准分子腔室压力：高压电容器绝缘

准分子腔室压力：高压电容器绝缘

抽象

准分子激光器工作压力为 2 至 5 个大气压，这种压力会使绝缘强度产生双向变化。外部间隙的裕量增加，而微观空隙和亚毫米级连接器间隙则会导致裕量降低。本文将介绍帕邢定律、空隙起始电压、0.8 kV/mm 下的爬电应力以及四种压力驱动的失效模式，并给出 40 kV 节点在 1 至 5 个大气压下保持稳定的规则。

1. 引言

波长为 248 nm 的 KrF 激光器和波长为 193 nm 的 ArF 激光器均使用 2 至 5 个大气压的混合气体。较高的气体密度可以提高激光器的输出功率。同时，气体密度也会改变腔室内或腔室旁所有高压部件的绝缘强度。

脉冲电源中的电容器、二极管、电阻器和连接器都承受着这种压力。气隙、表面路径以及缺陷内部滞留的气体都会对此做出反应，但它们的反应方向并不相同。

帕邢定律根据压力和距离确定了气体间隙的击穿电压。它解释了为什么10毫米的间隙在5个大气压下会变得更强，以及为什么陶瓷内部2微米的空隙会变得更弱。

本文介绍了该机制、现场观察到的四种故障模式，以及在 1 atm 至 5 atm 的压力下，使 40 kV 脉冲节点免受局部放电影响的设计步骤。

2. 核心机制

2.1 帕邢定律和气体间隙的压力标度律

根据帕邢定律，均匀气体间隙在特定电压下发生击穿：

V_bd = (B × p × d) / [ln(A × p × d) − ln(ln(1 + 1/γ))]

其中 V_bd 为间隙的击穿电压，p 为气体压力，d 为间隙距离，A 和 B 为气体常数，γ 为阴极的二次电子发射系数。

对于空气，A 为 15 cm⁻¹Torr⁻¹，B 为 365 V/(cm·Torr)，γ 为 0.01。1 mm 的间隙在 760 Torr 下击穿电压为 5.2 kV。相同间隙在 3,800 Torr 下击穿电压为 26.2 kV。

在帕邢最小值（0.75 Torr×cm）以上，击穿电压与压力乘以距离的乘积成正比：

V_bd(p2) = V_bd(p1) × (p2 / p1)

其中 V_bd(p2) 是压力 p2 下的击穿电压，V_bd(p1) 是在压力 p1 下测得的值，并且当 p×d 保持在曲线的右分支上时，该比率成立。

这种比例关系使得5个大气压下的腔室比1个大气压下的腔室具有更大的外部绝缘裕度。这也为下一节的内容埋下了伏笔。

2.2 空穴场增强和局部放电起始

陶瓷介质内部的空隙所处的电场强度高于其内部平均电场强度：

E_void = ε_r × E_applied

其中 E_void 是平面空隙内的场，ε_r 是陶瓷的相对介电常数，E_applied 是介质中的平均场。

该空隙中局部放电的起始电压如下：

PDIV = E_bd × d_void × (1 + 2ε_r / (ε_r + 1))

其中，PDIV 为局部放电起始电压，E_bd 为空隙内气体的击穿强度，d_v​​oid 为空隙厚度，ε_r 为周围介质的相对介电常数。

在介电常数为 ε_r 为 1000 的 N4700 陶瓷中取一个 5 µm 的空隙。在 1 atm 下，初始电压约为 45 V。在 5 atm 下，初始电压约为 112 V。

较小的空隙表现不同。它们的压力乘以距离的乘积落在 0.75 Torr×cm 最小值左侧，并且在那里压力的升高会降低空隙内气体的击穿电压。

2.3 表面路径上的蠕变应力

表面爬电会将相同的电压沿更长的路径传递，而沿该路径的应力决定了闪络裕度：

S_creep = V_peak / L_creep

其中 S_creep 为平均爬电应力，V_peak 为峰值工作电压，L_creep 为从带电电极到地的表面路径长度。

40 kV 节点，爬电距离 50 mm，运行电压为 0.8 kV/mm。同样的节点，爬电距离 40 mm，运行电压为 1.0 kV/mm，这就是为什么 5 atm 密闭室的图纸要求爬电距离为 50 mm 的原因。

