Fournitures pour excimères : huile résistante au fluor et encapsulation

Fournitures pour excimères : huile résistante au fluor et encapsulation

Abstract

L'huile et l'encapsulant se dégradent plus rapidement ensemble que séparément. L'acide fluorhydrique et les radicaux fluorés provenant d'un matériau se dissolvent dans l'autre et l'attaquent de l'intérieur, multipliant ainsi la vitesse de dégradation par 5 à 20. Cet article présente les vitesses de dégradation individuelles et combinées, le modèle de durée de vie, quatre modes de défaillance sur le terrain, ainsi que les combinaisons huile/encapsulant permettant de maintenir une alimentation laser en fonctionnement pendant 10 000 heures.

1. Introduction

L'alimentation d'un laser excimère nécessite une isolation et un refroidissement renforcés autour de ses composants haute tension. L'huile isolante remplit les espaces entre les composants, supprime les décharges partielles et dissipe la chaleur. Les composants eux-mêmes sont encapsulés dans un matériau organique à base d'époxy, de silicone ou de polyuréthane.

En présence de fluor, les deux matériaux sont simultanément dégradés. Chacun se dégrade individuellement à une vitesse mesurable. Au contact, les produits de dégradation de l'un accélèrent la dégradation de l'autre. La vitesse de dégradation combinée est 5 à 20 fois supérieure à la somme des deux vitesses individuelles.

L'exposition est importante dans cette application. La chambre contient de 0.1 % à 5 % de F₂ et des fuites se produisent dans l'enceinte électrique. Cette dernière fonctionne à une température de 50 °C à 80 °C. Le champ électrique atteint 10 kV/mm à 30 kV/mm et la fréquence de répétition des impulsions atteint 6 kHz.

Cet article traite de la dégradation individuelle et combinée, de la compatibilité de six paires d'huile et d'encapsulant, de quatre modes de défaillance sur le terrain, du modèle de durée de vie et des étapes de sélection qui garantissent une fenêtre de service de 10 000 h.

2. Mécanisme de base

2.1 Dégradation de l'encapsulant

Le fluor enlève l'hydrogène de la chaîne polymère et le remplace par du fluor :

R−H + F2 → R−F + HF

où R−H est une unité de répétition polymère avec de l'hydrogène, F2 la molécule de fluor, R−F l'unité fluorée et HF le fluorure d'hydrogène libéré.

Cette même réaction rompt également la structure principale et réticule les chaînes voisines. L'époxy à 50 °C dans 1 % de F2 perd de 1 % à 5 % de ses propriétés toutes les 1 000 heures. Il devient cassant, se fissure et cesse de protéger la pièce après 5 000 à 10 000 heures.

2.2 Dégradation de l'huile isolante

L'huile minérale réagit de la même manière et ses chaînes hydrocarbonées se fluorent :

CnH2n+2 + F2 → CnH2n+1F + HF

où CnH2n+2 est une molécule de paraffine, F2 la molécule de fluor, CnH2n+1F le produit fluoré et HF le fluorure d'hydrogène libéré.

Les espèces réactives de l'oxygène oxydent ensuite l'huile en acides, boues et gaz. Les radicaux polymérisent les molécules d'huile et augmentent sa viscosité. À 50 °C, l'huile minérale contenant 1 % de F₂ perd de 2 % à 10 % de ses propriétés par tranche de 1 000 heures, devient acide et perd sa rigidité diélectrique après 3 000 à 8 000 heures.

2.3 Le terme de synergie

Au contact, trois phénomènes s'ajoutent aux deux vitesses de réaction. Le HF provenant de l'encapsulant se dissout dans l'huile et forme de l'acide fluorhydrique, beaucoup plus corrosif que le F2 et qui attaque l'huile de l'intérieur. Des radicaux fluorés se diffusent dans l'huile et amorcent des réactions en chaîne. L'huile absorbe les sous-produits, l'encapsulant gonfle de 5 à 20 % et des fissures apparaissent, laissant pénétrer davantage de fluor.

