Расходные материалы для эксимерных микроскопов: фторсодержащее масло и материалы для герметизации.

Расходные материалы для эксимерных микроскопов: фторсодержащее масло и материалы для герметизации.

Резюме

Масло и герметик разрушаются быстрее вместе, чем по отдельности. HF и фторированные радикалы из одного материала растворяются в другом и атакуют его изнутри, увеличивая скорость разрушения в 5-20 раз. В этой статье приводятся индивидуальные и суммарные скорости разрушения, модель срока службы, четыре режима отказов в полевых условиях, а также пары масло-герметик, обеспечивающие работу лазерного источника питания в течение 10 000 часов.

1. Введение

Источник питания эксимерного лазера нуждается в дополнительной изоляции и охлаждении высоковольтных компонентов. Изоляционное масло заполняет зазоры между компонентами, подавляет частичные разряды и отводит тепло. Сами компоненты заключены в органический герметик из эпоксидной смолы, силикона или полиуретана.

В среде фтора оба вещества подвергаются одновременному воздействию. Каждое из них разлагается самостоятельно с измеримой скоростью. При контакте продукты разложения одного вещества ускоряют разложение другого. Суммарная скорость разложения в 5-20 раз превышает сумму скоростей разложения каждого из веществ по отдельности.

В данном применении воздействие облучения очень интенсивное. Камера содержит от 0.1% до 5% F2, который проникает в силовой корпус. Корпус работает при температуре от 50 °C до 80 °C. Напряжение поля достигает от 10 кВ/мм до 30 кВ/мм, а частота импульсов — 6 кГц.

В данной статье рассматриваются индивидуальные и комбинированные процессы деградации, совместимость шести пар масел и герметизирующих материалов, четыре режима отказов в полевых условиях, модель срока службы и этапы выбора, обеспечивающие 10 000-часовой рабочий диапазон.

2. Основной механизм

2.1 Деградация инкапсулирующего материала

Фтор удаляет водород из полимерной цепи и заменяет его фтором:

R−H + F2 → R−F + HF

где R−H — повторяющаяся единица полимера с водородом, F2 — молекула фтора, R−F — фторированная единица, а HF — выделяющийся фтороводород.

Та же реакция также разрывает основную цепь и сшивает соседние цепи. Эпоксидная смола при 50 °C в 1% F2 теряет от 1% до 5% своих свойств за каждые 1,000 часов. Она становится хрупкой, трескается и перестает защищать деталь через 5,000–10,000 часов.

2.2 Деградация изоляционного масла

Минеральное масло реагирует аналогичным образом, и его углеводородные цепи фторируются:

CnH2n+2 + F2 → CnH2n+1F + HF

где CnH2n+2 — молекула парафина, F2 — молекула фтора, CnH2n+1F — фторированный продукт, а HF — выделяющийся фтороводород.

Затем активные формы кислорода окисляют масло, превращая его в кислоты, шлам и газ. Радикалы полимеризуют молекулы масла и повышают вязкость. Минеральное масло при температуре 50 °C в 1% растворе F2 теряет от 2% до 10% своих свойств за 1,000 часов, становится кислым и теряет диэлектрическую прочность через 3,000–8,000 часов.

2.3 Термин «синергия»

При контакте три фактора усиливают обе скорости реакции. Фторфторид из герметика растворяется в масле и образует фтороводородную кислоту, которая гораздо более едкая, чем F2, и атакует изнутри. Фторированные радикалы проникают в масло и запускают цепные реакции. Масло поглощает побочные продукты, разбухает герметик на 5-20% и открывает трещины, через которые проникает больше фтора.

Комбинированная ставка предусматривает дополнительный срок:

k_syn = S × (k1 + k2)

где k_syn — скорость синергетической деградации, S — коэффициент синергии, k1 — скорость инкапсуляции, а k2 — скорость разложения масла. Для минерального масла с эпоксидной смолой в 1% F2 при 50 °C значение S изменяется от 5 до 10, а наблюдаемая скорость достигает 30–60% за 1,000 ч.

2.4 Прогнозирование продолжительности жизни

Время до отказа определяется как отношение первоначальной стоимости имущества к сумме ставок:

t_failure = C0 / (k1 + k2 + k_syn)

где t_failure — время до отказа, C0 — исходные свойства материала, такие как диэлектрическая прочность, k1 и k2 — индивидуальные скорости на 1,000 ч, а k_syn — суммарная скорость.

При k1 = 3, k2 = 3, k_syn = 30 и C0 = 100, t_failure = 100 / 36 × 1,000, или 2,780 ч. Измеренный диапазон составляет от 500 ч до 2,000 ч, поэтому модель находится в пределах допустимых значений.

Проникновение высокочастотного излучения также подчиняется закону диффузии, и его глубина увеличивается пропорционально квадратному корню из времени:

x = 2 × sqrt(D × t)

где x — глубина проникновения HF в герметизирующий материал, D — коэффициент диффузии HF в полимере, а t — время воздействия. Глубина, достигающая электрода, прекращает защиту, независимо от скорости распространения.

