엑시머 소모품: 불소 내성 오일 및 캡슐화

엑시머 소모품: 불소 내성 오일 및 캡슐화

추상

오일과 캡슐화제는 함께 있을 때 분리되어 있을 때보다 더 빨리 분해됩니다. 한 물질에서 생성된 HF와 불소화 라디칼이 다른 물질에 용해되어 내부에서 공격함으로써 분해 속도를 5~20배 증가시킵니다. 이 글에서는 개별 및 복합 분해 속도, 수명 모델, 네 가지 현장 고장 모드, 그리고 레이저 공급 장치를 10,000시간 동안 유지할 수 있는 오일과 캡슐화제 조합에 대해 설명합니다.

1. 소개

엑시머 레이저 전원 공급 장치는 고전압 부품 주변에 추가적인 절연 및 냉각 장치가 필요합니다. 절연 오일은 부품 사이의 틈을 채우고 부분 방전을 억제하며 열을 방출합니다. 부품 자체는 에폭시, 실리콘 또는 폴리우레탄과 같은 유기 캡슐화재로 덮여 있습니다.

불소 환경 내에서는 두 물질 모두 동시에 공격을 받습니다. 각각의 물질은 측정 가능한 속도로 자체적으로 열화됩니다. 접촉 시, 한 물질의 생성물은 다른 물질의 열화 속도를 가속화합니다. 두 물질의 열화 속도가 합쳐지면 개별 열화 속도의 합보다 5배에서 20배까지 빨라집니다.

이 응용 분야에서는 노출 정도가 매우 심각합니다. 챔버 내부에는 0.1%~5%의 F2 가스가 존재하며, 이 가스가 전원 인클로저 내부로 누출됩니다. 인클로저 내부 온도는 50°C~80°C입니다. 자기장은 10kV/mm~30kV/mm에 달하고, 펄스 발생률은 6kHz에 이릅니다.

이 기사에서는 개별 및 복합적인 열화, 6가지 오일과 캡슐화제 조합의 호환성, 4가지 현장 고장 모드, 수명 모델, 그리고 10,000시간 서비스 범위를 유지하는 선택 단계에 대해 다룹니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 캡슐화제의 분해

불소는 고분자 사슬에서 수소를 제거하고 그 자리에 불소를 치환합니다.

R−H + F2 → R−F + HF

여기서 R−H는 수소를 포함하는 고분자 반복 단위이고, F2는 불소 분자이며, R−F는 불소화된 단위이고, HF는 방출된 불화수소입니다.

이와 동일한 반응은 주쇄를 절단하고 인접한 사슬을 가교시킵니다. 50°C에서 1% F2 용액에 담근 에폭시는 1,000시간마다 물성이 1%에서 5%씩 저하됩니다. 5,000시간에서 10,000시간 후에는 취성이 생기고 균열이 발생하며 부품을 보호하는 기능을 상실합니다.

2.2 절연유의 열화

광물유도 같은 방식으로 반응하여 탄화수소 사슬이 불소화됩니다.

CnH2n+2 + F2 → CnH2n+1F + HF

여기서 CnH2n+2는 파라핀 분자, F2는 불소 분자, CnH2n+1F는 불소화 생성물, HF는 방출된 불화수소입니다.

반응성 산소종은 오일을 산화시켜 산, 슬러지 및 가스를 생성합니다. 라디칼은 오일 분자를 중합시켜 점도를 높입니다. 50°C에서 1% F2에 담긴 광물유는 1,000시간마다 물성이 2%에서 10%까지 저하되고, 산성화되며, 3,000시간에서 8,000시간 후에는 절연 강도를 잃습니다.

2.3 시너지 용어

접촉 시 세 가지 효과가 두 부식 속도 모두에 영향을 미칩니다. 캡슐화제에서 나온 HF가 오일에 용해되어 불산(HF)을 형성하는데, 이는 F2보다 훨씬 부식성이 강해 내부에서부터 부식을 일으킵니다. 불소화된 라디칼이 오일로 이동하여 연쇄 반응을 시작합니다. 오일은 부산물을 흡수하고 캡슐화제를 5~20% 팽창시키며, 더 많은 불소가 침투할 수 있는 균열을 발생시킵니다.

