Остаточное содержание фтора: защита высоковольтных конденсаторов от коррозии.

Остаточное содержание фтора: защита высоковольтных конденсаторов от коррозии.

Резюме

Эксимерный лазер простаивает от 2,000 до 4,000 часов в год, и остаточный фтор, оставшийся в камере, атакует каждый основной металл, с которым соприкасается. Скорость реакции подчиняется закону Аррениуса, поэтому в холодной камере реакция протекает медленнее, но 3,000 часов простоя все равно удаляют 300 мкм меди. В этой статье рассматриваются скорости реакции, поведение материалов, расчеты продувки, а также этапы герметизации и нанесения покрытия, защищающие конденсатор на 40 кВ.

1. Введение

Эксимерный лазер для литографии работает с коэффициентом заполнения от 50% до 80%, что приводит к простоям от 2,000 до 4,000 часов в год. В течение этого простоя камера сохраняет газовую смесь.

Остаточное содержание F₂ остается на уровне от 0.01% до 0.5% по объему при давлении в камере от 1 до 5 атм. Каждая металлическая поверхность внутри подвергается его воздействию в течение нескольких месяцев.

Температура работающих деталей достигает 80–150 °C из-за рассеивания импульсов, и тепло отводит влагу с поверхности. Неработающая деталь охлаждается до 15–25 °C, что достаточно низко для образования конденсата.

В данной статье рассматриваются скорости низкотемпературных реакций, HF, образующийся на влажной поверхности, четыре пути разрушения в полевых условиях, а также этапы продувки, герметизации и нанесения покрытия, которые их предотвращают.

2. Основной механизм

2.1 Кинетика низкотемпературного фторирования

Скорость реакции металла с фтором подчиняется соотношению Аррениуса:

k(T) = A × exp(−E_a / (k_B × T))

где k(T) — скорость реакции при абсолютной температуре T, A — предэкспоненциальный фактор, E_a — энергия активации, а k_B — постоянная Больцмана. Для фторирования меди Cu + F₂ → CuF₂ энергия активации составляет 0.3 эВ.

Соотношение между двумя температурами следует непосредственно из следующего:

k(T2) / k(T1) = exp[−(E_a / k_B) × (1/T2 − 1/T1)]

где T1 и T2 — две абсолютные температуры, а k(T1) и k(T2) — скорости коррозии в этих точках. При изменении температуры от 100 °C до 25 °C скорость коррозии меди снижается в 0.51 раза, поэтому холодная медь корродирует вдвое медленнее, чем горячая.

Снижение скорости коррозии вдвое не спасет деталь, поскольку воздействие коррозии длится долго. Глубина коррозии со временем увеличивается:

d = v × t

где d — глубина коррозии, v — скорость коррозии, а t — время воздействия. Медь при скорости коррозии 0.1 мкм/час в 0.5% F₂ достигает толщины 300 мкм через 3,000 часов, что составляет большую часть толщины свинца 0.5 мм.

Время для открытия сделки следующее:

t_fail = d_lead / v

где t_fail — время до обрыва, d_lead — диаметр вывода, а v — скорость коррозии. Вывод диаметром 0.5 мм со скоростью 0.1 мкм/час выходит из строя через 5,000 часов, чего может достичь один длительный простой плюс несколько праздников.

2.2 Образование HF на конденсационной поверхности

При охлаждении камеры на ее поверхности происходит реакция между фтором и водой:

F₂ + H₂O → HF + HOF

При концентрации F₂ 0.1% и относительной влажности 80% концентрация сконденсированной воды достигает 100–1,000 ppm HF. Такая концентрация быстро воздействует на неблагородные металлы: более 10 мкм/час для меди, более 50 мкм/час для алюминия и более 5 мкм/час для серебра в растворе с концентрацией 1,000 ppm.

Атака носит локальный характер. Она начинается в местах конденсации и образует ямки на поверхности, в результате чего свинец теряет прочность в нескольких локальных точках, сохраняя при этом всю свою толщину между ними. После 1,000 часов простоя во влажной среде ямка может стать достаточно глубокой, чтобы разрушить свинец при термических циклах.

2.3 Поведение материала в камере с холодным фтором

Медь образует CuF₂, который поглощает воду и удерживает электролит на поверхности. Свинец после 2,000 часов работы демонстрирует зеленые продукты коррозии и теряет механическую прочность.

При серебряном покрытии образуется AgF, пористый и светочувствительный слой, не обеспечивающий барьерной защиты. Через 3,000 часов появляются темные пятна, и медь под ним становится уязвимой для коррозии. При лужении образуется SnF₂, белый порошок, который отслаивается и обнажает свежий металл; оловянное покрытие полностью преобразуется примерно за 1,000 часов.

Золото не вступает в реакцию с фтором при комнатной температуре. Позолоченный провод остается чистым после 10 000 часов простоя, а сама керамика устойчива к воздействию фтора, в отличие от металлизированных электродов.

