Эксимерные лазеры: париленовое покрытие для инкапсуляции в высоковольтные системы.

Эксимерные лазеры: париленовое покрытие для инкапсуляции в высоковольтные системы.

Резюме

Пленка толщиной 25 мкм, полученная методом парофазного осаждения, изолирует высоковольтный элемент от 1%-ной смеси фтора при давлении 3 атм, при этом для проникновения фтора на глубину 0.02 нм в пленку требуется 50 000 часов. В данной статье описаны этапы осаждения, коэффициент диффузии, срок службы барьера, диэлектрические свойства, четыре режима разрушения покрытия, а также методы подготовки и контроля, обеспечивающие целостность пленки.

1. Введение

Эксимерный лазер работает на смеси фтора, криптона, аргона и водорода при содержании F2 от 0.1% до 2% и давлении от 2 до 5 атмосфер. Источник импульсов, его конденсаторы, резисторы, диоды и платы находятся в этой атмосфере.

Фтор в первую очередь атакует органические инкапсуляторы. Он разрывает полимерную цепь, извлекает водород и оставляет углерод, в результате чего поверхность становится хрупкой и одновременно проводящей. Эпоксидная смола теряет половину своей прочности на разрыв после 5,000 часов и четыре порядка удельного сопротивления поверхности после 10,000 часов.

Покрытие должно предотвращать проникновение газа в нижележащий полимер и при этом обеспечивать проводимость поля. Это исключает большинство органических пленок, поскольку они либо поглощают газ, либо разрушаются под рельсом.

В данной статье рассматриваются процесс нанесения покрытия, три марки парилена, коэффициент диффузии и срок службы барьерного слоя, диэлектрические свойства, четыре типа разрушения покрытия, а также этапы подготовки и контроля, обеспечивающие целостность пленки.

2. Основной механизм

2.1 Химическое осаждение из паровой фазы

Пленка из парилена образуется в три этапа внутри вакуумной камеры, при этом растворитель или жидкость не контактируют с деталью. Димер сублимирует при температуре от 150 °C до 180 °C под давлением от 0.1 до 1 Торр. Затем пар проходит через зону с температурой от 650 °C до 700 °C и расщепляется на реакционноспособные мономеры. Мономеры достигают детали при комнатной температуре и полимеризуются на месте.

Пленка растет со скоростью от 1 мкм/ч до 2 мкм/ч, поэтому для нанесения покрытия толщиной 25 мкм требуется примерно один сдвиг. Нанесение при комнатной температуре имеет значение для лазерной детали, поскольку полимерная оболочка и паяное соединение подвергаются этому процессу, и ни одно из них не испытывает тепловой нагрузки.

2.2 Три класса

Парилен N не содержит заместителей и обладает диэлектрической прочностью выше 7000 В/мил с диэлектрической постоянной 2.65. Парилен C содержит атом хлора в кольце, что повышает барьер против проникновения влаги и химических веществ и устанавливает диэлектрическую постоянную на уровне 3.15. Парилен AF-4 заменяет водород в кольце на фтор и добавляет метильные группы, что повышает порог УФ-излучения и предел непрерывной температуры до 200 °C.

В случае лазерного корпуса парилен С справляется с нагрузкой, обусловленной фтором. В тех случаях, когда на деталь попадает свет с длиной волны 193 нм, фторсодержащая химия AF-4 компенсирует воздействие УФ-излучения, которое приводит к деградации парилена N и C.

2.3 Диффузия и срок службы барьера

Барьерное воздействие обусловлено коэффициентом диффузии фтора в пленке и подчиняется обычной температурной зависимости:

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

где D — коэффициент диффузии, D0 — предэкспоненциальный множитель, Ed — энергия активации диффузии, kB — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура.

Парилен С с D0 = 1e−9 см²/с и Ed = 1.0 эВ дает D = 1.7e−26 см²/с при 300 К. Затем фронт перемещается на расстояние, которое следует за квадратным корнем из времени:

x = sqrt(D × t)

где x — глубина, достигнутая фронтом атаки, D — коэффициент диффузии, а t — время экспозиции. За 50 000 ч, что составляет 1.8 × 8 с, x = 0.02 нм. По сравнению с пленкой толщиной 25 мкм, это на семь порядков величины больше.

