光纤扇出器内胶水的存储，制备和固化过程控制

12/28/2010，光纤在线讯 

作者 ADC 电信（上海）有限公司 陈波 张雨 

摘要

   光纤扇出器内胶水的固化情况对光纤产品的光学性能有重要的影响，通过对胶水的存储，制备以及固化等过程的控制可以起到提高产品性能的作用。 

关键词 

   胶水存储，LSL&FIFO 管理，胶水制备，胶水固化 

正文 

   光纤扇出器产品是一种重要的无源光器件产品，可应用于数据网络、光纤配线架、接入网等等。其基本构成包括：带状或束状光纤、扇出器、单芯光纤，光纤连接器四个部分，部分扇出器产品在带状或束状光纤一侧也会有光纤连接器，见下图 1 所示。 

   光纤扇出器产品可以根据使用的光纤类型进行划分，例如下图 2 所示的带状光缆和束状光缆。也可以根据扇出端口的数量等进行划分，常见的包括有 4 芯，8 芯，12 芯等，见图 3 所示结构。


   扇出器自身的结构形状也不尽相同，常见有下面两种：图 4 中采用的是方形分叉块，而图 5 中采用的是圆形分叉块。 


   对于扇出器产品的具体类别在这里我们不再逐一举例，但其核心工艺均在于扇出器内填充胶水的控制上，因为胶水固化质量会影响到产品的实际使用性能和长期可靠性。 

  一．胶水的选择 

   在扇出器内的胶水选择上，初期行业内以采用单组份的硅胶为主，但是随着对产品的长期质量稳定性和可靠性的要求，目前扇出器内填充使用的胶水以双组份环氧树脂胶水为主，该类胶水具有室温固化快，高剥离强度和剪切强度，粘接强度高，粘接对象广泛等优点。这类胶水的种类和制造商很多，例如：Devcon Epoxy Plus 25、Loctite Hysol E-20HP（见图 6）、Loctite Hysol E-60NC、Cemedine EP-330（见图 7）等等。


   二．胶水存储控制 

   对于胶水的存储管控需要从以下几个方面进行： 

   A.供应商管理 

   包括供应商资质等方面的确认，以期保证购入胶水质量的连续稳定性。 

   B.有效保存期限（LSL）和先进先出（FIFO）控制 

   “LSL”指物料的有效保存期限。对胶水这一类的物料，采用规定"有效保存期限"的原则，胶水超过“有效保存期限”后，就不可使用，需要进行评估或报废处理。 
   “FIFO”指物料的“先进先出”。对于“LSL”物料，规定“先进先出”的原则，按照物料生产日期，采用先生产先进行使用的方法。 
   对于“LSL”物料在接收时，除了要检查包装有无破损，物料是否正确等常规内容外，还需要特别注意物料的有效期，若接收时能使用的时间过短，需要拒收此批物料。该要求可根据实际生产情况而定，建议为大于 3 个月。若找不到生产日期也没有最终使用截止期，也可拒收此批物料。当接收物料后，可粘贴 “LSL&FIFO”标签以方便管理，见图 8。 
   “LSL”物料的管理员应按照“先进先出”的原则分发 LSL 物料，当 LSL 原则与 FIFO 相矛盾时，LSL优先考虑，例如后买进来的物料的有效期反而在先买来的物料有效期前面，这时应分发有效期在前面的物料。 
   如果“LSL”物料在一个月内要过期的（可根据实际生产情况来定），需要进行提前预警和通报。而当“LSL”物料已经超出有效期的，隔离过期物料并通知相关部门进行不合格品处理。如果“LSL”物料管理人员发现保存"LSL"物料的环境失控（包括温度，湿度等超标），应立即通知相关部门人员进行处理， 并把受影响的物料标识并放入符合存储条件的“不良品区域”，通知相关部门进行不合格品处理。 

   C.存储环境控制 

   胶水属于温度和湿度敏感型物料，需要规定胶水的存储条件(见表 1)，并根据胶水对存储环境的具体要求建立起相关的存储系统，常见的有两类：冰箱和“温室”（特定温度/湿度的房间）。 

   同时，存储系统还需要具有以下几个功能： 
   温/湿度自动调节功能：可以保证存储系统的运行处于受控的温度和湿度范围内
   监控报警功能：可提醒相关维护和检查人员发现存储环境的失控，使得系统能够及时得到维护和修复 
   温/湿度数据采集功能：通过对收集到的数据进行 SPC 分析，可监控系统运行的稳定性和趋势 



   D.将有效期划分为“未开封”和“开封”两种情况区分管理

   胶水存储有效期的“未开封”和“开封”是两种不同的概念，其中“未开封”即是指胶水保持出厂时的包装状态，且在要求的存储环境（温度和湿度）下进行保存，这种条件下的有效期一般等同于产品包装标签上或使用手册上注明的“保质期”；  而“开封”即是指胶水已经打开包装并开始使用，且这时的使用环境一般已经不符合要求的存储环境，在这种状态下胶水有效使用期间会明显低于未开封时的状态，我们称为“开封”情况下的有效期。 
   当有效期确定以后，胶水使用人员需要根据规定进行检查。参见下表 1 所示内容。 

