Эксимерные лазеры: кинетика фторирования изоляции

Эксимерные лазеры: кинетика фторирования изоляции

Резюме

В 1%-ной смеси фтора при давлении 3 атм содержится 7.35·14¹⁴ молекул F₂ на см³, и каждая связь C−H на поверхности эпоксидной смолы подвергается воздействию в течение 10 000 часов. В данной статье приводятся константы скорости, энергии активации, глубина проникновения 3.65 мкм, снижение удельного сопротивления, зависимость времени жизни и набор материалов, выдерживающих 100 000 часов.

1. Введение

Эксимерные лазеры с длинами волн 248 нм и 193 нм работают на смеси фтора, криптона, аргона и водорода. Смесь содержит от 0.1% до 2% F2 по объему при общем давлении от 2 до 5 атмосфер. Конденсаторы, резисторы, диоды и разъемы находятся в этой атмосфере на протяжении всего срока службы.

Фтор — наиболее электроотрицательный элемент. Его константа скорости атаки на связь C−H составляет около 1e−11 см³ на молекулу в секунду при комнатной температуре, что достаточно быстро, чтобы иметь значение на любой открытой поверхности полимера.

В результате воздействия удаляется водород, а остается углерод. Поверхность одновременно становится хрупкой и проводящей, поэтому изоляция перестает удерживать напряжение раньше, чем перестает выглядеть целой.

В данной статье рассматриваются константы скорости, энергии активации для трех материалов, глубина диффузии, кривая карбонизации, снижение удельного сопротивления, четыре режима разрушения в полевых условиях, а также этапы герметизации, обеспечивающие срок службы в 100 000 часов.

2. Основной механизм

2.1 Константа скорости и её температурная зависимость

Процесс фторирования подчиняется кинетике Аррениуса:

k(T) = A × exp(−Ea / (kB × T))

где k(T) — константа скорости, A — предэкспоненциальный множитель, Ea — энергия активации в эВ, kB — постоянная Больцмана, равная 8.617e−5 эВ/К, и T — абсолютная температура.

Энергия активации разделяет материалы. Для эпоксидной смолы она составляет 0.15 эВ при A = 2e13 с−1, для силикона — 0.25 эВ при 5e13 с−1, а для полиимида — 0.35 эВ при 1e14 с−1. При 300 К три константы скорости составляют 6.4e10, 3.25e9 и 1.3e8 с−1, поэтому эпоксидная смола реагирует в 500 раз быстрее, чем полиимид.

2.2 Концентрация и распад связи C−H

В результате реакции происходит разрыв связи C−H и образуется фторированный фрагмент плюс HF:

[R−H](t) = [R−H]0 × exp(−k × [F2] × t)

где [R−H](t) — оставшаяся плотность связей, [R−H]0 — начальная плотность, k — константа скорости, [F2] — концентрация фтора, а t — время.

В 1%-ной смеси при 3 атм концентрация [F2] составляет [F2] = 7.35e14 молекул на см³, поэтому k × [F2] = 7.35e3 с−1, и одинарная связь сохраняется около 136 мкс. Макроскопическая часть сохраняется гораздо дольше, поскольку атака должна пройти через структуру полимера и достичь глубины, на которой распространяется поле.

2.3 Глубина атаки

Фтор попадает в основную массу вещества путем диффузии, и коэффициент имеет ту же форму:

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

где D — коэффициент диффузии, D0 — предэкспоненциальный фактор, а Ed — энергия активации диффузии.

Глубина определяется квадратным корнем из времени:

x = sqrt(D × t)

где x — глубина атаки, D — коэффициент диффузии, а t — время. Эпоксидная смола с D0 = 1e−6 см²/с и Ed = 0.5 эВ дает D = 3.7e−15 см²/с при 300 К. За 10 000 ч x = 3.65 мкм, что имеет значение для покрытия толщиной 50 мкм и совершенно не имеет значения для керамической стенки толщиной 1 мм.