통합 요금에는 추가 조건이 있습니다.

k_syn = S × (k1 + k2)

여기서 k_syn은 시너지 분해 속도, S는 시너지 계수, k1은 캡슐화제 분해 속도, k2는 오일 분해 속도입니다. 50°C에서 1% F2에 에폭시가 함유된 광물유의 경우, S는 5에서 10 사이이며, 관찰된 분해 속도는 1,000시간당 30%에서 60%에 이릅니다.

2.4 수명 예측

실패까지의 시간은 초기 부동산 가치를 이자율의 합으로 나눈 값에 비례합니다.

t_failure = C0 / (k1 + k2 + k_syn)

여기서 t_failure는 파손까지의 시간이고, C0는 유전 강도와 같은 초기 재료 특성이며, k1과 k2는 1,000시간당 개별 속도이고, k_syn은 결합 속도입니다.

k1 = 3, k2 = 3, k_syn = 30, C0 = 100일 때, 고장 발생 시간(t_failure)은 100 / 36 × 1,000, 즉 2,780시간입니다. 측정 범위는 500시간에서 2,000시간 사이이므로, 이 모델은 안전한 쪽에 해당합니다.

HF 침투 또한 확산 법칙을 따르며, 침투 깊이는 시간의 제곱근에 비례하여 증가합니다.

x = 2 × sqrt(D × t)

여기서 x는 캡슐화제 내부로의 HF 침투 깊이, D는 고분자 내 HF 확산 계수, t는 노출 시간입니다. 침투 깊이가 전극에 도달하면 전체적인 확산 속도와 관계없이 보호 효과가 종료됩니다.

그림 1 — 에폭시가 함유된 광물유는 1% F2 조건에서 50°C에서 1,000시간마다 물성 손실이 45%에 달하는 반면, 무기 세라믹체가 함유된 불소화유는 시너지 효과를 나타내지 않는다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 오염된 오일은 절연 강도를 잃는다

광물유와 에폭시를 함께 사용하면, 반응 과정에서 HF와 불소화 라디칼이 오일 속으로 직접 방출됩니다. 1,000시간에서 2,000시간 후, 오일은 pH 4 이하의 산성으로 변하고 저항률은 10^9 Ω·cm 이하로 떨어집니다.

그러면 오일이 절연 틈새를 통해 누설 전류를 흘려보내고 부품이 고장납니다. 작업자는 오일 공급업체를 탓하고, 동일한 등급의 오일을 새로 주입해도 같은 구간에서 동일한 고장이 반복됩니다.

두 번째 문제점: 캡슐화제의 팽창으로 인해 수분이 침투할 수 있는 통로가 생깁니다.

오일은 불소화 부산물을 흡수하여 캡슐화제를 5%에서 20%까지 팽창시킵니다. 500시간에서 1,500시간 후, 이러한 팽창으로 인해 코팅에 균열이 발생합니다. 그러면 물이 세라믹 표면에 도달하여 HF와 결합하여 부식성이 매우 강한 막을 형성합니다.

해당 부품은 1,000시간에서 3,000시간 사용 후 고장이 발생하며, 작업자는 씰 공급업체를 탓합니다. 밀폐형 세라믹-금속 브레이징을 통해 팽창으로 인해 생긴 경로를 제거합니다.

문제점 3: 슬러지가 냉각 경로를 막습니다.

광물유의 라디칼 중합 반응으로 인해 슬러지가 생성되어 부품 표면에 침착됩니다. 1,000시간에서 3,000시간 후, 이 슬러지는 냉각 채널을 통한 오일 흐름을 차단하고 손실이 큰 유전체 부위에 고온점을 발생시킵니다.

온도가 상승하면 화학 반응이 가속화되어 슬러지가 더 많이 생성됩니다. 운영자는 냉각 루프를 문제의 원인으로 지목하고, 오일 분석 결과 산가와 점도가 이미 허용 범위를 벗어난 것으로 나타납니다.

문제점 4: 가스 발생으로 내부 압력이 상승함

불소 아래의 유기 물질은 HF, H2, CF4 및 CO2를 방출합니다. 밀폐된 공간에서 이러한 가스가 축적되어 압력이 상승합니다. 2,000시간에서 5,000시간 후 밀봉 부분이 파손되거나 케이스가 갈라집니다.

작업자는 파손된 부품을 발견하고 과압을 원인으로 지목합니다. 하지만 헤드스페이스 샘플링을 통해 한 교대 근무 시간 내에 불소 반응이 원인임을 밝혀냅니다.

