖锐的边缘、针孔、微裂纹、管状磁芯的内表面，甚至盲孔，均将生成致密的、十分均匀的PARYLENE保护膜，不会出现液态涂复时在小孔、相邻的表面以及拐角处形成的“桥接”:此外，由于气相分子沉积是在室温下进行的，所以也不会产生液态涂复时的凝固应力和加热过程导致的严重张力。
——保护膜自身性能优越
PARYLENE薄膜的电气性能良好，表面电阻为
欧姆-厘米，比环氧类略高;厚度1密耳(mil)的薄膜耐压强度为5500-7000V（DC），随着厚度的减薄，单位厚度的击穿电压反而升高（图3）;介电常数为2.65-3.15（60Hz-1MHz时），与环氧类相当。图3 PARYLENE薄膜的击穿电压
PARYLENE薄膜的分子量高达500000，结构致密，密度为1.1-1.5g/
，比环氧类略高;熔点290-420℃;比热、拉伸强度与环氧类相当;在低于175℃时，几乎不溶于任何有机溶剂。因为PARYLENE薄膜涂复时不需要其他溶剂或添加剂，所以涂层无凝结结晶残留物，化学性质特别稳定;活性单体分子间紧密相连，形成很长的聚合链，因此涂层的附着力和均匀性良好。——膜厚可控且生长速度快
同真空金属镀膜不同，VDP工艺沉积速度相当快，通常每分钟可沉积0.2微米; 动力学研究表明，沉积速度与沉积室内单体浓度平方成正比，与温度成反比;只要控制单体浓度、沉积时间和温度，就可控制涂层厚度，一般PARYLENE薄膜的厚度控制在1-100微米之间。
3.3 存在的问题
目前世界上只有英、美等少数先进工业化国家掌握VDP工艺技术及设备，价格相当昂贵，我国要在短期内实现国产化尚有一定困难，据说台湾地区已引进了这一技术和设备。
此外，虽然PARYLENE薄膜在室内比较稳定，预计在100℃的空气中可旋转10年，但不能在室外阳光直接照射下长期使用可能会导致迅速脆裂。
对于铁氧体磁芯来说，在实施气相分子沉积之前，还应进行预处理，包括清洗和用稀释的有机硅烷溶液来处理等。
四、以技术创新推动电子变压器产业发展
随着电子科技和信息产业和快速发展，人们生活水平的不断提高，磁性产品特别是软磁铁氧体的市场前景看好[3]。但是，面对经济全球化和我国即将加入WTO的新形势，电子变压器行业和磁性行业应当联合起来，共同迎接机遇和挑战。目前，我国已经成为世界上磁性材料和电子变压器等磁性器件的生产大国，但在技术创新和产品升级能力上远还不是一个强国。例如:日本在1996年召开的第7届国际铁氧体会议上就宣称，已经开发出初始磁导率达23000的高导MnZn铁氧体[4]:近年来又在 PC40 和 PC50 之间推出PC44-PC47等牌号的高性能功率铁氧体;日本年产6万吨以上软磁铁氧体中，小磁环的销售额约占25%，其中相当部分要采用VDP等工艺进行表面处理。印度近年来大力发展磁性材料工业，预计今年软磁铁氧体的产量将超万吨[5]，并积极进军国际市场，不久的将来，我国与印度的磁性产品激烈的市场竞争在所难免。
作为基础电子产品，为了促进电子变压器向小型化、扁平化、微型化和片式化方向发展，磁性行业要开拓进取，不断增强自身的科技创新和产品升级能力，积极开发先进而实用的新技术、新工艺、新材料，为电子变压器行业的发展作出应有的贡献。
参考文献
[1] 孙亦栋等，铁氧体工艺，电子工业出版社，1984，176
[2] PARYLENE真空涂复系统说明书.1995
[3] 何水校，磁性材料及器件，Vol.
29，No.1，1998，44
[4] T.Ohiai，Proceedings of The ICF7 1996 C1-27
[5] S.L.Sarnot，A.Mathur and R.K.Govila，Proceedings of The ICF7 1996 C1-31
暂无评论