2.4 Содержание углерода и поверхностное сопротивление

Доля углерода возрастает до значения, близкого к насыщению:

C(t) = C0 + (Cmax − C0) × [1 − exp(−kc × t)]

где C(t) — доля углерода, C0 — начальная доля, Cmax — доля насыщенного углерода, kc — константа скорости карбонизации, а t — время. Содержание углерода в эпоксидной смоле варьируется от 70% до 95%.

Поверхностное сопротивление уменьшается по мере атаки. Одноэкспоненциальная аппроксимация измеренного спада выглядит следующим образом:

ρs(t) = ρ0 × exp(−α × kc × t)

где ρs(t) — удельное сопротивление поверхности, ρ0 — начальное значение, α — коэффициент карбонизации, kc — константа скорости карбонизации, а t — время. Аппроксимация следует измеренной кривой по мере насыщения поверхностного слоя и продолжает следовать ей по мере того, как свежие карбонизированные слои достигают поверхности.

2.5 Время жизни до предела удельного сопротивления

Установите предельное значение удельного сопротивления, необходимое для поверхности, контактирующей с высоким напряжением, и срок службы будет зависеть от этого:

t_life = ln(ρ0 / ρcrit) / (α × kc)

где t_life — время достижения предела, ρ0 — начальное удельное сопротивление, ρcrit — предел, α — коэффициент карбонизации, а kc — константа скорости карбонизации.

Эпоксидная смола начинает работу при 1e14 Ом/кв, а предел составляет 1e10 Ом/кв, поэтому ln(ρ0/ρcrit) = 9.21. При α = 0.15 и kc = 1e−5 с−1 время составляет 1,700 ч. Полиимид с kc = 1e−7 с−1 достигает того же предела через 170 000 ч.

Рис. 1 — Эпоксидная смола теряет четыре порядка величины поверхностного сопротивления за 1,700 часов, в то время как полиимидная поверхность теряет 0.05 порядка величины за тот же период.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Карбонизированная эпоксидная смола протекает.

В результате воздействия фтора на эпоксидную смолу на поверхности образуется проводящий углерод. После 5,000–10,000 часов работы удельное сопротивление поверхности падает с 1e14 до 1e8 Ом/кв, и при напряжении 30 кВ ток на поверхности составляет от 1 мкА до 100 мкА.

Этот ток нагревает поверхность, что ускоряет процесс карбонизации, и петля заканчивается в виде дорожки. пленочный конденсатор При использовании эпоксидной заливки торцов наблюдается такое же разрушение на открытой поверхности, тогда как оболочка из ПТФЭ со стенкой толщиной 0.5 мм удаляет поверхность C−H с пути.

Проблема 2: силиконовые уплотнители становятся хрупкими и протекают.

Фтор атакует метильные группы на силиконовом уплотнительном кольце, заменяя гибкую основу хрупкими связями Si−F. После 3,000–8,000 часов работы кольцо трескается, и газовая смесь вытекает наружу.

Мощность лазерного излучения падает, а счет за газ увеличивается. Оператор винит в этом систему подачи газа, а измерение остаточной деформации снятого кольца показывает повреждение фтором. Фторуглеродный эластомер на том же седле выдерживает нагрузку в 100 раз дольше.

Проблема №3: ​​отслоение полиимида по краям.

Полиимид, используемый в качестве листовой изоляции между проводниками, хорошо противостоит объемной коррозии. Имидные кольца на срезе продолжают реагировать, и край отслаивается через 10 000–20 000 часов.

Приподнятый участок обнажает проводник, и в зазоре начинается коронный разряд. Оператор объясняет это скачком напряжения, а профиль края под микроскопом показывает место поражения. Край герметизируется с помощью N4700Для закрытия используется керамика высшего качества или тефлоновая втулка.

Проблема №4: Изоляторы разъемов открывают путь для проникновения влаги.

На границе раздела металл-изолятор фтор атакует полимер в месте соединения, образуя зазор. Изоляторы из PEEK и PTFE теряют материал в этом кольце после 8,000–15,000 часов работы, после чего влага проникает внутрь по тому же пути.

