12/28/2010，光纖在線訊 

作者 ADC 電信（上海）有限公司 陳波 張雨 

摘要

   光纖扇出器內(nèi)膠水的固化情況對光纖產(chǎn)品的光學(xué)性能有重要的影響，通過對膠水的存儲，制備以及固化等過程的控制可以起到提高產(chǎn)品性能的作用。 

關(guān)鍵詞 

   膠水存儲，LSL&FIFO 管理，膠水制備，膠水固化 

正文 

   光纖扇出器產(chǎn)品是一種重要的無源光器件產(chǎn)品，可應(yīng)用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、光纖配線架、接入網(wǎng)等等。其基本構(gòu)成包括：帶狀或束狀光纖、扇出器、單芯光纖，光纖連接器四個部分，部分扇出器產(chǎn)品在帶狀或束狀光纖一側(cè)也會有光纖連接器，見下圖 1 所示。 

   光纖扇出器產(chǎn)品可以根據(jù)使用的光纖類型進(jìn)行劃分，例如下圖 2 所示的帶狀光纜和束狀光纜。也可以根據(jù)扇出端口的數(shù)量等進(jìn)行劃分，常見的包括有 4 芯，8 芯，12 芯等，見圖 3 所示結(jié)構(gòu)。


   扇出器自身的結(jié)構(gòu)形狀也不盡相同，常見有下面兩種：圖 4 中采用的是方形分叉塊，而圖 5 中采用的是圓形分叉塊。 


   對于扇出器產(chǎn)品的具體類別在這里我們不再逐一舉例，但其核心工藝均在于扇出器內(nèi)填充膠水的控制上，因?yàn)槟z水固化質(zhì)量會影響到產(chǎn)品的實(shí)際使用性能和長期可靠性。 

  一．膠水的選擇 

   在扇出器內(nèi)的膠水選擇上，初期行業(yè)內(nèi)以采用單組份的硅膠為主，但是隨著對產(chǎn)品的長期質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性的要求，目前扇出器內(nèi)填充使用的膠水以雙組份環(huán)氧樹脂膠水為主，該類膠水具有室溫固化快，高剝離強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，粘接強(qiáng)度高，粘接對象廣泛等優(yōu)點(diǎn)。這類膠水的種類和制造商很多，例如：Devcon Epoxy Plus 25、Loctite Hysol E-20HP（見圖 6）、Loctite Hysol E-60NC、Cemedine EP-330（見圖 7）等等。


   二．膠水存儲控制 

   對于膠水的存儲管控需要從以下幾個方面進(jìn)行： 

   A.供應(yīng)商管理 

   包括供應(yīng)商資質(zhì)等方面的確認(rèn)，以期保證購入膠水質(zhì)量的連續(xù)穩(wěn)定性。 

   B.有效保存期限（LSL）和先進(jìn)先出（FIFO）控制 

   “LSL”指物料的有效保存期限。對膠水這一類的物料，采用規(guī)定"有效保存期限"的原則，膠水超過“有效保存期限”后，就不可使用，需要進(jìn)行評估或報(bào)廢處理。 
   “FIFO”指物料的“先進(jìn)先出”。對于“LSL”物料，規(guī)定“先進(jìn)先出”的原則，按照物料生產(chǎn)日期，采用先生產(chǎn)先進(jìn)行使用的方法。 
   對于“LSL”物料在接收時，除了要檢查包裝有無破損，物料是否正確等常規(guī)內(nèi)容外，還需要特別注意物料的有效期，若接收時能使用的時間過短，需要拒收此批物料。該要求可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況而定，建議為大于 3 個月。若找不到生產(chǎn)日期也沒有最終使用截止期，也可拒收此批物料。當(dāng)接收物料后，可粘貼 “LSL&FIFO”標(biāo)簽以方便管理，見圖 8。 
   “LSL”物料的管理員應(yīng)按照“先進(jìn)先出”的原則分發(fā) LSL 物料，當(dāng) LSL 原則與 FIFO 相矛盾時，LSL優(yōu)先考慮，例如后買進(jìn)來的物料的有效期反而在先買來的物料有效期前面，這時應(yīng)分發(fā)有效期在前面的物料。 
   如果“LSL”物料在一個月內(nèi)要過期的（可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況來定），需要進(jìn)行提前預(yù)警和通報(bào)。而當(dāng)“LSL”物料已經(jīng)超出有效期的，隔離過期物料并通知相關(guān)部門進(jìn)行不合格品處理。如果“LSL”物料管理人員發(fā)現(xiàn)保存"LSL"物料的環(huán)境失控（包括溫度，濕度等超標(biāo)），應(yīng)立即通知相關(guān)部門人員進(jìn)行處理， 并把受影響的物料標(biāo)識并放入符合存儲條件的“不良品區(qū)域”，通知相關(guān)部門進(jìn)行不合格品處理。 

