1引言 

在現(xiàn)代雷達(dá)中，聚四氟乙烯材料的使用范圍和使用數(shù)量越來越大。聚四氟乙烯具有寬頻率范圍內(nèi)優(yōu)異的介電性能，以及良好的耐溫、耐磨和耐化學(xué)品性能，因而被廣泛應(yīng)用于高頻元件和密封件等，如微波印制板基材、包氟密封圈等。但也由于聚四氟乙烯表面能低，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定的特殊性，給零件生產(chǎn)過程中如金屬化、表面涂覆、粘接等加工操作帶來了很大困難，首先必須對(duì)其進(jìn)行表面處理，否則很難進(jìn)行加工或加工后可靠性差的特點(diǎn)。 

長(zhǎng)期以來，人們研究出了針對(duì)聚四氟乙烯的多種濕法表面處理方法，其中公認(rèn)最有效的是鈉萘溶液處理法。在以往的生產(chǎn)中也多是采用自配鈉萘溶液處理的方法來進(jìn)行聚四氟乙烯類零件的孔金屬化、粘接前表面活化處理。但鈉萘處理法也有很大的局限性，表現(xiàn)在： 

①鈉萘溶液的配制過程繁瑣，對(duì)操作者的要求較高； 
②配制及使用中的安全性較差，環(huán)境污染重，廢液難以處理； 
③溶液壽命短，施工靈活性差，必須集中配制和處理； 
④應(yīng)用場(chǎng)合有局限，不適用于聚四氟乙烯微波板的三防涂覆前處理。 

基于以上原因，開展了應(yīng)用等離子體處理法替代鈉萘處理法進(jìn)行聚四氟乙烯表面活化處理的研究工作。 

2等離子體處理的基本原理 

有關(guān)等離子體的概念最早于1926年由Irving Langmuir首次使用，用以描述一個(gè)放電區(qū)域的內(nèi)部。等離子體是離子化的氣體，它是含有離子、電子和自由基的充電氣體。等離子體包括高溫等離子體和低溫等離子體，在表面處理中使用的一般都是低溫等離子體。 

等離子體處理設(shè)備由以下幾部分組成，真空腔、電極板、射頻發(fā)生器、真空系統(tǒng)、氣流控制系統(tǒng)和控制部分。在真空狀態(tài)下，啟動(dòng)射頻發(fā)生器即導(dǎo)致電極間放電，使氣體分子轉(zhuǎn)化為電子、離子、自由基和重新結(jié)合的分子。 

高分子材料在進(jìn)行等離子體處理時(shí)，其表面活化過程實(shí)際可包涵兩部分的內(nèi)容，一方面是經(jīng)電場(chǎng)加速的氣體粒子高速撞擊材料表面，產(chǎn)生等離子體刻蝕作用，使高分子材料的表面結(jié)晶形態(tài)產(chǎn)生了變化，這是物理作用方面；另一方面充電氣體與材料表面撞擊導(dǎo)致發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在材料表面產(chǎn)生自由基，引入極性基團(tuán)、不飽和鍵和交聯(lián)層，改變了材料表層的分子結(jié)構(gòu)，這是化學(xué)作用方面。兩方面的作用都可以使高分子材料表面活化，增加潤(rùn)濕性，從而改進(jìn)了高分子材料的粘接性、染色性和可印性等。但根據(jù)試驗(yàn)分析，化學(xué)作用對(duì)材料表面狀態(tài)的改善效果要高于物理作用，對(duì)于這一點(diǎn)下面還將做敘述。 