4. 설계 단계

전략 1: 불소 처리된 오일을 사용하십시오

광물유를 HF 또는 불소화 라디칼을 용해시키지 않는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)로 대체하십시오. PFPE 오일은 40kV/mm 이상의 절연 강도, 10¹⁴Ω·cm 이상의 비저항, 그리고 200°C까지의 열 안정성을 유지합니다. 사용 조건의 불소 농도의 2배에서 1,000시간 이상 동안 캡슐화재와의 호환성을 확인하십시오.

전략 2: 유기 캡슐화제를 세라믹으로 대체

에폭시나 실리콘 대신 불소와 반응하지 않는 알루미나 또는 지르코니아와 같은 무기 세라믹 캡슐화를 사용하십시오. 세라믹 껍질은 밀폐성이 뛰어나고 20kV/mm 이상의 전압을 견디며 20W/m·K에서 30W/m·K의 열전도율을 제공합니다. N4700 세라믹 본체와 브레이징 밀봉으로 구성된 부품은 시스템에서 유기 표면을 제거합니다.

전략 3: 실리콘 캡슐화를 적용한 실리콘 오일로 되돌아가기

PFPE 비용이나 세라믹 쉘 때문에 앞의 두 가지 옵션을 사용할 수 없는 경우, 실리콘 캡슐화제를 사용한 실리콘 오일을 사용하십시오. 이 조합은 에폭시를 사용한 광물유의 시너지 효과(10~20)에 비해 2~5의 시너지 효과를 나타냅니다. 사용 시 불소 농도의 1.5배에서 1,000시간 이상 테스트를 통해 이를 검증하십시오.

전략 4: 엔진 오일을 필터링하고 교체 일정을 잡으세요

오일에서 불산(HF), 슬러지 및 미립자를 제거하는 여과 루프를 설치하십시오. 2,000~5,000시간마다 오일을 교체하고 산가, 절연 강도 및 점도를 추적하십시오. 저항이 10^9 Ω·cm 미만으로 떨어지기 전에 추세를 기반으로 정비를 시작하십시오.

전략 5: 밀폐된 공간에 도달하는 불소의 양을 줄인다

챔버 경계면에 이중 O링을 사용하고 질소 퍼지를 실시하십시오. 모든 고전압 피드스루에는 금속 씰 또는 나이프 엣지 피팅을 사용하고 전기화학 센서로 챔버를 모니터링하십시오. F2 농도가 10ppm에 도달하면 경보를 울리도록 설정하십시오. 이는 챔버 허용 농도인 0.1%보다 훨씬 낮은 수치입니다.

전략 6: 저항기 본체에 불소 코팅을 하십시오.

선택 HVR-BSP 직렬 후막 저항기 세라믹 필러가 함유된 에폭시 또는 알루미나 필러가 함유된 실리콘으로 불소 저항성 코팅을 하고, 코팅 두께는 50µm 이상으로 지정하십시오. 선택한 오일에 대해 1% F2 조건에서 1,000시간 이상 코팅을 검증하십시오.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 불소 노출 레이저 전원 공급 장치용 HVC N4700 커패시터

이 노드에서 부품을 선택할 때는 세 가지 필수 요건을 고려해야 합니다. 불소에 부식되지 않는 본체, 불소의 침투를 막는 밀봉재, 그리고 PFPE 오일에 침지해도 견딜 수 있는 유전체입니다. HVC는 동관에 위치한 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 150kV에 이르는 다양한 전압대의 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• 알루미나 세라믹, 은-팔라듐 전극, 유리 밀봉재로 구성된 완전 무기질 구조입니다. 이 세 가지 물질 모두 불소, HF 또는 불소화 라디칼과 반응하지 않으므로 시너지 효과를 낼 수 있는 물질이 없습니다.
• 누출률이 1e−8 atm·cc/s 미만인 세라믹-금속 브레이징 밀봉. 내부 유전체는 밀폐 공간의 대기에 노출되지 않으므로 2.4절의 HF 확산 경로는 벽면에서 차단됩니다.
• PFPE 오일과의 호환성을 통해 절연 및 냉각 효과를 향상시켰습니다. 해당 부품은 불소계 오일에 1,000시간 이상 담가 두어도 특성 변화가 거의 나타나지 않습니다.
• 정격 전압에서 DF가 0.1% 미만이고 방전율이 5pC 미만인 N4700 유전체를 사용합니다. 낮은 손실로 자체 발열을 억제하고, 낮은 방전율로 내부 침식을 최소화합니다.
• 방사형 리드, 나사 단자 및 기타 방식으로 1kV~150kV 범위의 전압을 지원합니다. 손잡이 커패시터따라서 하나의 무기 시스템이 펄스 네트워크, 충전 공급 장치 및 트리거 필터 역할을 합니다.
• 레이저 현장 서비스 프로그램에서 최고 등급 브랜드의 제품으로 바로 사용 가능한 자격을 갖추고 있습니다. HVC 부품은 전기적 매개변수 및 패키지 치수가 일치합니다. Murata 스크류 타입, Vishay HVCC, TDK UHV/FHV.

