Fluor résiduel : protection des condensateurs haute tension contre la corrosion

Fluor résiduel : protection des condensateurs haute tension contre la corrosion

Abstract

Un laser excimère reste inactif entre 2 000 et 4 000 heures par an, et le fluor résiduel présent dans la chambre attaque tous les métaux de base avec lesquels il entre en contact. La vitesse de réaction suit la loi d'Arrhenius ; une chambre froide réagit donc plus lentement, mais 3 000 heures d'inactivité suffisent à éliminer 300 µm de cuivre. Cet article traite des vitesses de réaction, du comportement des différents matériaux, des calculs de purge, ainsi que des étapes de scellement et de placage assurant la protection d'un condensateur de 40 kV.

1. Introduction

Un laser excimère de lithographie fonctionne avec un facteur de marche compris entre 50 % et 80 %, ce qui entraîne 2 000 à 4 000 heures d'arrêt par an. La chambre conserve son mélange gazeux pendant cet arrêt.

La concentration de fluor résiduel se maintient entre 0.01 % et 0.5 % en volume lorsque la pression dans la chambre est de 1 à 5 atm. Toutes les surfaces métalliques à l'intérieur y sont exposées pendant des mois.

Les pièces en fonctionnement atteignent des températures de 80 °C à 150 °C sous l'effet de la dissipation thermique par impulsions, et la chaleur ainsi générée élimine l'humidité superficielle. Une pièce à l'arrêt refroidit entre 15 °C et 25 °C, température suffisamment basse pour permettre la condensation.

Cet article traite des vitesses de réaction à basse température, du HF qui se forme sur une surface humide, des quatre voies de défaillance sur le terrain et des étapes de purge, de scellement et de placage qui permettent de les stopper.

2. Mécanisme de base

2.1 Cinétique de fluoration à basse température

La vitesse de réaction d'un métal avec le fluor suit la relation d'Arrhenius :

k(T) = A × exp(−E_a / (k_B × T))

où k(T) représente la constante de vitesse de réaction à la température absolue T, A le facteur pré-exponentiel, E_a l'énergie d'activation et k_B la constante de Boltzmann. Pour la fluoration du cuivre, Cu + F₂ → CuF₂, l'énergie d'activation est de 0.3 eV.

Le rapport entre deux températures s'ensuit directement :

k(T2) / k(T1) = exp[−(E_a / k_B) × (1/T2 − 1/T1)]

où T1 et T2 représentent les deux températures absolues et k(T1) et k(T2) les vitesses de corrosion à ces points. De 100 °C à 25 °C, la vitesse de corrosion du cuivre diminue d'un facteur 0.51 ; le cuivre froid se corrode donc deux fois moins vite que le cuivre chaud.

Une réduction de moitié du taux de corrosion ne permet pas de sauver la pièce, car la période d'exposition se prolonge. La profondeur de corrosion augmente avec le temps.

d = v × t

où d représente la profondeur de corrosion, v la vitesse de corrosion et t la durée d'exposition. Le cuivre, exposé à une vitesse de corrosion de 0.1 µm/h dans une solution de F₂ à 0.5 %, atteint une profondeur de corrosion de 300 µm après 3 000 heures, soit la quasi-totalité de l'épaisseur d'un conducteur de 0.5 mm de diamètre.

Le moment d'ouvrir le plomb est le suivant :

t_fail = d_lead / v

où t_fail représente le temps avant rupture, d_lead le diamètre du conducteur et v le taux de corrosion. Un conducteur de 0.5 mm de diamètre, soumis à une corrosion de 0.1 µm/h, tombe en panne après 5 000 heures, ce qui peut être atteint lors d'une longue interruption de service et de quelques jours fériés.

