Restfluor: Schutz von Hochspannungskondensatoren vor Korrosion

Restfluor: Schutz von Hochspannungskondensatoren vor Korrosion

Abstract

Ein Excimerlaser steht jährlich 2,000 bis 4,000 Stunden still, und das im Laserraum verbleibende Fluor greift jedes unedle Metall an, mit dem es in Kontakt kommt. Die Reaktionsgeschwindigkeit folgt dem Arrhenius-Gesetz, daher reagiert ein kalter Laserraum langsamer, aber selbst nach 3,000 Stunden Stillstand werden noch 300 µm Kupfer abgetragen. Dieser Artikel behandelt die Reaktionsgeschwindigkeiten, das Verhalten verschiedener Materialien, die Berechnung der Spülvorgänge sowie die Versiegelungs- und Beschichtungsschritte zum Schutz eines 40-kV-Kondensators.

1. Einleitung

Ein Excimerlaser für die Lithografie arbeitet mit einer Einschaltdauer zwischen 50 % und 80 %, was zu 2,000 bis 4,000 Stunden Stillstandszeit pro Jahr führt. Die Kammer hält ihr Gasgemisch während dieser Ausfallzeiten aufrecht.

Der Restgehalt an F₂ liegt bei 0.01 bis 0.5 Vol.-%, wenn der Druck in der Kammer 1 bis 5 atm beträgt. Jede Metalloberfläche im Inneren ist ihm über Monate hinweg ausgesetzt.

Bewegte Teile erreichen durch Impulswärme 80 °C bis 150 °C, wobei die Oberflächenfeuchtigkeit verdunstet. Ein ruhendes Teil kühlt auf 15 °C bis 25 °C ab, was niedrig genug ist, damit Kondensation auftreten kann.

Dieser Artikel behandelt die Reaktionsgeschwindigkeiten bei niedrigen Temperaturen, die HF-Bildung auf einer nassen Oberfläche, die vier Ausfallwege im Feld sowie die Spül-, Abdichtungs- und Beschichtungsschritte, die diese verhindern.

2. Kernmechanismus

2.1 Fluorierungskinetik bei niedrigen Temperaturen

Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Metalls mit Fluor folgt der Arrhenius-Gleichung:

k(T) = A × exp(−E_a / (k_B × T))

Dabei ist k(T) die Reaktionsgeschwindigkeit bei der absoluten Temperatur T, A der präexponentielle Faktor, E_a die Aktivierungsenergie und k_B die Boltzmann-Konstante. Für die Kupferfluorierung Cu + F₂ → CuF₂ beträgt die Aktivierungsenergie 0.3 eV.

Das Verhältnis zwischen zwei Temperaturen ergibt sich direkt daraus:

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

Dabei sind T1 und T2 die beiden absoluten Temperaturen und k(T1) und k(T2) die Korrosionsraten an diesen Punkten. Von 100 °C bis 25 °C sinkt die Korrosionsrate von Kupfer um den Faktor 0.51, sodass kaltes Kupfer nur halb so schnell korrodiert wie warmes.

Eine Halbierung der Korrosionsrate rettet das Bauteil nicht, da die Einwirkungsdauer zu lang ist. Die Korrosionstiefe nimmt mit der Zeit zu:

d = v × t

Dabei ist d die Korrosionstiefe, v die Korrosionsrate und t die Expositionszeit. Kupfer erreicht bei einer Korrosionsrate von 0.1 µm/h in 0.5%iger F₂-Lösung nach 3,000 Stunden eine Tiefe von 300 µm, was fast der vollständigen Durchdringung eines 0.5 mm dicken Zuleitungsdrahtes entspricht.

Der Zeitpunkt zum Öffnen der Führung ist folgender:

t_fail = d_lead / v

Dabei ist t_fail die Zeit bis zum Bruch, d_lead der Leiterdurchmesser und v die Korrosionsrate. Ein Leiter mit 0.5 mm Durchmesser versagt bei einer Korrosionsrate von 0.1 µm/h nach 5,000 Stunden, was durch einen längeren Stromausfall und einige Feiertage erreicht werden kann.

2.2 HF-Bildung auf einer kondensierenden Oberfläche

Fluor und Wasser reagieren an der Oberfläche, während sich die Kammer abkühlt:

F₂ + H₂O → HF + HOF

Bei einer Fluoridkonzentration von 0.1 % und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80 % erreicht das Kondenswasser einen HF-Gehalt von 100 bis 1,000 ppm. Diese Konzentration greift unedle Metalle schnell an: Kupfer wird mit über 10 µm/Stunde, Aluminium mit über 50 µm/Stunde und Silber mit über 5 µm/Stunde in einer 1,000-ppm-Lösung abgetragen.

