Erittäin puhtaat PFA-laadut (matala-tuhka-, puolijohde--laatu) on määritelty kriittisiin sovelluksiin, jotka vaativat mahdollisimman vähän uutettavia aineita ja ionisia kontaminantteja. Näiden laatujen tuhkapitoisuus on alle 0,01 % (verrattuna . 0.1–0,5 %:iin tavallisella PFA:lla). Paradoksaalista kyllä, korkean -kosteuden ympäristöissä (Suurempi tai yhtä suuri kuin 80 % RH) erittäin puhtaat PFA-lämmittimet voivat hajota dielektrisesti aikaisemmin kuin tavalliset PFA-lämmittimet. Syy: standardi PFA sisältää hivenmetallioksideja (kalsiumoksidia, magnesiumoksidia, alumiinioksidia), jotka toimivat vettä -absorboivina täyteaineina tai stabilointiaineina. Nämä oksidit reagoivat kosteuden kanssa muodostaen hydroksideja, jotka kuluttavat vesimolekyylejä ja ylläpitävät korkeaa sähkövastusta. Erittäin puhtaasta PFA:sta puuttuu{13}}kosteutta poistavia lajeja. Absorboituneet vesimolekyylit pysyvät vapaina polymeerimatriisissa, mikä lisää ioninjohtavuutta ja pienentää dielektristä lujuutta. Korkean-kosteuden palvelussa tavallinen PFA voi ylittää ultra-puhdasta PFA:ta sähkön luotettavuudessa.
Kosteuden imeytyminen ja dielektrinen hajoamismekanismi
PFA imee 0,03–0,10 paino-% vettä 100 % suhteellisessa kosteudessa lämpötilasta ja kiteisyydestä riippuen. Absorboituneet vesimolekyylit ovat liikkuvia ja voivat kuljettaa ionivirtaa sähkökentän alaisena. Dielektrinen hajoaminen tapahtuu, kun sähkökentän voimakkuus ylittää materiaalin kestokyvyn, tyypillisesti 15–25 kV/mm kuivalle PFA:lle. Imeytyneen kosteuden myötä läpimurtolujuus putoaa arvoon 10–15 kV/mm 80 % suhteellisessa kosteudessa ja 5–10 kV/mm 100 % suhteellisessa kosteudessa.
Vakio-PFA sisältää 0,1–0,5 % epäorgaanisia täyteaineita -tyypillisesti kalsiumoksidia, magnesiumoksidia tai alumiinisilikaattia-, joita on lisätty hapon vastaanottajina stabiloimaan polymeeriä prosessoinnin aikana. Nämä oksidit ovat hygroskooppisia: CaO reagoi H2O:n kanssa muodostaen Ca(OH)2:ta. Tämä reaktio kuluttaa vapaata vettä ja sitoo sen kemiallisesti. Sitoutuneella vedellä on paljon pienempi liikkuvuus ja johtavuus kuin vapaalla vedellä. Täyteainehiukkaset toimivat myös elektronien sirontakeskuksina ja lisäävät hajoamisreitin pituutta. Erittäin puhdas PFA (tuhka<0.01%) has no such fillers. Absorbed water remains as free water, forming conductive pathways. The lower filler content also means fewer physical barriers to electron avalanche.
Dielektrisen lujuuden vertailu: tavallinen vs. ultra-puhdas PFA
| PFA-luokka | Tuhkapitoisuus (%) | Veden imeytyminen 80 % suhteellisessa kosteudessa, 60 astetta (%) | Dielektrinen lujuus (kV/mm) 80 % suhteellisessa kosteudessa | Aika eristysvastuksen pudotukseen (<100 MΩ) at 85°C, 85% RH | Tyypillinen sovellus |
|---|---|---|---|---|---|
| Vakio (teollinen) | 0.15–0.30 | 0.05–0.07 | 12–15 | 8000-12000 tuntia | Yleinen teollisuus, korkea{0}}kosteus |
| Korkea{0}}puhtaus | 0.05–0.10 | 0.06–0.08 | 11–13 | 5000-8000 tuntia | Farmaseuttiset tuotteet, ruoka |
| Ultra-puhdas (vähä-tuhka) | 0.005–0.01 | 0.08–0.10 | 8–10 | 2000-4000 tuntia | Puolijohde, kriittiset laboratoriot |
| Ultra{0}}puhdas kuivausaineella (erikois) | 0,01–0,02 (täyteaine lisätty) | 0.04–0.06 | 11–14 | 6000-10000 tuntia | Korkea-kosteus + korkea puhtaus |
| Vakiovarusteena kosteudenpoistoaine | 0.20–0.40 | 0.04–0.06 | 13–16 | 10 000-15 000 tuntia | Ulkona, trooppinen ympäristö |
Semiconductor Fabsin kenttätodisteet
Puolijohdetehdas asennettiin erittäin{0}}puhtaat PFA-lämmittimet (tuhka<0.01%) in a wet bench with 85% RH, 85°C process temperature. The heaters averaged 2,500 hours before insulation resistance dropped below 100 MΩ, triggering ground fault alarms. The fab switched to standard PFA heaters (ash 0.2%) for the same application, expecting shorter life due to higher extractables. To their surprise, the standard heaters lasted 9,000 hours. Analysis showed the standard heaters had magnesium oxide filler that absorbed moisture, maintaining high resistivity. The ultra-pure heaters had no filler, and free water accumulated at the PFA-metal interface, causing leakage. The fab now uses standard PFA for high-humidity processes and reserves ultra-pure PFA for dry processes (<30% RH) where extractables are the primary concern.