2.2 Formation de HF sur une surface de condensation

Le fluor et l'eau réagissent à la surface lorsque la chambre refroidit :

F₂ + H₂O → HF + HOF

À une concentration de 0.1 % de F₂ et une humidité relative de 80 %, l'eau condensée atteint une concentration de 100 à 1 000 ppm de HF. Cette concentration attaque rapidement les métaux de base : plus de 10 µm/h pour le cuivre, plus de 50 µm/h pour l'aluminium et plus de 5 µm/h pour l'argent dans une solution à 1 000 ppm.

L'attaque est localisée. Elle débute aux points de condensation et creuse la surface, ce qui provoque une perte de résistance du conducteur en quelques endroits précis, tout en préservant son intégrité entre ces points. Après 1 000 heures d'arrêt en milieu humide, une piqûre peut être suffisamment profonde pour rompre le conducteur sous l'effet des cycles thermiques.

2.3 Comportement du matériau dans une chambre à fluor froid

Le cuivre forme du CuF₂, qui absorbe l'eau et retient un électrolyte à sa surface. Après 2 000 heures, les plombs présentent des produits de corrosion verdâtres et perdent de leur résistance mécanique.

Le plaquage argent forme une couche d'AgF, poreuse et photosensible, qui n'offre aucune protection. Des taches sombres apparaissent après 3 000 heures, et le cuivre sous-jacent est alors exposé à la corrosion. Le plaquage étain forme une poudre blanche de SnF₂ qui s'écaille et expose le métal frais ; la conversion complète du revêtement d'étain prend environ 1 000 heures.

L'or ne réagit pas avec le fluor à température ambiante. Un câble plaqué or reste propre après 10 000 heures d'inactivité, et la céramique elle-même résiste à la corrosion, contrairement aux électrodes métallisées.

2.4 Purge arithmétique

Une purge à l'azote dilue le gaz résiduel, et le temps nécessaire est le suivant :

t = −(V / Q) × ln(C_final / C_initial)

où t représente le temps de purge, V le volume de la chambre, Q le débit d'azote, C_initial la concentration initiale de fluor et C_final la concentration cible. Dans une chambre de 100 L, avec un débit de 10 L/min, la concentration de fluor passe de 0.5 % à 10 ppm en 62 minutes.

Fig. 1 — Un conducteur en cuivre à 0.1 µm par heure atteint la limite de 500 µm d'un conducteur de 0.5 mm à 5 000 heures d'arrêt, tandis qu'un conducteur plaqué or ne montre aucune perte mesurable.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Corrosion du plomb provoquant l’ouverture du circuit

Les conducteurs en cuivre et argent finissent par se corroder après 2 000 à 5 000 heures d'arrêt, soit 6 à 12 mois d'indisponibilité normale. La panne se manifeste par un circuit ouvert au premier démarrage après un arrêt, et les cycles thermiques sont mis en cause.

Point faible n° 2 : Corrosion des contacts qui augmente la résistance

Lors d'une coupure de courant, les contacts en cuivre et en argent des connecteurs et des commutateurs subissent la formation de couches de CuF₂ et d'AgF. La résistance de contact passe de 1 mΩ à 100 mΩ en 1 000 à 3 000 heures, et la chute de tension supplémentaire provoque un échauffement du contact lors de l'impulsion suivante.

Point faible n° 3 : Corrosion des pistes du circuit imprimé provoquant des fuites de courant

Les pistes de cuivre, la condensation de l'eau et le fluor produisent du HF à la surface du circuit imprimé. Ce composé crée des ponts entre les pistes adjacentes, et un courant de fuite de 1 µA apparaît après 2 000 à 5 000 heures. Mesurez-le avec un… résistance d'échantillonnage Au niveau du retour de l'alimentation, une augmentation constante lors des coupures indique une corrosion à l'état de traces, tandis que l'humidité seule se rétablit après un dessèchement.