等離子體處理的特點(diǎn)是處理集中于材料的淺表層，因而不改變被處理材料的本體性質(zhì)。相比之下，鈉萘處理對(duì)材料表層的影響要大的多。 

3工藝過程 

聚四氟乙烯微波板通孔及表面等離子體處理的工藝流程如圖1所示。

研究使用的等離子體處理設(shè)備是自行設(shè)計(jì)制造的大型等離子體處理機(jī)，最大可處理板面尺寸為700 mm×500 mm，最多可同時(shí)處理極板數(shù)為10對(duì)。等離子體處理過程為循環(huán)式，一個(gè)循環(huán)大約需要45～60分鐘，但由于一次可處理數(shù)十塊印制板，因此總體效率比較高，而且處理效果的一致性要好于鈉萘溶液處理。處理過程首先連接氣路并按要求調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力，而后將待處理的印制板放置在正負(fù)極板之間，關(guān)閉真空腔抽真空，待腔體內(nèi)空氣基本抽凈后打開進(jìn)氣閥通入處理氣體，當(dāng)真空腔的進(jìn)氣和抽氣達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后即可啟動(dòng)射頻發(fā)生器開始進(jìn)行等離子體處理。由于等離子體處理過程本身也是一個(gè)發(fā)熱過程，因此在等離子體處理后應(yīng)視需要通入惰性氣體進(jìn)行冷卻，以免有些材料在高溫狀態(tài)下被氧化。 

對(duì)等離子體處理效果的檢驗(yàn)可以采用目視檢驗(yàn)和表面接觸角檢驗(yàn)這兩種方式。 

4 聚四氟乙烯微波印制板等離子體處理中的關(guān)鍵技術(shù) 

影響聚四氟乙烯微波印制板等離子體處理效果的因素，或者說聚四氟乙烯微波印制板等離子體處理中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容，即處理氣體的組成、處理的工藝參數(shù)以及處理后的存放條件，以下分別進(jìn)行敘述。 

4.1聚四氟乙烯等離子體處理氣體組成的研究 

依據(jù)國(guó)外的研究，對(duì)聚四氟乙烯基材進(jìn)行表面處理的最有效的氣體組成為100％的NH3或80％H2/20％N2。研究中采用三種處理氣體進(jìn)行試驗(yàn)，即H2、N2和O2，其中H2和N2的比例選用的是80％∶20％。試驗(yàn)應(yīng)用了不同牌號(hào)的聚四氟乙烯基覆銅板材料和純聚四氟乙烯，對(duì)處理氣體的影響進(jìn)行了比較，結(jié)果見表1。

試驗(yàn)表明H2和N2的混合氣體處理效果明顯好于O2的處理效果。結(jié)合對(duì)其他工程塑料進(jìn)行等離子體處理改性的試驗(yàn)現(xiàn)象，采用O2進(jìn)行處理后，表面接觸角只是得到一定程度的減小，而采用H2/N2混合氣體處理后，表面接觸角則小到基本讀不出。采用O2的等離子體處理實(shí)際應(yīng)是一個(gè)表面粗化的過程，僅增加了材料表面的粗糙度，類似于機(jī)械噴砂的效果，主要是物理作用。而采用H2/N2混合氣體的等離子體處理則不僅有物理作用，還存在化學(xué)作用，在原有材料的表面分子結(jié)構(gòu)上引入了新的活性基團(tuán)，因而大大改善了材料表面對(duì)水的親潤(rùn)性，使得表面接觸角變得非常小。 

4.2等離子體處理工藝參數(shù)的研究 

在處理氣體確定的前提下，對(duì)不同操作參數(shù)情況下的處理效果進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。等離子體處理的操作參數(shù)主要有三個(gè)，電壓、電流和處理時(shí)間。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)影響處理效果的操作參數(shù)主要為電流和時(shí)間，而另一參數(shù)電壓因?yàn)槭请S電流的調(diào)整而變化，因此不單獨(dú)作為可調(diào)整參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表1和表2的試驗(yàn)結(jié)果分析，確定聚四氟乙烯材料等離子體處理的適宜工藝條件為： 

