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胶粘剂在光电元件加工中的应用及发展趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-25  浏览次数:111
 摘要:阐述了光电元件上盘和保护用胶粘剂的一般技术要求。重点介绍了光电元件加工过程中常用的无机胶粘剂、热熔胶、EP(环氧树脂)胶粘剂、压敏胶保护膜、瞬间胶、硅橡胶及UV(紫外光)固化胶的技术特点及其在光电元件上盘和保护过程中的应用,并对其发展趋势进行了展望。
 0· 前言
    随着光电产业的快速发展,胶粘剂在该领域中的需求量不断增加。胶粘剂可将不同尺寸的光电元件临时固定在夹具上,以便于加工,此工艺过程在光学行业称之为上盘,与之对应的完工元件从夹具取下称之为下盘。光电元件多为无磁性的玻璃、晶体和光学塑料等材料,不可能选用电磁吸附方式上盘加工。就理论而言,真空吸附是光电元件上盘的最佳方式,但真空吸附装置气路复杂,并且光电元件因具体技术要求不同而面形(指表面形态,如曲率半径、形状大小和粗糙度等)变化较大,即不可能针对每个面形不同的产品都定制专用的吸附密封件。
    玻璃、晶体多为脆性材料,选用机械行业常用的机械夹持固定方式上盘,极易造成工件破碎[1];光学塑料韧性较好, 选用机械夹持固定方式上盘,虽不易使工件破碎,但因光学塑料强度不高,易造成工件变形,影响产品最终加工精度。粘接上盘虽存在零件完工后需拆胶下盘等问题,但因粘接上盘时为面接触,不易使光电元件破碎及变形,故其对设备要求相对较低且操作方便,并且已成为光电元件上盘加工的最佳选择。
    光电元件一般都在含水溶液中进行磨削及抛光加工处理[2],为达到设计要求,需分别对多个面进行加工。对化学稳定性较差的LaF(镧火石)等系列的光学玻璃及氟化钡等晶体材料而言,加工过程中完工面极易发生腐蚀,从而使加工元件无法达到设计要求,故一般采用粘贴压敏胶保护膜或涂敷保护胶、保护涂料等方式对完工面进行临时保护[3-10]。
    1· 光电元件加工用胶研究进展
    1.1 一般技术要求
    光电元件加工过程临时定位用胶粘剂又称为工艺用胶。根据光电元件加工过程中各工序的特点及使用性能确定工艺用胶的一般技术要求:①必须具备合适的粘接强度、硬度、韧性及热稳定性(在光电元件加工过程中,能形成可靠的粘接,不脱胶);②具备合适的化学稳定性(在光电元件粘接上盘、磨削加工和拆胶下盘的整个工艺过程中,不会腐蚀所加工的光电元件); ③成分均匀, 无硬颗粒及杂质;④使用方便,低毒无害;⑤便于拆胶、清洗,并且残胶痕迹较少。
    光电元件种类繁多,对工艺用胶的具体要求随加工对象、加工场合及加工工艺不同而异。
    1.2 常用的加工用胶及应用实例
    1.2.1 无机胶粘剂
    无机胶粘剂是光电元件上盘加工中最早采用的一种工艺用胶,石膏、水泥是这类胶粘剂的最典型代表。石膏模上盘时,先将光电元件待加工面置于涂油的贴置模上,贴置模周围设有橡皮圈;将已调匀的石膏水泥混合浆倒入橡皮圈内,淹没待加工元件,混合浆未完全凝固前放在托置平模上;待混合浆完全凝固时,解去橡皮圈,沿水平方向从贴置模上除去石膏模,即可加工光电元件;加工完毕后轻轻敲打石膏模,即可取出光电元件[11-12]。
    1.2.2 热熔胶
    热熔胶通常是指室温呈固态, 加热熔融呈液态,涂布、润湿被粘物后,经压合、冷却即可瞬时(几秒钟内)完成胶接的一类胶粘剂。热熔胶是以热塑性树脂或橡胶为基体,并配以其他辅料等制备而成的,也是一种多成分混合物、100%固含量的胶粘剂。热熔胶具有成本低、粘接对象广泛、粘接工艺简单、粘接速率快以及便于自动化操作等优点,但其存在耐热性差、耐溶剂性欠佳、粘接强度不高且不能用于热敏性材料粘接等缺陷[13-14]。对光电元件加工而言,热熔胶耐热性差、粘接强度不高,故其更有利于拆胶下盘。
    热熔胶是光学行业应用最广泛的胶粘剂,常用的火漆、柏油和松油蜂蜡等就是最典型的热熔胶。因加工光电元件曲率半径及所用热熔胶柔性等不同,热熔胶上盘又分为弹性上盘及刚性上盘两类。弹性上盘主要用于曲面光学元件的上盘加工,常用胶粘剂为火漆(火漆由柏油、松香和填料等组成,其柔软性较好,熔化后黏度较大)。其使用操作步骤:火漆加热变软后粘贴在光学零件的非加工面上, 然后按工艺设计排列要求紧贴在贴置模上;将温度为100~120 ℃的粘接模对正, 放在贴有零件的贴模上,加压使火漆熔化并黏附在粘接模上,再放入30 ℃左右的温水中冷却至火漆硬化; 取出胶球盘,零件已胶接在胶球模上形成镜盘(如图1 所示),即可进行加工;完工后将镜盘放入-30~40 ℃低温箱中冷却30 min,轻敲后即可取出光电元件[15]。