Point faible n° 4 : Corrosion des joints de soudure entraînant une rupture de contact

Dans un assemblage étain-plomb ou étain-argent, l'étain se transforme en poudre de SnF₂ en environ 1 000 heures. L'assemblage se rétrécit, se fissure sous l'effet des cycles thermiques et présente un défaut intermittent qu'aucun test fonctionnel ne peut reproduire.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Purger à l'azote sec pendant la coupure

Faire circuler de l'azote sec jusqu'à ce que le taux de F₂ descende en dessous de 10 ppm, puis maintenir une surpression de 0.1 atm pour empêcher toute entrée d'air et d'humidité. Une chambre de 100 L à un débit de 10 L/min nécessite 62 minutes pour atteindre 0.5 %, ce qui est compatible avec une durée d'arrêt normale.

Stratégie 2 : Sceller le volume interne

Choisissez un emballage hermétique N4700 Condensateurs, résistances et connecteurs à joints métal-céramique. Vérifier l'étanchéité par un test de fuite à l'hélium à un débit inférieur à 10⁻⁹ atm·cm³/s, et la tester à 10 atm afin que la chambre à 5 atm reste dans les limites de sécurité. Un composant étanche maintient son atmosphère interne à 1 atm, quelles que soient les conditions de la chambre. Lorsque plusieurs condensateurs étanches partagent un bus CC, ajouter résistances de gradation Ainsi, la division de tension ne sollicite pas les joints d'étanchéité.

Stratégie 3 : Plaquer les conducteurs et les contacts avec de l’or

Spécifiez une couche d'or dur de 50 µin sur une sous-couche de nickel pour chaque fil et contact. L'or ne réagit pas avec le fluor à température ambiante ; la résistance de contact reste donc inférieure à 2 mΩ après 10 000 heures et le placage résiste à 100 000 cycles d'insertion/d'accouplement. Vérifiez l'épaisseur par fluorescence X sur un échantillon de chaque lot.

Stratégie 4 : Recouvrir les surfaces externes de parylene

Une couche de Parylene C de 25 µm bloque le fluor et l'humidité sur le corps du composant et la carte environnante. Appliquez cette couche avant l'assemblage final et vérifiez la couverture par microscopie optique et par un test d'adhérence à l'aide d'un ruban adhésif sur un échantillon témoin.

Stratégie 5 : Contrôler l’humidité et inspecter après les pannes prolongées

Maintenir l'humidité relative de la chambre en dessous de 30 % à l'aide de sachets déshydratants ou d'une purge à air sec, et déclencher une alarme au-dessus de 50 %. Après toute interruption de service supérieure à une semaine, inspecter les conducteurs, les contacts et les pistes, nettoyer avec de l'IPA et mesurer la résistance de contact et d'isolation par rapport aux valeurs de mise en service. condensateur à film Dans le même boîtier, il nécessite la même inspection, car ses joints d'extrémité laissent passer l'humidité selon le même calendrier qu'un boîtier en époxy.

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 résistants à la corrosion à froid pour chambres à excimères

Trois exigences déterminent le choix de ce nœud : un volume interne totalement isolé du gaz de la chambre, des conducteurs insensibles au fluor et une surface incapable de retenir la condensation. HVC fabrique des composants N4700 hermétiquement scellés avec des conducteurs plaqués or dans son usine de 6 000 m² à Dongguan, pour une gamme de tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• Le joint hermétique métal-céramique maintient le volume interne à 1 atm avec un taux de fuite inférieur à 10⁻⁹ atm·cm³/s, de sorte que le diélectrique du §2.3 ne rencontre jamais le F₂ qui reste dans la chambre.
• Les conducteurs plaqués or, 50 µin d'or dur sur nickel, restent exempts de CuF₂ et d'AgF, de sorte que la résistance des conducteurs reste inférieure à 10 mΩ après 10 000 heures d'arrêt.
• Les contacts plaqués or maintiennent une résistance de contact inférieure à 2 mΩ sans oxydation et résistent à 100 000 cycles d'accouplement sans usure.
• Un revêtement de Parylene C de 25 µm sur les surfaces extérieures bloque le fluor et l'humidité et empêche la formation de HF au niveau du corps et des pistes adjacentes.
• Le stockage sous azote sec et le transport à un taux d'humidité relative inférieur à 10 % permettent de maintenir les pièces sèches avant l'installation, de sorte que la première panne ne soit pas due à une surface humide.
• Pièces qualifiées pour une durée d'arrêt de 5 000 heures par an pendant plus de 10 ans dans des sources lumineuses de lithographie, sans défaillance due à la corrosion à froid.

