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    光電元件加工常用的膠粘劑及應用實例

    發布時間:2019/04/16 點擊量:0

      隨著光電產業的快速發展,膠粘劑在該領域中的需求量不斷增加。膠粘劑可將不同尺寸的光電元件臨時固定在夾具上,以便于加工,此工藝過程在光學行業稱之為上盤,與之對應的完工元件從夾具取下稱之為下盤。光電元件多為無磁性的玻璃、晶體和光學塑料等材料,不可能選用電磁吸附方式上盤加工。就理論而言,真空吸附是光電元件上盤的最佳方式,但真空吸附裝置氣路復雜,并且光電元件因具體技術要求不同而面形(指表面形態,如曲率半徑、形狀大小和粗糙度等)變化較大,即不可能針對每個面形不同的產品都定制專用的吸附密封件。
      
      玻璃、晶體多為脆性材料,選用機械行業常用的機械夾持固定方式上盤,極易造成工件破碎;光學塑料韌性較好,選用機械夾持固定方式上盤,雖不易使工件破碎,但因光學塑料強度不高,易造成工件變形,影響產品最終加工精度。粘接上盤雖存在零件完工后需拆膠下盤等問題,但因粘接上盤時為面接觸,不易使光電元件破碎及變形,故其對設備要求相對較低且操作方便,并且已成為光電元件上盤加工的最佳選擇。
      
      光電元件一般都在含水溶液中進行磨削及拋光加工處理,為達到設計要求,需分別對多個面進行加工。對化學穩定性較差的LaF(鑭火石)等系列的光學玻璃及氟化鋇等晶體材料而言,加工過程中完工面極易發生腐蝕,從而使加工元件無法達到設計要求,故一般采用粘貼壓敏膠保護膜或涂敷保護膠、保護涂料等方式對完工面進行臨時保護。
      
      1.光電元件加工用膠研究進展
      
      1.1一般技術要求
      
      光電元件加工過程臨時定位用膠粘劑又稱為工藝用膠。根據光電元件加工過程中各工序的特點及使用性能確定工藝用膠的一般技術要求:①必須具備合適的粘接強度、硬度、韌性及熱穩定性(在光電元件加工過程中,能形成可靠的粘接,不脫膠);②具備合適的化學穩定性(在光電元件粘接上盤、磨削加工和拆膠下盤的整個工藝過程中,不會腐蝕所加工的光電元件);③成分均勻,無硬顆粒及雜質;④使用方便,低毒無害;⑤便于拆膠、清洗,并且殘膠痕跡較少。
      
      光電元件種類繁多,對工藝用膠的具體要求隨加工對象、加工場合及加工工藝不同而異。
      
      1.2常用的加工用膠及應用實例
      
      1.2.1無機膠粘劑
      
      無機膠粘劑是光電元件上盤加工中最早采用的一種工藝用膠,石膏、水泥是這類膠粘劑的最典型代表。石膏模上盤時,先將光電元件待加工面置于涂油的貼置模上,貼置模周圍設有橡皮圈;將已調勻的石膏水泥混合漿倒入橡皮圈內,淹沒待加工元件,混合漿未完全凝固前放在托置平模上;待混合漿完全凝固時,解去橡皮圈,沿水平方向從貼置模上除去石膏模,即可加工光電元件;加工完畢后輕輕敲打石膏模,即可取出光電元件。
      
      1.2.2熱熔膠
      
      熱熔膠通常是指室溫呈固態,加熱熔融呈液態,涂布、潤濕被粘物后,經壓合、冷卻即可瞬時(幾秒鐘內)完成膠接的一類膠粘劑。熱熔膠是以熱塑性樹脂或橡膠為基體,并配以其他輔料等制備而成的,也是一種多成分混合物、100%固含量的膠粘劑。熱熔膠具有成本低、粘接對象廣泛、粘接工藝簡單、粘接速率快以及便于自動化操作等優點,但其存在耐熱性差、耐溶劑性欠佳、粘接強度不高且不能用于熱敏性材料粘接等缺陷。對光電元件加工而言,熱熔膠耐熱性差、粘接強度不高,故其更有利于拆膠下盤。
      
