残留氟：保护高压电容器免受腐蚀

残留氟：保护高压电容器免受腐蚀

抽象

准分子激光器每年闲置 2,000 至 4,000 小时，残留在腔室中的氟会腐蚀与其接触的所有基体金属。腐蚀速率遵循阿伦尼乌斯定律，因此低温腔室的反应速度较慢，但​​即使闲置 3,000 小时，仍会去除 300 微米的铜。本文将介绍反应速率、不同材料的反应特性、吹扫计算以及保护 40 kV 电容器的密封和电镀步骤。

1. 引言

光刻准分子激光器的占空比在 50% 到 80% 之间，这意味着每年会有 2,000 到 4,000 小时的停机时间。在停机期间，腔室会保持其气体混合物的稳定。

在 1 至 5 个大气压的腔室中，残余 F₂ 的体积分数保持在 0.01% 至 0.5%。腔室内的所有金属表面都会长时间暴露在 F₂ 中。

运转中的部件因脉冲散热而温度达到 80°C 至 150°C，热量会驱散表面水分。闲置部件的温度则冷却至 15°C 至 25°C，这个温度低到足以形成冷凝。

本文涵盖了低温反应速率、在潮湿表面上形成的 HF、现场的四种失效途径，以及阻止这些失效的吹扫、密封和电镀步骤。

2. 核心机制

2.1 低温氟化动力学

金属与氟的反应速率遵循阿伦尼乌斯方程：

k(T) = A × exp(−E_a / (k_B × T))

其中 k(T) 为绝对温度 T 下的反应速率，A 为指前因子，E_a 为活化能，k_B 为玻尔兹曼常数。对于铜氟化反应 Cu + F₂ → CuF₂，活化能为 0.3 eV。

两个温度之间的比值可直接得出：

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

其中 T1 和 T2 分别为两个绝对温度，k(T1) 和 k(T2) 分别为这两个温度点的腐蚀速率。从 100 °C 到 25 °C，铜的腐蚀速率下降了 0.51 倍，因此冷铜的腐蚀速率是热铜的一半。

即使腐蚀速率减半也无法挽救零件，因为腐蚀时间会持续很长时间。腐蚀深度会随着时间推移而增加：

d = v × t

其中 d 为腐蚀深度，v 为腐蚀速率，t 为暴露时间。铜在 0.5% F₂ 溶液中以 0.1 µm/小时的速率腐蚀 3,000 小时后，腐蚀深度达到 300 µm，这几乎穿透了 0.5 mm 的引线。

以下是开启销售线索的时间：

t_fail = d_lead / v

其中，t_fail 为导线断裂时间，d_lead 为导线直径，v 为腐蚀速率。直径为 0.5 毫米、腐蚀速率为 0.1 微米/小时的导线，在 5,000 小时后发生断裂，一次长时间停机加上几个假期就可能达到这个时间。

2.2 冷凝表面上的HF形成

随着腔室冷却，氟和水在表面发生反应：

F₂ + H₂O → HF + HOF

在 0.1% F₂ 和 80% 相对湿度下，冷凝水中的 HF 浓度可达 100 至 1,000 ppm。这种浓度会迅速腐蚀贱金属：在 1,000 ppm 的溶液中，铜的腐蚀速度超过 10 µm/小时，铝的腐蚀速度超过 50 µm/小时，银的腐蚀速度超过 5 µm/小时。

这种侵蚀是局部性的。它从冷凝点开始，在铅表面形成凹坑，导致铅在几个局部点强度降低，而凹坑之间的部分则保持完整。经过1,000小时的潮湿停机后，凹坑的深度足以在热循环作用下使铅断裂。

2.3 材料在冷氟腔中的行为

铜会形成氟化铜（CuF₂），氟化铜会吸收水分并将电解质吸附在铜表面。铅在2,000小时后会出现绿色腐蚀产物，并且机械强度会下降。

镀银会形成氟化银（AgF），这是一种多孔且对光敏感的涂层，不具备任何阻隔作用。3,000小时后会出现黑点，下方的铜层便会暴露出来，容易受到腐蚀。镀锡会形成氟化锡（SnF₂），这是一种白色粉末，会剥落并露出新鲜的金属；锡镀层大约1,000小时即可完全转化。