   C.存儲環(huán)境控制 

   膠水屬于溫度和濕度敏感型物料，需要規(guī)定膠水的存儲條件(見表 1)，并根據(jù)膠水對存儲環(huán)境的具體要求建立起相關(guān)的存儲系統(tǒng)，常見的有兩類：冰箱和“溫室”（特定溫度/濕度的房間）。 

   同時，存儲系統(tǒng)還需要具有以下幾個功能： 
   溫/濕度自動調(diào)節(jié)功能：可以保證存儲系統(tǒng)的運(yùn)行處于受控的溫度和濕度范圍內(nèi)
   監(jiān)控報(bào)警功能：可提醒相關(guān)維護(hù)和檢查人員發(fā)現(xiàn)存儲環(huán)境的失控，使得系統(tǒng)能夠及時得到維護(hù)和修復(fù) 
   溫/濕度數(shù)據(jù)采集功能：通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行 SPC 分析，可監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和趨勢 



   D.將有效期劃分為“未開封”和“開封”兩種情況區(qū)分管理

   膠水存儲有效期的“未開封”和“開封”是兩種不同的概念，其中“未開封”即是指膠水保持出廠時的包裝狀態(tài)，且在要求的存儲環(huán)境（溫度和濕度）下進(jìn)行保存，這種條件下的有效期一般等同于產(chǎn)品包裝標(biāo)簽上或使用手冊上注明的“保質(zhì)期”；  而“開封”即是指膠水已經(jīng)打開包裝并開始使用，且這時的使用環(huán)境一般已經(jīng)不符合要求的存儲環(huán)境，在這種狀態(tài)下膠水有效使用期間會明顯低于未開封時的狀態(tài)，我們稱為“開封”情況下的有效期。 
   當(dāng)有效期確定以后，膠水使用人員需要根據(jù)規(guī)定進(jìn)行檢查。參見下表 1 所示內(nèi)容。 

   對于“開封”情況下的有效期，由于與實(shí)際的使用環(huán)境等有直接的關(guān)系，一些膠水供應(yīng)商沒有明確的定義，這時只能根據(jù)實(shí)際的使用情況進(jìn)行自定義，但是仍然有幾個原則可以用于提高這種“開封”情況下的有效期：
   未使用完的膠水及時放回存儲柜，保證環(huán)境的穩(wěn)定
   使用量較少時，可以進(jìn)行分裝 
   對膠水的使用（工作）環(huán)境進(jìn)行控制 

   三．膠水制備控制 

   A.膠水的混合 

   雙組份環(huán)氧樹脂膠水由主劑和硬化劑組成，二者按一定比例混合并在一定條件下經(jīng)過縮合、閉環(huán)、加成或催化等化學(xué)反應(yīng)后，才能生成穩(wěn)定的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也才會顯現(xiàn)出各種優(yōu)良的性能。因此對于兩者之間的混合比例和混合均勻度必須嚴(yán)格控制，比例失調(diào)會造成膠水不能完全固化（硬化）以及粘合性能的劣化，見下圖 12、圖 13 所示扇出器內(nèi)的膠水在用鑷子按壓后呈現(xiàn)出壓痕，表明膠水未完全硬化的情況。 


   這里建議使用專門的混膠工具，例如：手動混膠槍，全自動混膠機(jī)。其中混膠槍的使用與雙膠槍的包裝方式是相匹配的，例如下圖 14 所示的 Loctite E-20HP 膠水混膠槍。 

   B.通過混合顏色初步檢查膠水混合均勻度

   雙組份環(huán)氧樹脂膠水的主劑和硬化劑在顏色上一般有比較明顯的差別，而兩組份混合后的顏色又會有所不同，通過對混合后顏色上的差異檢查，可以初步判斷膠水的混合是否充分均勻。例如下圖 15 對于 Loctite E-20HP 膠水的主劑，硬化劑以及混合后的顏色介紹。

   C. 膠水內(nèi)雜質(zhì)及氣泡的排查

   除了膠水配比失調(diào)（見本章節(jié) A 內(nèi)容），混合不均之外（見本章節(jié)B 內(nèi)容），膠水內(nèi)的雜質(zhì)（圖16）、結(jié)晶（圖18）以及氣泡（圖17）的存在也會影響到膠水固化后的性能。


