Lasers de excímero: revestimento de parileno para encapsulamento de alta tensão

Lasers de excímero: revestimento de parileno para encapsulamento de alta tensão

Sumário

Uma película de 25 µm depositada por vapor isola um componente de alta tensão de uma mistura com 1% de flúor a 3 atm, e o flúor necessita de 50,000 h para penetrar 0.02 nm na película. Este artigo descreve as etapas de deposição, o coeficiente de difusão, a vida útil da barreira, os valores dielétricos, quatro modos de falha do revestimento e os procedimentos de preparação e inspeção que mantêm a integridade da película.

1. Introdução

Um laser de excímero funciona com uma mistura de flúor, criptônio, argônio e hidrogênio, com uma concentração de 0.1% a 2% de F2 e uma pressão de 2 a 5 atmosferas. A fonte de pulsos, seus capacitores, resistores, diodos e placas de circuito impresso ficam imersos nessa atmosfera.

O flúor ataca primeiro os encapsulantes orgânicos. Ele quebra a cadeia polimérica, extrai hidrogênio e deixa carbono para trás, de modo que a superfície se torna quebradiça e condutora ao mesmo tempo. A resina epóxi perde metade de sua resistência à tração após 5,000 horas e quatro ordens de grandeza de resistividade superficial após 10,000 horas.

Um revestimento precisa manter o gás longe do polímero subjacente e ainda conduzir o campo magnético. Isso exclui a maioria dos filmes orgânicos, porque eles ou absorvem o gás ou se degradam sob o trilho.

Este artigo aborda o processo de deposição, os três tipos de parileno, o coeficiente de difusão e a vida útil da barreira, os valores dielétricos, quatro modos de falha do revestimento e as etapas de preparação e inspeção que mantêm o filme intacto.

2. Mecanismo Central

2.1 Deposição química de vapor

Uma película de parileno se forma em três etapas dentro de uma câmara de vácuo, sem que nenhum solvente ou líquido entre em contato com a peça. O dímero sublima a uma temperatura entre 150 °C e 180 °C sob uma pressão de 0.1 Torr a 1 Torr. O vapor então atravessa uma zona de 650 °C a 700 °C e se fragmenta em monômeros reativos. Os monômeros atingem a peça à temperatura ambiente e polimerizam no local.

O filme cresce a uma taxa de 1 µm/h a 2 µm/h, portanto, um revestimento de 25 µm leva aproximadamente um turno. A deposição à temperatura ambiente é importante em uma peça usinada a laser, porque tanto a camada de polímero quanto a junta de solda são submetidas ao processo e nenhuma delas sofre carga térmica.

2.2 As três séries

O parileno N não possui substituintes e apresenta uma rigidez dielétrica acima de 7000 V/mil, com uma constante dielétrica de 2.65. O parileno C adiciona um átomo de cloro ao anel, o que aumenta a barreira contra a entrada de umidade e produtos químicos, elevando a constante dielétrica para 3.15. O parileno AF-4 substitui o hidrogênio do anel por flúor e adiciona grupos metil, o que eleva o limiar de radiação UV e o limite de temperatura contínua para 200 °C.

Para um invólucro de laser, o Parylene C supre a necessidade de flúor. Onde a luz de 193 nm atinge a peça, a química do flúor do AF-4 lida com a carga UV que degrada o Parylene N e C.

2.3 Difusão e vida útil da barreira

A ação de barreira resulta do coeficiente de difusão do flúor no filme e segue a forma usual em função da temperatura:

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

onde D é o coeficiente de difusão, D0 o fator pré-exponencial, Ed a energia de ativação da difusão, kB a constante de Boltzmann e T a temperatura absoluta.

O parileno C com D0 = 1e−9 cm²/s e Ed = 1.0 eV fornece D = 1.7e−26 cm²/s a 300 K. A frente então se move uma distância que segue a raiz quadrada do tempo:

x = sqrt(D × t)

onde x é a profundidade atingida pela frente de ataque, D o coeficiente de difusão e t o tempo de exposição. Ao longo de 50,000 h, que é 1.8e8 s, x = 0.02 nm. Em relação a um filme de 25 µm, isso representa uma margem de sete ordens de magnitude.

Invertendo a mesma relação, o tempo de duração do filme segue o quadrado da espessura:

t_barrier = x^2 / D

onde t_barreira é o tempo que a frente leva para atravessar o filme, x a espessura do filme e D o coeficiente de difusão. Para 25 µm e 1.7e−26 cm²/s, o resultado é 3.7e20 s, o que ultrapassa qualquer janela de manutenção deste equipamento.

2.4 Valores dielétricos

Um revestimento fica entre o campo e a peça, portanto, sua degradação define o limite máximo no trilho:

V_bd = E_bd × t

onde V_bd é a tensão de ruptura do filme, E_bd a rigidez dielétrica e t a espessura do filme. O parileno C suporta 275 V/µm, portanto, um filme de 25 µm suporta 6.9 kV e um filme de 50 µm suporta mais de 10 kV.