Le taux combiné comporte une condition supplémentaire :

k_syn = S × (k1 + k2)

où k_syn représente le taux de dégradation synergique, S le facteur de synergie, k1 le taux d'encapsulation et k2 le taux de dégradation de l'huile. Pour une huile minérale contenant de l'époxy dans 1 % de F2 à 50 °C, S varie de 5 à 10 et le taux observé atteint 30 % à 60 % par 1 000 h.

2.4 Prédiction de la durée de vie

Le délai avant défaillance est calculé en divisant la valeur initiale du bien par la somme des taux :

t_failure = C0 / (k1 + k2 + k_syn)

où t_failure est le temps jusqu'à la défaillance, C0 la propriété initiale du matériau telle que la rigidité diélectrique, k1 et k2 les taux individuels par 1 000 h et k_syn le taux combiné.

Avec k1 = 3, k2 = 3, k_syn = 30 et C0 = 100, t_failure = 100 / 36 × 1 000, soit 2 780 h. La plage mesurée étant de 500 h à 2 000 h, le modèle est suffisamment sûr.

La pénétration du HF suit également une loi de diffusion, et la profondeur augmente avec la racine carrée du temps :

x = 2 × sqrt(D × t)

où x représente la profondeur de pénétration de HF dans l'encapsulant, D le coefficient de diffusion de HF dans le polymère et t le temps d'exposition. La protection est interrompue dès que la profondeur atteint l'électrode, indépendamment du débit global.

Fig. 1 — L'huile minérale avec époxy atteint une perte de propriétés de 45 % par 1 000 h à 50 °C dans 1 % de F2 ; une huile fluorée avec un corps céramique inorganique ne montre aucun terme de synergie.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : L’huile contaminée perd de sa rigidité diélectrique

En présence d'huile minérale et d'époxy, la réaction combinée libère du HF et des radicaux fluorés directement dans l'huile. Après 1 000 à 2 000 heures, l'huile devient acide (pH inférieur à 4) et sa résistivité chute en dessous de 10⁹ Ω·cm.

L'huile conduit alors un courant de fuite à travers l'espace d'isolation, ce qui provoque la défaillance de la pièce. L'opérateur incrimine le fournisseur d'huile, et un nouveau remplissage avec la même huile entraîne la même panne dans le même délai.

Point sensible n° 2 : Le gonflement de l’encapsulant crée un passage pour l’humidité.

L'huile absorbe les sous-produits fluorés et provoque le gonflement de l'encapsulant de 5 à 20 %. Après 500 à 1 500 heures, ce gonflement entraîne la fissuration du revêtement. L'eau atteint alors la surface de la céramique et se combine au HF pour former un film hautement corrosif.

La pièce tombe en panne après 1 000 à 3 000 heures de fonctionnement et l'opérateur incrimine le fournisseur du joint. Un brasage hermétique céramique-métal élimine le passage créé par le gonflement.

Point faible n° 3 : Des boues obstruent le circuit de refroidissement

La polymérisation radicalaire dans l'huile minérale forme des boues qui se déposent sur les surfaces des composants. Après 1 000 à 3 000 heures, ces boues obstruent la circulation de l'huile dans les canaux de refroidissement et créent un point chaud au niveau du diélectrique dissipatif.

L'élévation de température accélère alors les réactions chimiques, ce qui entraîne une formation accrue de boues. L'opérateur incrimine le circuit de refroidissement, et l'analyse d'huile révèle que l'indice d'acidité et la viscosité sont déjà hors normes.

Point sensible n° 4 : La production de gaz augmente la pression interne

Sous l'effet du fluor, les matières organiques libèrent du HF, du H2, du CF4 et du CO2. Dans un récipient hermétique, les gaz s'accumulent et la pression augmente. Après 2 000 à 5 000 heures, le joint cède ou le récipient se fissure.