2.4 气密密封和压力循环

密封件能将内部空间保持在恒定压力，泄漏率决定了密封时间的长短：

Q_leak = L × Δp

其中，Q_leak 为泄漏率，L 为密封路径的导热系数，Δp 为密封件两端的压差。氦气流量为 10⁻⁹ atm·cm³/s 时，在整个使用寿命期间可保持 4 atm 的压差。

图 1 — 1 毫米的空气间隙在 1 到 5 个大气压下击穿强度提高了 5 倍，而 2 微米的空隙保持在 0.75 Torr×cm 帕邢最小值，并在接近 330 V 时击穿。

3. 工程痛点

痛点1：3个大气压以上发生表面闪络

氟、湿气和灰尘会在元件表面积聚 5,000 到 10,000 小时。在高气体密度下，受污染层在较弱的电场下即可电离，闪络电压会降至工作电压以下。此时，维护人员会发现电痕并更换正常的电容器。

痛点二：微小空隙内部分排泄

5微米至50微米的空洞一旦开始放电，就会侵蚀自身的壁面。经过10,000至20,000小时，空洞会不断增大，起始电压下降，最终导致部件失效，且没有任何外部迹象。 薄膜电容器 采用干式端密封件可能会进入相同的水分通道，因此压力认证必须涵盖实际发货的部件。

痛点3：压力循环导致的密封失效

一个排气和重新加压的腔室在每个维护窗口期内对每个密封件进行一次循环。经过 10,000 到 30,000 次循环后，泄漏的密封件会将水分和氟气引入封装层，内部绝缘层也会从内部（无法进行检查的地方）开始劣化。

痛点 4：曲线左侧分支上的连接器间隙

间隙小于 1 毫米的连接器可能位于帕邢最小值左侧。此时，压力升高会降低击穿电压，导致连接器放电电压低于其额定值。在 5 个大气压下，0.1 毫米的间隙对应的压力乘积为 0.5 个大气压·毫米，该值落在帕邢最小值区域内。

4. 设计步骤

策略一：将内部空间密封在 1 个大气压下

选择密封性好的产品 N4700 电容器、电阻器和连接器，确保腔室循环时内部容积保持在 1 个大气压。使用氦气泄漏测试验证密封性，泄漏速率低于 10⁻⁹ atm·cm³/s，并将密封件的额定压力设定为 10 个大气压，以保证在 5 个大气压下仍具有一定的裕量。

记录通过以下设备的充电电流 采样电阻 在调试阶段，密封部件漏电流的缓慢上升表明密封件存在缺陷，而局部放电测试可能尚未发现该缺陷。

策略二：根据电压而非腔室尺寸设定爬电距离

根据峰值电压和目标应力 0.8 kV/mm 确定表面路径尺寸。40 kV 节点需要 50 mm 的爬电距离。翼缘和凹槽可在不增加高度的情况下增加有效路径长度。在 5 atm 压力下，以 1.5 倍工作电压验证设计。

策略 3：在表面路径上涂覆聚对二甲苯

25 µm 厚的聚对二甲苯 C 层可使表面电阻率保持在 10¹⁵ Ω/sq 以上，并能阻隔氟和湿气。使用光学显微镜和符合 ASTM D3359 标准的胶带测试来确认涂层覆盖情况，并对热循环后出现边缘翘起的任何区域进行重新涂覆。

策略四：控制装配过程中的污染

组装前用异丙醇或等离子处理清洗零件，并在万级洁净室中制造。将腔室的清洗周期设置为5,000小时，并记录表面电阻，以便在发生闪络之前观察到电阻下降的趋势。

策略五：确保每个间隙都偏离帕邢最小值

计算每个间隙和距离对应的压力乘以距离的乘积，并将任何接近 0.75 Torr×cm 的值向右移动，方法是增加距离。2 mm 的最小间隙可使 40 kV 的部件在 5 atm 下具有 3 倍的裕量。当串联电容器组必须分担电压时，添加 分级电阻器 因此，每个单位看到的份额都不会超过其应得的份额。