Der Angriff ist lokal. Er beginnt an den Kondensationsstellen und führt zu Vertiefungen in der Oberfläche, sodass eine Zuleitung an wenigen Stellen an Festigkeit verliert und dazwischen ihren vollen Querschnitt behält. Nach 1,000 Betriebsstunden unter Feuchtigkeitseinwirkung kann eine solche Vertiefung so tief reichen, dass die Zuleitung durch die thermische Belastung bricht.

2.3 Materialverhalten in einer kalten Fluorkammer

Kupfer bildet CuF₂, das Wasser absorbiert und einen Elektrolyten an der Oberfläche bindet. Blei zeigt nach 2,000 Stunden grüne Korrosionsprodukte und verliert an mechanischer Festigkeit.

Bei der Silberplattierung bildet sich AgF, eine poröse und lichtempfindliche Schicht, die keine Schutzwirkung bietet. Nach 3,000 Stunden treten dunkle Flecken auf, und das darunterliegende Kupfer ist dann angreifbar. Bei der Zinnplattierung bildet sich SnF₂, ein weißes Pulver, das abblättert und frisches Metall freilegt; eine Zinnbeschichtung wandelt sich in etwa 1,000 Stunden vollständig um.

Gold reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Fluor. Eine vergoldete Leitung bleibt auch nach 10,000 Betriebsstunden sauber, und die Keramik selbst ist beständig gegen Angriffe, während die metallisierten Elektroden dies nicht sind.

2.4 Bereinigen der Arithmetik

Durch eine Stickstoffspülung wird das Restgas verdünnt; die dafür benötigte Zeit ist wie folgt:

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

Dabei ist t die Spülzeit, V das Kammervolumen, Q der Stickstofffluss, C_initial die anfängliche Fluorkonzentration und C_final die Zielkonzentration. In einer 100-Liter-Kammer sinkt die Fluorkonzentration bei einem Fluss von 10 l/min innerhalb von 62 Minuten von 0.5 % auf 10 ppm.

Abb. 1 — Eine Kupferleitung, die sich mit 0.1 µm pro Stunde abnutzt, erreicht nach 5,000 Stunden Stillstand die Grenze von 500 µm für eine 0.5 mm Leitung, während eine vergoldete Leitung keinen messbaren Materialverlust aufweist.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Bleikorrosion, die den Stromkreis unterbricht

Kupfer- und versilberte Leitungen korrodieren nach 2,000 bis 5,000 Betriebsstunden, was bei normalen Ausfällen 6 bis 12 Monaten entspricht. Der Fehler äußert sich beim ersten Start nach einer Abschaltung als offener Stromkreis; die Ursache liegt in der thermischen Belastung.

Problempunkt 2: Kontaktkorrosion, die den Widerstand erhöht

Kupfer- und Silberkontakte in Steckverbindern und Schaltern bilden während eines Stromausfalls CuF₂- und AgF-Schichten. Der Kontaktwiderstand steigt innerhalb von 1,000 bis 3,000 Stunden von 1 mΩ auf 100 mΩ, und der zusätzliche Spannungsabfall führt beim nächsten Impuls zu einer Erwärmung des Kontakts.

Problempunkt 3: Korrosion von Leiterbahnen auf der Leiterplatte, die zu Stromverlusten führt

Kupferleiterbahnen, Kondenswasser und Fluor bilden an der Platinenoberfläche Fluorwasserstoff (HF). Die entstehenden Produkte überbrücken benachbarte Leiterbahnen, und der Leckstrom überschreitet nach 2,000 bis 5,000 Stunden 1 µA. Messen Sie dies mit einem Abtastwiderstand Bei der Rückkehr der Versorgung und einem stetigen Anstieg während der Ausfälle deutet dies auf Spurenkorrosion hin, während sich die Luftfeuchtigkeit allein nach einer Trocknung wieder erholt.

Problempunkt 4: Lötstellenkorrosion, die den Kontakt unterbricht

Zinn in einer Zinn-Blei- oder Zinn-Silber-Verbindung wandelt sich innerhalb von etwa 1,000 Stunden in SnF₂-Pulver um. Die Verbindung verliert an Querschnitt, reißt unter thermischer Belastung und weist einen intermittierenden Fehler auf, der sich durch keinen Funktionstest reproduzieren lässt.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Spülen mit trockenem Stickstoff während der Stillstandsphase

Lassen Sie trockenen Stickstoff laufen, bis der F₂-Gehalt unter 10 ppm sinkt. Halten Sie anschließend einen Überdruck von 0.1 atm aufrecht, um das Eindringen von Luft und Feuchtigkeit zu verhindern. Eine 100-Liter-Kammer benötigt bei einer Durchflussrate von 10 l/min ab einem F₂-Gehalt von 0.5 % 62 Minuten, was innerhalb eines normalen Abschaltfensters liegt.