Рис. 1 — Минеральное масло с эпоксидной смолой теряет 45% своих свойств за 1,000 часов при 50 °C в 1% F2; фторированное масло с неорганическим керамическим компонентом не демонстрирует синергетического эффекта.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Загрязненное масло теряет диэлектрическую прочность.

В случае минерального масла и эпоксидной смолы, в результате совместной реакции HF и фторированные радикалы высвобождаются непосредственно в масло. Через 1,000–2,000 часов масло становится кислым, pH падает ниже 4, а его удельное сопротивление снижается до менее 10⁹ Ом·см.

Затем масло пропускает ток утечки через зазор изоляции, и деталь выходит из строя. Оператор обвиняет поставщика масла, и заправка свежим маслом того же сорта приводит к повторению поломки через тот же промежуток времени.

Болевой пункт 2: Отек капсулы открывает путь для проникновения влаги.

Масло поглощает фторированные побочные продукты и вызывает набухание герметизирующего материала на 5–20%. Через 500–1,500 часов это набухание приводит к растрескиванию покрытия. Затем вода достигает керамической поверхности и соединяется с HF, образуя высококоррозионную пленку.

Деталь выходит из строя через 1,000–3,000 часов, и оператор винит в этом поставщика уплотнений. Герметичная керамико-металлическая пайка устраняет путь, образованный разбуханием.

Проблемный момент 3: Осадок блокирует путь охлаждения.

Радикальная полимеризация в минеральном масле приводит к образованию шлама, который оседает на поверхностях компонентов. Через 1,000–3,000 часов шлам блокирует поток масла через охлаждающие каналы и создает горячую точку в диэлектрике с потерями.

Повышение температуры ускоряет химические процессы, что приводит к образованию большего количества шлама. Оператор винит в этом систему охлаждения, а анализ масла показывает, что кислотное число и вязкость уже выходят за пределы нормы.

Проблемный момент 4: Образование газа повышает внутреннее давление.

Органические вещества под воздействием фтора выделяют HF, H2, CF4 и CO2. В герметичном корпусе газ скапливается, и давление повышается. Через 2,000–5,000 часов герметичность нарушается или корпус трескается.

Оператор видит поврежденный участок и списывает вину на избыточное давление. Анализ газового пространства позволяет выявить реакцию фтора в течение одной смены.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать фторированное масло

Минеральное масло заменено перфторполиэфиром (PFPE), который не растворяет HF или фторированные радикалы. Масло PFPE обладает диэлектрической прочностью выше 40 кВ/мм, удельным сопротивлением выше 10^14 Ом·см и термической стабильностью до 200 °C. Подтверждена совместимость с герметизирующим материалом в течение более 1,000 часов при двукратном превышении уровня фтора в рабочей среде.

Стратегия 2: Заменить органический герметик керамикой.

Переход от эпоксидных смол или силикона к неорганической керамической оболочке из оксида алюминия или диоксида циркония, которая не вступает в реакцию с фтором. Керамическая оболочка герметично закрывает материал, выдерживает напряжение более 20 кВ/мм и проводит ток от 20 Вт/м·К до 30 Вт/м·К. N4700 Деталь с керамическим корпусом и припоем удаляет органические загрязнения с поверхности системы.

Стратегия 3: Вернуться к использованию силиконового масла с силиконовой инкапсуляцией.

В тех случаях, когда стоимость PFPE или керамической оболочки исключают первые два варианта, используйте силиконовое масло с силиконовым герметиком. Эта пара обеспечивает коэффициент синергии от 2 до 5 по сравнению с 10-20 для минерального масла с эпоксидной смолой. Проверьте это в течение 1,000 часов при концентрации фтора, в 1.5 раза превышающей рабочую.

Стратегия 4: Отфильтровать масло и запланировать его замену.

Установите контур фильтрации, удаляющий из масла фтористоводородную кислоту, шлам и твердые частицы. Заменяйте масло каждые 2,000–5,000 часов и отслеживайте кислотное число, диэлектрическую прочность и вязкость. Проводите техническое обслуживание по мере изменения параметров, до того, как удельное сопротивление упадет ниже 10⁹ Ом·см.

Стратегия 5: Прекратить попадание фтора в ограждение.

Используйте двойные уплотнительные кольца и продувку азотом по периметру камеры. Используйте металлические уплотнения или фитинги с острыми краями на каждом высоковольтном вводе и контролируйте состояние корпуса с помощью электрохимических датчиков. Сигнализация срабатывает при концентрации F2 10 ppm, что значительно ниже уровня 0.1% в камере.

Стратегия 6: Покрыть корпуса резисторов фтором.

Выбрать HVR-BSP последовательное соединение толстопленочных резисторов с фторостойкими покрытиями из эпоксидной смолы с керамическим наполнителем или силикона с наполнителем из оксида алюминия, и укажите толщину покрытия более 50 мкм. Проверьте покрытие на устойчивость к выбранному маслу в течение 1,000 часов при 1% F2.

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 N4700 для источников питания лазеров, подвергающихся воздействию фтора.