Если перевернуть эту зависимость, то время, которое тратит пленка, будет пропорционально квадрату толщины:

t_barrier = x^2 / D

где t_barrier — время, за которое фронт пересекает пленку, x — толщина пленки, а D — коэффициент диффузии. Для 25 мкм и 1.7e−26 см²/с результат составляет 3.7e20 с, что выходит за рамки любого рабочего диапазона данного оборудования.

2.4 Диэлектрические значения

Между заготовкой и деталью находится покрытие, разрушение которого приводит к установке верхней части детали на направляющую:

V_bd = E_bd × t

где V_bd — напряжение пробоя пленки, E_bd — диэлектрическая прочность, а t — толщина пленки. Парилен C выдерживает напряжение 275 В/мкм, поэтому пленка толщиной 25 мкм выдерживает 6.9 кВ, а пленка толщиной 50 мкм — более 10 кВ.

Пленка также увеличивает емкость любого узла, который она покрывает:

C_p = ε0 × εr / t

где C_p — емкость на единицу площади, ε0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, εr — диэлектрическая постоянная пленки, а t — ее толщина. При εr = 3.15 и t = 25 мкм пленка добавляет 1.1 нФ/см². На частоте 1 кГц пленка также имеет коэффициент диссипации 0.002, объемное удельное сопротивление выше 1e16 Ом·см и поверхностное удельное сопротивление выше 1e15 Ом/кв.

Рис. 1 — Пленка парилена С толщиной 25 мкм на керамической подложке приобретает глубину проникновения 0.02 нм после 50 000 часов выдержки в 1% растворе F2.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Тонкое покрытие в остром углу.

Пленка, осажденная из паровой фазы, следует за поверхностью, и острый угол все равно оказывается примерно вдвое меньше номинальной толщины. На слое толщиной 25 мкм остается край толщиной 12 мкм, и поле концентрируется в одном и том же месте.

После 10 000–20 000 часов работы тонкий слой деградирует, и там начинают появляться следы. Оператор обвиняет поставщика покрытия, а поперечное сечение угла показывает локальную толщину. Покрытие толщиной 50 мкм удерживает 25 мкм в том же углу.

Проблема 2: Отслоение от загрязненной поверхности

Между пленкой и деталью находятся масло, пыль и слой оксида. Пленка держится на этом слое, а термические циклы приводят к ее отслаиванию.

После 5,000–15,000 часов работы отслоившаяся область обнажает полимер под ней, подвергая его воздействию газовой смеси. Оператор винит в этом усилитель адгезии, а измерение угла смачивания водой на поступающей детали показывает загрязнение до того, как начнет растекаться покрытие.

Болевой пункт 3: Трещины в несовпадающем соединении

В соединении меди и керамики происходит смещение примерно на 10 ppm/°C. Пленка должна следовать этому движению, а 20%-ное удлинение при разрыве не компенсирует и половины этого смещения.

После 10 000–30 000 термических циклов в месте соединения образуется трещина, и газовая смесь достигает подложки. Оператор списывает вину на толщину покрытия, и решением является либо создание податливого соединения, либо нанесение более толстого слоя на этот участок. Аналогичные движения создают дополнительную нагрузку на... N4700 керамический корпус и его окончания.

Проблема 4: Пожелтение детали, защищенной от ультрафиолетового излучения.

В местах, где свет с длиной волны 193 нм достигает пленки, парилен N и C поглощают энергию и разрушаются. Пленка желтеет, становится хрупкой и теряет диэлектрическую прочность.

После 20 000–50 000 часов работы поверхность отслеживается при более низком напряжении. Оператор винит в этом рельс, а пленка Parylene AF-4 той же толщины выдерживает 10 000 часов воздействия излучения с длиной волны 193 нм без пожелтения.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Подготовка поверхности перед нанесением покрытия.