    刚性上盘主要用于平面光学元件的上盘加工,所用热熔胶主要由石蜡、松油和增黏树脂等组成,具有粘接力强,熔化后黏度小等特点。其使用操作步骤:将模具加热至70~80 ℃,并均匀施胶,放上待加工的光电元件;当模具冷却至室温时,制成的胶接件即可进入加工处理阶段;完工后将模具置于电炉上加热至70~80 ℃,取下光学零件即可[16]。
    蓝宝石衬底晶片抛光时,先将抛光盘加热后平放于操作台上,取抛光蜡(热熔胶)均匀涂敷在抛光盘上,再将晶片置于抛光盘上轻揉至两者间无气泡止;然后另取一抛光盘置于晶片上, 冷却至室温后,移去上层抛光盘,用溶剂除去残胶,即可进行抛光加工;抛光完毕时,加热并取出完工的蓝宝石晶片[17]。
    1.2.3 EP 胶粘剂
    环氧树脂(EP)胶粘剂是指含环氧基化合物与多元胺、咪唑等开环反应所合成的胶粘剂。EP 胶粘剂具有固化收缩率小、粘接力强、耐高低温性能优异以及粘接对象广泛等特点,有万能胶之美誉[18]。一般认为EP 胶粘剂性能过于优异(粘接力过强)而难于胶拆下盘, 故其不能作为光电元件的上盘用胶。通过调整EP 胶粘剂的配方,降低其耐热性后,有望作为粘接要求较高的上盘用胶。
    蓝宝石晶体滚圆时具有切削量大、冲击力强以及对粘接强度要求较高等特点,故普通胶粘剂无法满足此要求。选用粘接力强、耐热性不佳的日本东亚232D 牌号的EP 胶粘剂,将对好光轴的蓝宝石晶体粘接在基模上,基模再固定于加工设备上,进行大切削量滚圆(如图2 所示)。加工完毕后,加热使胶层软化, 用单面刀片从胶层中间将胶层切开,刮除表面残胶,即完成加工。

