Laser a eccimeri: rivestimento in parilene per incapsulamento ad alta tensione

Laser a eccimeri: rivestimento in parilene per incapsulamento ad alta tensione

Astratto

Un film depositato in fase vapore di 25 µm isola un componente ad alta tensione da una miscela di fluoro all'1% a 3 atm, e il fluoro impiega 50,000 ore per migrare di 0.02 nm al suo interno. Questo articolo descrive le fasi di deposizione, il coefficiente di diffusione, la durata della barriera, i valori dielettrici, quattro modalità di guasto del rivestimento e le procedure di preparazione e ispezione che mantengono il film integro.

1. introduzione

Un laser a eccimeri funziona con una miscela di fluoro, kripton, argon e idrogeno, a una concentrazione di F2 compresa tra lo 0.1% e il 2% e a una pressione tra 2 e 5 atmosfere. L'alimentatore a impulsi, i suoi condensatori, le sue resistenze, i suoi diodi e le sue schede sono tutti immersi in tale atmosfera.

Il fluoro attacca innanzitutto gli incapsulanti organici. Rompe la catena polimerica, estrae l'idrogeno e lascia dietro di sé il carbonio, cosicché la superficie diventa fragile e conduttiva allo stesso tempo. L'epossidica perde metà della sua resistenza alla trazione dopo 5,000 ore e quattro ordini di grandezza della resistività superficiale dopo 10,000 ore.

Un rivestimento deve impedire al gas di raggiungere il polimero sottostante e al contempo essere in grado di sopportare il campo elettrico. Questo esclude la maggior parte dei film organici, poiché questi assorbono il gas o si degradano sotto la rotaia.

Questo articolo tratta il processo di deposizione, i tre gradi di Parylene, il coefficiente di diffusione e la durata della barriera, i valori dielettrici, quattro modalità di guasto del rivestimento e le fasi di preparazione e ispezione che mantengono intatto il film.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Deposizione chimica da fase vapore

All'interno di una camera a vuoto, si forma in tre fasi una pellicola di parilene, senza che alcun solvente o liquido entri in contatto con il pezzo. Il dimero sublima a temperature comprese tra 150 °C e 180 °C sotto una pressione tra 0.1 Torr e 1 Torr. Il vapore attraversa quindi una zona a temperature tra 650 °C e 700 °C e si scinde in monomeri reattivi. I monomeri raggiungono il pezzo a temperatura ambiente e polimerizzano in loco.

Il film cresce a una velocità compresa tra 1 µm/h e 2 µm/h, quindi un rivestimento di 25 µm richiede circa uno spostamento. La deposizione a temperatura ambiente è importante su un componente laser, perché sia ​​il guscio polimerico che la giunzione di saldatura sono esposti al processo, ma nessuno dei due subisce un carico termico.

2.2 I tre gradi

Il Parylene N non presenta sostituenti e ha una rigidità dielettrica superiore a 7000 V/mil con una costante dielettrica di 2.65. Il Parylene C aggiunge un atomo di cloro sull'anello, il che aumenta la barriera contro l'umidità e la penetrazione di agenti chimici e porta la costante dielettrica a 3.15. Il Parylene AF-4 sostituisce l'idrogeno dell'anello con il fluoro e aggiunge gruppi metilici, il che innalza la soglia UV e il limite di temperatura di funzionamento continuo a 200 °C.

Per un involucro laser, il Parylene C soddisfa la necessità di fluoro. Laddove la luce a 193 nm raggiunge il componente, la chimica del fluoro dell'AF-4 gestisce il carico UV che degrada il Parylene N e C.

2.3 Diffusione e durata della barriera

L'effetto barriera deriva dal coefficiente di diffusione del fluoro nel film e segue la consueta forma in funzione della temperatura:

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

dove D è il coefficiente di diffusione, D0 il fattore pre-esponenziale, Ed l'energia di attivazione della diffusione, kB la costante di Boltzmann e T la temperatura assoluta.