Очистите поверхность изопропанолом или плазменной обработкой для удаления масла, пыли и оксидов. Нанесите усилитель адгезии: силан А-174 для керамики и ГМДС для металла. Подтвердите результат измерением угла смачивания водой, который должен быть менее 10° на поверхности, готовой к нанесению покрытия.

Стратегия 2: Установите толщину исходя из нагрузки.

Для работы с фтором на рельсе до 5 кВ нанесите слой толщиной 25 мкм, что обеспечит пробой до 6.9 кВ. При напряжении выше 10 кВ толщина слоя увеличится до 50 мкм, а также будет добавлен локальный слой над стыком или острым углом. Подтвердите толщину с помощью микроскопии поперечного сечения или вихретокового датчика как в самой тонкой точке, так и на плоской поверхности.

Стратегия 3: Выберите сорт из лёгкого груза.

Для деталей, контактирующих со смесью газов и малым количеством света, используйте парилен С, поскольку замещение хлором повышает влагостойкость и химический барьер. Для деталей, контактирующих с излучением 193 нм, используйте парилен AF-4 и подтвердите свой выбор, проведя 1,000 часов воздействия излучения 193 нм. В местах с высокой температурой AF-4 сохраняет свои свойства до 200 °C.

Стратегия 4: Проанализировать, что остается после завершения процесса.

Проверьте пленку на наличие микроотверстий, пустот и приподнятых участков под оптическим микроскопом и проведите испытание на липкость по методу ASTM D3359. Доведите диэлектрическую прочность до пробоя со скоростью 500 В/с на контрольном образце. Третий образец подвергните воздействию 5% F2 при 100 °C в течение 1,000 часов, что превышает рабочую концентрацию смеси и покрывает все покрытие за один раз.

Стратегия 5: Нанесение покрытия поверх герметичного уплотнения.

В качестве основного барьера используйте герметичное соединение металла и керамики, а в качестве второго — покрытие. Соединение с давлением ниже 1e−9 атм·см³/с задерживает газ у корпуса, а пленка толщиной 25 мкм покрывает проходные звенья, выводы и окружающую плату. Там, где один слой деградирует, другой остается целым, и эта пара обеспечивает срок службы сборки более 100 000 часов.

Примените к этому же двухслойное покрытие градуировочные резисторы на разделителе и к быстровосстанавливающийся диод корпус, поскольку оба находятся в той же атмосфере, что и конденсаторы.

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 с париленовым покрытием для фторсодержащих корпусов

На этом этапе выбор материала определяется четырьмя требованиями: пленка, задерживающая газ, покрытие углов и щелей, диэлектрик, несущий направляющую, и адгезия, выдерживающая термические циклы. Компания HVC осуществляет нанесение покрытия на собственной производственной линии площадью 6,000 м² в Дунгуане, при этом осаждение из паровой фазы, подготовка поверхности и контроль качества происходят в одном здании в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Пленка парилена С толщиной 25 мкм, с фронтальным сдвигом 0.02 нм после 50 000 часов работы и поверхностным сопротивлением, остающимся выше 1e15 Ом/кв.
• Покрытие поверхности в пределах ±5% от номинального значения на каждой грани, включая щели и углы, где кромка в противном случае имела бы толщину вдвое меньше.
• Диэлектрическая прочность выше 7000 В/мил, диэлектрическая постоянная 3.15 и коэффициент диссипации 0.002 обеспечивают напряжение 6.9 кВ на пленке толщиной 25 мкм и добавляют 1.1 нФ/см².
• Адгезия выше 20 МПа благодаря плазменной очистке и силановому промотору, сохраняющаяся в течение 1,000 циклов при температурах от −40 °C до +125 °C без отслоения.
• Вариант покрытия Parylene AF-4, выдерживающий 10 000 часов воздействия излучения с длиной волны 193 нм без пожелтения, предназначен для участков, подверженных воздействию лазерного света. Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ подходит для импульсной сети и дверная ручка конденсаторы в том же корпусе.
• Подходит для замены импортных винтовых компонентов в программах литографических источников света, имеет ресурс более 50 000 часов при 1% F2, 40 кВ и 6 кГц. Компоненты HVC соответствуют параметрам и размерам корпусов. Murata Шнековые диапазоны.