O filme também adiciona capacitância a qualquer nó que cubra:

C_p = ε0 × εr / t

onde C_p é a capacitância por unidade de área, ε0 a permissividade do vácuo, εr a constante dielétrica do filme e t sua espessura. Com εr = 3.15 e t = 25 µm, o filme adiciona 1.1 nF/cm². A 1 kHz, o filme também apresenta um fator de dissipação de 0.002, uma resistividade volumétrica acima de 1e16 Ω·cm e uma resistividade superficial acima de 1e15 Ω/sq.

Figura 1 — Um filme de Parylene C de 25 µm sobre um substrato cerâmico sofre uma corrosão de 0.02 nm após 50,000 h em 1% de F2.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Cobertura fina em cantos vivos

Uma película depositada por vapor acompanha a superfície, e um canto vivo acaba tendo cerca de metade da espessura nominal. Em uma camada de 25 µm, isso deixa uma borda de 12 µm, e o campo se concentra no mesmo local.

Após 10,000 a 20,000 horas, a área fina se degrada e o desgaste começa a ocorrer. O operador culpa o fornecedor do revestimento, e uma seção transversal de um canto mostra a espessura local. Um revestimento de 50 µm apresenta 25 µm no mesmo canto.

Problema 2: Delaminação devido a uma superfície suja

Óleo, poeira e uma camada de óxido se acumulam entre a película e a peça. A película depende dessa camada para sua adesão, e os ciclos térmicos a removem.

Após 5,000 a 15,000 horas, a área levantada expõe o polímero subjacente à mistura gasosa. O operador atribui a culpa ao promotor de adesão, e uma medição do ângulo de contato com água na peça em questão mostra a contaminação antes da deposição do revestimento.

Problema 3: Estalos devido a uma junta desalinhada

Uma junta de cobre com cerâmica apresenta uma variação de aproximadamente 10 ppm/°C. O filme precisa acompanhar esse movimento, e um alongamento de 20% na ruptura só permite essa variação até certo ponto.

Após 10,000 a 30,000 ciclos térmicos, uma fissura se abre na junta e a mistura gasosa atinge o substrato. O operador culpa a espessura do revestimento, e a solução é uma junta flexível ou uma película mais espessa sobre essa área. O mesmo movimento carrega o N4700 Corpo cerâmico e suas terminações.

Problema 4: Amarelamento por UV em uma peça DUV

Onde a luz de 193 nm atinge o filme, o parileno N e C absorvem a energia e se decompõem. O filme amarela, torna-se quebradiço e perde rigidez dielétrica.

Após 20,000 a 50,000 horas, a superfície apresenta trilhas com uma voltagem mais baixa. O operador atribui a culpa ao trilho, e um filme de Parylene AF-4 com a mesma espessura suporta 10,000 horas de exposição a 193 nm sem amarelamento.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Prepare a superfície antes da aplicação da camada de tinta.

Limpe com isopropanol ou utilize plasma para remover óleo, poeira e óxido. Aplique um promotor de adesão, silano A-174 para cerâmica e HMDS para metal. Confirme o resultado com uma medição do ângulo de contato com água, que deve ser inferior a 10° em uma superfície pronta para receber o revestimento.

Estratégia 2: Defina a espessura a partir da taxa de serviço

Aplique 25 µm para serviço com flúor em um trilho de até 5 kV, o que deixa 6.9 kV de ruptura. Acima de 10 kV, aumente para 50 µm e adicione uma camada fina localizada sobre uma junta ou canto vivo. Confirme a espessura por microscopia de seção transversal ou um medidor de correntes parasitas, tanto no ponto mais fino quanto em uma face plana.

Estratégia 3: Escolha a classificação da carga leve

Use Parylene C para peças expostas à mistura gasosa e pouca luz, pois a substituição do cloro por Parylene C aumenta a barreira contra umidade e produtos químicos. Use Parylene AF-4 onde a radiação de 193 nm atinge a superfície e confirme a escolha com 1,000 horas de exposição a 193 nm. Em peças que operam em altas temperaturas, o AF-4 mantém suas propriedades até 200 °C.

Estratégia 4: Inspecione o que o processo deixa.

Verifique a película quanto a furos, vazios e áreas descoladas sob um microscópio óptico e realize um teste de fita adesiva de acordo com o método ASTM D3359. Aplique uma rampa de tensão até a ruptura dielétrica a 500 V/s em um cupom de referência. Exponha um terceiro cupom a 5% de F2 a 100 °C por 1,000 h, o que é mais do que a mistura de serviço e cobre todo o revestimento de uma só vez.

Estratégia 5: Aplicar o revestimento sobre uma vedação hermética.

Utilize uma vedação hermética metal-cerâmica como barreira primária e, em seguida, o revestimento como segunda barreira. Uma junta com pressão inferior a 1e−9 atm·cm³/s impede a passagem do gás na carcaça, e a película de 25 µm cobre então as conexões, as terminações e a placa ao redor delas. Onde uma camada se degrada, a outra permanece intacta, e o conjunto mantém a montagem funcionando por mais de 100,000 horas.

