Lasers excimères : revêtement de parylene pour l’encapsulation haute tension

Lasers excimères : revêtement de parylene pour l’encapsulation haute tension

Abstract

Un film de 25 µm déposé par voie vapeur isole un composant haute tension d'un mélange à 1 % de fluor à 3 atm. Le fluor met 50 000 h à pénétrer de 0.02 nm dans le film. Cet article décrit les étapes de dépôt, le coefficient de diffusion, la durée de vie de la barrière, les valeurs diélectriques, quatre modes de défaillance du revêtement, ainsi que la préparation et le contrôle nécessaires à la préservation de l'intégrité du film.

1. Introduction

Un laser à excimères fonctionne avec un mélange de fluor, de krypton, d'argon et d'hydrogène, à une concentration de F₂ de 0.1 % à 2 % et sous une pression de 2 à 5 atmosphères. L'alimentation en impulsions, ses condensateurs, ses résistances, ses diodes et ses cartes électroniques sont tous immergés dans cette atmosphère.

Le fluor attaque d'abord les encapsulants organiques. Il rompt la chaîne polymère, extrait l'hydrogène et laisse du carbone, ce qui rend la surface à la fois cassante et conductrice. L'époxy perd la moitié de sa résistance à la traction après 5 000 h et quatre ordres de grandeur de résistivité de surface après 10 000 h.

Un revêtement doit empêcher le gaz d'atteindre le polymère sous-jacent tout en conduisant le champ électrique. Cela exclut la plupart des films organiques, car ils absorbent le gaz ou se dégradent sous le rail.

Cet article traite du processus de dépôt, des trois qualités de Parylene, du coefficient de diffusion et de la durée de vie de la barrière, des valeurs diélectriques, des quatre modes de défaillance du revêtement, ainsi que des étapes de préparation et d'inspection qui permettent de maintenir le film intact.

2. Mécanisme de base

2.1 Dépôt chimique en phase vapeur

Un film de parylene se forme en trois étapes dans une chambre à vide, sans contact avec aucun solvant ni liquide. Le dimère se sublime entre 150 °C et 180 °C sous une pression de 0.1 à 1 Torr. La vapeur traverse ensuite une zone de 650 °C à 700 °C et se décompose en monomères réactifs. Ces monomères atteignent la pièce à température ambiante et polymérisent sur place.

Le film se dépose à une vitesse de 1 à 2 µm/h ; un revêtement de 25 µm nécessite donc environ une heure de travail. Le dépôt à température ambiante est important pour une pièce laser, car la coque en polymère et la soudure sont toutes deux soumises au processus sans être exposées à une contrainte thermique.

2.2 Les trois niveaux

Le parylene N ne comporte aucun substituant et présente une rigidité diélectrique supérieure à 7 000 V/mil avec une constante diélectrique de 2.65. Le parylene C, par l’ajout d’un atome de chlore sur le cycle, renforce la barrière contre l’humidité et les agressions chimiques et fixe la constante diélectrique à 3.15. Le parylene AF-4 remplace l’hydrogène du cycle par du fluor et ajoute des groupes méthyle, ce qui augmente le seuil de sensibilité aux UV et la limite de température de fonctionnement continu à 200 °C.

Pour un boîtier laser, le Parylene C assure la protection contre le fluor. Lorsque la lumière de 193 nm atteint la pièce, la chimie fluorée de l'AF-4 gère le rayonnement UV qui dégrade le Parylene N et C.

2.3 Diffusion et durée de vie de la barrière

L'effet barrière provient du coefficient de diffusion du fluor dans le film, et il suit la forme habituelle en fonction de la température :

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

où D est le coefficient de diffusion, D0 le facteur pré-exponentiel, Ed l'énergie d'activation de la diffusion, kB la constante de Boltzmann et T la température absolue.

Le parylene C avec D0 = 1e−9 cm²/s et Ed = 1.0 eV donne D = 1.7e−26 cm²/s à 300 K. Le front se déplace alors d'une distance qui suit la racine carrée du temps :

x = sqrt(D × t)

où x représente la profondeur atteinte par le front d'attaque, D le coefficient de diffusion et t le temps d'exposition. Sur 50 000 h, soit 1.8 × 10⁸ s, x = 0.02 nm. Pour un film de 25 µm, cela représente une marge de sept ordres de grandeur.

