Excimer Supplies: Óleo resistente ao flúor e encapsulamento

Excimer Supplies: Óleo resistente ao flúor e encapsulamento

Sumário

O óleo e o encapsulante degradam-se mais rapidamente juntos do que separados. O HF e os radicais fluorados de um material dissolvem-se no outro e atacam-no por dentro, multiplicando a taxa de degradação por 5 a 20 vezes. Este artigo apresenta as taxas de degradação individuais e combinadas, o modelo de vida útil, quatro modos de falha em campo e as combinações de óleo e encapsulante que mantêm a alimentação de um laser funcionando por 10,000 horas.

1. Introdução

Uma fonte de alimentação para laser de excímero necessita de isolamento e refrigeração adicionais em torno de seus componentes de alta tensão. O óleo isolante preenche os espaços entre os componentes, suprime descargas parciais e dissipa o calor. Os próprios componentes possuem um encapsulante orgânico de epóxi, silicone ou poliuretano.

Em um ambiente com flúor, ambos os materiais são atacados simultaneamente. Cada um se degrada individualmente a uma taxa mensurável. Em contato, os produtos de um aceleram a degradação do outro. A taxa combinada é de 5 a 20 vezes maior que a soma das duas taxas individuais.

A exposição é severa nesta aplicação. A câmara contém de 0.1% a 5% de F2 e há vazamento para o compartimento de energia. O compartimento opera a uma temperatura entre 50 °C e 80 °C. O campo atinge de 10 kV/mm a 30 kV/mm e a taxa de pulsos chega a 6 kHz.

Este artigo aborda a degradação individual e combinada, a compatibilidade de seis pares de óleo e encapsulante, quatro modos de falha em campo, o modelo de vida útil e as etapas de seleção que garantem uma janela de serviço de 10,000 horas.

2. Mecanismo Central

2.1 Degradação do encapsulante

O flúor remove o hidrogênio da cadeia polimérica e o substitui por flúor:

R−H + F2 → R−F + HF

onde R−H é uma unidade repetitiva do polímero com hidrogênio, F2 a molécula de flúor, R−F a unidade fluorada e HF o fluoreto de hidrogênio liberado.

A mesma reação também rompe a cadeia principal e interliga as cadeias vizinhas. A resina epóxi a 50 °C em 1% de F2 perde de 1% a 5% de suas propriedades a cada 1,000 h. Ela se torna quebradiça, racha e deixa de proteger a peça após 5,000 a 10,000 h.

2.2 Degradação do óleo isolante

O óleo mineral reage da mesma forma, e suas cadeias de hidrocarbonetos fluoram:

CnH2n+2 + F2 → CnH2n+1F + HF

onde CnH2n+2 é uma molécula de parafina, F2 a molécula de flúor, CnH2n+1F o produto fluorado e HF o fluoreto de hidrogênio liberado.

Espécies reativas de oxigênio oxidam o óleo, transformando-o em ácidos, lodo e gás. Radicais polimerizam as moléculas de óleo e aumentam a viscosidade. O óleo mineral a 50 °C em 1% de F2 perde de 2% a 10% de suas propriedades a cada 1,000 h, torna-se ácido e perde rigidez dielétrica após 3,000 h a 8,000 h.

2.3 O termo sinergia

Em contato, três efeitos contribuem para ambas as taxas. O HF do encapsulante se dissolve no óleo e forma ácido fluorídrico, que é muito mais corrosivo que o F2 e ataca de dentro para fora. Radicais fluorados são transferidos para o óleo e iniciam reações em cadeia. O óleo absorve os subprodutos, incha o encapsulante em 5% a 20% e abre fissuras que permitem a entrada de mais flúor.

A taxa combinada inclui um termo adicional:

k_syn = S × (k1 + k2)

onde k_syn é a taxa de degradação sinérgica, S o fator de sinergia, k1 a taxa de encapsulamento e k2 a taxa de óleo. Para óleo mineral com epóxi em 1% de F2 a 50 °C, S varia de 5 a 10, e a taxa observada atinge de 30% a 60% por 1,000 h.

2.4 Previsão de tempo de vida

O tempo até a falha segue o valor inicial do imóvel dividido pela soma das taxas:

t_failure = C0 / (k1 + k2 + k_syn)

onde t_failure é o tempo até a falha, C0 a propriedade inicial do material, como a rigidez dielétrica, k1 e k2 as taxas individuais por 1,000 h e k_syn a taxa combinada.

Com k1 = 3, k2 = 3, k_syn = 30 e C0 = 100, t_failure = 100 / 36 × 1,000, ou 2,780 h. O intervalo medido é de 500 h a 2,000 h, portanto o modelo está do lado da segurança.

A entrada de HF também segue uma lei de difusão, e a profundidade aumenta com a raiz quadrada do tempo:

x = 2 × sqrt(D × t)

onde x é a profundidade de penetração do HF no encapsulante, D o coeficiente de difusão do HF no polímero e t o tempo de exposição. Uma profundidade que atinge o eletrodo encerra a proteção, independentemente do que a taxa de difusão em massa indique.