Связь работает с перебоями, и оператор винит в этом конструкцию разъема. Герметичное соединение устраняет зазор, который приводит к атаке.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Переместить поверхность от C−H к C−F

Выберите фторполимерный инкапсулирующий материал на основе ПТФЭ, ПФА или ФЭП. Для разрыва связи C−F требуется 485 кДж/моль, тогда как для связи C−H — 410 кДж/моль, поэтому полимер сопротивляется воздействию гораздо дольше, чем эпоксидная смола или силикон. Оболочка из ПТФЭ толщиной 0.5 мм обеспечивает защиту более чем на 50,000 2 часов при 1% фтора.

Стратегия 2: Герметично закрыть корпус.

Используйте соединение ковара с оксидом алюминия и крышку, сваренную лазером, с уровнем утечки ниже 1e−9 атм·см³/с. Проверка герметичности соединения с помощью гелия по методу MIL-STD-883 подтверждает герметичность соединения, и внутренний элемент в этом случае вообще не контактирует с фтором. На импульсном узле это имеет наибольшее значение для дверная ручка конденсаторы, где всё тело находится в газовой смеси.

Стратегия 3: Заменяйте силиконовый герметик в каждом статическом уплотнении.

Для замены статических уплотнений используйте фторуглеродный эластомер, например, Viton, или перфторэфир, например, Kalrez. В обоих случаях заменяются метильные группы, которые первыми подвергаются воздействию фтора. Подтвердите выбор, измерив остаточную деформацию после 500 часов работы в 5% F2 при 80 °C.

Стратегия 4: Покрыть защитным составом те части, которые невозможно герметизировать.

Нанесите париленовое покрытие толщиной 25 мкм на разъемы, платы и любые открытые поверхности. Покрытие принимает форму сложной геометрии и сохраняет свою адгезию при термических циклах. Проверьте покрытие и линию склеивания на поперечном сечении и проведите квалификацию в течение 1,000 часов в 5% растворе F2 при 100 °C.

Стратегия 5: Прекратить попадание фтора в ограждение.

Во время технического обслуживания продувайте корпус азотом или аргоном, при этом объем продувки должен превышать объем корпуса более чем в 5 раз по отношению к расходу воздуха. Во время работы запускайте циркуляционный контур через скруббер, поддерживающий концентрацию F2 в корпусе ниже 0.01%. При достижении концентрации 0.05% срабатывайте сигнализация с помощью электрохимического датчика.

Стратегия 6: Анализ динамики удельного сопротивления поверхности.

Измеряйте поверхностное сопротивление каждого герметизирующего материала каждые 1,000 часов с помощью высокоомного измерителя. Принимайте значение 1e11 Ом/кв как точку предупреждения, а 1e10 Ом/кв как пороговое значение для замены. Постройте график зависимости показаний в десятилетиях от часов, что превратит кривую на рис. 1 в прямую линию и прогнозируемую дату пересечения. На делителе запишите значение. градуировочные резисторы за один проход, поскольку обе поверхности находятся в одной и той же газовой смеси.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для корпусов лазеров с высоким содержанием фтора.

На этом этапе выбор определяется четырьмя требованиями: отсутствием связи C−H на поверхности, герметичностью соединения, совместимостью уплотняющего материала и показаниями, позволяющими прогнозировать изменение напряжения. Компания HVC производит компоненты для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работая в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Керамический корпус с позолоченной крышкой из ковара, сваренной лазером, обеспечивает скорость утечки ниже 1e−9 атм·см³/с. Внутренний элемент не подвергается воздействию фтора, что исключает воздействие, описанное в разделе 2.3, на внешнюю стенку.
• Внешняя оболочка из ПТФЭ толщиной 0.5 мм, выдерживающая более 50 000 часов работы даже в местах износа соединения и попадания небольшого количества F2 на поверхность.
• Внешние перфторэфирные уплотнительные кольца, выдерживающие более 100 000 часов без охрупчивания и утечки газа.
• На внешние поверхности наносится слой парилена толщиной 25 мкм в качестве третьего барьера против фтора и влаги.
• Диапазон рабочих напряжений от 1 кВ до 150 кВ, поэтому одна и та же система герметизации подходит для импульсной сети, делителя и проходного элемента разъема рядом с ним. Murata-совместимый ассортимент винтовых винтов.
• Проверено на платформах источников света для литографии в течение более 50 000 часов при 1% F2, 40 кВ и 6 кГц, а также имеются специальные разработки для работы при 2% F2 и 8 кГц.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе материалов, анализе скорости утечек, планировании ускоренных испытаний на воздействие фтора и прогнозировании срока службы.

