全氟弹性体密封件在半导体工业中的特性和应用

摘要：全氟弹性体（FFKM）即全氟醚橡胶，通常是由四氟乙烯（TFE）、全氟烷基乙烯基醚（PAVE）或全氟烷氧基烷基乙烯基醚（PAAVE）为主要单体及少量硫化点单体（CSM）共聚而成。由于其分子链上的H已全部被F取代，因此FFKM具有优异的耐介质和耐热性能。由于生产FFKM所需要的原料单体和聚合工艺均有很高的技术门槛，导致FFKM生胶以及制件的价格居高不下，应用范围大大受限，一般仅用于航空航天工业和电子半导体制造业。本文主要讨论全氟弹性体密封件在半导体工业中的特性和应用，介绍全氟弹性体密封件的耐介质性能、耐高温性能、耐低温性能、压缩变形性能、耐化学品性能，希望提供一些思路和建议，供大家参考。

关键词：全氟弹性体密封件；半导体工业；选择和应用

引言

氟化弹性体是一种合成高分子弹性体，主要或侧链碳原子上含有氟化原子。由于氟化原子的电负荷很大，可以使C-F键（约485kJ/mol）变大，原子半径为C-C键的一半，可以紧密围绕碳原子排列，对主链碳原子具有良好的体积屏蔽效应，可广泛用于航空、航空和军事领域的耐油特性和良好的物理机械特性。

一、全氟弹性体的物理性质

由于全氟弹性体一般仅由碳原子和氟原子组成，故其聚合物链实际上对所有化学作用都呈惰性，在交联键结点上的单体链节是这些聚合物中的弱点，高温时这些单体可参与化学反应。因此，全氟聚合物的化学稳定性一方面与聚合物的结构有关，另一方面与交联键的类型有关。与交联键类型和密度有关的还有其物理特性，比如机械特性，其中包括弹性体材料的形变特性。

二、全氟弹性体密封件在半导体工业中的特性

（一）耐介质性能

在高温条件下，半导体工艺中复杂的介质与弹性体之间的相互作用会更加剧烈，加速的侵蚀会使普通材质的密封件过早失效，因此需要密封件在高温环境下依然能够保持优良的介质耐受性，这一点是全氟弹性体密封件独具的优势。半导体工业中所涉及的介质很广，按照状态可分为液体（酸类、碱类、氨类，氧化剂、清洗剂、蚀刻液等）和气体（四氟化碳等蚀刻用气体、氮氧化物、臭氧等氧化性/腐蚀性气体和高温水蒸气），也包括等离子体和射线（红外线和紫外线的照射）。根据具体的使用环境要求，全氟弹性体密封件的介质耐受性按照功能大致可以分为耐臭氧/紫外线、耐碱/有机胺、耐等离子体和耐湿法工艺介质（酸、碱、氧化性清洗剂）等。需要注意的是，由于双酚AF硫化体系在高温下会发生水解，故采用此硫化体系的FFKM产品一般不应用于湿法工艺。

（二）耐高温性能

全氟弹性体密封件在半导体工业应用时，全氟弹性体密封件可耐高温，可长期使用250℃，短期使用温度可达300℃。对于全氟化橡胶，分子链骨架结构几乎相同，以三轴为连接点的橡胶在高温时也具有较好耐热性。多酚和丙烯腈橡胶的耐高温性也较好。

（三）耐低温性能

聚合工艺方面，可通过增加乳胶颗粒的数量，来提高全氟弹性体密封件的聚合反应率和共聚物的分子量，并通过微乳液聚合得到耐低温的全氟化橡胶。添加链转移剂时，终端基碘原子可参与氧化硫反应，形成化合物结构中的低温荧光弹性体。也可使用氟化碘作为链转移剂，称为碘转移聚合，通过增加聚合压力，提高可模拟聚合系统中单一体的溶解度，从而提高聚合反应率和共聚物的分子量，有利于提高全氟弹性体密封件在半导体工业中的耐低温性能。

（四）压缩变形性能

全氟弹性体密封件在半导体工业应用时，当温度变化范围很广时，压缩变形会影响全氟弹性体密封件的密封能力。全氟弹性体密封件在高温条件下保持平衡并保持长期密封，则密封件会在温度下降和弹性体减小时恢复其平衡位置。在室温下可能会发生这种情况，除非密封具有与机械弹簧相似的弹性，以使其保持平衡。由于损失发生在温度下降时，因此弹性密封会在施加流体压力之前通过加热方法恢复到安装时的原始形状，从而使密封件恢复到设计时的密封力。但经验表明，长期高压变形是由应力松弛而不是热或化学介质侵蚀引起的，密封性能的实际测试证明了这一点。压缩后的应力松弛是有效预测密封性能的试验方法。这个测试常被称为“卢卡斯测试”。总之，此测试表示保持弹性本体密封的能力，通常表示为密封力的保留率。

（五）耐化学品性能

与普通橡胶密封件不同，全氟弹性体密封件具有能够处理几乎所有化学品的主要优点，因此适用于几乎所有加工液。流体中的杂质可以腐蚀弹性接头，无论其数量如何。全氟弹性体的耐化学性在涂料和粘合剂工业中尤为重要，特别对于液体化学品运输行业来说，这种性能也是至关重要的。在这种类型的应用中，最好使用全氟弹性体密封件。全氟弹性体密封件也越来越多地用于其他材料不适合的化学腐蚀或热降解环境中。全氟弹性体密封件的使用有助于延长零件的工作时间和使用寿命。

三、全氟弹性体密封件在半导体工业中的应用

近几年，随着半导体工业快速发展，对半导体工业上大量使用的橡胶密封材料提出了更高的性能与可靠性要求。传统的氯丁、丁腈橡胶已经不能满足要求。全氟弹性体密封件具有优异的耐介质性能、耐高温性能、耐低温性能、压缩变形性能、耐化学品性能，使其在半导体工业的密封上有重要应用。有时可采用耐高温耐油性能优异的氟橡胶、氟醚橡胶；有时可考虑采用摩擦系数较低的氟橡胶或者氟醚橡胶；有时可考虑使用具有较高耐温性能的氟弹性体。

结束语

半导体用FFKM密封件无论是原料供应还是成品制造长期被外资垄断，基本集中于欧美日及中国台湾。这一市场高度垄断的原因，由于FFKM密封件本身技术水平要求高，大多数半导体设备制造商会更倾向于与有长期合作关系的供应商合作。近年来，我国半导体制造业长期处于禁运的阴影下，整个产业链都在寻求国产化替代，国产FFKM密封件也取得了长足发展和进步，同时“十四五”规划中，国家对半导体行业的大力扶持，使得整个半导体相关行业面临着前所未有的变局，相信我国在全氟弹性体密封件领域也能实现完全独立自主，不断促进我国半导体产业链发展。

参考文献

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