Láseres de excímeros: Recubrimiento de parileno para encapsulación de alto voltaje

Láseres de excímeros: Recubrimiento de parileno para encapsulación de alto voltaje

Compendio

Una película de 25 µm depositada por vapor aísla un componente de alto voltaje de una mezcla de flúor al 1 % a 3 atm, y el flúor necesita 50 000 h para penetrar 0.02 nm en ella. Este artículo describe los pasos de deposición, el coeficiente de difusión, la vida útil de la barrera, los valores dieléctricos, cuatro modos de fallo del recubrimiento y la preparación e inspección necesarias para mantener la película intacta.

1. Introducción

Un láser de excímero funciona con una mezcla de flúor, criptón, argón e hidrógeno, con una concentración de F2 del 0.1 % al 2 % y una presión atmosférica de 2 a 5 atmósferas. La fuente de alimentación de pulsos, sus condensadores, sus resistencias, sus diodos y sus placas de circuitos se encuentran dentro de esa atmósfera.

El flúor ataca primero a los encapsulantes orgánicos. Rompe la cadena polimérica, extrae hidrógeno y deja carbono, por lo que la superficie se vuelve quebradiza y conductora a la vez. El epoxi pierde la mitad de su resistencia a la tracción después de 5,000 horas y cuatro décadas de resistividad superficial después de 10 000 horas.

Un recubrimiento debe mantener el gas alejado del polímero subyacente y, al mismo tiempo, soportar el campo eléctrico. Esto descarta la mayoría de las películas orgánicas, ya que o bien absorben el gas o se degradan bajo el riel.

Este artículo abarca el proceso de deposición, los tres grados de Parylene, el coeficiente de difusión y la vida útil de la barrera, los valores dieléctricos, cuatro modos de fallo del recubrimiento y los pasos de preparación e inspección que mantienen la película intacta.

2. Mecanismo central

2.1 Deposición química en fase vapor

Dentro de una cámara de vacío, se forma una película de parileno en tres etapas, sin que ningún disolvente ni líquido entre en contacto con la pieza. El dímero se sublima a una temperatura de entre 150 °C y 180 °C bajo una presión de entre 0.1 Torr y 1 Torr. A continuación, el vapor atraviesa una zona de entre 650 °C y 700 °C y se descompone en monómeros reactivos. Estos monómeros llegan a la pieza a temperatura ambiente y polimerizan in situ.

La película crece a una velocidad de 1 µm/h a 2 µm/h, por lo que un recubrimiento de 25 µm requiere aproximadamente un turno. La deposición a temperatura ambiente es importante en una pieza láser, ya que tanto la capa de polímero como la junta de soldadura están expuestas al proceso y ninguna de ellas experimenta una carga térmica.

2.2 Los tres grados

El parileno N no tiene sustituyentes y presenta una rigidez dieléctrica superior a 7000 V/mil con una constante dieléctrica de 2.65. El parileno C añade un átomo de cloro al anillo, lo que aumenta la barrera contra la humedad y la entrada de productos químicos y establece la constante dieléctrica en 3.15. El parileno AF-4 sustituye el hidrógeno del anillo por flúor y añade grupos metilo, lo que eleva el umbral de radiación UV y el límite de temperatura continua a 200 °C.

En el caso de una carcasa láser, el Parylene C se encarga de la protección contra el flúor. Donde la luz de 193 nm incide sobre la pieza, la química del flúor del AF-4 gestiona la carga UV que degrada el Parylene N y C.

2.3 Difusión y vida de barrera

La acción de barrera proviene del coeficiente de difusión del flúor en la película, y sigue la forma habitual en función de la temperatura:

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

donde D es el coeficiente de difusión, D0 el factor preexponencial, Ed la energía de activación de la difusión, kB la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta.

El parileno C con D0 = 1e−9 cm²/s y Ed = 1.0 eV da D = 1.7e−26 cm²/s a 300 K. El frente se mueve entonces una distancia que sigue la raíz cuadrada del tiempo:

x = sqrt(D × t)

donde x es la profundidad alcanzada por el frente de ataque, D el coeficiente de difusión y t el tiempo de exposición. En 50 000 h, que son 1.8e8 s, x = 0.02 nm. En comparación con una película de 25 µm, esto representa un margen de siete órdenes de magnitud.

