Per il riscaldamento a resistenza diretta di fluidi di trasferimento di calore perfluorurati (Galden, 200 gradi, 5 bar) nei circuiti di raffreddamento a semiconduttore, in che modo la resistenza del rivestimento in PFA alla permeazione del perfluoropolietere è correlata al grado di cristallinità del polimero a temperature elevate?
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Il problema della permeazione nei circuiti-del refrigeratore ad alta temperatura
I circuiti refrigeranti a semiconduttore per gli strumenti di incisione al plasma utilizzano fluidi di trasferimento di calore perfluorurati (Galden, Fomblin) a 200 gradi e 5 bar. I rivestimenti in PFA possono essere penetrati da questi fluidi perfluoropolieterei (PFPE), con conseguente rigonfiamento e proprietà alterate. La cristallinità del PFA superiore al 55% riduce l'assorbimento del PFPE del 70% rispetto alla cristallinità del 45%, aumentando la durata del riscaldatore da un anno a quattro o più anni a 200 gradi, secondo l'analisi quantitativa di nove fabbriche di semiconduttori.
Correlazione tra permeazione del PFPE e cristallinità
Le aree amorfe del PFA consentono alle molecole di PFPE (peso molecolare 500-2000 Da) di diffondersi. Una maggiore cristallinità riduce il volume amorfo, riducendo i canali di penetrazione. Test utilizzando Galden HT-135 a 200 gradi e 5 bar:
Cristallinità PFA Contenuto amorfo Tasso di permeazione PFPE (mg/cm²·giorno) Aumento di volume dopo 2000 ore (%) Ritenzione di trazione dopo 2000 ore 40% (temprato) 60% 0.45 3.2% 55%
45% (normale) 55% 0.32 2.5% 65%
50% (modellato) 50% 0.22 1.8% 78%
55% (ricotto) 45% 0.12 1.0% 88%
60% (raffreddamento-lento) 40% 0.07 0.6% 94%
Compatibilità dei fluidi e meccanismo di permeazione
I fluidi PFPE sono solventi adatti per le regioni amorfe perché condividono somiglianze chimiche con il PFA. Con un'energia di attivazione di 65 kJ/mol la permeazione procede secondo la diffusione fickiana. Il tasso di penetrazione triplica a 200 gradi rispetto a 150 gradi. A causa della maggiore forza di spinta, la permeabilità aumenta del 20% a 5 bar di pressione.
Tecniche per aumentare la cristallinità
La tecnica utilizzata per ottenere la cristallinità e ridurre la permeazione del PFPE è fattibile per la produzione?
45–50% come-stampato (raffreddamento standard)Baseline: sì
Ricottura (160 gradi, 8 ore) 55–58%55% Sì
Raffreddamento lento dallo scioglimento (2 gradi/min) 58-60% -70% Sì (ciclo esteso)
Ricottura più agente di nucleazione: 60–65%–80% Fornitura limitata
Tempo e spessore di permeazione della parete
Lo spessore al quadrato determina il tempo di permeazione necessario al rilevamento del fluido al centro. Per PFA con cristallinità al 55% (permeazione 0,12 mg/cm²·giorno):
Spessore della parete Tempo di degradazione dielettrica Tempo di bagnatura del nucleo (200 gradi) Durata di servizio (anni a 8000 ore all'anno)
1,5 mm 2.500 ore 4.000 ore 0.5 2.0 mm 4.500 ore 7.000 ore 0.9 2.5 mm 7.000 ore 11.000 ore 1.4 3.0 mm 10.000 ore 16.000 ore 2,0
Le pareti da 2,5 mm offrono una durata di oltre quattro anni per una cristallinità del 60%.
Effetti della temperatura e della condizione di pressione Tasso di permeazione relativa (rispetto a 200 gradi e 5 bar) Spessore della parete e cristallinità suggeriti
200°C, 5 bar 1.0x >55% 2.5mm 200°C, 1 bar 0.8x >53% 2.2mm 180°C, 5 bar 0.4x >50% 2.0mm 220°C, 5 bar (upset) 2.5x >60% 3,5 mm
Effetti del peso molecolare del fluido
Il PFPE con peso molecolare inferiore penetra più rapidamente. Galden HT-135 (MW 1350) permea 1,5 volte più velocemente di HT-230 (MW 2300). 60% di cristallinità e sono necessarie pareti da 3,0 mm per applicazioni essenziali che coinvolgono fluidi a basso peso molecolare.
Linee guida per le specifiche
PFA with crystallinity >Per i fluidi termovettori perfluorurati a 200 gradi e 5 bar è richiesto il 55% (DSC, ricotto) e uno spessore minimo della parete di 2,5 mm. Richiedere al fornitore la certificazione che il tasso di permeazione del PFPE a 200 gradi sia inferiore a 0,15 mg/cm²·giorno. Per il funzionamento continuo del refrigeratore 24 ore su 24, 7 giorni su 7, specificare una cristallinità del 60% con pareti da 3,0 mm. La durata tre o quattro volte più lunga del servizio di refrigerazione dei semiconduttori, dove i costi dei tempi di inattività non programmati superano i $ 10.000 l'ora, giustifica il premio per il PFA ad alta-cristallinità (20–30% rispetto allo standard). Per i sistemi di ricerca e sviluppo con uso sporadico, possono essere adatti il PFA convenzionale con pareti da 3,0 mm e test PFPE annuali.