L'opérateur constate la rupture d'une pièce et l'attribue à une surpression. L'analyse de l'espace de tête révèle la présence de fluor dès le premier poste de travail.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Utiliser de l’huile fluorée

Remplacez l'huile minérale par du perfluoropolyéther, qui ne dissout ni l'HF ni les radicaux fluorés. L'huile PFPE présente une rigidité diélectrique supérieure à 40 kV/mm, une résistivité supérieure à 10^14 Ω·cm et une stabilité thermique jusqu'à 200 °C. Vérifiez la compatibilité avec l'encapsulant pendant plus de 1,000 2 heures à une concentration de fluor deux fois supérieure à la concentration de service.

Stratégie 2 : Remplacer l’encapsulant organique par de la céramique

Passer de l'époxy ou du silicone à une encapsulation en céramique inorganique d'alumine ou de zircone, qui ne réagit pas avec le fluor. Une coque en céramique assure une étanchéité hermétique, supporte une tension supérieure à 20 kV/mm et conduit une conductivité thermique de 20 à 30 W/m·K. N4700 La pièce dotée d'un corps en céramique et d'un joint brasé élimine la surface organique du système.

Stratégie 3 : Revenir à l’huile de silicone avec encapsulation de silicone

Lorsque le coût du PFPE ou la présence d'une coque en céramique excluent les deux premières options, utilisez de l'huile de silicone avec un encapsulant silicone. Ce mélange présente un facteur de synergie de 2 à 5, contre 10 à 20 pour l'huile minérale avec époxy. Vérifiez son efficacité sur 1 000 heures à une concentration de fluor 1.5 fois supérieure à la concentration de service.

Stratégie 4 : Filtrer l’huile et programmer son remplacement

Installez un système de filtration pour éliminer l'acide fluorhydrique, les boues et les particules de l'huile. Remplacez l'huile toutes les 2 000 à 5 000 heures et surveillez l'indice d'acide, la rigidité diélectrique et la viscosité. Procédez à la vidange en fonction de l'évolution de ces paramètres, avant que la résistivité ne descende en dessous de 10⁹ Ω·cm.

Stratégie 5 : Réduire la quantité de fluor qui atteint l’enceinte

Utilisez des joints toriques doubles et une purge à l'azote à la périphérie de la chambre. Utilisez des joints métalliques ou des raccords à lame de couteau sur chaque traversée haute tension et surveillez l'enceinte à l'aide de capteurs électrochimiques. Déclenchez une alarme à 10 ppm de F2, valeur largement inférieure au seuil de 0.1 % dans la chambre.

Stratégie 6 : Revêtement des corps de résistances contre le fluor

Sélectionner HVR-BSP résistances à couche épaisse en série avec des revêtements résistants au fluor, en époxy avec charge céramique ou en silicone avec charge d'alumine, et spécifier une épaisseur de revêtement supérieure à 50 µm. Vérifier le revêtement contre l'huile choisie pendant 1 000 h à 1 % de F2.

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 N4700 pour alimentations laser exposées au fluor

Trois exigences déterminent le choix de ce nœud : un corps insensible au fluor, un joint étanche au fluor et un diélectrique résistant à l'immersion dans l'huile PFPE. HVC fabrique ces composants dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan, pour une gamme de tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• Un corps entièrement inorganique composé de céramique d'alumine, d'électrodes en argent-palladium et de joints en verre. Aucun de ces trois éléments ne réagit avec le fluor, HF ou les radicaux fluorés ; par conséquent, le terme de synergie ne peut être appliqué.
• Un joint brasé céramique-métal avec un taux de fuite inférieur à 1e−8 atm·cc/s. Le diélectrique interne n'est jamais en contact avec l'atmosphère de l'enceinte, de sorte que le chemin de diffusion HF de la section 2.4 est coupé au niveau de la paroi.
• Compatibilité avec l'huile PFPE pour une isolation et un refroidissement accrus. La pièce peut rester immergée dans de l'huile fluorée sans modification notable de ses propriétés pendant plus de 1 000 h.
• Le diélectrique N4700 présente un facteur de dissipation inférieur à 0.1 % et une décharge inférieure à 5 pC à la tension nominale. Les faibles pertes limitent l'échauffement et la faible décharge empêche toute érosion interne.
• Couverture de 1 kV à 150 kV en câblage radial, à bornes à vis et condensateurs poignée de porte, donc un seul système inorganique assure le fonctionnement du réseau d'impulsions, de l'alimentation de charge et du filtre de déclenchement.
• Compatible avec les grandes marques de services laser sur site. Les composants HVC correspondent aux paramètres électriques et aux dimensions d'emballage de Murata à vis, Vishay HVCC et TDK UHV/FHV.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les kits sur mesure sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge le contrôle de compatibilité des huiles et des encapsulants, la modélisation des synergies, l'analyse du taux de fuite des joints et la planification des tests d'exposition au fluor.