Inversez cette même relation et le temps d'achat du film suit le carré de son épaisseur :

t_barrier = x^2 / D

où t_barrier représente le temps de traversée du film par le front, x l'épaisseur du film et D le coefficient de diffusion. Pour une épaisseur de 25 µm et une vitesse de 1.7 × 26⁻²⁶ cm²/s, le résultat est de 3.7 × 20²⁰ s, ce qui dépasse la durée de maintenance de cet équipement.

2.4 Valeurs diélectriques

Un revêtement se situe entre le champ et la pièce, de sorte que sa dégradation fixe la limite sur le rail :

V_bd = E_bd × t

où V_bd représente la tension de claquage du film, E_bd sa rigidité diélectrique et t son épaisseur. Le Parylene C supporte une tension de 275 V/µm ; un film de 25 µm supporte donc 6.9 kV et un film de 50 µm supporte plus de 10 kV.

Le film ajoute également de la capacité à tout nœud qu'il recouvre :

C_p = ε0 × εr / t

où C_p représente la capacité surfacique, ε0 la permittivité du vide, εr la constante diélectrique du film et t son épaisseur. Avec εr = 3.15 et t = 25 µm, le film ajoute 1.1 nF/cm². À 1 kHz, le film présente également un facteur de dissipation de 0.002, une résistivité volumique supérieure à 10¹⁶ Ω·cm et une résistivité de surface supérieure à 10¹⁵ Ω/sq.

Fig. 1 — Un film de Parylene C de 25 µm sur un substrat céramique subit une profondeur d'attaque de 0.02 nm après 50 000 h dans 1 % de F2.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point faible n° 1 : Couverture insuffisante dans un angle aigu

Un film déposé en phase vapeur épouse la surface, et même un angle aigu présente une épaisseur réduite de moitié environ par rapport à l'épaisseur nominale. Sur un revêtement de 25 µm, cela laisse un bord de 12 µm, et le champ se concentre au même endroit.

Après 10 000 à 20 000 heures d'utilisation, la zone mince se dégrade et des traces apparaissent. L'opérateur incrimine le fournisseur du revêtement, et une coupe transversale d'un angle révèle l'épaisseur locale. Une couche de 50 µm présente une épaisseur de 25 µm à cet endroit.

Point sensible n° 2 : Délamination due à une surface sale

De l'huile, de la poussière et une couche d'oxyde se déposent entre le film et la pièce. Le film adhère alors à cette couche, et les cycles thermiques provoquent son décollement.

Après 5 000 à 15 000 heures, la zone soulevée expose le polymère sous-jacent au mélange gazeux. L’opérateur incrimine le promoteur d’adhérence, et une mesure de l’angle de contact de l’eau sur la pièce entrante révèle une contamination avant même l’écoulement du revêtement.

Point douloureux n° 3 : Craquement dû à une articulation mal alignée

Une jonction cuivre-céramique se déforme d'environ 10 ppm/°C. Le film doit suivre ce mouvement, et un allongement à la rupture de 20 % ne compense qu'une partie de cette déformation.

Après 10 000 à 30 000 cycles thermiques, une fissure apparaît au niveau du joint et le mélange gazeux atteint le substrat. L’opérateur incrimine l’épaisseur du revêtement, et la solution consiste à obtenir un joint souple ou à appliquer un film plus épais sur cette zone. Le même mouvement sollicite le N4700 Corps en céramique et ses extrémités.

Point sensible n° 4 : Jaunissement dû aux UV sur une pièce exposée aux UV directs

Lorsque la lumière de 193 nm atteint le film, le Parylene N et C absorbe l'énergie et se décompose. Le film jaunit, devient cassant et perd sa rigidité diélectrique.