Выбор компонентов на этом узле определяется тремя требованиями: корпус, не подверженный воздействию фтора, уплотнение, предотвращающее проникновение фтора, и диэлектрик, выдерживающий погружение в масло PFPE. Компания HVC производит компоненты для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Полностью неорганическая структура, состоящая из оксида алюминия, серебряно-палладиевых электродов и стеклянных уплотнений. Ни один из этих трех компонентов не реагирует с фтором, HF или фторированными радикалами, поэтому для расчета синергетического эффекта нет подходящего материала.
• Керамико-металлическое паяное уплотнение с расходом ниже 1e−8 атм·см³/с. Внутренний диэлектрик никогда не контактирует с атмосферой корпуса, поэтому путь диффузии ВЧ-излучения в секции 2.4 перекрывается у стенки.
• Совместимость с маслом PFPE для дополнительной теплоизоляции и охлаждения. Деталь может находиться в погруженном во фторированное масло без измеримых изменений свойств в течение 1,000 часов.
• Диэлектрик N4700 с коэффициентом диэлектрической проницаемости ниже 0.1% и разрядом ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Низкие потери снижают самонагрев, а низкий разряд сводит внутреннюю эрозию к нулю.
• Диапазон рабочих напряжений от 1 кВ до 150 кВ, с радиальными выводами, винтовыми клеммами и дверная ручка конденсаторыТаким образом, одна неорганическая система обслуживает импульсную сеть, источник питания для зарядки и фильтр запуска.
• Подходит в качестве замены для ведущих брендов в программах выездного обслуживания лазерного оборудования. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпусов. Murata винтового типа, Vishay HVCC и TDK UHV/FHV.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные по индивидуальному заказу, — в течение 6–10 недель. Инженерный отдел HVC оказывает поддержку в проведении скрининга совместимости масел и герметизирующих материалов, моделировании синергии, анализе скорости утечки через уплотнения и планировании испытаний на воздействие фтора.

Укажите концентрацию фтора, температуру в камере, марку масла и количество часов работы. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит лист совместимости материалов с данными ускоренных испытаний и комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему суммарная скорость деградации выше, чем сумма двух скоростей?

Потому что каждый материал питает другой. Эпоксидная смола выделяет HF и фторированные радикалы, которые растворяются в масле, а затем кислотное масло атакует эпоксидную смолу изнутри. Масло также разбухает герметизирующий материал на 5–20% и открывает трещины, через которые проникает больше фтора. Дополнительный эффект в 5–20 раз превышает сумму отдельных эффектов.

В2: Каков срок службы сопряженного устройства?

Минеральное масло с эпоксидной смолой при 50 °C в 1% F2 приводит к потере 30–60% свойств за 1,000 часов и выходит из строя через 500–2,000 часов. Для каждого материала по отдельности прогнозируемый срок службы составляет от 5,000 до 10,000 часов. Замена этой пары на масло PFPE и керамический корпус выводит прогнозируемый срок службы за пределы конечного диапазона.

Вопрос 3: Какое сочетание масла и инкапсулирующего вещества является наиболее безопасным?

Масло PFPE с неорганическим керамическим корпусом не демонстрирует никакой синергии, поскольку ни один из материалов не растворяет HF и не вступает в реакцию с фтором. Керамическая оболочка с припоем также предотвращает диффузию HF к диэлектрику. Силиконовое масло с силиконовой инкапсуляцией является практическим запасным вариантом с коэффициентом синергии от 2 до 5.

Вопрос 4: Какими свойствами должно обладать масло для обеспечения диэлектрической прочности?

Масло PFPE выдерживает напряжение выше 40 кВ/мм и имеет удельное сопротивление выше 10^14 Ом·см. Сигнал тревоги должен срабатывать до того, как удельное сопротивление масла упадет ниже 10^9 Ом·см, что происходит после 1,000–2,000 часов работы загрязненного минерального масла. Кислотное число и вязкость следует отслеживать по тому же графику, а масло следует заменять каждые 2,000–5,000 часов.

В5: Как предотвратить попадание фтора в блок питания?

Используйте двойные уплотнительные кольца на границе камеры, продувайте корпус азотом и используйте металлические или режущие кромки на каждом высоковольтном вводе. Контролируйте с помощью электрохимического датчика и подавайте сигнал тревоги при 10 ppm. Скорость утечки должна быть ниже 1e−8 атм·см³/с. выпрямительный диод Проходные отверстия перекрывают последний путь внутрь корпуса.

В6: Как мне сертифицировать новую комбинацию материалов?

Проведите испытания в течение 1,000 часов при концентрации фтора, вдвое превышающей рабочую, и на верхней границе температурного диапазона, затем измерьте диэлектрическую прочность, изменение массы и кислотное число. Повторите испытания в 1.5 раза для оценки умеренной экспозиции. Примите пару образцов, если потеря свойств не превышает 10%, и при 10-кратном увеличении не наблюдается трещин.

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. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. 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
8. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
9. JP 3979823 B2, 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (Намоточное оборудование и генератор высоковольтных импульсов, использующий его), Gigaphoton Inc., https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
10. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com