Aplique o mesmo tratamento de duas camadas ao resistores de classificação no divisor e para o diodo de recuperação rápida embalagem, já que ambos estão na mesma atmosfera que os capacitores.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC revestidos com parileno para invólucros de flúor

Quatro requisitos orientam a escolha neste nó: uma película que impeça a passagem do gás, cobertura nos cantos e frestas, um dielétrico que suporte o trilho e uma adesão que resista aos ciclos térmicos. A HVC opera essa linha de revestimento dentro de uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, com deposição de vapor, preparação de superfície e inspeção no mesmo edifício, em uma faixa de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Um filme de Parylene C de 25 µm com um avanço frontal de 0.02 nm após 50,000 h e uma resistividade superficial que permanece acima de 1e15 Ω/sq.
• Cobertura de deposição dentro de ±5% do valor nominal em todas as faces, incluindo as fendas e os cantos onde uma borda, de outra forma, teria metade da espessura.
• Uma rigidez dielétrica acima de 7000 V/mil, uma constante dielétrica de 3.15 e um fator de dissipação de 0.002, que suportam 6.9 kV em um filme de 25 µm e adicionam 1.1 nF/cm².
• A adesão acima de 20 MPa, obtida por meio de limpeza com plasma e um promotor de silano, se mantém durante 1,000 ciclos de −40 °C a +125 °C sem descolamento.
• Uma opção de Parylene AF-4 que suporta 10,000 horas de exposição a 193 nm sem amarelamento, para as peças que recebem a luz do laser. A cobertura de 1 kV a 150 kV atende à rede de pulsos e ao capacitores maçaneta no mesmo gabinete.
• Qualificado como substituto direto para componentes importados do tipo parafuso em programas de fontes de luz para litografia, com mais de 50,000 horas a 1% F2, 40 kV e 6 kHz. Os componentes HVC correspondem aos parâmetros e dimensões de encapsulamento de Murata gamas de parafusos.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos personalizados em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte na seleção de revestimentos, revisão de espessura e classificação, qualificação de adesão e planejamento de testes de exposição ao flúor.

Envie a concentração de flúor, a tensão do trilho, a exposição à luz na peça, a faixa de temperatura e a geometria da superfície. A HVC retorna uma especificação de revestimento com dados de inspeção e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

Q1: Quanto tempo uma película de parileno de 25 µm permanece imersa em uma mistura de flúor?

A frente se move como x = sqrt(D × t), e D é 1.7e−26 cm²/s a 300 K. Ao longo de 50,000 h, isso corresponde a 0.02 nm, o que deixa uma margem de sete ordens de magnitude em relação à espessura do filme. Invertendo a equação com t_barreira = x^2 / D, o filme ganha 3.7e20 s, ultrapassando qualquer janela de manutenção deste equipamento.

Q2: Qual a classe de parileno mais adequada para uma peça de laser?

Utilize Parylene C onde a mistura gasosa é a principal carga e pouca luz atinge a superfície, pois a substituição por cloro aumenta a barreira contra umidade e produtos químicos. Utilize Parylene AF-4 onde a radiação de 193 nm atinge a peça, visto que a composição química fluorada suporta a carga UV que amarela o Parylene N e C, além de apresentar um limite de operação contínua de 200 °C.

Q3: Qual o grau de degradação que o revestimento proporciona?

Segue-se que V_bd = E_bd × t. O parileno C suporta 275 V/µm, portanto, um filme de 25 µm suporta 6.9 kV e um filme de 50 µm suporta mais de 10 kV. O filme também adiciona 1.1 nF/cm² de capacitância de C_p = ε0 × εr / t com εr = 3.15, portanto, um nó pequeno pode ver a capacitância extra.

Q4: Por que uma quina afiada acaba sendo fina?

Como o filme depositado por vapor acompanha a superfície, e um canto apresenta uma área menor para o monômero incidente, o canto pode ter metade da espessura nominal, o que resulta em 12 µm em uma borda que necessita de 25 µm. A espessura deve ser determinada localmente e a verificação deve ser feita em uma seção transversal no canto, em vez de em uma superfície plana.

Q5: Como posso qualificar a adesão?

Limpe com isopropanol ou plasma, aplique silano A-174 em cerâmica ou HMDS em metal e confirme se o ângulo de contato com a água está abaixo de 10°. Em seguida, realize um teste de adesão com fita adesiva de acordo com o método ASTM D3359 e 1,000 ciclos térmicos de −40 °C a +125 °C. A adesão acima de 20 MPa se mantém durante toda a sequência sem descolamento.

Q6: O revestimento substitui uma vedação hermética?

Mantenha ambas, nessa ordem. Uma junta hermética abaixo de 1e−9 atm·cm³/s impede a passagem do gás na carcaça, e a película de 25 µm cobre as passagens e placas que a junta não alcança. Com duas barreiras, o conjunto suporta mais de 100,000 h mesmo após a degradação de uma delas. capacitor de filme Os animais no mesmo recinto precisam do mesmo tratamento em suas faces expostas.

7. Referências

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