Proč může velmi čistý (nízký{0}}popel) ohřívač PFA vykazovat dřívější dielektrický průraz v prostředí s vysokou-vlhkostí?

Pro základní aplikace vyžadující malé množství extrahovatelných látek a iontových znečišťujících látek jsou určeny velmi čisté třídy PFA (třída s nízkým-popelem, polovodič{1}}). Tyto druhy mají obsah popela<0.01% (versus 0.1-0.5% for normal PFA). Paradoxically, very pure PFA heaters can show sooner dielectric breakdown than conventional PFA heaters in high humidity conditions (≥80% RH). That's because conventional PFA contains trace metal oxides (calcium oxide, magnesium oxide, aluminium oxide) that are water-absorbing fillers or stabilisers. These oxides react with moisture to generate hydroxides which devour water molecules and maintain high electrical resistance. These moisture scavenging organisms are absent in very pure PFA. The absorbed water molecules stay free in the polymer matrix, enhancing the ionic conductivity and reducing the dielectric strength. In high humidity environments, the electrical dependability of normal PFA can be better than ultra-pure PFA.

Mechanismus absorpce vlhkosti a dielektrického průrazu
PFA přijímá 0,03 až 0,10 % hmotnostních vody při 100 % relativní vlhkosti v závislosti na teplotě a krystalinitě. Absorbované molekuly vody jsou pohyblivé a mohou vést iontový proud v elektrickém poli. Pokud je intenzita elektrického pole vyšší, než může materiál odolat, obvykle 15–25 kV/mm pro suché PFA, dojde k dielektrickému průrazu. Absorbovaná vlhkost snižuje průraznou pevnost na 10-15 kV/mm při 80% RH a 5-10 kV/mm při 100% RH.

Standard PFA usually comprises 0.1 to 0.5 percent inorganic fillers, often calcium oxide, magnesium oxide, or aluminium silicate, which are used as acid acceptors to stabilise the polymer during processing. These oxides are hygroscopic : CaO + H2O -->Ca(OH)2 Tato reakce spotřebovává volnou vodu a chemicky ji spojuje. Vázaná voda je podstatně méně pohyblivá a vodivá než voda volná. Částice plniva také slouží jako rozptylové body pro elektrony, čímž se prodlužuje délka průrazné dráhy. Velmi čistý PFA neobsahuje žádná taková plniva (popel<0.01%). The water that is absorbed is left as free water and creates conduction paths. Less filler content also means less physical impediments to electron avalanche.

Standardní PFA vs. Utra{0}}Čistá dielektrická pevnost PFA
Obsah popela třídy PFA (%) Absorpce vody při 60 stupních, 80 % RH ( %) Dielektrická pevnost (kV/mm) při 80 % RH Doba poklesu izolačního odporu (<100 MΩ) at 85°C, 85% RHTypical Application Standard (industrial) 0.15 – 0.30 0.05 – 0.07 12 – 15 8,000 – 12,000 hours Industrial general, high humidity
Vysoká-čistota 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 hodinPotraviny, léčiva
Ultra{0}}čisté (nízký-popel) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2,000–4000 hodin Polovodiče, kritické laboratoře
Ultra{0}}čisté s vysoušecím plnivem (speciální) 0,01–0,02 (přidané plnivo) 0,04–0.06 11–14 6 000–10 000 hodinVysoká vlhkost + vysoká čistota
Standardní s pohlcovačem vlhkosti 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15,000 hTropické, venkovní nastavení
Field Evidence od Semiconductor Manufacturing
Továrna na výrobu polovodičů nainstalovala ultra-čisté ohřívače PFA (popel<0.01%) in a wet bench with 85% RH, 85°C process temperature. Heaters lasted an average of 2,500 hours before the insulation resistance dropped below 100 MΩ and triggered ground fault alarms. For the same application the fab converted to normal PFA heaters (ash 0.2%) with an expectation of reduced life due to greater extractables. All the conventional heaters surprisingly survived 9000 hours. Analysis indicated that conventional heaters had magnesium oxide filler that absorbed moisture and so maintained high resistance. Ultra-pure heaters had no filler and free water built up at the interface to the PFA-metal resulting in leakage. The fab now uses normal PFA for high humidity procedures and reserves ultra-pure PFA for dry processes (<30% RH) when extractables are the main focus.

Zmírnění ultra{0}}čistého PFA ve vlhkém prostředí
V situacích s vysokou vlhkostí (např. polovodičové mokré lavice s vlhkostí vytvářenou procesem), kde jsou vyžadovány ultra-čisté ohřívače PFA, zlepšují dielektrickou spolehlivost tři zmírnění:

Profukování dusíkem: Aplikujte konstantní proud suchého dusíku na studenou stranu ohřívače. Přetlak brání vlhkému vzduchu, aby se dotýkal kovového rozhraní PFA-. Čištění dusíkem zvyšuje životnost izolace 5-10X.

Nižší hustota wattů: Snižte napětí elektrického pole provozováním při nižším napětí (208 V vs{1}} V) a/nebo použitím většího ohřívače (nižší W/cm²). Nižší intenzita pole snižuje hnací výkon pro svodový proud.

Getter vlhkosti: Nainstalujte balení molekulárního síta (zeolit ​​nebo silikagel) do studené oblasti. Getr absorbuje veškerou vlhkost, která uniká přes PFA. Měňte getr každých 6 až 12 měsíců.

Pro aplikace, které vyžadují vysokou čistotu a vysokou vlhkost (např. farmaceutické vlhké reaktory), použijte ultra-čistý PFA s dalším plnivem stabilizujícím vlhkost-. Různí výrobci vyrábějí ultra-čisté PFA „vysoké-vlhkosti“ s 0,01–0,02 % oxidu vápenatého nebo syntetického hydrotalcitu. Tyto druhy mají dielektrickou pevnost 12-14 kV/mm při 85% RH, podobně jako normální PFA, při zachování nízké extrahovatelnosti.

Závěr: Standardní PFA je lepší než Ultra{0}}Pure při vysoké vlhkosti
Velmi čistý (nízký obsah popela) Tam, kde nejsou do plniva přidány absorbéry vlhkosti, mají ohřívače PFA tendenci se rozbít dříve než normální PFA při nastavení vysoké vlhkosti (Větší nebo rovna 80 % RH). Iontová vodivost je zvýšena volnou vodou v polymerní matrici a dielektrická pevnost klesá z 12–15 kV/mm na 8–10 kV/mm. Standardní PFA s 0,1–0,5 % popela vydrží 2–4× déle než ultra{11}}čisté PFA ve vlhkém prostředí. Inženýři by neměli předpokládat, že „čistší, tím lepší“ ve všech situacích. Pro suché aplikace nabízí ultra{14}}čisté PFA nejvyšší stupeň čistoty. Ve vlhkých aplikacích je vhodnější normální PFA nebo ultra{16}}čistý s vlhkostí-stabilizující výplň. Pokud je pro aplikaci žádoucí jak nízká extrahovatelnost, tak vysoká vlhkost, zajistěte proplachování dusíkem nebo zvlhčovače. Vlhkost{20}}způsobený průraz dielektrika je omezením konstrukce, nikoli materiálu. Třídu PFA vybírejte podle okolí, nikoli podle teoretického ideálu čistoty. Trocha popela je příjemná věc ve vlhkosti.