Figura 1 — O óleo mineral com epóxi apresenta uma perda de propriedades de 45% a cada 1,000 h a 50 °C em 1% de F2; um óleo fluorado com um corpo cerâmico inorgânico não apresenta termo de sinergia.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: O óleo contaminado perde a sua rigidez dielétrica.

Com óleo mineral e epóxi, a reação combinada libera HF e radicais fluorados diretamente no óleo. Após 1,000 a 2,000 horas, o óleo torna-se ácido, com pH abaixo de 4, e sua resistividade cai para menos de 10^9 Ω·cm.

O óleo conduz então corrente de fuga através da folga de isolamento, causando a falha da peça. O operador culpa o fornecedor de óleo, e um novo abastecimento com o mesmo tipo de óleo repete a falha no mesmo intervalo.

Ponto Crítico 2: O inchaço do encapsulante abre um caminho para a umidade.

O óleo absorve os subprodutos fluorados e incha o encapsulante em 5% a 20%. Após 500 a 1,500 horas, esse inchaço causa fissuras no revestimento. A água então atinge a superfície da cerâmica e se combina com o HF, formando uma película altamente corrosiva.

A peça apresenta falhas após 1,000 a 3,000 horas de uso, e o operador culpa o fornecedor da vedação. Uma brasagem hermética cerâmica-metal elimina a obstrução causada pelo inchaço.

Problema 3: Lodo bloqueia o caminho de resfriamento

A polimerização radical em óleo mineral gera uma lama que se deposita nas superfícies dos componentes. Após 1,000 a 3,000 horas, essa lama bloqueia o fluxo de óleo pelos canais de refrigeração e cria um ponto quente no dielétrico com perdas.

O aumento da temperatura acelera a reação química, que gera mais lodo. O operador culpa o circuito de refrigeração, e a análise do óleo mostra que o índice de acidez e a viscosidade já estão fora da faixa ideal.

Problema 4: A geração de gás aumenta a pressão interna.

Material orgânico sob flúor libera HF, H2, CF4 e CO2. Em um recipiente selado, o gás se acumula e a pressão aumenta. Após 2,000 a 5,000 horas, o selo se rompe ou a carcaça se abre.

O operador observa uma peça rompida e atribui a causa à sobrepressão. A análise do espaço livre identifica a reação com flúor em um único turno.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Usar óleo fluorado

Substitua o óleo mineral por perfluoropoliéter, que não dissolve HF nem radicais fluorados. O óleo PFPE apresenta rigidez dielétrica superior a 40 kV/mm, resistividade superior a 10^14 Ω·cm e estabilidade térmica até 200 °C. Confirme a compatibilidade com o encapsulante por mais de 1,000 h com o dobro da concentração de flúor em serviço.

Estratégia 2: Substituir o encapsulante orgânico por cerâmica.

Substitua o epóxi ou o silicone por um encapsulamento cerâmico inorgânico de alumina ou zircônia, que não reage com o flúor. Uma camada cerâmica veda hermeticamente, suporta mais de 20 kV/mm e conduz de 20 W/m·K a 30 W/m·K. N4700 A peça com corpo cerâmico e vedação por brasagem remove a superfície orgânica do sistema.

Estratégia 3: Recorrer ao óleo de silicone com encapsulamento de silicone.

Quando o custo do PFPE ou uma camada cerâmica inviabilizam as duas primeiras opções, utilize óleo de silicone com um encapsulante de silicone. Essa combinação apresenta um fator de sinergia de 2 a 5, contra 10 a 20 para óleo mineral com epóxi. Verifique o resultado ao longo de 1,000 horas com 1.5 vezes o nível de flúor em serviço.

Estratégia 4: Filtre o óleo e agende a troca.

Instale um circuito de filtragem que remova HF, lodo e partículas do óleo. Troque o óleo a cada 2,000 a 5,000 horas e monitore o índice de acidez, a rigidez dielétrica e a viscosidade. Acione a manutenção preventiva assim que a resistividade cair abaixo de 10^9 Ω·cm.

Estratégia 5: Cortar o fluxo de flúor que chega ao recinto.

Utilize anéis de vedação duplos e purga com nitrogênio no limite da câmara. Use vedações metálicas ou conexões com borda afiada em todas as passagens de alta tensão e monitore o invólucro com sensores eletroquímicos. Alarme em 10 ppm de F2, que está bem abaixo do nível de 0.1% da câmara.

Estratégia 6: Revestir os corpos dos resistores com flúor.

Selecionar HVR-BSP resistores de película espessa em série com revestimentos resistentes ao flúor de epóxi com carga cerâmica ou silicone com carga de alumina, e especificar uma espessura de revestimento superior a 50 µm. Verificar a resistência do revestimento ao óleo escolhido durante 1,000 h a 1% de F2.