   “雜質(zhì)”屬于膠水成份之外的異物，主要由膠水生產(chǎn)廠家的制造過程控制不當(dāng)造成。而“結(jié)晶”則是由于膠水的存儲環(huán)境失控（一般在低溫環(huán)境下），或溫度變化過于頻繁時造成的膠水結(jié)塊現(xiàn)象。雖然結(jié)晶部分的成份仍然是膠水，但是由于結(jié)塊的膠水不會與周圍的另一組份膠水成份混合，因而也就不會形成固化，那么結(jié)晶位置附近的光纖固定強(qiáng)度則會較弱。對于結(jié)晶現(xiàn)象，通過緩慢低溫加熱的方式（根據(jù)膠水的類型可選擇不同的加熱溫度和時間）可以將結(jié)塊的膠水“融化”。見下圖 18（加熱前），圖 19（加熱 2 分鐘），圖 20（加熱 3 分鐘）所示，用顯微鏡觀察 Loctite E-20HP膠水結(jié)晶現(xiàn)象在 60 度加熱條件下不同時間點(diǎn)的表現(xiàn)。 



   產(chǎn)生“氣泡”的因素有很多，例如：膠水封裝過程，混膠過程，注膠過程等等，對于膠水氣泡可能對扇出器產(chǎn)品帶來的影響分析則與氣泡的位置，數(shù)量，大小有關(guān)，總體的一個原則是扇出器內(nèi)的光纖不可貼近或穿過氣泡，見下圖 21，圖 22 所示，這一段穿過氣泡部分的光纖已經(jīng)與整段光纖受力不平衡，很容易造成過程或后期使用中的損傷或斷裂問題。 

   四．膠水固化控制 

   對于膠水固化的檢查和確認(rèn)同樣是必要的。膠水的關(guān)鍵性能有多項(xiàng)參數(shù)，包括黏度，剝離強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度，硬度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等等。其中對于使用廠家來說比較容易進(jìn)行檢查和測量的就是硬度。通過對于膠水固化硬度的檢查可以有效確認(rèn)膠水的固化情況。下圖 23 為 E-20HP 膠水的固化強(qiáng)度曲線及硬度典型值。 


   A．膠水樣本的制作

   膠水硬度的檢查可以直接對扇出器內(nèi)的膠水進(jìn)行，見下圖 24（用鑷子手柄進(jìn)行輕微按壓）。但是這種方式存在損傷內(nèi)部光纖的風(fēng)險，以及無法檢測到膠水內(nèi)部情況的缺陷，而且對于部分封閉式結(jié)構(gòu)的扇出器來說（例如前面介紹過的圓形結(jié)構(gòu)，見圖25），這種方式也不適用。


   對于上述問題的改進(jìn)，可以通過制作膠水樣本來實(shí)現(xiàn)。即在將混合膠水準(zhǔn)備注入扇出器內(nèi)前，首先推出少量膠水在樣本盤上（樣本盤可選取較光滑的紙板即可），然后再進(jìn)行產(chǎn)品的注膠操作。這樣在后期需要判斷膠水固化的硬度時，可以直接對膠水樣本進(jìn)行檢查，而不需在扇出器產(chǎn)品上進(jìn)行。這里需要注意的是，膠水樣本的制作需要在每批次注膠前進(jìn)行，而不僅僅是每一支膠水做一個樣本，例如在更換混膠嘴之后，就最好重新做一個膠水樣本，以減少這類過程中的變差對膠水固化可能帶來的影響。 

   B.膠水固化硬度的檢測 

   硬度的檢測可分為兩種：一般性檢查和測量性檢查。由于雙組份環(huán)氧樹脂膠水在固化后的硬度較高，可用工具將膠水樣本切開后直接用手或工具按壓膠水橫切面來進(jìn)行大致的判斷，即一般性檢查。而測量性檢查測試通過專用的硬度測量儀對膠水樣本進(jìn)行實(shí)際測量，對比其與膠水固化硬度典型值的差異。 


   通過上述對扇出器內(nèi)膠水使用的前期，中期，后期的過程控制和檢查，可以有效地保證扇出器產(chǎn)品內(nèi)的膠水固化質(zhì)量以及穩(wěn)定性，從而達(dá)到提升產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性的目的。 

參考文獻(xiàn) 

   1.GR-2866-CORE Issue 2：Generic Requirements for Optical Fiber Fan-outs 
   2.ASTM D1706：Method of Test for Indentation Hardness of Plastics by Means 
   3.LOCTITE E-20HP 膠水產(chǎn)品手冊 
   4.HYSOL E-60NC  膠水產(chǎn)品手冊