Veuillez indiquer la concentration en fluor, la température de l'enceinte, la qualité de l'huile et la durée de service. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une fiche de compatibilité des matériaux contenant les données des tests accélérés ainsi qu'un kit d'évaluation à deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi la dégradation combinée est-elle plus rapide que la somme des deux taux ?

Chaque matériau alimente l'autre. L'époxy libère du fluorure d'hydrogène (HF) et des radicaux fluorés qui se dissolvent dans l'huile. Cette dernière, acide, attaque alors l'époxy de l'intérieur. L'huile provoque également un gonflement de l'encapsulant de 5 à 20 % et crée des fissures qui permettent à davantage de fluor de pénétrer. Le terme supplémentaire est de 5 à 20 fois supérieur à la somme des taux individuels.

Q2 : Quel est le coût de la durée de vie du service d'appairage ?

L'huile minérale avec époxy à 50 °C dans 1 % de F2 subit une perte de propriétés de 30 à 60 % par tranche de 1 000 h et devient inutilisable entre 500 et 2 000 h. Chaque matériau pris individuellement permettrait d'estimer une durée de vie de 5 000 à 10 000 h. En remplaçant ce couple par de l'huile PFPE et un corps en céramique, la durée de vie prévue devient nettement supérieure.

Q3 : Quelle combinaison d'huile et d'encapsulant est la plus sûre ?

L'huile PFPE associée à un corps en céramique inorganique ne présente aucune synergie, car aucun des deux matériaux ne dissout l'HF ni ne réagit avec le fluor. Une enveloppe en céramique avec un joint brasé empêche également la diffusion de l'HF vers le diélectrique. L'huile de silicone encapsulée dans du silicone constitue la solution de repli pratique, avec un facteur de synergie de 2 à 5.

Q4 : Quelles propriétés l'huile doit-elle posséder pour assurer sa rigidité diélectrique ?

L'huile PFPE présente une tension supérieure à 40 kV/mm et une résistivité supérieure à 10^14 Ω·cm. Déclenchez une alarme avant que la résistivité de l'huile ne descende en dessous de 10^9 Ω·cm, seuil auquel se situe l'huile minérale contaminée après 1 000 à 2 000 heures d'utilisation. Surveillez l'indice d'acide et la viscosité selon le même calendrier et remplacez l'huile toutes les 2 000 à 5 000 heures.

Q5 : Comment empêcher le fluor de pénétrer dans le boîtier électrique ?

Utilisez des joints toriques doubles à la périphérie de la chambre, purgez l'enceinte à l'azote et utilisez des joints métalliques ou à lame sur chaque traversée haute tension. Surveillez avec un capteur électrochimique et déclenchez une alarme à 10 ppm. Un taux de fuite inférieur à 1−8 atm·cm³/s sur le Diode redresseur Les traversées de câbles ferment le dernier accès à l'enceinte.

Q6 : Comment puis-je qualifier une nouvelle combinaison de matériaux ?

Effectuez un cycle de 1,000 2 h à une concentration de fluor deux fois supérieure à la concentration de service et à la limite supérieure de la plage de température, puis mesurez la rigidité diélectrique, la variation de masse et l’indice d’acide. Répétez l’opération à une concentration 1.5 fois supérieure pour un contrôle d’exposition modérée. Acceptez la paire lorsque la perte de propriétés reste inférieure à 10 % et qu’aucune fissure n’apparaît sous un grossissement de 10×.

7. Références

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