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 N4700 para fontes de alimentação de laser expostas ao flúor

Três requisitos norteiam a escolha neste nó: um corpo que o flúor não possa atacar, uma vedação que impeça a entrada de flúor e um dielétrico que tolere a imersão em óleo PFPE. A HVC fabrica componentes para esse conjunto em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para uma gama de tensões de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Um corpo totalmente inorgânico de cerâmica de alumina, eletrodos de prata-paládio e vedações de vidro. Nenhum dos três reage com flúor, HF ou radicais fluorados, portanto o termo sinergia não tem material sobre o qual atuar.
• Uma vedação de brasagem cerâmica-metal com uma taxa de vazamento inferior a 1e−8 atm·cc/s. O dielétrico interno nunca entra em contato com a atmosfera do invólucro, portanto, o caminho de difusão de HF da seção 2.4 é interrompido na parede.
• Compatibilidade com óleo PFPE para maior isolamento e resfriamento. A peça pode permanecer imersa em óleo fluorado sem alteração mensurável de suas propriedades por mais de 1,000 horas.
• O dielétrico N4700 apresenta fator de dissipação (DF) inferior a 0.1% e taxa de descarga inferior a 5 pC na tensão nominal. A baixa perda minimiza o autoaquecimento e a baixa taxa de descarga mantém a erosão interna em zero.
• Cobertura de 1 kV a 150 kV em conexões radiais, terminais de parafuso e capacitores maçanetaAssim, um único sistema inorgânico serve para a rede de pulsos, a fonte de alimentação de carga e o filtro de disparo.
• Qualificado como substituto direto para marcas de primeira linha em programas de serviço de campo a laser. As peças HVC correspondem aos parâmetros elétricos e dimensões da embalagem de Murata tipo parafuso, Vishay HVCC e TDK UHV/FHV.

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 à triagem de compatibilidade de óleo e encapsulante, modelagem de sinergia, revisão da taxa de vazamento da vedação e planejamento de testes de exposição ao flúor.

Envie a concentração de flúor, a temperatura do compartimento, o tipo de óleo e as horas de serviço. A HVC retorna uma ficha de compatibilidade de materiais com dados de testes acelerados e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

Q1: Por que a degradação combinada ocorre mais rapidamente do que a soma das duas taxas?

Porque cada material alimenta o outro. A resina epóxi libera HF e radicais fluorados que se dissolvem no óleo, e o óleo ácido ataca a resina epóxi por dentro. O óleo também incha o encapsulante em 5% a 20% e abre fissuras que permitem a entrada de mais flúor. O termo adicional representa de 5 a 20 vezes a soma das taxas individuais.

Q2: Qual é o custo de vida útil do emparelhamento?

Óleo mineral com epóxi a 50 °C em 1% de F2 apresenta uma perda de propriedades de 30% a 60% a cada 1,000 h e falha entre 500 h e 2,000 h. Cada material isoladamente teria uma vida útil prevista de 5,000 h a 10,000 h. Substituindo o conjunto por óleo PFPE e um corpo cerâmico, a vida útil prevista deixa de ser limitada.

Q3: Qual a combinação de óleo e encapsulante mais segura?

O óleo PFPE com um corpo cerâmico inorgânico não apresenta sinergia alguma, pois nenhum dos materiais dissolve HF ou reage com flúor. Uma camada cerâmica com vedação por brasagem também impede a difusão do HF para o dielétrico. O óleo de silicone com encapsulamento de silicone é a alternativa prática, com um fator de sinergia de 2 a 5.

Q4: O que o óleo precisa conter para ter rigidez dielétrica?

O óleo PFPE mantém uma tensão superficial acima de 40 kV/mm e uma resistividade acima de 10^14 Ω·cm. O alarme deve disparar antes que a resistividade do óleo caia abaixo de 10^9 Ω·cm, que é o nível em que o óleo mineral contaminado se encontra após 1,000 a 2,000 horas. Monitore o índice de acidez e a viscosidade no mesmo intervalo de tempo e troque o óleo a cada 2,000 a 5,000 horas.

Q5: Como faço para evitar que o flúor entre na caixa de distribuição de energia?

Utilize anéis de vedação duplos no limite da câmara, purgue o invólucro com nitrogênio e use vedações metálicas ou de lâmina em todas as passagens de alta tensão. Monitore com um sensor eletroquímico e dispare um alarme a 10 ppm. Uma taxa de vazamento inferior a 1e−8 atm·cc/s no diodo retificador As passagens internas fecham o último caminho de entrada no recinto.

Q6: Como faço para qualificar uma nova combinação de materiais?

Execute o teste por 1,000 horas com o dobro da concentração de flúor de serviço e no limite superior da faixa de temperatura. Em seguida, meça a rigidez dielétrica, a variação de massa e o índice de acidez. Repita o teste com 1.5 vezes a concentração de flúor de serviço para uma avaliação de exposição moderada. Aceite o par quando a perda de propriedades permanecer abaixo de 10% e nenhuma fissura aparecer sob ampliação de 10×.

7. Referências

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11. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com