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 выборе покрытия, проверке толщины и гранулометрического состава, квалификации адгезии и планировании испытаний на воздействие фтора.

Укажите концентрацию фтора, напряжение на шине, интенсивность светового воздействия на деталь, температурный диапазон и геометрию поверхности. HVC предоставит спецификацию покрытия с данными контроля и комплектом для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как долго сохраняет свои свойства пленка из парилена толщиной 25 мкм в смеси фтора?

Фронт перемещается как x = sqrt(D × t), а D равно 1.7e−26 см²/с при 300 К. За 50 000 ч это составляет 0.02 нм, что оставляет запас в семь порядков величины по отношению к толщине пленки. Если перевернуть уравнение с t_barrier = x^2 / D, то пленка выдержит 3.7e20 с, что превышает любой рабочий диапазон этого оборудования.

Вопрос 2: Какой сорт парилена подходит для деталей, изготовленных лазером?

Используйте парилен С там, где газовая смесь является основной нагрузкой и мало света достигает поверхности, поскольку замещение хлором повышает влагостойкость и химический барьер. Используйте парилен AF-4 там, где на деталь воздействует излучение с длиной волны 193 нм, поскольку фторированная химия удерживает УФ-излучение, вызывающее пожелтение парилена N и C, а также имеет предел непрерывной работы при температуре 200 °C.

В3: Какое количество разрушений вызывает покрытие?

Отсюда следует, что V_bd = E_bd × t. Парилен C выдерживает 275 В/мкм, поэтому пленка толщиной 25 мкм выдерживает 6.9 кВ, а пленка толщиной 50 мкм — более 10 кВ. Пленка также добавляет 1.1 нФ/см² емкости из формулы C_p = ε0 × εr / t, где εr = 3.15, поэтому на небольшом узле можно наблюдать дополнительную емкость.

Вопрос 4: Почему острый угол в итоге становится тонким?

Поскольку пленка, осажденная из паровой фазы, повторяет контуры поверхности, а угол представляет меньшую площадь для поступающего мономера, угол может иметь толщину вдвое меньше номинальной, что означает 12 мкм на кромке, где требуется 25 мкм. Толщину следует наращивать локально и проверять поперечное сечение в углу, а не на плоской поверхности.

В5: Как оценить качество адгезии?

Очистите поверхность изопропанолом или плазмой, нанесите силан А-174 на керамику или ГМДС на металл и убедитесь, что угол смачивания водой не превышает 10°. Затем проведите тест с использованием клейкой ленты по методу ASTM D3359 и 1,000 термических циклов от −40 °C до +125 °C. Адгезия выше 20 МПа сохраняется на протяжении всей этой последовательности без отслоения.

В6: Заменяет ли это покрытие герметичное уплотнение?

Сохраните оба варианта в указанном порядке. Герметичное соединение при давлении ниже 1e−9 атм·см³/с задерживает газ у корпуса, а пленка толщиной 25 мкм покрывает проходные элементы и платы, до которых соединение не может добраться. Благодаря двум барьерам сборка прослужит более 100 000 часов даже после того, как один из них выйдет из строя. пленочный конденсатор Изделия в одном и том же корпусе требуют одинаковой обработки открытых поверхностей.

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. Т. Мизутани, Методы измерения пространственного заряда и пространственный заряд в полиэтиленеIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, no. 5, pp. 923-933, 1994. https://doi.org/10.1109/94.326659.
7. М. Сяо и др., Исследование характеристик частичного разряда и самовосстановления металлизированной пленки конденсаторов., в 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), стр. 1-4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
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. Создание конденсаторной батареи, способной выдавать импульсный постоянный ток силой 16000 А.Форумы по физике, https://www.physicsforums.com/threads/building-a-capacitor-bank-capable-of-pulsing-16000-a-dc.327153/ .
10. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com