      熱熔膠是光學行業應用最廣泛的膠粘劑,常用的火漆、柏油和松油蜂蠟等就是最典型的熱熔膠。因加工光電元件曲率半徑及所用熱熔膠柔性等不同,熱熔膠上盤又分為彈性上盤及剛性上盤兩類。彈性上盤主要用于曲面光學元件的上盤加工,常用膠粘劑為火漆(火漆由柏油、松香和填料等組成,其柔軟性較好,熔化后黏度較大)。其使用操作步驟:火漆加熱變軟后粘貼在光學零件的非加工面上,然后按工藝設計排列要求緊貼在貼置模上;將溫度為100~120℃的粘接模對正,放在貼有零件的貼模上,加壓使火漆熔化并黏附在粘接模上,再放入30℃左右的溫水中冷卻至火漆硬化;取出膠球盤,零件已膠接在膠球模上形成鏡盤(如圖1所示),即可進行加工;完工后將鏡盤放入-30~40℃低溫箱中冷卻30min,輕敲后即可取出光電元件。
      
      剛性上盤主要用于平面光學元件的上盤加工,所用熱熔膠主要由石蠟、松油和增黏樹脂等組成,具有粘接力強,熔化后黏度小等特點。其使用操作步驟:將模具加熱至70~80℃,并均勻施膠,放上待加工的光電元件;當模具冷卻至室溫時,制成的膠接件即可進入加工處理階段;完工后將模具置于電爐上加熱至70~80℃,取下光學零件即可。
      
      藍寶石襯底晶片拋光時,先將拋光盤加熱后平放于操作臺上,取拋光蠟(熱熔膠)均勻涂敷在拋光盤上,再將晶片置于拋光盤上輕揉至兩者間無氣泡止;然后另取一拋光盤置于晶片上,冷卻至室溫后,移去上層拋光盤,用溶劑除去殘膠,即可進行拋光加工;拋光完畢時,加熱并取出完工的藍寶石晶片。
      
      1.2.3EP膠粘劑
      
      環氧樹脂(EP)膠粘劑是指含環氧基化合物與多元胺、咪唑等開環反應所合成的膠粘劑。EP膠粘劑具有固化收縮率小、粘接力強、耐高低溫性能優異以及粘接對象廣泛等特點,有萬能膠之美譽。一般認為EP膠粘劑性能過于優異(粘接力過強)而難于膠拆下盤,故其不能作為光電元件的上盤用膠。通過調整EP膠粘劑的配方,降低其耐熱性后,有望作為粘接要求較高的上盤用膠。
      
      藍寶石晶體滾圓時具有切削量大、沖擊力強以及對粘接強度要求較高等特點,故普通膠粘劑無法滿足此要求。選用粘接力強、耐熱性不佳的日本東亞232D牌號的EP膠粘劑,將對好光軸的藍寶石晶體粘接在基模上,基模再固定于加工設備上,進行大切削量滾圓(如圖2所示)。加工完畢后,加熱使膠層軟化,用單面刀片從膠層中間將膠層切開,刮除表面殘膠,即完成加工。
      
      1.2.4壓敏膠保護膜
      
      壓敏膠保護膜是一種對其他材料表面具有保護功能的膜狀材料,主要以聚烯烴薄膜為基材,以橡膠或丙烯酸酯聚合物為壓敏膠基體樹脂,經涂布干燥等方法加工而成的。
      
      硅紅外透鏡采用單件高效拋光時,完工面極易被腐蝕,需采用3M公司壓敏膠保護膜對完工面進行保護,加工完畢后,輕松除去壓敏膠保護膜即可。
      
      1.2.5瞬間膠
      
      α-氰基丙烯酸酯中兩個強烈的吸電子基團(氰基和酯基)連接在同一個α-C上。這些基團降低了β-C的電子云密度,使其易受水之類的親核試劑的攻擊而發生交聯反應,并產生粘接作用。α-氰基丙烯酸酯膠粘劑具有單組分、可100%反應、室溫快速固化(對玻璃、塑料等可瞬間粘接)、粘接材料廣泛(對大多數金屬、塑料和橡膠材料等均可粘接)、黏度低以及膠層薄等特點,在機械、電子和工藝品等行業中得到廣泛應用。α-氰基丙烯酸酯也存在固化物耐溶劑性差(如丙酮等)、耐熱性欠佳、黏度過小且對多孔材料粘接不牢等缺點。對光電元件上盤而言,其黏度小、對玻璃瞬間固化等特點有利于高精度、小尺寸平面玻璃元件的快速上盤,而其固化產物可溶于丙酮溶劑等特點,更有利于下盤拆膠。
      
