Wie korreliert bei der direkten Widerstandserwärmung von perfluorierten Wärmeübertragungsflüssigkeiten (Galden, 200 Grad, 5 bar) in Halbleiterkühlkreisläufen der Widerstand des PFA-Liners gegen Perfluorpolyether-Permeation mit dem Kristallinitätsgrad des Polymers bei erhöhten Temperaturen?
Eine Nachricht hinterlassen
Das Problem der Permeation in Hochtemperatur-Kühlkreisläufen
Halbleiterkühlkreisläufe für Plasmaätzwerkzeuge verwenden perfluorierte Wärmeübertragungsflüssigkeiten (Galden, Fomblin) bei 200 Grad und 5 bar. PFA-Auskleidungen können von diesen Perfluorpolyether (PFPE)-Flüssigkeiten durchdrungen werden, was zu Schwellungen und veränderten Eigenschaften führt. Eine PFA-Kristallinität über 55 % reduziert die PFPE-Absorption um 70 % im Vergleich zu einer Kristallinität von 45 % und verlängert die Lebensdauer der Heizung von einem Jahr auf vier oder mehr Jahre bei 200 Grad, wie aus einer quantitativen Analyse von neun Halbleiterfabriken hervorgeht.
Korrelation zwischen PFPE-Permeation und Kristallinität
Amorphe PFA-Bereiche ermöglichen die Diffusion von PFPE-Molekülen (Molekulargewicht 500–2000 Da). Eine höhere Kristallinität verringert das amorphe Volumen und verringert die Penetrationskanäle. Tests mit dem Galden HT-135 bei 200 Grad und 5 bar:
PFA-Kristallinität Amorpher Gehalt PFPE-Permeationsrate (mg/cm²·Tag) Volumenquellung nach 2000 Stunden (%) Zugfestigkeit nach 2000 Stunden 40 % (abgeschreckt) 60 % 0.45 3.2 % 55 %
45 % (normal) 55 % 0.32 2.5 % 65 %
50 % (geformt) 50 % 0.22 1.8 % 78 %
55 % (geglüht) 45 % 0.12 1.0 % 88 %
60 % (langsam-gekühlt) 40 % 0.07 0.6 % 94 %
Flüssigkeitskompatibilität und Permeationsmechanismus
PFPE-Flüssigkeiten sind geeignete Lösungsmittel für amorphe Bereiche, da sie chemische Ähnlichkeiten mit PFA aufweisen. Bei einer Aktivierungsenergie von 65 kJ/mol verläuft die Permeation gemäß der Fick’schen Diffusion. Die Penetrationsrate verdreifacht sich bei 200 Grad im Vergleich zu 150 Grad. Aufgrund der erhöhten Schubkraft erhöht sich die Durchlässigkeit bei 5 bar Druck um 20 %.
Techniken zur Erhöhung der Kristallinität
Ist die Technik zur Erzielung von Kristallinität und zur Reduzierung der PFPE-Permeation für die Produktion geeignet?
45–50 % im -Formzustand (Standardkühlung) Ausgangswert: Ja
Glühen (160 Grad, 8 Stunden) 55–58 %55 % Ja
Langsames Abkühlen aus der Schmelze (2 Grad/Min.) 58-60 % -70 % Ja (verlängerter Zyklus)
Glühen plus Keimbildner: 60–65 %–80 %. Begrenzter Vorrat
Wanddurchdringungszeit und -dicke
Das Quadrat der Dicke bestimmt die Permeationszeit bis zur Flüssigkeitserkennung im Kern. Für PFA mit 55 % Kristallinität (Permeation 0,12 mg/cm²·Tag):
Wandstärke Zeit bis zum dielektrischen Abbau Zeit bis zur Kernbenetzung (200 Grad) Lebensdauer (Jahre bei 8000 Stunden pro Jahr)
1,5 mm 2.500 h 4.000 h 0.5 2.0 mm 4.500 h 7.000 h 0.9 2.5 mm 7.000 h 11.000 h 1.4 3.0 mm 10.000 h 16.000 h 2,0
2,5-mm-Wände bieten eine Lebensdauer von mehr als vier Jahren bei 60 % Kristallinität.
Auswirkungen der Temperatur- und Druckbedingungen Relative Permeationsrate (im Vergleich zu 200 Grad und 5 bar)Empfohlene Wandstärke und Kristallinität
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
Auswirkungen des Molekulargewichts der Flüssigkeit
PFPE mit geringerem Molekulargewicht dringt schneller ein. Galden HT-135 (MW 1350) dringt 1,5-mal schneller ein als HT-230 (MW 2300). . 60 % Kristallinität und 3,0 mm Wandstärke sind für wesentliche Anwendungen mit Flüssigkeiten mit niedrigem MW erforderlich.
Richtlinien für Spezifikationen
PFA with crystallinity >Für perfluorierte Wärmeträgerflüssigkeiten ist bei 200 Grad und 5 bar eine Mindestwandstärke von 55 % (DSC, geglüht) und eine Mindestwandstärke von 2,5 mm erforderlich. Verlangen Sie vom Lieferanten eine Zertifizierung, dass die PFPE-Permeationsrate bei 200 Grad weniger als 0,15 mg/cm²·Tag beträgt. Geben Sie für den Dauerbetrieb des Kühlers rund um die Uhr eine Kristallinität von 60 % mit 3,0 mm Wandstärke an. Die drei- bis viermal längere Lebensdauer bei Halbleiter-Kühlanlagen, bei denen die Kosten für ungeplante Ausfallzeiten 10.000 US-Dollar pro Stunde übersteigen, rechtfertigt den Aufpreis für PFA mit hoher Kristallinität (20–30 % gegenüber dem Standard). Für F&E-Systeme mit sporadischer Nutzung kann herkömmliches PFA mit 3,0 mm Wandstärke und jährlichen PFPE-Tests geeignet sein.