2.4 Арифметические операции очистки

Продувка азотом разбавляет остаточный газ, и этот процесс занимает следующее время:

t = −(V / Q) × ln(C_final / C_initial)

где t — время продувки, V — объем камеры, Q — поток азота, C_initial — начальная концентрация фтора, а C_final — целевая концентрация. В камере объемом 100 л при скорости потока 10 л/мин концентрация фтора снижается с 0.5% до 10 ppm за 62 минуты.

Рис. 1 — Медный вывод со скоростью 0.1 мкм в час достигает предела в 500 мкм для вывода диаметром 0.5 мм через 5,000 часов простоя, в то время как позолоченный вывод не демонстрирует измеримых потерь.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Коррозия свинца, вызывающая обрыв цепи.

Медные и посеребренные провода подвергаются коррозии после 2,000–5,000 часов простоя, что соответствует 6–12 месяцам нормальных отключений. Неисправность проявляется как обрыв цепи при первом запуске после отключения, и виной тому считается термическое циклирование.

Проблема 2: Контактная коррозия, повышающая сопротивление.

В контактах разъемов и переключателей из меди и серебра во время отключения электроэнергии образуются слои CuF₂ и AgF. Сопротивление контакта возрастает с 1 мОм до 100 мОм за 1,000–3,000 часов, а дополнительное падение сопротивления приводит к нагреву контакта при следующем импульсе.

Проблемная точка 3: Коррозия дорожек печатной платы, приводящая к утечке тока.

Медные дорожки, сконденсированная вода и фтор образуют HF на поверхности платы. Эти продукты замыкают соседние дорожки, и ток утечки достигает 1 мкА через 2,000–5,000 часов. Измерьте его с помощью... резистор выборки На выходе из системы водоснабжения наблюдается устойчивый рост влажности, а постоянные колебания во время отключений указывают на коррозию проводов, в то время как после высыхания восстанавливается только влажность.

Проблема №4: Коррозия паяного соединения, нарушающая контакт.

Олово в соединении олово-свинец или олово-серебро превращается в порошок SnF₂ примерно за 1,000 часов. Соединение теряет прочность, трескается при термических циклах и периодически выдает неисправность, которую не удается воспроизвести ни одним функциональным тестом.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Продувка сухим азотом во время простоя.

Подавайте сухой азот до тех пор, пока уровень F₂ не упадет ниже 10 ppm, затем поддерживайте избыточное давление 0.1 атм, чтобы предотвратить попадание воздуха и влаги. Камере объемом 100 л при скорости потока 10 л/мин требуется 62 минуты, начиная с 0.5%, что укладывается в стандартный период остановки.

Стратегия 2: Герметизация внутреннего объема

Выберите герметично закрытый N4700 Конденсаторы, резисторы и разъемы с металлокерамическими уплотнениями. Проверьте герметичность с помощью гелиевого теста на утечку со скоростью ниже 10⁻⁹ атм·см³/с и оцените ее для 10 атм, чтобы камера с давлением 5 атм оставалась в пределах допустимого диапазона. Герметичная деталь поддерживает внутреннюю атмосферу на уровне 1 атм независимо от параметров камеры. Если несколько герметичных конденсаторов используют одну шину постоянного тока, добавьте градуировочные резисторы Таким образом, деление напряжения не создает нагрузки на уплотнения.

Стратегия 3: Залежи и контакты с золотом.

Укажите толщину 50 мкм твердого золота поверх никелевого подслоя на каждом выводе и контакте. Золото не вступает в реакцию с фтором при комнатной температуре, поэтому контактное сопротивление остается ниже 2 мОм после 10 000 часов, а покрытие выдерживает 100 000 циклов сопряжения. Подтвердите толщину методом рентгеновской флуоресценции на образце из каждой партии.

Стратегия 4: Покрытие наружных поверхностей париленом.

Слой парилена С толщиной 25 мкм блокирует фтор и влагу на корпусе компонента и окружающей его плате. Нанесение слоя следует проводить перед заключительным этапом сборки, а проверку степени покрытия — с помощью оптической микроскопии и контрольного теста с использованием клейкой ленты.

Стратегия 5: Контроль влажности и осмотр после длительных простоев.

Поддерживайте относительную влажность в камере ниже 30% с помощью осушительных пакетов или продувки сухим воздухом, а при влажности выше 50% подавайте сигнал тревоги. После любого простоя, длящегося более недели, осмотрите выводы, контакты и дорожки, очистите их изопропиловым спиртом и измерьте контактное и изоляционное сопротивление, сравнив его с пусковыми значениями. пленочный конденсатор Корпус, находящийся в том же самом месте, требует той же проверки, поскольку его торцевые уплотнения пропускают влагу по тому же графику, что и эпоксидный корпус.

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. Высоковольтные конденсаторы, устойчивые к холодной коррозии, для эксимерных камер.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: внутренний объем, который никогда не соприкасается с газовой камерой, выводы, не пропускающие фтор, и поверхность, не способная удерживать конденсат. Компания HVC производит герметичные компоненты N4700 с позолоченными выводами 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.