배송 및 지원

표준 부품은 4~8주, 맞춤형 세트는 6~10주 내에 배송됩니다. HVC 응용 엔지니어링팀은 오일 및 캡슐화제 호환성 검사, 시너지 모델링, 씰 누출률 검토, 불소 노출 시험 계획 수립을 지원합니다.

불소 농도, 밀폐 공간 온도, 오일 등급 및 사용 시간을 보내주십시오. HVC는 5영업일 이내에 가속 시험 데이터가 포함된 재료 적합성 평가표와 2개 샘플 평가 키트를 보내드립니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 두 분해 속도를 합친 것보다 전체 분해 속도가 더 빠른 이유는 무엇입니까?

각 물질이 ​​서로 영향을 미치기 때문입니다. 에폭시는 HF와 불소화 라디칼을 방출하는데, 이것들이 오일에 용해되면 산성 오일이 내부에서 에폭시를 공격합니다. 또한 오일은 캡슐화제를 5%에서 20%까지 팽창시키고 균열을 일으켜 더 많은 불소가 침투하도록 합니다. 추가 항은 개별 반응 속도의 합보다 5배에서 20배 더 길어집니다.

Q2: 페어링의 서비스 수명 비용은 얼마입니까?

50°C에서 1% F2 용액에 에폭시와 광물유를 혼합하면 1,000시간마다 물성치가 30%에서 60%까지 손실되고 500시간에서 2,000시간 사이에 파손됩니다. 각 재료만 사용했을 경우 예상 수명은 5,000시간에서 10,000시간입니다. 하지만 이 두 재료를 PFPE 오일과 세라믹 재질로 교체하면 예상 수명이 유한 범위를 벗어납니다.

Q3: 어떤 오일과 캡슐화제 조합이 가장 안전한가요?

무기 세라믹 재질의 PFPE 오일은 두 물질 모두 HF를 용해시키거나 불소와 반응하지 않기 때문에 시너지 효과가 전혀 나타나지 않습니다. 브레이징 밀봉 처리된 세라믹 쉘 또한 HF가 유전체로 확산되는 것을 막습니다. 실리콘으로 캡슐화된 실리콘 오일은 2~5의 시너지 효과를 나타내는 실용적인 대안입니다.

Q4: 절연 강도를 얻으려면 오일은 무엇을 함유해야 합니까?

PFPE 오일은 40kV/mm 이상의 전압과 10¹⁴Ω·cm 이상의 비저항을 유지해야 합니다. 오일의 비저항이 10⁹Ω·cm 미만으로 떨어지기 전에 경보를 울리십시오. 오염된 광물유는 1,000~2,000시간 사용 후 이 값에 도달합니다. 산가와 점도도 같은 주기로 추적하고, 2,000~5,000시간마다 오일을 교체하십시오.

Q5: 전원 케이스에 불소가 들어가지 않도록 하려면 어떻게 해야 합니까?

챔버 경계에 이중 O링을 사용하고, 인클로저를 질소로 퍼지하고, 모든 고전압 피드스루에 금속 또는 나이프 엣지 씰을 사용하십시오. 전기화학 센서로 모니터링하고 10 ppm에서 경보를 울리십시오. 누출률은 1e−8 atm·cc/s 미만이어야 합니다. 정류기 다이오드 피드스루는 인클로저로 들어가는 마지막 경로를 차단합니다.

Q6: 새로운 소재 조합의 유효성을 어떻게 검증하나요?

사용 시 불소 농도의 2배 농도에서 최고 온도 범위로 1,000시간 동안 작동시킨 후 절연 강도, 질량 변화 및 산가를 측정합니다. 중간 노출 검토를 위해 1.5배 농도로 동일한 과정을 반복합니다. 특성 손실이 10% 미만이고 10배 확대 시 균열이 나타나지 않으면 해당 쌍을 승인합니다.

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