Il parilene C con D0 = 1e−9 cm²/s e Ed = 1.0 eV fornisce D = 1.7e−26 cm²/s a 300 K. Il fronte si sposta quindi di una distanza che segue la radice quadrata del tempo:

x = sqrt(D × t)

dove x è la profondità raggiunta dal fronte d'attacco, D il coefficiente di diffusione e t il tempo di esposizione. Su 50,000 ore, ovvero 1.8e8 s, x = 0.02 nm. Rispetto a una pellicola di 25 µm, ciò rappresenta un margine di sette ordini di grandezza.

Ribaltando la stessa relazione, il tempo impiegato dal film segue il quadrato dello spessore:

t_barrier = x^2 / D

dove t_barrier è il tempo impiegato dal fronte per attraversare la pellicola, x lo spessore della pellicola e D il coefficiente di diffusione. Per 25 µm e 1.7e−26 cm²/s il risultato è 3.7e20 s, che è al di fuori di qualsiasi finestra di servizio di questa apparecchiatura.

2.4 Valori dielettrici

Tra il campo e il componente si interpone un rivestimento, la cui rottura determina il limite massimo raggiungibile dalla rotaia:

V_bd = E_bd × t

dove V_bd è la tensione di rottura del film, E_bd la rigidità dielettrica e t lo spessore del film. Il parilene C ha una rigidità dielettrica di 275 V/µm, quindi un film di 25 µm ha una rigidità dielettrica di 6.9 kV e un film di 50 µm ha una rigidità dielettrica superiore a 10 kV.

La pellicola aggiunge inoltre capacità a qualsiasi nodo che copre:

C_p = ε0 × εr / t

dove C_p è la capacità per unità di area, ε0 la permittività del vuoto, εr la costante dielettrica del film e t il suo spessore. Con εr = 3.15 e t = 25 µm, il film aggiunge 1.1 nF/cm². A 1 kHz il film ha anche un fattore di dissipazione di 0.002, una resistività volumetrica superiore a 1e16 Ω·cm e una resistività superficiale superiore a 1e15 Ω/quadrato.

Figura 1 — Una pellicola di Parylene C di 25 µm su un substrato ceramico presenta una profondità di attacco di 0.02 nm dopo 50,000 ore in F2 all'1%.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: Copertura sottile in un angolo acuto

Una pellicola depositata in fase vapore segue la superficie e un angolo acuto risulta comunque avere uno spessore pari a circa la metà di quello nominale. Su un rivestimento di 25 µm, ciò lascia un bordo di 12 µm e il campo si concentra nello stesso punto.

Dopo 10,000-20,000 ore, la zona sottile si degrada e inizia a presentare tracce di corrosione. L'operatore attribuisce la colpa al fornitore del rivestimento e una sezione trasversale di un angolo mostra lo spessore locale. Un rivestimento di 50 µm presenta uno spessore di 25 µm nello stesso angolo.

Punto critico 2: Delaminazione dovuta a una superficie sporca

Tra la pellicola e il componente si depositano olio, polvere e uno strato di ossido. La pellicola si affida quindi a questo strato per aderire, e i cicli termici lo rimuovono.

Dopo 5,000-15,000 ore, l'area sollevata espone il polimero sottostante alla miscela di gas. L'operatore attribuisce la colpa al promotore di adesione e una misurazione dell'angolo di contatto con l'acqua sul pezzo in ingresso mostra la contaminazione prima che il rivestimento coli.

Punto dolente 3: Creparsi su un giunto non corrispondente

Una giunzione rame-ceramica si sposta di circa 10 ppm/°C. La pellicola deve seguire questo movimento e un allungamento del 20% a rottura ha un limite.

Dopo 10,000-30,000 cicli termici si apre una crepa sulla giunzione e la miscela di gas raggiunge il substrato. L'operatore attribuisce la colpa allo spessore del rivestimento e la soluzione è una giunzione flessibile o un film più spesso su quell'area. Lo stesso movimento carica il N4700 Corpo ceramico e sue terminazioni.

Punto critico 4: ingiallimento UV su un componente DUV

Quando la luce a 193 nm raggiunge la pellicola, il Parylene N e C assorbono l'energia e si decompongono. La pellicola ingiallisce, diventa fragile e perde rigidità dielettrica.