Strategie 2: Das Innenvolumen abdichten

Wählen Sie hermetisch verschlossene Ausführungen. N4700 Kondensatoren, Widerstände und Steckverbinder mit Metall-Keramik-Dichtungen. Die Dichtheit ist mittels Helium-Lecktest mit einer Durchflussrate unter 10⁻⁹ atm·cm³/s zu prüfen und für 10 atm auszulegen, damit die 5-atm-Kammer innerhalb der Toleranz bleibt. Ein abgedichtetes Bauteil hält den Innendruck unabhängig von den Bedingungen in der Kammer bei 1 atm. Wenn mehrere abgedichtete Kondensatoren an einem Gleichstromzwischenkreis angeschlossen sind, ist Folgendes zu beachten: Bemessung von Widerständen Die Spannungsteilung belastet die Dichtungen also nicht.

Strategie 3: Leads und Kontakte mit Gold ausstatten

Auf jeden Anschluss und Kontakt soll eine 50 µin dicke Hartgoldschicht über einer Nickel-Unterschicht aufgebracht werden. Gold reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Fluor, daher bleibt der Kontaktwiderstand nach 10,000 Stunden unter 2 mΩ und die Beschichtung hält 100,000 Steckzyklen stand. Die Schichtdicke ist mittels Röntgenfluoreszenzanalyse an einer Probe jeder Charge zu überprüfen.

Strategie 4: Außenflächen mit Parylen beschichten

Eine 25 µm dicke Parylen-C-Schicht blockiert Fluor und Feuchtigkeit auf dem Bauteilkörper und der umgebenden Leiterplatte. Die Beschichtung erfolgt vor dem letzten Montageschritt. Die Deckkraft ist mittels optischer Mikroskopie und Klebebandtest an einem Testmuster zu überprüfen.

Strategie 5: Luftfeuchtigkeit kontrollieren und nach längeren Ausfällen überprüfen.

Die relative Luftfeuchtigkeit in der Kammer sollte mithilfe von Trockenmittelbeuteln oder Trockenluftzufuhr unter 30 % gehalten werden; bei Werten über 50 % ist ein Alarm auszulösen. Nach jedem Ausfall von mehr als einer Woche sind Leitungen, Kontakte und Leiterbahnen zu überprüfen, mit Isopropanol zu reinigen und der Kontakt- und Isolationswiderstand mit den Inbetriebnahmewerten zu vergleichen. Folienkondensator Bei Gehäusen mit gleicher Größe ist die gleiche Inspektion erforderlich, da die Enddichtungen Feuchtigkeit im gleichen Maße durchlassen wie ein Epoxidgehäuse.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren mit hoher Kältekorrosionsbeständigkeit für Excimerkammern

Drei Anforderungen bestimmen die Wahl dieses Bauteils: ein Innenvolumen, das niemals mit dem Kammergas in Berührung kommt, fluorfreie Anschlüsse und eine Oberfläche, die kein Kondenswasser aufnehmen kann. HVC fertigt hermetisch abgedichtete N4700-Bauteile mit vergoldeten Anschlüssen für diese Baugruppe in einer 6,000 m² großen, firmeneigenen Fabrik in Dongguan für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Die hermetische Metall-Keramik-Abdichtung hält das Innenvolumen bei 1 atm mit einer Leckrate unter 10⁻⁹ atm·cm³/s, sodass das Dielektrikum von §2.3 niemals mit dem in der Kammer verbleibenden F₂ in Kontakt kommt.
• Die vergoldeten Anschlüsse (50 µin Hartgold über Nickel) bleiben frei von CuF₂ und AgF, sodass der Widerstand der Anschlüsse auch nach 10,000 Stunden Stillstand unter 10 mΩ bleibt.
• Vergoldete Kontakte halten den Kontaktwiderstand unter 2 mΩ ohne Oxidation und überstehen 100,000 Steckzyklen ohne Abnutzung.
• Eine 25 µm dicke Parylen-C-Beschichtung auf den Außenflächen blockiert Fluor und Feuchtigkeit und verhindert die HF-Bildung am Körper und den angrenzenden Leiterbahnen.
• Durch die Lagerung in trockenem Stickstoff und den Transport unter einer relativen Luftfeuchtigkeit von 10 % bleiben die Teile vor dem Einbau trocken, sodass der erste Ausfall nicht von einer feuchten Oberfläche ausgeht.
• Die Teile wurden über mehr als 10 Jahre hinweg bei 5,000 Ausfallstunden pro Jahr in Lithographie-Lichtquellen qualifiziert, ohne dass es zu Ausfällen durch Kaltkorrosion kam.