混合氣體組成：80％H2/20％N2； 
處理參數(shù)：I=4 A；t=30 min。 

該處理工藝條件同時(shí)適用于聚四氟乙烯微波印制板孔金屬化前處理和聚四氟乙烯微波印制板表面涂覆前處理。 

4.3經(jīng)等離子體處理后的聚四氟乙烯板存放條件及壽命研究 

經(jīng)等離子體處理后的聚四氟乙烯材料在下道工序中表現(xiàn)出來的表面狀態(tài)的好壞，不僅與處理過程有關(guān)，還與存放條件和工序之間的時(shí)間銜接有關(guān)，為此也進(jìn)行了這方面的研究，主要是對(duì)濕度、紫外線以及存放時(shí)間對(duì)處理效果的影響進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。 

制作了經(jīng)等離子體處理的純PTFE板試樣，在避光高濕環(huán)境下保存，每天進(jìn)行接觸角測(cè)試，結(jié)果見表3。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，高濕對(duì)等離子體處理的影響很大，接觸角的衰減極快，其后就進(jìn)入了緩慢衰減的階段。其影響的原理目前尚不能合理解釋。

制作了經(jīng)等離子體處理的純PTFE板試樣，在日光直射環(huán)境下保存，每天進(jìn)行接觸角測(cè)試，結(jié)果見表4。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，日光照射，主要是其中紫外線的照射，對(duì)等離子體處理的影響也較大。

制作了經(jīng)等離子體處理的純PTFE板試樣，用黑紙包裝，每天進(jìn)行接觸角測(cè)試，結(jié)果見表5。從測(cè)試結(jié)果可以看出，經(jīng)等離子體處理后的聚四氟乙烯基材存放時(shí)間較短，到第5天時(shí)表面接觸角已經(jīng)恢復(fù)到了90°，達(dá)到表面浸潤(rùn)與不浸潤(rùn)的臨界點(diǎn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，經(jīng)等離子體表面處理后的基材在進(jìn)行下一道工序前的存放時(shí)間以不超過三天為宜。

5應(yīng)用情況 

應(yīng)用等離子體處理法進(jìn)行聚四氟乙烯微波印制板的孔化前處理和三防涂覆前處理的工作已經(jīng)開展了近一年時(shí)間，處理了大批的印制板，解決了產(chǎn)品科研生產(chǎn)中的一個(gè)實(shí)際問題。通過等離子體處理的聚四氟乙烯微波印制板金屬化孔的孔壁質(zhì)量和拉出強(qiáng)度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，聚四氟乙烯微波印制板三防涂覆后附著力測(cè)試小于2級(jí)，膜層均勻連續(xù)。 

以前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中碰到聚四氟乙烯微波印制板需要金屬化導(dǎo)通的問題時(shí)，一般都采取回避或“繞道走”的方式。即使在采用了鈉萘溶液處理法后，由于其諸多的局限性，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)聚四氟乙烯微波印制板的孔金屬化問題仍采取能回避則回避的原則，從而限制了設(shè)計(jì)方式的改進(jìn)和產(chǎn)品性能的提高。對(duì)于聚四氟乙烯微波印制板三防涂覆存在的膜層不連續(xù)問題更是無可奈何。隨著等離子體處理法的投入使用，目前已經(jīng)明顯體現(xiàn)出了設(shè)計(jì)品種和數(shù)量的不斷增大，這也從另一個(gè)方面說明其應(yīng)用前景的廣闊。 

6結(jié)束語 

通過研究和實(shí)際應(yīng)用，表明等離子體處理技術(shù)在聚四氟乙烯微波印制板的孔金屬化前處理和三防涂覆前處理方面有著獨(dú)到的優(yōu)越性，具有施工靈活、無污染、成本低、處理周期短、應(yīng)用范圍廣、對(duì)操作者要求不高等優(yōu)點(diǎn)，適合于大批量生產(chǎn)的需要，因此在軍用電子設(shè)備聚四氟乙烯微波印制板的制造方面具有良好的推廣應(yīng)用前景。 

作者：第14研究所 陳旭

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