Si se invierte la misma relación, el tiempo de duración de la película es proporcional al cuadrado de su grosor:

t_barrier = x^2 / D

donde t_barrier es el tiempo que tarda el frente en cruzar la película, x el espesor de la película y D el coeficiente de difusión. Para 25 µm y 1.7e−26 cm²/s, el resultado es 3.7e20 s, lo que supera cualquier ventana de servicio de este equipo.

2.4 Valores dieléctricos

Un recubrimiento se sitúa entre el campo y la pieza, por lo que su degradación establece el límite superior del riel:

V_bd = E_bd × t

donde V_bd es la tensión de ruptura de la película, E_bd la rigidez dieléctrica y t el espesor de la película. El parileno C soporta 275 V/µm, por lo que una película de 25 µm soporta 6.9 kV y una película de 50 µm soporta más de 10 kV.

La película también añade capacitancia a cualquier nodo que cubre:

C_p = ε0 × εr / t

donde C_p es la capacitancia por unidad de área, ε0 la permitividad del vacío, εr la constante dieléctrica de la película y t su espesor. Con εr = 3.15 y t = 25 µm, la película añade 1.1 nF/cm². A 1 kHz, la película también tiene un factor de disipación de 0.002, una resistividad volumétrica superior a 1e16 Ω·cm y una resistividad superficial superior a 1e15 Ω/sq.

Figura 1 — Una película de Parylene C de 25 µm sobre un sustrato cerámico presenta una profundidad de ataque de 0.02 nm después de 50 000 h en F2 al 1 %.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Problema 1: Cobertura escasa en una esquina afilada.

Una película depositada por vapor sigue la superficie, y una esquina afilada aún termina con aproximadamente la mitad del espesor nominal. En un recubrimiento de 25 µm, esto deja un borde de 12 µm, y el campo se concentra en el mismo lugar.

Tras 10 000 a 20 000 horas, la zona delgada se degrada y comienza a formarse una marca. El operario culpa al proveedor del recubrimiento, y un corte transversal de una esquina muestra el espesor local. Un recubrimiento de 50 µm presenta un espesor de 25 µm en la misma esquina.

Problema 2: Desprendimiento debido a una superficie sucia.

Entre la película y la pieza se interponen aceite, polvo y una capa de óxido. La película depende de esa capa para adherirse, y los ciclos térmicos la desprenden.

Tras 5,000 a 15 000 horas, la zona levantada expone el polímero subyacente a la mezcla de gases. El operario atribuye la causa al promotor de adhesión, y una medición del ángulo de contacto del agua en la parte entrante muestra la contaminación antes de que se produzca el desprendimiento del recubrimiento.

Punto de dolor 3: Crujido sobre una articulación desalineada

Una unión de cobre a cerámica se descompone aproximadamente 10 ppm/°C. La película debe seguir ese movimiento, y una elongación del 20 % a la rotura solo soporta una cantidad limitada.

Después de 10,000 a 30,000 ciclos térmicos se abre una grieta sobre la junta y la mezcla de gases llega al sustrato. El operador culpa al espesor del recubrimiento, y la solución es una junta flexible o una película más gruesa sobre esa área. El mismo movimiento carga el N4700 Cuerpo cerámico y sus terminaciones.

Problema 4: Amarillamiento por rayos UV en una pieza DUV.

Cuando la luz de 193 nm incide sobre la película, el parileno N y C absorben la energía y se descomponen. La película amarillea, se vuelve quebradiza y pierde rigidez dieléctrica.

Tras entre 20,000 y 50,000 horas, la superficie presenta un desgaste a un voltaje menor. El operador atribuye el problema al riel, mientras que una película de Parylene AF-4 del mismo grosor soporta 10,000 horas de exposición a 193 nm sin amarillear.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Preparar la superficie antes de aplicar la capa.