      別漢棱鏡、屋脊棱鏡的膠合上盤基本上都采用瞬間膠上盤。將美國樂泰公司的412、417瞬間膠按照體積比為1∶(1~2)混合均勻后施膠于基模上,放上待上盤的棱鏡,5s左右完成粘接;然后將基模置于加工設備上,進行磨削加工(如圖3所示);加工完畢后,將基模置于丙酮等有機溶劑中浸泡1d左右,即可將棱鏡與基模分離,拆膠下盤。
      
      1.2.6硅橡膠
      
      單組分室溫固化硅橡膠具有熱穩定性優良、固化收縮率低、變形小、彈性好以及對材料粘接性能優良等特點,可廣泛用于儀器儀表、電氣設備、電子元件及建筑等領域。粘接強度不高(剪切強度約2MPa)是單組分室溫固化硅橡膠的一大缺點,故其很少用于粘接,更多用于密封;然而,對光電元件上盤而言,低粘接強度的單組分室溫固化硅橡膠更有利于下盤拆膠。
      
      某些以聚合物為光學原料[如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等]制成的薄壁非球面鏡頭,需上盤用單點金剛石車刀車削加工報樣,因PMMA機械強度低、耐熱性差和耐溶劑性欠佳等缺點而不能選用機械夾持上盤及普通膠粘劑粘接上盤,考慮到整個體系受力不大,故選擇膠粘劑的類型為室溫固化單組分硅橡膠膠粘劑(如704膠等)。先用704膠將加工元件粘接在基模上,基模再固定于加工設備中進行單點金剛石車刀車削加工;加工完畢后,用單面刀從膠層中間將膠層切開,除去殘膠后即可。
      
      彈性好、密封性優和剝離強度低等是單組分室溫固化硅橡膠的另一特點,故其可用于氟化鋇等晶體完工面的保護膠。氟化鋇晶體在加工過程中極易被腐蝕,常出現第二個加工面剛完工、第一個完工面已被腐蝕需再次加工等問題。為此,將704膠作為保護膠涂敷在完工面上,加工完畢后將鏡盤整體放在乙醚中浸泡若干時間,704膠因溶脹而可輕松除去,從而得到整片氟化鋇晶體元件。
      
      1.2.7UV固化膠
      
      UV(紫外光)固化膠是利用光敏劑吸收紫外線產生活性基團,從而引發反應實施粘接。該UV固化膠具有100%固含量、數秒內固化、應用領域廣泛和節能降耗等優點,尤其在某些傳統膠粘劑不能使用的場所(如熱敏性基材粘接等)更具優越性,目前已廣泛用于化工、機械、電子、輕工和通訊等領域。
      
      中國專利提供了一種利用UV固化膠切割光學玻璃(預設尺寸)的方法。其操作步驟如下(見圖4):在底座上涂敷水溶性UV膠,將待切割玻璃置于UV膠上;固化UV膠;切割玻璃;溶解固化的水溶性UV膠,取出玻璃成品。
      
      2.結語
      
      (1)隨著化學工業的不斷進步,新型膠粘劑層出不窮,然而粘接方便可靠、拆膠下盤容易、易于清洗以及殘膠少等,仍是光電元件上盤用膠的最基本要求。
      
      (2)粘接可靠與拆膠方便往往難以同時滿足(兩者是一對矛盾體),故選膠時不可盲目追求單一指標的優異,而應兼顧兩者,并以綜合性能優異為最高原則。
      
      (3)UV膠具有固化快、粘接力強和應用領域廣泛等特點,是近年來發展最快的膠粘劑之一。調整UV膠配方、適當降低固化物的性能(如粘接力、耐熱性和耐溶劑性等),有望完全替代常規膠粘劑應用于光電元件的上盤粘接。

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