Après 20 000 à 50 000 heures d'utilisation, la surface présente une tension plus faible. L'opérateur incrimine le rail, tandis qu'un film de Parylene AF-4 de même épaisseur résiste à 10 000 heures d'exposition à 193 nm sans jaunissement.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Préparer la surface avant l’application du revêtement

Nettoyer à l'isopropanol ou par un procédé plasma pour éliminer l'huile, la poussière et l'oxyde. Appliquer un promoteur d'adhérence : silane A-174 pour la céramique et HMDS pour le métal. Vérifier l'adhérence en mesurant l'angle de contact avec l'eau ; celui-ci doit être inférieur à 10° sur une surface prête à recevoir le revêtement.

Stratégie 2 : Définir l’épaisseur à partir de la charge

Appliquer une épaisseur de 25 µm pour le service fluoré sur une voie ferrée jusqu'à 5 kV, ce qui laisse une tension de claquage de 6.9 ​​kV. Passer à 50 µm au-delà de 10 kV et ajouter un renfort local au niveau d'un joint ou d'un angle vif. Vérifier l'épaisseur par microscopie en coupe transversale ou par contrôle par courants de Foucault, au point le plus fin ainsi que sur une surface plane.

Stratégie 3 : Choisir la pente en fonction de la charge légère

Utilisez le Parylene C pour les pièces exposées à un mélange gazeux et à une faible lumière, car la substitution du chlore améliore la barrière contre l'humidité et les produits chimiques. Utilisez le Parylene AF-4 lorsque la surface est exposée à un rayonnement de 193 nm et validez ce choix par une exposition de 1,000 193 h à ce rayonnement. Pour les pièces fonctionnant à haute température, l'AF-4 conserve ses propriétés jusqu'à 200 °C.

Stratégie 4 : Examiner les résultats du processus

Examiner le film au microscope optique afin de détecter la présence de piqûres, de vides et de zones décollées, puis effectuer un test d'adhérence au ruban adhésif selon la méthode ASTM D3359. Procéder à un test diélectrique jusqu'à claquage à 500 V/s sur une éprouvette témoin. Exposer une troisième éprouvette à une solution de 5 % de F₂ à 100 °C pendant 2 1,000 h, durée supérieure à celle du mélange en service et permettant de couvrir l'intégralité du revêtement en une seule fois.

Stratégie 5 : Appliquer le revêtement sur un joint hermétique

Utilisez un joint hermétique métal-céramique comme barrière principale, puis le revêtement comme barrière secondaire. Un joint à une pression inférieure à 1⁻⁹ atm·cm³/s bloque le gaz au niveau du boîtier, et le film de 25 µm recouvre ensuite les traversées, les terminaisons et la carte environnante. Lorsqu'une couche se dégrade, l'autre reste intacte, et l'ensemble assure une durée de vie supérieure à 9 100,000 heures.

Appliquez le même traitement à deux couches à la résistances de gradation sur le séparateur et jusqu'au diode à récupération rapide l'emballage, car les deux se trouvent dans la même atmosphère que les condensateurs.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC revêtus de parylene pour boîtiers fluorés

Quatre exigences déterminent le choix de ce nœud : un film isolant, une couverture optimale des angles et des interstices, un diélectrique supportant le rail et une adhérence résistante aux cycles thermiques. HVC exploite cette ligne de revêtement dans une usine de 6 000 m² située à Dongguan, où le dépôt en phase vapeur, la préparation de surface et le contrôle sont effectués dans le même bâtiment, pour une gamme de tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• Un film de Parylene C de 25 µm avec une avance frontale de 0.02 nm après 50 000 h et une résistivité de surface qui reste supérieure à 1e15 Ω/sq.
• Couverture du dépôt à ±5 % de la valeur nominale sur chaque face, y compris les crevasses et les coins où un bord aurait autrement une épaisseur réduite de moitié.
• Une rigidité diélectrique supérieure à 7000 V/mil, une constante diélectrique de 3.15 et un facteur de dissipation de 0.002, qui maintiennent 6.9 kV à travers un film de 25 µm et ajoutent 1.1 nF/cm².
• Adhésion supérieure à 20 MPa grâce au nettoyage au plasma et à un promoteur de silane, qui se maintient pendant 1 000 cycles de −40 °C à +125 °C sans décollement.
• Une option Parylene AF-4, supportant 10 000 h d’exposition à 193 nm sans jaunissement, est proposée pour les pièces exposées au faisceau laser. La plage de tension d’alimentation de 1 kV à 150 kV couvre le réseau d’impulsions et… condensateurs poignée de porte sur le même boîtier.
• Qualifiées pour remplacer les composants à vis importés dans les programmes de sources lumineuses de lithographie, avec plus de 50 000 h à 1 % F2, 40 kV et 6 kHz. Les composants HVC correspondent aux paramètres et aux dimensions d'emballage de Murata Gammes à vis.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les ensembles personnalisés sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge la sélection du revêtement, l'examen de l'épaisseur et de la qualité, la qualification de l'adhérence et la planification des tests d'exposition au fluor.