Radialanschlussscheiben, Schraubklemmen und doorknob Kondensatoren Der Spannungsbereich wird von 1 kV bis 150 kV abgedeckt. HVC-Bauteile entsprechen den Parametern von Vishay HVCC, KEMET Radialleitung, Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen geliefert, vergoldete, hermetische Sets innerhalb von 6–10 Wochen. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Dimensionierung des Spülsystems, der Planung von Dichtheitsprüfungen, der Spezifikation der Beschichtung und bei Kältekorrosionsprüfungen.

Bitte senden Sie uns das Kammervolumen, das Gasgemisch und den Druck, die jährlichen Stillstandsstunden sowie die Zeichnung der Anschluss- und Kontaktschnittstelle. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen eine Bauteilempfehlung inklusive Leckratendaten, Aufzeichnungen zur Beschichtungsdicke und einem Prüfset mit zwei Proben.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum ist Kältekorrosion schlimmer als Korrosion bei Betriebstemperatur?

Da die Fluorierungsrate sinkt, die Exposition jedoch zunimmt und Wasser bei 25 °C kondensiert, fluoriert Kupfer bei 25 °C mit 51 % seiner Fluorierungsrate im heißen Zustand. Das Gas verharrt jedoch 2,000 bis 4,000 Stunden pro Jahr in der Luft, anstatt vorbeizuströmen. Die kondensierte Schicht wandelt F₂ in HF um, welches Kupfer mit einer Abtragsrate von über 10 µm/h angreift.

Frage 2: Wie lange bleibt Kupferblei in Restfluor erhalten?

Verwenden Sie t_fail = d_lead / v. Bei einer Abtragsrate von 0.1 µm/h in 0.5 % F₂ erreicht ein 0.5 mm dicker Anschlussdraht nach 5,000 Betriebsstunden seine maximale Dicke von 500 µm, und nach 3,000 Stunden sind bereits 300 µm abgetragen. Silber- und Zinnbeschichtungen bieten im gleichen Zeitraum einen geringeren Schutz als blankes Kupfer.

Frage 3: Welches Beschichtungsverfahren sollte ich für eine Fluorumgebung wählen?

Gold, 50 µin Hartgold auf einer Nickel-Unterplatte. Gold reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Fluor, daher bleiben der Leitungswiderstand nach 10,000 Stunden unter 10 mΩ und der Kontaktwiderstand unter 2 mΩ. Silber bildet nach 3,000 Stunden eine poröse AgF-Schicht, und Zinn wandelt sich in etwa 1,000 Stunden in SnF₂-Pulver um.

Frage 4: Wie lange dauert eine Stickstoffspülung?

Folgen Sie der Formel t = −(V / Q) × ln(C_final / C_initial). In einer 100-Liter-Kammer sinkt der F₂-Gehalt bei einer Durchflussrate von 10 l/min innerhalb von 62 Minuten von 0.5 % auf 10 ppm. Anschließend wird ein Stickstoffüberdruck von 0.1 atm angelegt, um während der restlichen Ausfallzeit Luft und Feuchtigkeit fernzuhalten.

Frage 5: Löst eine hermetische Abdichtung das Problem von selbst?

Dadurch wird das interne Risiko eliminiert, während das äußere Risiko erhalten bleibt. Versiegelte Bauteile halten ihre eigene Atmosphäre bei 1 atm aufrecht, die Anschlüsse, Kontakte und Leiterbahnen auf der Platine sind jedoch weiterhin dem Kammergas ausgesetzt. Ergänzend zur Versiegelung empfiehlt sich eine Goldbeschichtung, eine Parylenbeschichtung und eine Feuchtigkeitskontrolle unter 30 % relativer Luftfeuchtigkeit.

Frage 6: Was sollte die Wartung nach einem Ausfall überprüfen?

Kontaktwiderstand, Isolationswiderstand und Leckstrom durch einen Messwiderstand sind mit den Inbetriebnahmewerten zu vergleichen. Nach jeder Unterbrechung von mehr als einer Woche sind Zuleitungen, Kontakte und Leiterbahnen auf Pulverrückstände oder Lochfraß zu prüfen, mit Isopropanol zu reinigen und Zuleitungen mit Lochfraß, der tiefer als 20 % ihres Durchmessers ist, auszutauschen.

7. Referenzen

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5. DN Donahoe, M. Pecht, IK Lloyd und S. Ganesan, Feuchtigkeitsbedingte Degradation von Mehrschicht-Keramikkondensatoren, Microelectronics Reliability, Bd. 46, Nr. 2-4, S. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
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10. IEC 60068-2-27:2008, Umweltprüfung – Teil 2-27: Prüfungen – Prüfverfahren und Leitfaden: Schock, 4. Aufl. Genf: IEC, 2008.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com