Disques à fils radiaux, bornes à vis et condensateurs poignée de porte couvrent la plage de 1 kV à 150 kV. Les composants HVC correspondent aux paramètres de Vishay HVCC, KEMET à câbles radiaux, Murata DHS/DHR et TDK UHV/FHV.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les ensembles hermétiques plaqués or sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge le dimensionnement du système de purge, la planification des tests d'herméticité, les spécifications de placage et les tests d'exposition à la corrosion à froid.

Veuillez indiquer le volume de la chambre, la composition du mélange gazeux et la pression, le nombre d'heures d'arrêt annuel et le schéma de l'interface de connexion. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une recommandation de pièce accompagnée des données relatives au taux de fuite, des relevés d'épaisseur de placage et d'un kit d'évaluation comprenant deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi la corrosion à froid est-elle pire que la corrosion à température de fonctionnement ?

Le taux de fluoration diminue tandis que l'exposition augmente, et l'eau se condense à 25 °C. Le cuivre se fluorure à 51 % de son taux maximal à chaud à 25 °C, or le gaz stagne pendant 2 000 à 4 000 heures par an au lieu de circuler. La couche condensée transforme alors le F₂ en HF, qui attaque le cuivre à une vitesse supérieure à 10 µm/h.

Q2 : Combien de temps un plomb en cuivre survit-il dans du fluor résiduel ?

Utilisez t_fail = d_lead / v. À 0.1 µm/heure dans une atmosphère à 0.5 % de F₂, un conducteur de 0.5 mm atteint sa limite de 500 µm après 5 000 heures d'arrêt, et 3 000 heures suffisent déjà pour enlever 300 µm. Le plaquage argent et le plaquage étain offrent une protection moindre que le cuivre nu sur la même période.

Q3 : Quel type de placage dois-je spécifier pour un environnement fluoré ?

L'or, une couche de 50 µm d'or dur déposée sur une sous-couche de nickel, ne réagit pas avec le fluor à température ambiante. Il conserve ainsi une résistance des conducteurs inférieure à 10 mΩ et une résistance de contact inférieure à 2 mΩ après 10 000 heures. L'argent forme une couche poreuse de AgF après 3 000 heures, et l'étain se transforme en poudre de SnF₂ en environ 1 000 heures.

Q4 : Combien de temps dure une purge à l'azote ?

Suivre la formule t = −(V / Q) × ln(C_final / C_initial). Dans une chambre de 100 L, avec un débit de 10 L/min, la concentration en F₂ passe de 0.5 % à 10 ppm en 62 minutes. Appliquer ensuite une surpression d'azote de 0.1 atm pour empêcher toute entrée d'air et d'humidité pendant le reste de l'arrêt.

Q5 : Un joint hermétique résout-il le problème à lui seul ?

Ce procédé élimine les risques internes et isole les composants externes. Les pièces scellées sont maintenues dans une atmosphère à 1 atm, mais les conducteurs, les contacts et les pistes du circuit imprimé restent exposés aux gaz de l'enceinte. Ce scellement peut être complété par un plaquage or, un revêtement en Parylene et un contrôle de l'humidité relative en dessous de 30 %.

Q6 : Que doit vérifier le service de maintenance après une panne ?

Mesurer la résistance de contact, la résistance d'isolement et le courant de fuite à travers une résistance de mesure, en les comparant aux valeurs de mise en service. Après toute interruption de service supérieure à une semaine, inspecter les conducteurs, les contacts et les pistes afin de détecter la présence de poudre ou de piqûres, nettoyer à l'alcool isopropylique et remplacer tout conducteur présentant une piqûre de plus de 20 % de son diamètre.

7. Références

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