    1.2.4 压敏胶保护膜
    压敏胶保护膜是一种对其他材料表面具有保护功能的膜状材料, 主要以聚烯烃薄膜为基材,以橡胶或丙烯酸酯聚合物为压敏胶基体树脂,经涂布干燥等方法加工而成的[19]。
    硅红外透镜采用单件高效抛光时,完工面极易被腐蚀, 需采用3M 公司压敏胶保护膜对完工面进行保护,加工完毕后,轻松除去压敏胶保护膜即可。
    1.2.5 瞬间胶
    α-氰基丙烯酸酯中两个强烈的吸电子基团(氰基和酯基)连接在同一个α-C 上。这些基团降低了β-C 的电子云密度, 使其易受水之类的亲核试剂的攻击而发生交联反应,并产生粘接作用。α-氰基丙烯酸酯胶粘剂具有单组分、可100%反应、室温快速固化( 对玻璃、塑料等可瞬间粘接)、粘接材料广泛(对大多数金属、塑料和橡胶材料等均可粘接)、黏度低以及胶层薄等特点,在机械、电子和工艺品等行业中得到广泛应用。α-氰基丙烯酸酯也存在固化物耐溶剂性差(如丙酮等)、耐热性欠佳、黏度过小且对多孔材料粘接不牢等缺点。对光电元件上盘而言,其黏度小、对玻璃瞬间固化等特点有利于高精度、小尺寸平面玻璃元件的快速上盘,而其固化产物可溶于丙酮溶剂等特点,更有利于下盘拆胶[20-21]。
    别汉棱镜、屋脊棱镜的胶合上盘基本上都采用瞬间胶上盘。将美国乐泰公司的412、417 瞬间胶按照体积比为1∶(1~2)混合均匀后施胶于基模上,放上待上盘的棱镜,5 s 左右完成粘接; 然后将基模置于加工设备上,进行磨削加工(如图3 所示);加工完毕后, 将基模置于丙酮等有机溶剂中浸泡1 d 左右,即可将棱镜与基模分离,拆胶下盘。

   1.2.6 硅橡胶
    单组分室温固化硅橡胶具有热稳定性优良、固化收缩率低、变形小、弹性好以及对材料粘接性能优良等特点,可广泛用于仪器仪表、电气设备、电子元件及建筑等领域。粘接强度不高(剪切强度约2 MPa)是单组分室温固化硅橡胶的一大缺点, 故其很少用于粘接,更多用于密封;然而,对光电元件上盘而言,低粘接强度的单组分室温固化硅橡胶更有利于下盘拆胶[22-23]。
    某些以聚合物为光学原料[如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等]制成的薄壁非球面镜头,需上盘用单点金刚石车刀车削加工报样, 因PMMA 机械强度低、耐热性差和耐溶剂性欠佳等缺点而不能选用机械夹持上盘及普通胶粘剂粘接上盘,考虑到整个体系受力不大,故选择胶粘剂的类型为室温固化单组分硅橡胶胶粘剂(如704 胶等)。先用704 胶将加工元件粘接在基模上,基模再固定于加工设备中进行单点金刚石车刀车削加工;加工完毕后,用单面刀从胶层中间将胶层切开,除去残胶后即可。
    弹性好、密封性优和剥离强度低等是单组分室温固化硅橡胶的另一特点,故其可用于氟化钡等晶体完工面的保护胶。氟化钡晶体在加工过程中极易被腐蚀,常出现第二个加工面刚完工、第一个完工面已被腐蚀需再次加工等问题。为此,将704 胶作为保护胶涂敷在完工面上,加工完毕后将镜盘整体放在乙醚中浸泡若干时间, 704 胶因溶胀而可轻松除去,从而得到整片氟化钡晶体元件。
    1.2.7 UV 固化胶
    UV(紫外光)固化胶是利用光敏剂吸收紫外线产生活性基团,从而引发反应实施粘接。该UV 固化胶具有100%固含量、数秒内固化、应用领域广泛和节能降耗等优点,尤其在某些传统胶粘剂不能使用的场所(如热敏性基材粘接等)更具优越性,目前已广泛用于化工、机械、电子、轻工和通讯等领域[24-25]。
    中国专利[26]提供了一种利用UV 固化胶切割光学玻璃(预设尺寸)的方法。其操作步骤如下(见图4):在底座上涂敷水溶性UV 胶,将待切割玻璃置于UV 胶上;固化UV 胶;切割玻璃;溶解固化的水溶性UV 胶,取出玻璃成品。

   2 ·结语
    (1)随着化学工业的不断进步,新型胶粘剂层出不穷,然而粘接方便可靠、拆胶下盘容易、易于清洗以及残胶少等,仍是光电元件上盘用胶的最基本要求。
    (2)粘接可靠与拆胶方便往往难以同时满足(两者是一对矛盾体),故选胶时不可盲目追求单一指标的优异,而应兼顾两者,并以综合性能优异为最高原则。
    (3)UV 胶具有固化快、粘接力强和应用领域广泛等特点,是近年来发展最快的胶粘剂之一。调整UV 胶配方、适当降低固化物的性能(如粘接力、耐热性和耐溶剂性等), 有望完全替代常规胶粘剂应用于光电元件的上盘粘接。
 
 
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