Dopo 20,000-50,000 ore, le tracce di superficie presentano una tensione inferiore. L'operatore attribuisce la colpa alla rotaia, e una pellicola di Parylene AF-4 dello stesso spessore resiste a 10,000 ore di esposizione a 193 nm senza ingiallimento.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Preparare la superficie prima della verniciatura

Pulire con isopropanolo o con un trattamento al plasma per rimuovere olio, polvere e ossido. Applicare un promotore di adesione, silano A-174 per ceramica e HMDS per metallo. Verificare il risultato con una misurazione dell'angolo di contatto con l'acqua, che deve essere inferiore a 10° su una superficie pronta per la verniciatura.

Strategia 2: Impostare lo spessore dal duty cycle

Applicare uno spessore di 25 µm per applicazioni con fluoro su binari fino a 5 kV, che lascia una tensione di rottura di 6.9 kV. Passare a 50 µm al di sopra di 10 kV e aggiungere uno strato localizzato in corrispondenza di una giunzione o di un angolo acuto. Verificare lo spessore mediante microscopia a sezione trasversale o con un misuratore a correnti parassite, sia nel punto più sottile che su una superficie piana.

Strategia 3: Scegli il grado dal carico leggero

Utilizzare Parylene C per i componenti esposti a miscele di gas e poca luce, poiché la sostituzione con cloro aumenta la barriera contro l'umidità e gli agenti chimici. Utilizzare Parylene AF-4 laddove la radiazione a 193 nm raggiunge la superficie e confermare la scelta con 1,000 ore di esposizione a 193 nm. Nei componenti che raggiungono temperature elevate, AF-4 mantiene le sue proprietà anche fino a 200 °C.

Strategia 4: Ispezionare ciò che il processo lascia

Controllare la pellicola per la presenza di fori, vuoti e aree sollevate al microscopio ottico ed eseguire un test con nastro adesivo secondo il metodo ASTM D3359. Portare la tensione dielettrica al punto di rottura a 500 V/s su un campione di riferimento. Esporre un terzo campione a una soluzione di F2 al 5% a 100 °C per 1,000 ore, un tempo superiore a quello della miscela di servizio e che copre l'intero rivestimento in una sola volta.

Strategia 5: Applicare il rivestimento sopra una guarnizione ermetica

Utilizzare una guarnizione ermetica metallo-ceramica come barriera primaria, seguita dal rivestimento come seconda. Una giunzione con una pressione inferiore a 1e−9 atm·cm³/s blocca il gas all'interno dell'involucro, e la pellicola di 25 µm ricopre quindi i passacavi, le terminazioni e il circuito stampato circostante. Laddove uno strato si degrada, l'altro rimane intatto, e la combinazione garantisce una durata dell'assemblaggio superiore a 100,000 ore.

Applicare lo stesso trattamento a due strati al resistori di gradazione sul divisorio e al diodo a recupero rapido confezione, poiché entrambi si trovano nella stessa atmosfera dei condensatori.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	-
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori HVC rivestiti in parilene per contenitori al fluoro

Quattro requisiti guidano la scelta in questo punto: una pellicola che blocchi il gas, la copertura negli angoli e nelle fessure, un dielettrico che supporti la rotaia e un'adesione che resista ai cicli termici. HVC gestisce questa linea di rivestimento all'interno di uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, con deposizione in fase vapore, preparazione della superficie e ispezione nello stesso edificio, su una gamma da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• Una pellicola di Parylene C di 25 µm con un avanzamento del fronte di 0.02 nm dopo 50,000 ore e una resistività superficiale che rimane superiore a 1e15 Ω/quadrato.
• Copertura di deposizione entro ±5% del valore nominale su ogni superficie, comprese le fessure e gli angoli dove altrimenti un bordo si troverebbe a metà spessore.
• Una rigidità dielettrica superiore a 7000 V/mil, una costante dielettrica di 3.15 e un fattore di dissipazione di 0.002, che mantengono 6.9 kV attraverso una pellicola di 25 µm e aggiungono 1.1 nF/cm².
• Adesione superiore a 20 MPa grazie alla pulizia al plasma e a un promotore silanico, che si mantiene per 1,000 cicli da -40 °C a +125 °C senza distacco.
• Un'opzione Parylene AF-4 che mantiene 10,000 ore di esposizione a 193 nm senza ingiallimento, per le parti che vedono la luce laser. La copertura da 1 kV a 150 kV serve la rete di impulsi e il condensatori doorknob nello stesso contenitore.
• Qualificato come ricambio diretto per parti a vite importate in programmi di sorgenti luminose per litografia, con oltre 50,000 ore a 1% F2, 40 kV e 6 kHz. Le parti HVC corrispondono ai parametri e alle dimensioni del package di Murata Serie di serrature a vite.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set personalizzati in 6-10 settimane. Il team di ingegneria applicativa di HVC si occupa della selezione dei rivestimenti, della revisione dello spessore e della gradazione, della qualificazione dell'adesione e della pianificazione dei test di esposizione al fluoro.

