Parylène

Le parylène est un film polymère biocompatible qui se dépose sous vide après évaporation et transformation de son précurseur.


Catégories :

Polymère - Polymère organique

Recherche sur Google Images :


Source image : fr.wikipedia.org
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • Parylène est le nom générique d'un revêtement polymère, déposé par évaporation... Le film de Parylène, transparent, de faible permittivité diélectrique présente une... Pénétrant dans la chambre de déposition à température ambiante, ... (source : comelec)
  • spécifique, la synthèse du copolymère PPV/ parylène est effectuée par CVD avec... Une excellente uniformité de film de dépôt : la CVD est un procédé sec, ... (source : thesesups.ups-tlse)
  • Parylène est le nom générique d'un revê- tement polymère, déposé par évaporation... film casse et empêche le des- serrage. Il autorise cependant... (source : micronora)
Parylène
Parylène
Général
Nom IUPAC poly (p-xylylène)
Propriétés chimiques
Formule brute C8H8  [Isomères]
Masse molaire[1] 104, 1491 ± 0, 007 g·mol-1
C 92, 26 %, H 7, 74 %,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le parylène est un film polymère biocompatible qui se dépose sous vide après évaporation et transformation de son précurseur. Cet article passe en revue la structure du motif du polymère qui forme le parylène et qui explique comment son procédé de mise en œuvre unique est envisageable. Les propriétés de conformité et d'uniformité, d'isolation électrique et de barrière chimique, découlant de sa structure et de son procédé de mise en œuvre sont présentées. Ses propriétés optiques et de surface sont aussi exposées mais aussi les différents types de parylène. En effet, en modifiant le motif du polymère de parylène, les propriétés macroscopiques du revêtement s'en trouveront changées.


Introduction

La découverte du film polymère de poly-p-xylylène [Szwarc, 1948], couramment nommé parylène, mais aussi la simplification de son processus de déposition [Gorham, 1966] sont à l'origine d'une fantastique épopée scientifique et industrielle. Depuis plus de trente ans le parylène a su répondre aux attentes surtout par de nouveaux développements dans sa structure chimique. La principale originalité de ce revêtement réside dans son procédé de mise en œuvre, puisque obtenu à partir de la condensation de monomères gazeux sur les surfaces. Ce procédé assimilable à de la CVD (Chemical Vapor Deposition) confère à ce revêtement des propriétés incomparables en termes de conformabilité et d'uniformité. Qui plus est , comme la déposition s'effectue à température ambiante en l'absence de solvant, il n'y a pas de stress résiduels dans le film [Dabral, 1992]. Ce film transparent, semi cristallin, d'une épaisseur de quelques dizaines nanomètres ou pouvant dépasser les 100 μm, présente une grande stabilité thermodynamique, une excellente résistance aux solvants [Spivack, 1969] ainsi qu'une particulièrement faible perméabilité [Yeh, 1989]. Ces propriétés le rendent spécifiquement intéressant comme couche protectrice d'éléments sensibles à leur environnement d'utilisation, comme par exemple des capteurs ou implants médicaux [Schmidt, 1988]. Enfin, ses propriétés diélectriques en font un matériau de prédilection dans des applications d'isolation électrique de tout ordre [Juneja, 2006]. Ainsi, le parylène va servir diverses industries telles que l'électronique, le médical, la micromécanique, le militaire, les ferrites, aimants ou tous autres matériaux à tendance pulvérulente, les silicones et élastomères, les micro et nanotechnologies, etc.


Structure du parylène

a) forme quinoïde du p-xylylène b) forme diradical du p-xylylène.

Le p-xylylène ou p-quinodiméthane, forme le motif de base du parylène. Sa structure à huit atomes de carbone est plane [Beach, 1988]. La mécanique quantique a montré que son état essentiel se présentait sous une forme quinoïde tandis que son premier état excité sous une forme aromatique diradicale. La différence d'énergie est de 50 kJ/mol [Coulson, 1947]. La molécule sous sa forme quinoïde est diamagnétique (tous les électrons de valence sont couplés) tandis que sa forme aromatique est paramagnétique.

Si l'énergie de résonance du dispositif est source de stabilité du p-xylylène (159 kJ/mol) [Gazicki-Lipman, 2007], la grande densité électronique au voisinage des deux groupes méthyle générée par leur position en "para" implique une haute réactivité donnant la possibilité de la polymérisation spontanée à température ambiante.


Principe de déposition et polymérisation

Illustration du principe de déposition du parylène.

