高電圧コンデンサにおける深紫外放射と表面伝導率

高電圧コンデンサにおける深紫外放射と表面伝導率

抽象

193 nm、248 nm、351 nmのエキシマ光がビューポートを透過して電源の絶縁体に散乱します。これらの光子によって電子-正孔対が生成され、その結果生じる表面電流がループを形成し、最終的にカーボン痕跡とフラッシュオーバーを引き起こします。本稿では、光伝導率の計算、そのトラッキングループ、4つの故障モード、そしてそれを阻止するための材料と形状の選択について解説します。

はじめに

エキシマレーザーは、193 nm、248 nm、または351 nmの深紫外光を放射します。放射された光は、観測窓を通して共振器から放出され、光学系で散乱し、機械部品で反射されます。

その一部は電源装置の絶縁体に当たります。封止材、ケーブル被覆、コネクタハウジング、基板基板、スペーサーなど、すべてがその光を受けます。

深紫外光子は波長193nmで6.4eVのエネルギーを持ち、ほとんどの有機ポリマーは3eVから5eVのエネルギーで分解する。吸収された光子ごとに電子と正孔が生成され、その結果、表面に電流が流れる。

この記事では、生成演算、それに続くトラッキングループ、4つの故障モード、および表面絶縁性を維持するための材料と沿面距離の選択について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 DUV下でのキャリア生成

吸収された光子は、吸収係数と光子束によって決まる速度で電子-正孔対を生成する。

G = α × Φ × λ / (h × c)

ここで、Gは単位体積あたりの生成率、αは吸収係数、Φは光子束、λは波長、hはプランク定数、cは光速である。

ポリマーは193 nmにおいて10⁴～10⁵ cm⁻¹の吸収率を示す。10 mW/cm²の光束では、生成速度は約10²⁰ペア/cm³/秒に達する。

2.2 定常状態のキャリアと導電率

キャリアは形成されるのとほぼ同時に再結合するため、定常状態の濃度はキャリアの寿命に比例する。

n = G × τ

ここで、nはキャリア濃度、Gは生成速度、τはキャリア寿命であり、ポリマーでは10⁻⁶秒から10⁻³秒の範囲である。

寿命が10⁻⁴秒の場合、1cm³あたり10¹⁶個のキャリアが存在する。伝導率は濃度、電荷、移動度によって決まる。

σ = n × e × μ

ここで、σは表面伝導率、nはキャリア濃度、eは電子電荷、μはキャリア移動度であり、これらの材料では約10⁻³ cm²/(V·s)である。

その結果、約1.6 × 10⁻⁶ S/cmとなり、これは同じポリマーの暗伝導率の10⁶～10⁸倍に相当します。シート抵抗はその逆数です。

R_s = 1 / σ

ここで、R_s はシート抵抗、σ は表面伝導率です。暗所では 10¹⁴ Ω/sq ですが、DUV 照射下では 10⁶ ～ 10⁼ Ω/sq に変化します。

2.3 トラッキングループ

漏洩電流によって表面が加熱され、その熱でポリマーが分解し、分解生成物として炭素が残る。炭素は導電性があるため、電流はより狭い経路に集中し、さらに加熱される。炭素の経路が電極間隙を架橋し、表面がフラッシュオーバーすると、ループが閉じる。

10 mW/cm²、10 kV/cmの条件下では、感電しやすい材料の場合、ループは100～1,000時間でフラッシュオーバーに達します。材料の結合エネルギーによって、設計がその範囲内のどこに位置するかが決まります。

2.4 形状と漏洩経路

沿面距離は、表面に沿った平均磁場を決定します。

E_avg = V / L_creep

ここで、E_avgは平均沿面勾配、Vは動作電圧、L_creepは表面に沿った沿面距離である。

30 kVでは、設計上50 mm以上の沿面距離が必要となり、これは600 V/mm以上の勾配に相当します。漏洩電流は表面抵抗に比例します。

I_leak = V / R_s

ここで、I_leakはリーク電流、Vは印加電圧、R_sはシート抵抗です。10¹⁴Ω/sqから10⁶Ω/sqへの低下は電流を8桁増加させ、100μAの読み取り値はすでにトラッキング面となります。

図1 — 10 mW/cm²および10 kV/cmの条件下では、エポキシトラックは100～500時間で劣化するが、アルミナボディは10,000時間以上暗い表面抵抗を維持する。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：コンデンサ封止材を横切るフラッシュオーバー