金在室温下不与氟发生反应。镀金导线在停机10,000小时后仍能保持清洁，而且陶瓷本身不易腐蚀，而其金属化电极则不然。

2.4 清除算术

氮气吹扫可稀释残留气体，所需时间如下：

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

其中 t 为吹扫时间，V 为反应室容积，Q 为氮气流量，C_initial 为初始氟浓度，C_final 为目标浓度。一个容积为 100 L 的反应室，在 10 L/min 的流量下，氟浓度在 62 分钟内从 0.5% 降至 10 ppm。

图 1 — 铜导线以每小时 0.1 µm 的速度移动，在停机 5,000 小时后达到 0.5 毫米导线的 500 µm 极限，而镀金导线则没有出现可测量的损耗。

3. 工程痛点

痛点一：铅腐蚀导致电路断开

铜质和镀银导线在停机2,000至5,000小时后会发生腐蚀，这相当于正常停机6至12个月。故障表现为停机后首次启动时出现开路，而热循环是造成此故障的主要原因。

痛点二：接触腐蚀导致电阻增大

连接器和开关中的铜和银触点在断电期间会形成 CuF₂ 和 AgF 层。触点电阻会在 1,000 到 3,000 小时内从 1 mΩ 增加到 100 mΩ，而增加的压降会在下一个脉冲发生时使触点发热。

痛点3：PCB线路腐蚀导致漏电

铜线、冷凝水和氟会在电路板表面生成HF。这些产物会桥接相邻的线路，2,000至5,000小时后漏电流会达到1µA。用……测量 采样电阻 在供水恢复时，以及在停电期间的稳定上升表明存在微量腐蚀，而干燥后湿度仅恢复。

痛点 4：焊点腐蚀导致接触不良

锡铅或锡银接头中的锡会在大约 1,000 小时内转化为 SnF₂ 粉末。接头截面会减小，在热循环下会开裂，并出现间歇性故障，任何功能测试都无法重现该故障。

4. 设计步骤

策略一：停机期间用干燥氮气吹扫

通入干燥氮气直至F₂浓度降至10 ppm以下，然后保持0.1 atm的正压，以防止空气和水分进入。一个100升的容器，以10升/分钟的流速运行，从0.5%的F₂浓度降至0.5%需要62分钟，这符合正常的停机时间。

策略二：密封内部空间

选择密封性好的产品 N4700 采用金属陶瓷密封的电容器、电阻器和连接器。通过氦气泄漏测试验证密封性，泄漏速率低于 10⁻⁹ atm·cm³/s，并使其额定压力为 10 atm，以确保 5 atm 的腔室压力保持在安全范围内。密封部件无论腔室压力如何变化，其内部气压均保持在 1 atm。当多个密封电容器共用一个直流母线时，需添加 分级电阻器 因此，分压不会对密封件造成压力。

策略三：在导线和触点上镀金

在所有引脚和触点上，镍底镀层上需镀50 µin厚的硬金。金在室温下不与氟反应，因此接触电阻在10,000小时后仍保持在2 mΩ以下，且镀层可承受100,000次插拔循环。每批次均需抽取样品进行X射线荧光光谱分析，以确认镀层厚度。

策略四：在外部表面涂覆聚对二甲苯

25 µm 厚的聚对二甲苯 C 层可阻隔氟和湿气渗入元件本体及其周围电路板。涂覆前需进行最终组装，并通过光学显微镜和在对照样品上进行胶带测试来检查覆盖率。

策略五：控制湿度并在长时间停电后进行检查

使用干燥剂包或干燥空气吹扫将腔室相对湿度保持在 30% 以下，高于 50% 时发出警报。任何超过一周的停机后，检查引线、触点和线路，用异丙醇 (IPA) 清洁，并测量接触电阻​​和绝缘电阻，与调试值进行比较。 薄膜电容器 同一外壳内的物品需要进行同样的检查，因为它的端部密封件与环氧树脂外壳一样，都会按相同的规律渗入水分。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于准分子激光器腔室的HVC耐寒腐蚀电容器