• Герметичное металлокерамическое уплотнение поддерживает внутренний объем на уровне 1 атм со скоростью утечки ниже 10⁻⁹ атм·см³/с, поэтому диэлектрик §2.3 никогда не соприкасается с F₂, остающимся в камере.
• Позолоченные выводы, представляющие собой 50 мкм твердого золота поверх никеля, не содержат CuF₂ и AgF, поэтому сопротивление выводов остается ниже 10 мОм после 10 000 часов простоя.
• Контакты с золотым покрытием обладают контактным сопротивлением ниже 2 мОм, не окисляются и выдерживают 100 000 циклов сопряжения без износа.
• Покрытие из парилена С толщиной 25 мкм на внешних поверхностях блокирует фтор и влагу, а также предотвращает образование HF в корпусе и прилегающих проводниках.
• Хранение и транспортировка в сухом азоте при относительной влажности ниже 10% позволяют сохранить детали сухими перед установкой, чтобы первое отключение электроэнергии не началось с влажной поверхности.
• Детали прошли квалификационные испытания в течение более 10 лет при 5,000 часах простоя в год в источниках света для литографии, без отказов, вызванных холодной коррозией.

Радиально-выводные диски, винтовые клеммы и дверная ручка конденсаторы Диапазон напряжения составляет от 1 кВ до 150 кВ. Компоненты HVC соответствуют параметрам... Vishay HVCC, радиальный проводник KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а герметичные комплекты с золотым покрытием — в течение 6–10 недель. Инженерный отдел HVC оказывает поддержку в расчете размеров системы продувки, планировании испытаний на герметичность, определении спецификаций покрытия и проведении испытаний на воздействие низких температур и коррозии.

Отправьте данные об объеме камеры, составе и давлении газа, годовом времени простоя, а также чертеж интерфейса выводов и контактов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит рекомендации по выбору детали с данными о скорости утечки, толщиной покрытия и комплектом для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему коррозия при низких температурах хуже, чем коррозия при рабочей температуре?

Поскольку скорость падает, но зона воздействия возрастает, а вода конденсируется при 25 °C, медь фторируется со скоростью 51% от своей обычной скорости при 25 °C, однако газ остается неподвижным в течение 2,000–4,000 часов в год вместо того, чтобы циркулировать. Затем конденсированный слой превращает F₂ в HF, который атакует медь со скоростью более 10 мкм/час.

Вопрос 2: Как долго медь и свинец сохраняются в остаточном фторе?

Используйте t_fail = d_lead / v. При скорости 0.1 мкм/час в 0.5% F₂, проводник диаметром 0.5 мм достигает своего предела в 500 мкм через 5,000 часов простоя, а через 3,000 часов уже удаляется 300 мкм. Серебряное и оловянное покрытие обеспечивают меньшую защиту, чем чистая медь, за тот же период.

В3: Какое покрытие следует выбрать для фторсодержащей среды?

Золото, 50 мкм твердого золота на никелевой подложке. Золото не вступает в реакцию с фтором при комнатной температуре, поэтому после 10 000 часов работы его сопротивление свинца остается ниже 10 мОм, а контактное сопротивление — ниже 2 мОм. Серебро образует пористый слой AgF после 3,000 часов, а олово превращается в порошок SnF₂ примерно за 1,000 часов.

Вопрос 4: Сколько времени занимает продувка азотом?

Следуйте формуле t = −(V / Q) × ln(C_final / C_initial). В камере объемом 100 л при скорости потока 10 л/мин концентрация F₂ снижается с 0.5% до 10 ppm за 62 минуты. После этого создайте избыточное давление азота 0.1 атм, чтобы предотвратить попадание воздуха и влаги до конца простоя.

В5: Решает ли герметичное уплотнение проблему само по себе?

Это устраняет внутренний риск и исключает воздействие внешней среды. Герметичные компоненты поддерживают собственную атмосферу на уровне 1 атм, но выводы, контакты и дорожки платы по-прежнему контактируют с газом из камеры. Герметизация сочетается с золочением, покрытием из парилена и контролем влажности ниже 30% относительной влажности.

Вопрос 6: Что следует проверить после отключения электроэнергии?

Сопротивление контактов, сопротивление изоляции и ток утечки через резистор для отбора проб сравниваются с значениями, полученными при вводе в эксплуатацию. После любого простоя, длящегося более недели, проверяйте выводы, контакты и дорожки на наличие пыли или точечной коррозии, очищайте изопропиловым спиртом и заменяйте любой вывод, на котором обнаружена точечная коррозия глубиной более 20% от его диаметра.

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. 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.
6. Военно-морской стандарт RPF-49470D. Конденсатор, фиксированный, с керамическим диэлектриком, импульсный источник питания (общего назначения и термостабильный), стандартная и высокая надежность, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2017.
7. 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 .
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. МЭК 60068-2-27:2008, Экологические испытания - Часть 2-27: Испытания - Испытание Ea и руководство: Шоковые испытания, 4-е изд. Женева: МЭК, 2008.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com