Inviate la concentrazione di fluoro, la tensione di alimentazione, l'esposizione alla luce del pezzo, l'intervallo di temperatura e la geometria della superficie. HVC vi restituirà, entro cinque giorni lavorativi, una specifica del rivestimento con i dati di ispezione e un kit di valutazione con due campioni.

6. Domande frequenti

D1: Per quanto tempo una pellicola di Parylene da 25 µm resiste in una miscela di fluoro?

Il fronte si muove come x = sqrt(D × t), e D è 1.7e−26 cm²/s a 300 K. Su 50,000 ore ciò corrisponde a 0.02 nm, il che lascia sette ordini di grandezza di margine rispetto allo spessore del film. Invertendo la situazione con t_barrier = x^2 / D, il film guadagna 3.7e20 s, oltre qualsiasi finestra di servizio di questa apparecchiatura.

D2: Quale grado di Parylene è più adatto per un componente tagliato al laser?

Utilizzare Parylene C laddove la miscela di gas rappresenta il carico principale e poca luce raggiunge la superficie, poiché la sostituzione con cloro aumenta la barriera all'umidità e agli agenti chimici. Utilizzare Parylene AF-4 laddove la radiazione a 193 nm raggiunge il componente, poiché la composizione chimica fluorurata mantiene il carico UV che ingiallisce Parylene N e C, e inoltre presenta un limite di temperatura continua di 200 °C.

D3: Quanto contribuisce al deterioramento il rivestimento?

Ne consegue che V_bd = E_bd × t. Il parilene C ha una capacità di 275 V/µm, quindi una pellicola di 25 µm ha una capacità di 6.9 kV e una pellicola di 50 µm ha una capacità di oltre 10 kV. La pellicola aggiunge anche una capacità di 1.1 nF/cm² da C_p = ε0 × εr / t con εr = 3.15, quindi un piccolo nodo può vedere la capacità extra.

D4: Perché un angolo acuto finisce per essere sottile?

Poiché un film depositato in fase vapore segue la superficie e un angolo presenta un'area minore al monomero in arrivo, l'angolo può avere uno spessore pari alla metà di quello nominale, ovvero 12 µm su un bordo che ne richiederebbe 25 µm. È consigliabile creare lo spessore localmente e controllare una sezione trasversale in corrispondenza dell'angolo anziché su una superficie piana.

D5: Come posso valutare l'adesione?

Pulire con isopropanolo o plasma, applicare silano A-174 sulla ceramica o HMDS sul metallo e verificare che l'angolo di contatto con l'acqua sia inferiore a 10°. Quindi eseguire un test con nastro adesivo secondo il metodo ASTM D3359 e 1,000 cicli termici da -40 °C a +125 °C. L'adesione superiore a 20 MPa si mantiene durante tale sequenza senza distacco.

D6: Il rivestimento sostituisce una guarnizione ermetica?

Conservali entrambi, in quest'ordine. Una giunzione ermetica al di sotto di 1e−9 atm·cm³/s blocca il gas all'interno dell'involucro, e la pellicola da 25 µm copre i passacavi e le schede che la giunzione non può raggiungere. Con due barriere, l'assemblaggio dura oltre 100,000 ore anche dopo il degrado di una di esse. condensatore a film all'interno dello stesso contenitore necessita dello stesso trattamento sulle sue superfici esposte.

7. Riferimenti

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