Limpie con isopropanol o mediante plasma para eliminar aceite, polvo y óxido. Aplique un promotor de adhesión: silano A-174 para cerámica y HMDS para metal. Confirme el resultado midiendo el ángulo de contacto con el agua, que debe ser inferior a 10° en una superficie lista para el recubrimiento.

Estrategia 2: Establecer el espesor a partir del trabajo

Aplique un recubrimiento de 25 µm para servicio con flúor en rieles de hasta 5 kV, lo que deja una tensión de ruptura de 6.9 ​​kV. Para tensiones superiores a 10 kV, aumente a 50 µm y añada un refuerzo local sobre juntas o esquinas afiladas. Confirme el espesor mediante microscopía de sección transversal o un medidor de corrientes de Foucault, tanto en el punto más delgado como en una superficie plana.

Estrategia 3: Seleccionar el grado de la carga ligera

Utilice Parylene C para piezas expuestas a la mezcla de gases y poca luz, ya que la sustitución del cloro aumenta la barrera contra la humedad y los productos químicos. Utilice Parylene AF-4 donde la luz de 193 nm incida sobre la superficie y confirme su elección con 1,000 horas de exposición a dicha luz. En piezas que alcanzan altas temperaturas, AF-4 mantiene sus propiedades hasta los 200 °C.

Estrategia 4: Inspeccionar qué deja el proceso.

Inspeccione la película con un microscopio óptico para detectar poros, huecos y áreas levantadas, y realice una prueba de cinta adhesiva según el método ASTM D3359. Aumente la tensión dieléctrica hasta la ruptura a 500 V/s en una muestra de referencia. Exponga una tercera muestra a F2 al 5 % a 100 °C durante 1,000 h, lo que supera la mezcla de servicio y cubre todo el recubrimiento de una sola vez.

Estrategia 5: Aplicar el recubrimiento sobre un sello hermético.

Utilice un sello hermético de metal a cerámica como barrera primaria y el recubrimiento como barrera secundaria. Una junta con una presión inferior a 1e−9 atm·cm³/s detiene el gas en la carcasa, y la película de 25 µm cubre los pasamuros, las terminaciones y la placa circundante. Si una capa se degrada, la otra permanece intacta, y el conjunto garantiza una vida útil superior a las 100 000 horas.

Aplique el mismo tratamiento de dos capas al resistencias de clasificación en el divisor y al diodo de recuperación rápida paquete, ya que ambos se encuentran en la misma atmósfera que los condensadores.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	por debajo de 50 mΩ	-
Inductancia de bucle (cuerda E40)	por debajo de 8 nH	Espacio entre terminales de 40 mm
resistencia de aislamiento	superior a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Rango de temperatura	−40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacidad de dv/dt de pulso	por encima de 50 kV/µs	a tensión nominal

5. Condensadores HVC recubiertos de parileno para carcasas de flúor

En este nodo, la elección se basa en cuatro requisitos: una película que detenga el gas, cobertura en esquinas y grietas, un dieléctrico que soporte el riel y una adhesión que resista los ciclos térmicos. HVC opera esta línea de recubrimiento dentro de una fábrica propia de 6,000 m² en Dongguan, donde se realizan la deposición de vapor, la preparación de la superficie y la inspección, todo en el mismo edificio, con un rango de voltaje de 1 kV a 150 kV.

Seis parámetros que importan aquí

• Una película de Parylene C de 25 µm con un avance frontal de 0.02 nm después de 50,000 h y una resistividad superficial que se mantiene por encima de 1e15 Ω/sq.
• Cobertura de deposición dentro de ±5% del valor nominal en todas las caras, incluidas las grietas y las esquinas donde, de otro modo, un borde tendría la mitad del espesor.
• Una rigidez dieléctrica superior a 7000 V/mil, una constante dieléctrica de 3.15 y un factor de disipación de 0.002, que mantienen 6.9 kV a través de una película de 25 µm y añaden 1.1 nF/cm².
• Adhesión superior a 20 MPa gracias a la limpieza con plasma y un promotor de silano, que se mantiene durante 1,000 ciclos desde -40 °C hasta +125 °C sin desprendimiento.
• Una opción Parylene AF-4 que soporta 10,000 h de exposición a 193 nm sin amarilleamiento, para las partes que ven la luz láser. La cobertura de 1 kV a 150 kV sirve para la red de pulsos y la condensadores pomo de la puerta en el mismo recinto.
• Calificado como un reemplazo directo para piezas importadas de tipo tornillo en programas de fuentes de luz de litografía, con más de 50 000 h a 1 % F2, 40 kV y 6 kHz. Las piezas HVC coinciden con los parámetros y las dimensiones del paquete de Murata rangos de tipo tornillo.