该节点的选择基于三个要求：内部空间完全不接触腔室气体、引线不耐受氟化物、表面不凝结水汽。HVC 在东莞一家占地 6,000 平方米的自有工厂内，生产适用于该节点的、采用镀金引线的气密封装 N4700 元件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 气密金属陶瓷密封将内部容积保持在 1 个大气压，泄漏率低于 10⁻⁹ atm·cm³/s，因此 §2.3 中的介电材料永远不会与留在腔室中的 F₂ 接触。
• 镀金导线，在镍上镀上 50 µin 的硬金，不含 CuF₂ 和 AgF，因此在停机 10,000 小时后，导线电阻仍保持在 10 mΩ 以下。
• 镀金触点在不氧化的情况下，接触电阻低于 2 mΩ，并且能够承受 100,000 次插拔循环而不磨损。
• 外表面的 25 µm Parylene C 涂层可阻挡氟和水分，并阻止 HF 在本体和相邻线路中形成。
• 干燥的氮气储存和运输，相对湿度低于 10%，可使零件在安装前保持干燥，因此第一次故障不会因表面潮湿而发生。
• 零件在光刻光源中经过 10 年以上每年 5,000 小时的停机时间验证，未发生冷腐蚀失效。

径向引线盘片、螺钉端子和 门把手电容 涵盖1 kV至150 kV的范围。HVC部件符合以下参数： 日前，Vishay HVCC、KEMET 径向引线、Murata DHS/DHR 和 TDK UHV/FHV。

交付和支持

标准部件的交货期为 4-8 周，镀金密封组件的交货期为 6-10 周。HVC 应用工程团队为吹扫系统尺寸设计、密封性测试计划、电镀规格制定和冷腐蚀暴露测试提供支持。

请提供腔室容积、气体混合比例和压力、年度停机时间以及引线和触点接口的图纸。HVC 将在五个工作日内回复零件推荐方案，其中包含泄漏率数据、镀层厚度记录以及两件样品评估套件。

6. 常见问题

Q1：为什么低温腐蚀比工作温度下的腐蚀更严重？

因为反应速率下降而暴露量增加，并且水在 25°C 时会凝结。铜在 25°C 时的氟化速率仅为高温反应速率的 51%，但气体每年却停滞在铜表面 2,000 至 4,000 小时，而不是流过。凝结的氟层随后将 F₂ 转化为 HF，HF 以每小时 10 µm 以上的速度侵蚀铜。

Q2：铜铅在残留氟中能存活多久？

使用公式 t_fail = d_lead / v。在 0.5% F₂ 的环境中，以 0.1 µm/小时的损耗速率，0.5 mm 的引线在停机 5,000 小时后达到 500 µm 的损耗极限，而 3,000 小时就已经损耗了 300 µm。在相同的时间内，镀银和镀锡的保护性能不如裸铜。

Q3：在含氟环境下，我应该选择哪种电镀工艺？

金，50 µin 厚的硬金层覆盖在镍底镀层上。金在室温下不与氟反应，因此经过 10,000 小时后，其引线电阻低于 10 mΩ，接触电阻低于 2 mΩ。银在 3,000 小时后会形成多孔的 AgF 层，而锡在大约 1,000 小时后会转化为 SnF₂ 粉末。

Q4：氮气吹扫需要多长时间？

遵循公式 t = −(V / Q) × ln(C_final / C_initial)。一个容积为 100 升的容器，在 10 升/分钟的流速下，F₂ 浓度在 62 分钟内从 0.5% 降至 10 ppm。之后施加 0.1 个大气压的氮气正压，以防止空气和水分进入，直至停机结束。

Q5：仅靠密封就能解决问题吗？

它消除了内部风险，并将风险排除在外。密封部件内部保持 1 个大气压的独立环境，但引脚、触点和电路板走线仍然会接触到腔室气体。此外，还需配合镀金、聚对二甲苯涂层以及低于 30% 的相对湿度控制。

Q6：故障后维护人员应该检查哪些方面？

与调试值相比，测量接触电阻​​、绝缘电阻以及通过采样电阻的漏电流。停机超过一周后，检查引线、触点和线路是否有粉末或点蚀，用异丙醇清洁，并更换任何点蚀深度超过其直径 20% 的引线。

7。 参考

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com