La déposition du parylène, connue sous le nom le procédé de Gorham [Gorham, 1966], utilise le tricyclo[8.2.2.24, 7]hexadeca-4, 6, 10, 12, 13, 15-hexæne ou [2, 2]paracyclophane, comme précurseur. Le paracyclophane se présente sous une forme solide pulvérulente. Ce principe de déposition se décompose en trois étapes.
Sous vide primaire (∼10-1 Pa)  :
1. Le paracyclophane solide est chauffé à >100 °C pour se sublimer.
2. Les vapeurs de paracyclophane transitent par une zone de pyrolise à >500 °C donnant la possibilité de la rupture des deux liaisons C–C aliphatiques et la formation de deux molécules de p-xylylène réactive.
3. Pénétrant dans la chambre de déposition à température ambiante, les molécules de p-xylylène s'adsorbent sur les surfaces et polymérisent spontanément formant le film de parylène.

Une trappe froide est positionnée suite à la chambre de déposition pour protéger l'équipement de pompage en capturant tout résidu volatile.

L'épaisseur du film déposée dépend de la surface totale revêtue mais aussi de la quantité de paracyclophane sublimée.

Le mécanisme de polymérisation spontanée du parylène a été énormément étudié et les principales voies reconnues sont résumées [Utley, 2002].


Voies de polymérisation du p-xylylène.

Expérimentalement on détermine que le taux de déposition dépend de la température et de la pression de gaz de p-xylylène dans la chambre ; une augmentation de la pression augmente le taux de déposition proportionnellement, tandis qu'une augmentation de la température le diminue. Il y a cependant une pression maximale à ne pas dépasser, sans quoi la formation des chaînes de poly-p-xylylène débute partiellement avant la condensation altérant la qualité finale du film et une pression seuil minimale pour qu'un trimère se forme, amorçant ainsi la polymérisation. Plusieurs modèles de cinétique de déposition du parylène selon la pression de gaz de p-xylylène dans la chambre et de la température du substrat à revêtir ont été développés. Les plus anciens se basent sur la cinétique de la réaction chimique d'un monomère s'ajoutant à la chaîne et postulent que la concentration de monomère de p-xylylène sur la surface contrôle la croissance du film. Ils peuvent être scindés en trois catégories suivant le modèle utilisé ; Flory, Langmuir ou Brunauer-Emmett-Teller. Une nouvelle approche considère que le taux d'adsorption d'un monomère sur la surface est le facteur limitant et inclut les phénomènes de physisorption et chimiesorption dans un potentiel de Lennard-Jones. Ce modèle dit de la "Chemisorption" offre la meilleure correspondance avec les données expérimentales [Fortin, 2002].

Le taux de déposition des différents types de parylène dépend de plusieurs facteurs tels le poids moléculaire du monomère gazeux, l'encombrement stérique, ou en particulier la réactivité des monomères gazeux. En effet, leur réactivité va se trouver particulièrement beaucoup affectée par la présence d'éléments de substitution. Leur position sur le cycle aromatique, ou sur les deux carbones aliphatiques, modifie la polarité de la molécule et par conséquent sont niveau d'interaction avec le substrat ou la couche en croissance.

L'adhérence du film parylène sur la surface des substrats à revêtir est principale pour garantir l'ensemble des propriétés du film. La préparation de surface est par conséquent particulièrement importante. L'inertie chimique du parylène ne conduit fréquemment qu'à des interactions faibles, de type Van Der Walls avec le substrat. Un plasma ou un agent de couplage, de type silane, peuvent être appliqués dans une phase de prétraitement. Les silanes permettent de créer un pont entre un substrat inorganique et le film via des liaisons covalentes plus fortes. Il existe 2 types de techniques de déposition qui dépendent du type de pièces à revêtir; une technique statique pour les pièces fragiles ou de grandes dimensions (∼cm) et une technique en brassage constant où les pièces sont en vrac.


Propriétés du revêtement parylène

Consécutivement à ce procédé de déposition, le film parylène obtenu présente une uniformité d'épaisseur sur l'ensemble des zones affleurant et suit idéalement la surface du substrat quelle que soit sa complexité morphologique. La grande mobilité du p-xylylène en phase gazeuse assure un pouvoir de pénétration important au film même à l'intérieur d'une porosité ou d'un orifice non débouchant. En éliminant toute intervention (solvant, additif, …) ou réaction de composés parallèles, la fiabilité et la reproductibilité de toute l'opération de revêtement n'est sous la dépendance que des paramètres physiques du procédé et du niveau de pureté du précurseur. Grâce à une mise en œuvre à température ambiante, la couche ainsi constituée dépourvue de stress internes, ne sera soumise à un quelconque retrait. Cette procédure rend aussi le procédé particulièrement écologique puisque le processus chimique a lieu en vase clos alors que les rejets minimes se présentent sous forme solide aisément traitables sur la trappe froide.