Ultra{0}}Pure PFA:n lieventäminen kosteassa palvelussa
Kun ultra-puhtaita PFA-lämmittimiä on käytettävä korkean-kosteuden ympäristöissä (esim. puolijohde-märkäpenkit, joissa on prosessin -syntymää kosteutta), kolme eristettä parantaa eristeen luotettavuutta:
Typpihuuhtelu: Syötä jatkuva kuivan typen virtaus lämmittimen kylmään osaan. Ylipaine estää kosteaa ilmaa pääsemästä PFA{1}}metallirajapintaan. Typpihuuhtelu pidentää eristysvastuksen käyttöikää 5–10 kertaa.
Pienempi wattitiheys: Vähennä sähkökentän rasitusta käyttämällä pienemmällä jännitteellä (esim. 208V 480V sijasta) tai käyttämällä suurempaa lämmitintä (pienempi W/cm²). Pienempi kentänvoimakkuus vähentää vuotovirran käyttövoimaa.
Kosteuden kerääjä: Aseta molekyyliseulapakkaus (zeoliitti tai silikageeli) kylmäosan sisään. Getteri imee kosteutta, joka tunkeutuu PFA:n läpi. Vaihda getteri 6–12 kuukauden välein.
Sovelluksissa, joissa vaaditaan sekä suurta puhtautta että korkeaa kosteutta (esim. farmaseuttiset kosteat reaktorit), määritä ultra-puhdas PFA, johon on lisätty kosteutta-stabiloivaa täyteainetta. Useat valmistajat tarjoavat "korkean-kosteusluokan" ultra-puhdasta PFA:ta, jossa on 0,01–0,02 % kalsiumoksidia tai synteettistä hydrotalsiittia. Nämä laatulajit säilyttävät dielektrisen lujuuden 12–14 kV/mm 85 %:n suhteellisessa kosteudessa, mikä on verrattavissa tavalliseen PFA:han, samalla kun uutettavat aineet pysyvät alhaisina.
Johtopäätös: Vakio-PFA:n suorituskyky on erittäin{0}}puhdas korkeassa kosteudessa
Erittäin puhtaat (vähä-tuhkaa sisältävät) PFA-lämmittimet havaitsevat aikaisemmin dielektrisen hajoamisen korkean-kosteuden ympäristöissä (suurempi tai yhtä suuri kuin 80 % RH), koska niistä puuttuu kosteutta -absorboivia täyteaineita, joita on tavallisessa PFA:ssa. Polymeerimatriisin sisällä oleva vapaa vesi lisää ioninjohtavuutta vähentäen dielektristä lujuutta 12–15 kV/mm arvoon 8–10 kV/mm. Tavallinen PFA, jossa on 0,1–0,5 % tuhkaa, voi kestää ultra-puhdasta PFA:ta 2–4-kertaisesti kosteassa käytössä. Insinöörien ei pitäisi olettaa, että "puhtaampi on parempi" kaikissa ympäristöissä. Kuivissa sovelluksissa erittäin-puhdas PFA takaa maksimaalisen puhtauden. Kosteissa sovelluksissa tavallinen PFA tai ultra{19}}puhdas kosteutta{20}}vakauttava täyteaine on luotettavampi. Kun vaaditaan sekä alhaisia uuttoaineita että korkea kosteus, määritä typenpoisto- tai kosteudensieppaajat. Kosteuden aiheuttama dielektrinen hajoaminen on suunnittelurajoitus, ei materiaalivirhe. Yhdistä PFA-laatu ympäristöön, ei teoreettiseen puhtausideaaliin. Kosteudessa pieni tuhka on hyvä asia.