Veuillez transmettre la concentration en fluor, la tension d'alimentation, l'exposition lumineuse de la pièce, la plage de températures et la géométrie de surface. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés un cahier des charges de revêtement accompagné des données d'inspection et d'un kit d'évaluation à deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Combien de temps un film de Parylene de 25 µm résiste-t-il dans un mélange fluoré ?

Le front se déplace selon la loi x = √(D × t), et D vaut 1.7 × 26⁻²⁶ cm²/s à 300 K. Sur 50,000 2 h, cela représente 0.02 nm, soit une marge de sept ordres de grandeur par rapport à l'épaisseur du film. En inversant le calcul avec t_barrière = x² / D, le film gagne 3.7 × 20²⁰ s, dépassant ainsi toute période de maintenance de cet équipement.

Q2 : Quel grade de Parylene convient à une pièce laser ?

Utilisez le Parylene C lorsque le mélange gazeux constitue la principale source de rayonnement et que peu de lumière atteint la surface, car la substitution par le chlore renforce la barrière contre l'humidité et les produits chimiques. Utilisez le Parylene AF-4 lorsque la pièce est exposée à un rayonnement de 193 nm, car sa composition fluorée retient les UV qui jaunissent le Parylene N et C, et il résiste à une température d'utilisation continue de 200 °C.

Q3 : Quel est le niveau de dégradation supplémentaire apporté par le revêtement ?

Il s'ensuit que V_bd = E_bd × t. Le parylene C supporte 275 V/µm, donc un film de 25 µm supporte 6.9 ​​kV et un film de 50 µm supporte plus de 10 kV. Le film ajoute également 1.1 nF/cm² de capacité, selon la relation C_p = ε0 × εr / t avec εr = 3.15 ; ainsi, un petit nœud peut être affecté par cette capacité supplémentaire.

Q4 : Pourquoi un angle aigu finit-il par être mince ?

Comme un film déposé en phase vapeur épouse la surface, un angle présente une surface d'entrée de monomère réduite. L'épaisseur au niveau de l'angle peut être réduite de moitié par rapport à l'épaisseur nominale, soit 12 µm au lieu de 25 µm. Il est donc conseillé de réaliser l'épaisseur localement et de vérifier une section transversale au niveau de l'angle plutôt que sur une face plane.

Q5 : Comment puis-je qualifier l'adhérence ?

Nettoyer à l'isopropanol ou au plasma, appliquer du silane A-174 sur la céramique ou du HMDS sur le métal, et vérifier que l'angle de contact avec l'eau est inférieur à 10°. Effectuer ensuite un test d'adhérence au ruban adhésif selon la méthode ASTM D3359 et 1 000 cycles thermiques de −40 °C à +125 °C. L'adhérence supérieure à 20 MPa est maintenue tout au long de cette séquence sans décollement.

Q6 : Le revêtement remplace-t-il un joint hermétique ?

Conservez les deux, dans cet ordre. Un joint hermétique à une pression inférieure à 10−9 atm·cm³/s empêche le gaz de pénétrer dans le boîtier, et le film de 25 µm recouvre les traversées et les cartes que le joint ne peut atteindre. Avec deux barrières, l'assemblage fonctionne pendant plus de 100 000 heures, même après la dégradation de l'une d'elles. condensateur à film Dans le même boîtier, il faut appliquer le même traitement sur les faces exposées.

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