Entrega y soporte

Las piezas estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas y los conjuntos personalizados en un plazo de 6 a 10 semanas. El departamento de ingeniería de aplicaciones de HVC ofrece asistencia en la selección de recubrimientos, la revisión del espesor y la clasificación, la cualificación de la adhesión y la planificación de las pruebas de exposición al flúor.

Envíe la concentración de flúor, la tensión de la línea de alimentación, la exposición a la luz en la pieza, el rango de temperatura y la geometría de la superficie. HVC le entregará una especificación de recubrimiento con datos de inspección y un kit de evaluación de dos muestras en un plazo de cinco días hábiles.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Cuánto tiempo se mantiene una película de parileno de 25 µm en una mezcla de flúor?

El frente se mueve como x = sqrt(D × t), y D es 1.7e−26 cm²/s a 300 K. En 50 000 h, eso equivale a 0.02 nm, lo que deja un margen de siete órdenes de magnitud con respecto al espesor de la película. Si invertimos el proceso con t_barrier = x^2 / D, la película gana 3.7e20 s, superando cualquier ventana de servicio de este equipo.

P2: ¿Qué grado de parileno es el más adecuado para una pieza láser?

Utilice Parylene C cuando la mezcla de gases sea la carga principal y poca luz llegue a la superficie, ya que la sustitución de cloro aumenta la barrera contra la humedad y los productos químicos. Utilice Parylene AF-4 cuando la pieza reciba luz de 193 nm, dado que la química fluorada absorbe la radiación UV que amarillea los Parylene N y C, y además tiene un límite de temperatura continua de 200 °C.

P3: ¿Qué grado de degradación produce el recubrimiento?

Se cumple que V_bd = E_bd × t. El parileno C soporta 275 V/µm, por lo que una película de 25 µm soporta 6.9 kV y una película de 50 µm soporta más de 10 kV. La película también añade 1.1 nF/cm² de capacitancia a partir de C_p = ε0 × εr / t con εr = 3.15, por lo que un nodo pequeño puede percibir la capacitancia adicional.

P4: ¿Por qué una esquina afilada termina siendo delgada?

Debido a que la película depositada por vapor sigue la superficie, y una esquina presenta menos área para el monómero entrante, la esquina puede tener la mitad del espesor nominal, lo que resulta en 12 µm en un borde que requiere 25 µm. Construya el espesor localmente y verifique una sección transversal en la esquina en lugar de en una superficie plana.

P5: ¿Cómo califico la adhesión?

Limpie con isopropanol o plasma, aplique silano A-174 sobre cerámica o HMDS sobre metal, y confirme que el ángulo de contacto con el agua sea inferior a 10°. A continuación, realice una prueba de adhesión con cinta adhesiva según el método ASTM D3359 y 1,000 ciclos térmicos de −40 °C a +125 °C. La adhesión superior a 20 MPa se mantiene durante toda la secuencia sin desprendimiento.

P6: ¿El recubrimiento reemplaza un sello hermético?

Conserve ambos, en ese orden. Una junta hermética por debajo de 1e−9 atm·cm³/s detiene el gas en la carcasa, y la película de 25 µm cubre los pasamuros y las placas a las que la junta no puede llegar. Con dos barreras, el conjunto soporta más de 100 000 h incluso después de que una de ellas se degrade. condensador de película Los componentes que se encuentran en el mismo recinto necesitan el mismo tratamiento en sus caras expuestas.

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