Warum kann es bei einem sehr reinen PFA-Heizgerät (mit geringem Aschegehalt) zu einem früheren dielektrischen Durchschlag in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit kommen?

Für wesentliche Anwendungen, die einen geringen Anteil an extrahierbaren Stoffen und ionischen Schadstoffen erfordern, werden sehr reine PFA-Qualitäten (Aschearm, Halbleiterqualität) spezifiziert. Diese Qualitäten haben einen Aschegehalt<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 der Feuchtigkeitsaufnahme und des dielektrischen Abbaus
PFA nimmt je nach Temperatur und Kristallinität bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit 0,03 bis 0,10 Gewichtsprozent Wasser auf. Die absorbierten Wassermoleküle sind mobil und können in einem elektrischen Feld Ionenstrom leiten. Wenn die elektrische Feldstärke höher ist, als das Material aushalten kann, normalerweise 15–25 kV/mm bei trockenem PFA, kommt es zum dielektrischen Durchschlag. Absorbierte Feuchtigkeit reduziert die Durchschlagsfestigkeit auf 10–15 kV/mm bei 80 % relativer Luftfeuchtigkeit und 5–10 kV/mm bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit.

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 Diese Reaktion verbraucht freies Wasser und verbindet es chemisch. Gebundenes Wasser ist wesentlich weniger mobil und leitfähig als freies Wasser. Die Füllstoffpartikel dienen auch als Streupunkte für Elektronen und erhöhen so die Durchbruchsweglänge. Sehr reines PFA enthält keine derartigen Füllstoffe (Asche).<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.

Standard-PFA vs. Utra{0}}Durchschlagsfestigkeit von reinem PFA
Aschegehalt der Güteklasse PFA (%)Wasseraufnahme bei 60 Grad, 80 % RH (%) Durchschlagsfestigkeit (kV/mm) bei 80 % RH Abfallzeit des Isolationswiderstands (<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
Hoch-Reinheit 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 StundenLebensmittel, Pharmazeutika
Ultra-rein (geringer-Aschegehalt) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2.000–4.000 Stunden Halbleiter, kritische Labore
Ultra-rein mit Trockenmittelfüllstoff (speziell) 0,01–0,02 (Füllstoff hinzugefügt) 0,04–0.06 11–14 6.000–10.000 StundenHohe Luftfeuchtigkeit + hohe Reinheit
Standardmäßig mit Feuchtigkeitsfänger 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10.000–15.000 hTropische Außenumgebungen
Feldbeweise aus der Halbleiterfertigung
Die Halbleiterfabrik installierte ultra-reine PFA-Heizgeräte (Asche<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.

Minderung von ultra-reinem PFA im feuchten Betrieb
Für Situationen mit hoher Luftfeuchtigkeit (z. B. Halbleiter-Nassbänke mit prozessbedingter Feuchtigkeit), in denen ultrareine PFA-Heizungen erforderlich sind, verbessern drei Abhilfemaßnahmen die dielektrische Zuverlässigkeit:

Stickstoffspülung: Geben Sie einen konstanten Strom trockenen Stickstoffs auf die kalte Seite des Heizgeräts. Der Überdruck verhindert, dass feuchte Luft die PFA--Metallschnittstelle berührt. Die Stickstoffspülung erhöht die Lebensdauer des Isolationswiderstands um das 5- bis 10-fache.

Geringere Wattdichte: Reduzieren Sie die Belastung durch das elektrische Feld, indem Sie mit einer niedrigeren Spannung (208 V vs. . 480 V) arbeiten und/oder eine größere Heizung (geringere W/cm²) verwenden. Die geringere Feldstärke verringert die Antriebsleistung für Leckströme.

Feuchtigkeitsfänger: Installieren Sie im kalten Bereich ein Molekularsiebpaket (Zeolith oder Kieselgel). Der Getter nimmt jegliche Feuchtigkeit auf, die durch das PFA austritt. Wechseln Sie den Getter alle 6 bis 12 Monate.

Für Anwendungen, die eine hohe Reinheit und hohe Luftfeuchtigkeit erfordern (z. B. pharmazeutische Feuchtereaktoren), verwenden Sie ultra-reines PFA mit zusätzlichem feuchtigkeitsstabilisierendem Füllstoff. Verschiedene Hersteller stellen ultrareines PFA mit 0,01–0,02 % Calciumoxid oder synthetischem Hydrotalcit her. Diese Qualitäten haben eine Durchschlagsfestigkeit von 12–14 kV/mm bei 85 % relativer Luftfeuchtigkeit, ähnlich wie normales PFA, bei gleichzeitig geringem Anteil an extrahierbaren Stoffen.

Fazit: Standard-PFA ist bei hoher Luftfeuchtigkeit Ultra-Pure überlegen
Sehr rein (armer Aschegehalt). Wenn dem Füllstoff keine Feuchtigkeitsabsorber zugesetzt werden, neigen PFA-Heizungen bei hohen Luftfeuchtigkeitseinstellungen (größer oder gleich 80 % relative Luftfeuchtigkeit) dazu, früher zu zerfallen als normales PFA. Die Ionenleitfähigkeit wird durch das freie Wasser in der Polymermatrix erhöht und die Durchschlagsfestigkeit sinkt von 12–15 kV/mm auf 8–10 kV/mm. Standard-PFA mit 0,1–0,5 % Asche überlebt im feuchten Betrieb zwei- bis viermal länger als ultrareines PFA. Ingenieure sollten nicht in allen Situationen davon ausgehen, dass „reiner ist besser“. Für Trockenanwendungen bietet ultrareines PFA den höchsten Grad an Reinheit. Bei feuchten Anwendungen ist normales PFA oder ein ultra-reiner, feuchtigkeitsstabilisierender-Füllstoff vorzuziehen. Wenn für die Anwendung sowohl eine geringe Menge extrahierbarer Stoffe als auch eine hohe Luftfeuchtigkeit erwünscht sind, sorgen Sie für eine Stickstoffspülung oder Feuchtigkeitsabscheider. Durch Feuchtigkeit hervorgerufener dielektrischer Durchschlag ist eine Einschränkung des Designs, nicht des Materials. Wählen Sie die PFA-Qualität entsprechend der Umgebung und nicht nach einem theoretischen Reinheitsideal. Ein wenig Asche ist bei Luftfeuchtigkeit eine schöne Sache.