La planéité du p-xylylène et la délocalisation des électrons sur le cycle aromatique laissent penser que la croissance des chaînes de polymère est parallèle à la surface du substrat quoiqu'il ne semble pas exister de démonstration univoque. Des mesures ont cependant idéalement illustré que le film est continue (pinhole free) dès 50 nm sur une surface plane et dès 0, 5 μm sur tout type de pièces [Beach, 1988].

Les cycles aromatiques du parylène lui confèrent une importante stabilité thermodynamique et par suite des propriétés de barrière imperméable aux solvants ainsi qu'aux gaz. Cette inertie chimique le rend surtout biocompatible et biostable. Le film de parylène est semi cristallin et son taux de cristallinité est particulièrement variable. Il va dépendre des conditions de déposition et du type de parylène. Il peut être modifié via un post-traitement thermique augmentant sa stabilité thermodynamique et ses propriétés de barrière, la phase cristalline étant plus compacte que la phase amorphe et les interactions entre les chaînes plus grandes.

Compte tenu de la faible polarisabilité du motif monomère constitutif du parylène, la constante diélectrique du film est basse (low-k). C'est par conséquent un film isolant pouvant par exemple, avec une épaisseur de 10 μm, résister à 4 000 V.

Concernant ses propriétés de surface, le film présente un bas cœfficient de friction, de l'ordre de 0.2 à 0.3 ainsi qu'un caractère hydrophobe avec un angle de mouillabilité de 85 à 90 °.

L'indice de réfraction du film se situe entre 1.6 et 1.7 selon le type de parylène. Dans le spectre visible, le parylène ne présente que quelques absorptions marginales, le film est par conséquent transparent. Dans l'ultraviolet, le parylène présente une forte absorption en dessous de 280 nm de longueur d'onde. Entre 3 000 et 50 000 nm, la transmission du rayonnement est variable, au-delà seules quelques singularités subsistent.

Il a été expérimenté que les propriétés du film restent inchangées après une exposition à une haute dose de rayons gamma (1 MSv) sous vide. À contrario, en présence d'oxygène, si le parylène est soumis à un rayonnement ultraviolet [Fortin, 2001] ou chauffé au-delà de 200 °C durant de longues périodes, il est sujet à se dégrader. En effet, les hydrogènes aliphatiques, présentant une certaine labilité qui est accentuée par la présence immédiate du cycle aromatique, vont pourvoir être substitués. Cette substitution déstabilise la liaison aliphatique C–C et entraîne finalement une scission de la chaîne polymérique. C'est une oxydation du polymère aboutissant à la formation de groupements carbonyles et carboxyles sur les cycles aromatiques.

Le revêtement parylène possède de nombreuses certifications surtout dans le domaine médical, électronique militaire et spatial.


Différents types de parylène

Structure du parylène a) type N b) type C c) type D.

La substitution des hydrogènes aromatiques par des éléments ou des groupements modifie les propriétés du film. Les premiers essais de substitution ont été effectués avec les halogènes (chlore et brome) puis avec les groupes éthyles, méthyles, acétyle ou encore cyano. Seuls les parylène chlorés ont trouvé une application industrielle. Il existe 3 types disponibles de parylène, N, C et D. Comparé au parylène N non substitué, le parylène C présente une plus faible perméabilité aux gaz, une meilleure résistance aux acides, une meilleure isolation électrique en basses épaisseurs (< 5 μm), un film avec une meilleure résistance mécanique ainsi qu'à l'usure, et un meilleur rendement de déposition. Le parylène D résiste lui mieux en température et présente une meilleure barrière à certains gaz et solvants.

Pour des applications biologiques, des recherches ont conduits à des substitutions utilisant les groupes amine, aminomethyle, hydroxyméthyle, hydroxy ou formyle, pour par exemple, faciliter les interactions entre le film et les acides aminés constitutifs des protéines.


Références

  1. Masse molaire calculée selon Atomic weights of the elements 2007 sur www. chem. qmul. ac. uk

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



Principaux mots-clés de cette page : parylène - film - déposition - propriétés - xylylène - vol - surface - forme - and - poly - procédé - température - présente - aromatique - num - xylylene - chimiques - monomères - substrat - parylene - polymère - structure - revêtement - types - solvant - épaisseur - grande - particulièrement - 1988 - para -


Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Paryl%C3%A8ne.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 13/12/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu