Фторсодержащие высоковольтные конденсаторы: герметизация и конструкция выводов.

Фторсодержащие высоковольтные конденсаторы: герметизация и конструкция выводов.

Резюме

В источнике питания эксимерного генератора герметик конденсатора и выводной провод подвергаются воздействию фтора в концентрации от 0.1% до 5%. Оба компонента медленно деградируют, и симптомы не проявляются до тех пор, пока скорость утечки или контактное сопротивление не изменятся значительно. В этой статье описывается кинетика травления и роста пленки, четыре режима отказов, а также варианты герметизации, нанесения покрытий и материалов, обеспечивающие герметичность детали в течение 10 000 часов.

1. Введение

Высоковольтные конденсаторы в источниках питания эксимерных ламп работают при концентрации F₂, HF, KrF и ArF от 0.1% до 5%. Эти газы воздействуют на стекло, вызывают коррозию металлов и разрушают полимеры.

В герметичном конденсаторе уязвимым местом является граница раздела между керамическим корпусом, металлическим выводом и герметизирующим материалом. Нарушение герметичности позволяет фтору достигать внутреннего электрода.

Выводной провод оголен снаружи. Медь, никель и серебро образуют непроводящие фториды, и контактное сопротивление возрастает до того, как изменяется какой-либо электрический параметр.

В данной статье рассматриваются механизмы герметизации, кинетика травления и роста пленки, четыре типа отказов, а также выбор герметика и покрытия, определяющие срок службы детали в 10 000 часов.

2. Основной механизм

2.1 Технологии герметизации и показатели их герметичности

В металлокерамических соединениях стекловолокно сплавляется с керамическим штифтом или сплавом 42, и для обеспечения устойчивости к циклической нагрузке необходимо обеспечить согласованное термическое расширение. В металлокерамических соединениях используется сплав серебра, меди и титана, в котором титан химически связывается с керамической поверхностью. Эпоксидные герметики наносятся на корпус в качестве вторичного барьера и снижают газопроницаемость в 100–1,000 раз.

Показатель скорости утечки в атм·см³/с измеряет результат. Для работы эксимерного компрессора требуется скорость утечки ниже 10⁻⁸ атм·см³/с для мелкой утечки и ниже 10⁻⁼ атм·см³/с для крупной утечки.

2.2 Коррозия стекла под воздействием фтора

Фтор воздействует на диоксид кремния в стекле, образуя летучий тетрафторид кремния:

SiO₂ + 4 HF → SiF₄ + 2 H₂O

где HF — фтороводород, образованный из фтора и остаточной влаги на поверхности.

В результате реакции стекло подвергается травлению, образуются микротрещины, и увеличивается скорость утечки. Боросиликатное стекло теряет около 0.1 мкм в час в 1%-ном растворе HF при 50 °C, а за 10 000 часов эта потеря достигает 1 мм.

2.3 Коррозия металла и образование пленок

Фтор реагирует с металлическим контактом и проводом, образуя непроводящие фториды:

Ni + F₂ → NiF₂

где Ni — никелевый контакт или покрытие, а NiF₂ — фторидный слой, повышающий контактное сопротивление.

Этот слой растет в соответствии с параболическим законом времени:

x² = k_p × t

где x — толщина пленки, k_p — параболическая константа скорости, а t — время экспозиции. В 1% F₂ при 50 °C толщина слоя фторида никеля достигает примерно 1 мкм через 1,000 часов и от 3 до 5 мкм через 10 000 часов.

2.4 Ускорение изменения температуры и влажности

Скорость коррозии удваивается при каждом повышении температуры на 10 °C:

k_acc = 2^((T − T_ref) / 10)

где k_acc — коэффициент ускорения, T — рабочая температура, а T_ref — эталонная температура квалификационного испытания.

Влажность добавляет второй эффект, поскольку влажная пленка растворяет фтор, превращая его в фтороводородную кислоту. При 70 °C и 60% относительной влажности коррозия протекает в 20–50 раз быстрее, чем при 25 °C и 30% относительной влажности.

2.5 Электрические последствия

Коррозия провода приводит к падению напряжения перед тем, как он порвется:

ΔV = I × R_lead

где ΔV — падение напряжения на выводе, I — импульсный ток, а R_lead — сопротивление вывода. При 10 А и 500 мОм падение напряжения достигает 5 В, что напрямую зависит от амплитуды импульса.

Фрагмент импульса также смещается, поскольку сопротивление провода входит в разрядную петлю:

τ = R × C

где τ — постоянная времени разрядной петли, R — общее сопротивление петли, а C — емкость петли. Изменение сопротивления провода с 10 мОм до 500 мОм изменяет постоянную петли на тот же порядок.

Рис. 1 — Неизолированный медный вывод проходит испытание на сопротивление 500 мОм через 3,000 часов и размыкается примерно через 8,000, в то время как вывод с покрытием толщиной 1 мм выдерживает повышение сопротивления менее чем на 10%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Стеклянный уплотнитель, который пропитывает стекло насквозь.

Герметичность соединения стекла и металла снизилась через 5,000 часов, а скорость утечки превысила 10⁻⁼ атм·см³/с. Затем фтор достиг серебряно-палладиевых электродов и образовал непроводящие фториды.

Сопротивление последовательному сопротивлению (ESR) увеличилось на 50–200%, конденсатор перегрелся, и вину свалили на систему охлаждения. Доказательства были обнаружены на вытравленной поверхности стекла.

Проблема 2: Коррозия свинца, снижающая амплитуду импульса.

Медные выводы образовали слой CuF₂, который повысил контактное сопротивление с 10 мОм до 500 мОм в течение 3,000 часов. При токе 10 А это соответствует падению напряжения на 5 В, непосредственно снятому с импульса.

Выходная мощность лазера постепенно снижалась, и возникло подозрение на неисправность конденсатора. Измеренное сопротивление выводов в 50 раз превышало его первоначальное значение.

Проблемная точка 3: Разрыв провода

При высокой температуре и влажности слой фторида пропитал все поперечное сечение вывода примерно за 8,000 часов. Вывод треснул под воздействием вибрации и термических циклов, и конденсатор вышел из строя.

Емкость исчезла, и форма импульса изменилась за один шаг. На поверхности излома наблюдалась коррозия по всему сечению, а не механическая перегрузка.

Проблема №4: Эпоксидный компаунд, который трескается.

Вторичное эпоксидное уплотнение стало хрупким из-за разрыва цепей и образования поперечных связей, а затем растрескалось примерно через 5,000 часов. Влага проникла внутрь и, соединяясь с фтором, образовала внутри упаковки фтороводородную кислоту.

Деталь вышла из строя в течение 1,000 часов после появления трещины. После образования HF внутри корпуса внутренняя коррозия развивается быстрее, чем любое внешнее воздействие.

Проблемный момент 5: Отсутствие данных об утечках или тенденции к снижению сопротивления.

Источник питания регистрировал только выходную энергию и напряжение батареи, и больше ничего. Герметичность, которая нарушалась за 5,000 часов работы, не оставила следов, пока конденсатор полностью не вышел из строя.

Проверка герметичности с помощью гелия и измерение сопротивления четырехпроводного кабеля через определенные интервалы обслуживания дают результаты, демонстрирующие определенную тенденцию. Ни один из этих методов не проводился.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите способ соединения керамики с металлом методом пайки.

Вместо стеклянной фритты используйте серебряно-медно-титановый припой. Титан химически связывается с керамикой, и соединение устойчиво к воздействию плавиковой кислоты, которая травит стекло, поддерживая скорость утечки ниже 10⁻⁸ атм·см³/с в течение более 10 000 часов.

Установите минимальную толщину пайки 0.5 мм, затем проверьте герметичность с помощью гелиевого контроля при вводе в эксплуатацию и каждые 2,000 часов работы.

Стратегия 2: Удалить свинец с оголенной меди.

Используйте никелевые или позолоченные выводы. Никель образует тонкий фторидный слой, пассивирующий поверхность, а золото вообще не вступает в реакцию. Установите диаметр выводов более 1 мм, чтобы обеспечить реальный запас по коррозии.

Никелевый вывод толщиной 1 мм сохраняет контактное сопротивление в пределах 10%-ного увеличения в течение 10 000 часов воздействия фтора. Материал и толщину покрытия следует подтвердить методом рентгеновской флуоресценции при входном контроле.

Стратегия 3: Покрытие проводов и клемм.

Нанесите конформное покрытие из парилена толщиной более 25 мкм на выводы и паяные соединения. Парилен образует барьер без микропор и повторяет геометрию соединения, не перекрывая зазоры.

Проверьте покрытие визуальным осмотром и тестом на адгезию с помощью клейкой ленты. Используйте HVRGHP детали с покрытием и толстопленочный резистор где покрытие должно выдерживать термические циклы наряду с конденсатором.

Стратегия 4: Не допускайте попадания фтора в вольер.

Конструкция камеры предусматривает двойные уплотнительные кольца и продувку азотом, а также металлические уплотнения на каждом высоковольтном вводе. Эластомеры являются самым слабым звеном в газонепроницаемой системе, и их можно устранить с помощью соединений типа «нож» или ConFlat.

Установите электрохимический датчик внутри блока питания и подайте сигнал тревоги при достижении концентрации 10 ppm. Показания концентрации превращают медленную утечку в плановый ремонт.

Стратегия 5: Тренд опережает сопротивление и подтверждается ускоренным старением.

Измеряйте сопротивление проводов каждые 1,000 часов с помощью четырехпроводного соединения Кельвина. Повышение на 50% по сравнению с базовым уровнем указывает на значительную коррозию, а повышение на 100% определяет дату замены.

Проведите квалификацию деталей, выдержав 2,000 часов при удвоенной концентрации фтора и в 1.5 раза большей температуре, что соответствует 10 000 часам эксплуатации. Принимайте детали с повышением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) менее чем на 20% и повышением сопротивления выводов менее чем на 50% после этого цикла, и сохраняйте их в рабочем состоянии. N4700 диэлектрические значения внутри HVCT8G упаковочный конверт, чтобы быстровосстанавливающийся диод и Murata Винтовые метки остаются взаимозаменяемыми.

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. Герметичные конденсаторы HVC с коррозионностойкими выводами.

На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: соединением, через которое не может пройти газ, проводником, сохраняющим свое сопротивление, и проверкой, подтверждающей оба параметра на каждом блоке. Компания HVC производит компоненты N4700 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.

• Герметизация с помощью серебряно-медно-титанового припоя обеспечивает скорость утечки ниже 10⁻⁸ атм·см³/с, тогда как стеклянная фритта травится со скоростью 0.1 мкм в час в 1% растворе HF.
• Никелирование толщиной не менее 3 мкм или золочение толщиной не менее 1 мкм обеспечивает защиту от фтора в течение 10 000 часов и поддерживает контактное сопротивление в пределах 10%.
• Покрытие из парилена толщиной от 25 до 50 мкм на выводах и клеммах создает дополнительный барьер для мест с наибольшей концентрацией.
• Диэлектрик N4700 с tanδ ниже 0.1% и частичным проникновением ниже 5 пКл обеспечивает низкое эквивалентное последовательное сопротивление, поэтому любое частичное проникновение проявляется как небольшое изменение температуры, а не как неконтролируемый рост.
• Каждый блок проходит тщательную и общую проверку на герметичность, поэтому ни одна герметичная деталь не поставляется без сертификата герметичности.
• Сертифицированы как взаимозаменяемые компоненты для ведущих производителей источников ДУВ-излучения и указаны в спецификациях производителей лазеров для новых платформ. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам винтовых высоковольтных конденсаторов Murata.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а герметичные комплекты с покрытием — в течение 6–10 недель. Инженерный отдел HVC оказывает поддержку в проведении испытаний на стойкость к фтору, выборе свинцового материала, определении спецификаций покрытия и проверке герметичности.

Укажите состав газа, его концентрацию, рабочую температуру и влажность, а также предполагаемое время работы. Компания HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист с данными о герметичности и покрытии, а также данные испытаний на герметичность, номера деталей и комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Какой тип тюленей лучше всего выдерживает воздействие фтора?

Керамический припой к металлу. Стеклянная фритта подвергается воздействию смеси SiO₂ + 4 HF → SiF₄ + 2 H₂O, которая травит боросиликатное стекло со скоростью около 0.1 мкм в час в 1% растворе HF при 50 °C. Серебряно-медно-титановый припой выдерживает давление ниже 10⁻⁸ атм·см³/с более 10 000 часов.

Вопрос 2: С какой скоростью происходит коррозия меди и свинца?

Сопротивление контакта увеличивается с 10 мОм до 500 мОм примерно за 3,000 часов в 1% F₂ при 50 °C, а фторидный слой покрывает все поперечное сечение примерно за 8,000 часов. При токе 10 А на этапе 500 мОм уже происходит падение напряжения на импульсе на 5 В.

В3: Какой материал свинца и какое покрытие мне следует указать?

Никелевое или золотое покрытие без открытой меди. Никель образует тонкий пассивирующий фторидный слой, и толщина пленки изменяется по закону x² = k_p × t, достигая 3–5 мкм через 10 000 часов. Диаметр выводов должен быть больше 1 мм, а повышение сопротивления должно быть ниже 10%.

Вопрос 4: Почему температура и влажность имеют такое большое значение?

Потому что оба фактора ускоряют реакцию. Скорость удваивается каждые 10 °C, а влажная пленка растворяет фтор в плавиковую кислоту, которая разъедает металлы и стекло гораздо быстрее, чем сухой F₂. При 70 °C и 60% относительной влажности скорость увеличивается в 20–50 раз при температуре выше 25 °C и 30% относительной влажности.

В5: Как часто следует измерять сопротивление свинца?

Измерение Кельвина производится каждые 1,000 часов с помощью четырехпроводного датчика. Повышение на 50% по сравнению с базовым уровнем свидетельствует о значительной коррозии, а повышение на 100% определяет дату замены. Падение напряжения на 5 В, наблюдаемое при 500 мОм, уже заметно на лазерном излучении.

В6: Как проверить работоспособность детали на 10 000 часов без ожидания?

Проведите испытания в течение 2,000 часов при удвоенной концентрации фтора и в 1.5 раза большей температуре. После этого испытания принимайте детали с увеличением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) на 20% и увеличением сопротивления выводов на 50%, сохраняя показания скорости утечки и сопротивления в качестве данных о приемке.

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 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. 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.
6. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
7. Ю. Гао, С. Лян, В. Бао, Ч. У и С. Ли, Анализ разрушения композитного изолятора в условиях полевого хрупкого разрушения: характеристика методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.Высокое напряжение, том 4, № 2, стр. 89-96, 2019. https://doi.org/10.1049/hve.2018.5084.
8. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
9. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com