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. 用于准分子激光腔的HVC耐压电容器

该节点的选择基于三个要求：忽略腔室压力的内部容积、足以承受 5 个大气压下 40 kV 电压的表面路径长度，以及在整个压力范围内将局部放电保持在 5 pC 以下的介质。HVC 在东莞一家占地 6,000 平方米的自有工厂内生产用于该节点的 N4700 密封件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 气密性金属陶瓷密封将内部容积保持在 1 个大气压，因此当腔室压力在 1 至 5 个大气压之间循环时，第 2.2 节所述的 PDIV 保持不变。泄漏率保持在 10⁻⁹ atm·cm³/s 以下，并且该密封件的额定压力为 10 个大气压。
• 40 kV 部件上超过 50 mm 的爬电距离可使表面应力保持在 0.8 kV/mm。肋条可阻断表面路径，防止污染物沿直线扩散。
• N4700 I 类介质，tanδ 低于 0.1%，在 -40 °C 至 +125 °C 的范围内保持电容在 ±1% 以内，从而使准分子放电的每个脉冲能量保持恒定。
• 采用IEC 60270方法测量，额定电压下局部放电低于5 pC。无空隙的介质层确保出厂产品中不存在5 µm缺陷。
• 25 µm 聚对二甲苯 C 涂层可保持表面电阻率高于 10¹⁵ Ω/sq，并在维护窗口期间抵抗氟的侵蚀。
• 零件在光刻光源中经受了 3 至 5 个大气压、40 千伏和 6 千赫兹超过 50,000 小时的考验。

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

标准件发货周期为 4-8 周，压力测试合格件发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程团队提供帕邢曲线分析、爬电布局、气密性测试计划以及腔室压力下的 PD 测试设置等支持。

请提供工作电压、腔室压力范围、峰值电流和安装范围。HVC 将在五个工作日内回复零件推荐，其中包含爬电尺寸、泄漏率数据以及两件样品评估套件。

6. 常见问题

问题1：较高的腔室压力对隔热性能是有益还是有害？

它兼具这两种特性。在帕邢最小值以上，1毫米的气隙击穿电压从1个大气压下的5.2千伏上升到5个大气压下的26.2千伏，因此外部间隙和爬电裕度均有所提高。压力乘以距离的乘积位于0.75托×厘米最小值左侧的空隙会降低击穿强度，因为压力升高会降低被困气体的击穿电压。

Q2：为什么小空隙在高压下会变得更大？

因为它的压力乘以距离的乘积位于帕邢曲线的左支上。一个2微米的空隙在1个大气压下的压力乘积为0.15 Torr×cm，在5个大气压下的压力乘积为0.76 Torr×cm，因此随着腔室压力的增加，它会向曲线的最小电压点移动。同时，空隙所受到的电场强度是体场强度的ε_r倍。

Q3：40 kV 节点在 5 atm 下需要多少爬电距离？

大于 50 毫米时，根据 S_creep = V_peak / L_creep 计算，平均表面应力为 0.8 kV/mm。40 毫米路径的应力可达 1.0 kV/mm，一旦表面污染在 5,000 至 10,000 小时内累积，裕量将非常小。在 5 个大气压的腔室中，以 1.5 倍工作电压验证最终设计。

Q4：什么时候购买密封部件才值得？

当腔室在真空和压力之间循环，或压力高于 3 个大气压时，密封件会将内部容积保持在 1 个大气压，因此介质的空穴形成电压不再随腔室变化。密封件还能阻止氟和湿气的侵蚀，避免聚合物密封件在经历 10,000 到 30,000 次压力循环后被腐蚀。

Q5：如何筛选存在空洞失效模式的零件？

发货前，在额定电压下进行局部放电测试，并将限值设定为 5 pC。同时进行氦气泄漏测试（低于 10⁻⁹ atm·cm³/s）和电容检查（4700 pF ±20%）。这三项测试结合起来，可以在部件进入测试舱之前，检测出密封泄漏、空隙增大和介质开裂等问题。

Q6：监控系统应该监控哪些内容？

记录腔室压力和各高压节点的泄漏电流。当压力偏差超过设定值的 10% 时发出警报，如果腔室压力超出安全范围，则锁定电源。记录两个通道的数据，以便在闪络事件发生前，泄漏电流的缓慢上升与压力的缓慢漂移相吻合。

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