Hvorfor kan en varmeovn med svært ren (lav-aske) PFA-klasse vise tidligere dielektrisk sammenbrudd i miljøer med høy-fuktighet?

For viktige applikasjoner som krever lite ekstraherbare og ioniske forurensninger, er svært rene PFA-kvaliteter (lav-aske, halvleder-kvalitet) spesifisert. Disse karakterene har askeinnhold<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.

Mekanisme for fuktighetsabsorpsjon og dielektrisk sammenbrudd
PFA tar opp 0,03-0,10 vekt% vann ved 100% RF avhengig av temperatur og krystallinitet. De absorberte vannmolekylene er mobile, og kan lede ionisk strøm i et elektrisk felt. Hvis den elektriske feltstyrken er høyere enn materialet tåler, vanligvis 15–25 kV/mm for tørr PFA, vil det oppstå dielektrisk sammenbrudd. Absorbert fuktighet reduserer nedbrytningsstyrken til 10-15 kV/mm ved 80 % RF og 5-10 kV/mm ved 100 % RF.

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 Denne reaksjonen bruker fritt vann og kombinerer det kjemisk. Bundet vann er vesentlig mindre mobilt og ledende enn fritt vann. Fyllstoffpartiklene tjener også som spredningspunkter for elektroner, noe som øker nedbrytningsbanelengden. Svært ren PFA inneholder ingen slike fyllstoffer (aske<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-Ren PFA dielektrisk styrke
Askeinnhold av PFA-grad (%) Vannabsorpsjon ved 60 grader, 80 % RF ( %) Dielektrisk styrke (kV/mm) ved 80 % RF Falltid for isolasjonsmotstand (<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
Høy-renhet 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 timer Mat, legemidler
Ultra-ren (lav-aske) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2000–4000 timer Halvleder, kritiske laboratorier
Ultra-ren med tørkemiddelfyllstoff (spesial) 0,01–0,02 (fyllstoff tilsatt) 0,04–0.06 11–14 6000–10 000 timer Høy luftfuktighet + høy renhet
Standard med fuktighetsrenser 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10000–15 000 hTropiske, utendørsinnstillinger
Feltbevis fra Semiconductor Manufacturing
Halvlederfabrikken installerte ultra-rene PFA-varmere (aske<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.

Redusering av ultra-ren PFA i fuktig tjeneste
For situasjoner med høy luftfuktighet (f.eks. halvleder-våtbenker med prosessfremstilt fuktighet) der ultra-rene PFA-varmere kreves, forbedrer tre avgrensninger den dielektriske påliteligheten:

Nitrogenspyling: Påfør en konstant strøm med tørt nitrogen på den kalde siden av varmeren. Det positive trykket hindrer fuktig luft i å berøre PFA-metallgrensesnittet. Nitrogenspyling øker isolasjonsmotstandens levetid 5-10X.

Lavere watttetthet: Reduser den elektriske feltspenningen ved å kjøre på en lavere spenning (208V vs. 480V) og/eller bruke en større varmeovn (lavere W/cm²). Den lavere feltstyrken reduserer drivkraften for lekkasjestrøm.

Fuktighetsfanger: Installer en molekylsiktpakke (zeolitt eller silikagel) i det kalde området. Getteren tar opp all fuktighet som lekker gjennom PFA. Bytt getter hver 6. til 12. måned.

For applikasjoner som trenger høy renhet og høy luftfuktighet (f.eks. farmasøytiske fuktige reaktorer), bruk ultra-ren PFA med ekstra fuktighets-stabiliserende fyllstoff. Ulike produsenter lager "høy-fuktighetsgrad" ultra-ren PFA med 0,01-0,02 % kalsiumoksid eller syntetisk hydrotalsitt. Disse karakterene har dielektrisk styrke på 12-14 kV/mm ved 85 % RF, tilsvarende normal PFA, samtidig som de opprettholder lave uttrekkbare stoffer.

Konklusjon: Standard PFA er overlegen Ultra-Pure under høy luftfuktighet
Svært ren (lav aske) Der det ikke tilsettes fuktighetsabsorberende midler til fyllstoffet, har PFA-varmere en tendens til å brytes ned tidligere enn vanlig PFA ved høy luftfuktighet (Større enn eller lik 80 % RF). Ioneledningsevnen økes av det frie vannet i polymermatrisen og den dielektriske styrken reduseres fra 12–15 kV/mm til 8–10 kV/mm. Standard PFA med 0,1–0,5 % aske vil overleve 2–4× lenger enn ultra-ren PFA i fuktig drift. Ingeniører bør ikke anta at "renere er bedre" i alle situasjoner. For tørre bruksområder tilbyr ultra-ren PFA den høyeste grad av renslighet. I fuktige applikasjoner er vanlig PFA eller ultra-ren med fuktighet-stabiliserende fyllstoff å foretrekke. Hvis både lavt ekstraherbart materiale og høy luftfuktighet er ønskelig for påføring, må du sørge for nitrogenspyling eller fuktighetsbeholdere. Fuktighetsindusert dielektrisk sammenbrudd er en begrensning av designet, ikke av materialet. Velg PFA-karakteren etter omgivelsene, ikke et teoretisk renhetsideal. Litt aske er en fin ting i fuktighet.