Укажите концентрацию фтора, температуру корпуса, напряжение на шине и количество часов работы. Компания HVC предоставит лист совместимости материалов с данными об ускоренном воздействии и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему эпоксидная смола выходит из строя гораздо быстрее, чем полиимидная?

Разница между ними обусловлена ​​энергией активации. Для эпоксидной смолы Ea = 0.15 эВ при A = 2e13 с−1, что дает k = 6.4e10 с−1 при 300 К. Для полиимида Ea = 0.35 эВ при A = 1e14 с−1, что дает 1.3e8 с−1. Разница в константе скорости, составляющая 500 раз, превращается в 2.5 порядка на кривой удельного сопротивления и в 100 раз — во времени до достижения предела.

В2: Насколько глубоко проникает фторидная атака?

Глубина диффузии x = sqrt(D × t). Эпоксидная смола с D = 3.7e−15 см²/с при 300 К достигает глубины 3.65 мкм за 10 000 ч. Этого достаточно, чтобы разрушить покрытие толщиной 50 мкм, но недостаточно, чтобы коснуться керамической стенки толщиной 1 мм, поэтому важны как химический состав поверхности, так и толщина стенки.

В3: Какой предел удельного сопротивления следует использовать?

Используйте 1e10 Ом/кв для поверхности, подверженной высокому напряжению, и 1e11 Ом/кв в качестве точки предупреждения. Эпоксидная смола начинает работать при 1e14 Ом/кв, поэтому ln(ρ0/ρcrit) = 9.21, а время до предела составляет 9.21 / (α × kc). При α = 0.15 и kc = 1e−5 с−1 это составляет 1,700 ч.

В4: Устраняет ли герметичность необходимость в фторсодержащем покрытии?

Сохраните оба варианта. Соединение с давлением ниже 1e−9 атм·см³/с задерживает фтор, а затем оболочка из ПТФЭ толщиной 0.5 мм закрывает окно в месте разрушения соединения или утечки через проходное соединение. Нанесение слоя парилена покрывает внешние поверхности. выпрямительный диод а также проходные подводы.

В5: Как мне сертифицировать новую комбинацию материалов?

Подвергните образец воздействию 5% F2 при 100 °C в течение 1,000 часов, что превышает рабочую температуру и состав смеси. Измерьте удельное сопротивление поверхности, изменение массы, относительное удлинение при разрыве и остаточную деформацию при сжатии до и после обработки. Примите пару образцов, если удельное сопротивление остается выше 1e11 Ом/кв и трещины не появляются при 10-кратном увеличении.

В6: Какой уплотнительный материал заменяет силикон?

Для динамических и статических уплотнений следует использовать фторуглеродный эластомер, например, Viton, или перфторэфир, например, Kalrez, если уплотнение должно выдерживать более 100 000 часов. Силикон теряет свою эластичность после 3,000–8,000 часов в газовой смеси, поскольку фтор атакует метильные группы раньше, чем основную цепь.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общие технические характеристики, Изд. 6.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2021.
4. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
5. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349.
6. Л. Луазель и др., Влияние старения на деградацию масла и склонность к газообразованию при высокоэнергетических электрических разрядах в минеральном масле и синтетическом эфире.Высокое напряжение, том 5, № 6, стр. 731-738, 2020. https://doi.org/10.1049/hve.2019.0291
7. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
8. Вопросы применения многослойных керамических конденсаторов BME высокого напряжения.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS International 2012), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2012CARTS-ApplicationConsiderationsHighVoltBME-X7RCeramicCapacitors.pdf .
9. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
10. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com