   对于“开封”情况下的有效期，由于与实际的使用环境等有直接的关系，一些胶水供应商没有明确的定义，这时只能根据实际的使用情况进行自定义，但是仍然有几个原则可以用于提高这种“开封”情况下的有效期：
   未使用完的胶水及时放回存储柜，保证环境的稳定
   使用量较少时，可以进行分装 
   对胶水的使用（工作）环境进行控制 

   三．胶水制备控制 

   A.胶水的混合 

   双组份环氧树脂胶水由主剂和硬化剂组成，二者按一定比例混合并在一定条件下经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应后，才能生成稳定的立体网状结构，也才会显现出各种优良的性能。因此对于两者之间的混合比例和混合均匀度必须严格控制，比例失调会造成胶水不能完全固化（硬化）以及粘合性能的劣化，见下图 12、图 13 所示扇出器内的胶水在用镊子按压后呈现出压痕，表明胶水未完全硬化的情况。 


   这里建议使用专门的混胶工具，例如：手动混胶枪，全自动混胶机。其中混胶枪的使用与双胶枪的包装方式是相匹配的，例如下图 14 所示的 Loctite E-20HP 胶水混胶枪。 

   B.通过混合颜色初步检查胶水混合均匀度

   双组份环氧树脂胶水的主剂和硬化剂在颜色上一般有比较明显的差别，而两组份混合后的颜色又会有所不同，通过对混合后颜色上的差异检查，可以初步判断胶水的混合是否充分均匀。例如下图 15 对于 Loctite E-20HP 胶水的主剂，硬化剂以及混合后的颜色介绍。

   C. 胶水内杂质及气泡的排查

   除了胶水配比失调（见本章节 A 内容），混合不均之外（见本章节B 内容），胶水内的杂质（图16）、结晶（图18）以及气泡（图17）的存在也会影响到胶水固化后的性能。


   “杂质”属于胶水成份之外的异物，主要由胶水生产厂家的制造过程控制不当造成。而“结晶”则是由于胶水的存储环境失控（一般在低温环境下），或温度变化过于频繁时造成的胶水结块现象。虽然结晶部分的成份仍然是胶水，但是由于结块的胶水不会与周围的另一组份胶水成份混合，因而也就不会形成固化，那么结晶位置附近的光纤固定强度则会较弱。对于结晶现象，通过缓慢低温加热的方式（根据胶水的类型可选择不同的加热温度和时间）可以将结块的胶水“融化”。见下图 18（加热前），图 19（加热 2 分钟），图 20（加热 3 分钟）所示，用显微镜观察 Loctite E-20HP胶水结晶现象在 60 度加热条件下不同时间点的表现。 



   产生“气泡”的因素有很多，例如：胶水封装过程，混胶过程，注胶过程等等，对于胶水气泡可能对扇出器产品带来的影响分析则与气泡的位置，数量，大小有关，总体的一个原则是扇出器内的光纤不可贴近或穿过气泡，见下图 21，图 22 所示，这一段穿过气泡部分的光纤已经与整段光纤受力不平衡，很容易造成过程或后期使用中的损伤或断裂问题。 

   四．胶水固化控制 

   对于胶水固化的检查和确认同样是必要的。胶水的关键性能有多项参数，包括黏度，剥离强度，剪切强度，硬度，玻璃化转变温度等等。其中对于使用厂家来说比较容易进行检查和测量的就是硬度。通过对于胶水固化硬度的检查可以有效确认胶水的固化情况。下图 23 为 E-20HP 胶水的固化强度曲线及硬度典型值。 


   A．胶水样本的制作

   胶水硬度的检查可以直接对扇出器内的胶水进行，见下图 24（用镊子手柄进行轻微按压）。但是这种方式存在损伤内部光纤的风险，以及无法检测到胶水内部情况的缺陷，而且对于部分封闭式结构的扇出器来说（例如前面介绍过的圆形结构，见图25），这种方式也不适用。


   对于上述问题的改进，可以通过制作胶水样本来实现。即在将混合胶水准备注入扇出器内前，首先推出少量胶水在样本盘上（样本盘可选取较光滑的纸板即可），然后再进行产品的注胶操作。这样在后期需要判断胶水固化的硬度时，可以直接对胶水样本进行检查，而不需在扇出器产品上进行。这里需要注意的是，胶水样本的制作需要在每批次注胶前进行，而不仅仅是每一支胶水做一个样本，例如在更换混胶嘴之后，就最好重新做一个胶水样本，以减少这类过程中的变差对胶水固化可能带来的影响。 

   B.胶水固化硬度的检测 

   硬度的检测可分为两种：一般性检查和测量性检查。由于双组份环氧树脂胶水在固化后的硬度较高，可用工具将胶水样本切开后直接用手或工具按压胶水横切面来进行大致的判断，即一般性检查。而测量性检查测试通过专用的硬度测量仪对胶水样本进行实际测量，对比其与胶水固化硬度典型值的差异。 


   通过上述对扇出器内胶水使用的前期，中期，后期的过程控制和检查，可以有效地保证扇出器产品内的胶水固化质量以及稳定性，从而达到提升产品品质和可靠性的目的。 

参考文献 

   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 胶水产品手册 
   4.HYSOL E-60NC  胶水产品手册