エポキシ樹脂で封止されたコンデンサは、深紫外線照射下で表面抵抗が低下し、高電圧端子から接地されたケースへ漏洩電流が流れた。500～1,000時間後にカーボン痕が現れ、その後、漏洩電流のギャップを埋めた。

フラッシュオーバーはコンデンサの欠陥として検出され、隣接する部品も損傷を受けた。実際の記録は封止材表面のトラックに残されていた。

問題点2：トリガーのしきい値が変動するボード追跡

FR-4基板の高電圧配線間に表面漏洩が発生した。その結果、信号の完全性が低下し、トリガー閾値が変動し、制御ループが誤った信号に反応するようになった。

500時間から2,000時間の間に基板が完全に故障し、交換が必要となった。それ以前から数週間にわたり、断続的な制御不良が報告されていた。

問題点３：導電性になるコネクタ絶縁体

エポキシ樹脂およびPBT製のコネクタ絶縁体は接点間で漏洩電流を流し、それが接点の腐食や断続的な接続不良を引き起こした。電源は不定期に停電した。

コネクタは品質不良の疑いで2回交換された。漏電経路は絶縁体表面にあり、交換後も毎回同じ症状が再発した。

問題点4：接地故障を誘発する遠隔追跡

ナイロンとエポキシ樹脂製のスペーサーに取り付けられた高電圧端子が、500時間から1,500時間以内に接地されたシャーシに接触した。過電流保護装置が作動し、電源が遮断された。

絶縁設計に問題があると疑われ、調査が行われた。絶縁体表面に残されたカーボン痕跡は、電流が実際に流れた経路を示していた。

問題点5：漏洩電流測定機能がない

電源装置がバンク電圧とパルスエネルギーを測定したが、地上からは何も返ってこなかった。地表漏洩電流は数千時間にわたって上昇し続けたが、それに関するデータは得られなかった。

各接地接続部に電流センサーを設置することで、その値を閾値付きのトレンドデータに変換できます。100μAの時点で、表面はすでに電流を追跡しています。

4. 設計手順

戦略1：露出したすべての節点に無機断熱材を使用する

有機封止材を、結合エネルギーが5 eV以上で深紫外光をモバイルキャリアに吸収しないアルミナ（Al₂O₃）またはジルコニア（ZrO₂）に置き換えてください。絶縁耐力は20 kV/mm以上を指定してください。

　 N4700 セラミック製の本体とセラミック製の封止材で構成された部品。セラミック表面は、暗所での抵抗値が8桁も低下することなく、その特性を維持する。

戦略2：フッ素樹脂製のケーブル絶縁材を使用する

PTFE、PFA、またはETFE絶縁材を選択してください。これらは同じ暴露条件下で1,000～5,000時間の耐用時間を有し、壁厚は1mm以上に設定してください。PVC、ポリエチレン、エポキシ樹脂で絶縁されたケーブルは、深紫外線（DUV）にさらされる場所から遠ざけてください。

設置時の光強度を上回る100mW/cm²の照射強度で1,000時間照射し、その選択を検証してください。光束が高いほど、同じ劣化状態に達するまでの時間がはるかに短くなります。

戦略3：交換不可能なものをコーティングする

筐体内に保持する必要のある有機表面に、50 µm以上の厚さのゾルゲルシリカまたはアルミナコーティングを施す。このコーティングは、その下にあるポリマーへの光子の経路を遮断する。

暴露試験後に密着性を確認してください。コーティングが剥がれると、以前と同じ破壊モードのポリマー表面が露出します。HVCは供給しています。 HVRGHP 部品と 厚膜抵抗器 そのため、ボディには紫外線耐性コーティングが施されている。

戦略4：動作電圧に合わせて沿面距離を設定する

30kVにおいて沿面距離を50mm以上に維持する（これは600V/mmを超える勾配に相当する）。また、フットプリントを大きくすることなく実効経路を長くするために、リブ付きまたはシェッド付きの形状を使用する。

次に、動作電圧の1.5倍での部分放電試験を行い、設計を検証します。直流耐電圧試験に合格する沿面距離は、深紫外光や表面電流下でも追従性を維持できます。

戦略5：供給を遮断し、漏洩を監視する

レーザーヘッドと高電圧部品の間に金属板または深紫外線吸収ガラスを配置し、筐体にはラビリンスシールを使用して、換気によって光路が開かないようにしてください。

筐体内部で放射測定を行い、シールドを確認します。次に、100 µA のアラームで各接地リターンの漏洩電流を記録し、 HVCT8G, 高速回復ダイオード (NAIST) と 村田 同じスケジュールでねじ込み式の位置。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. エキシマパワーステージ用HVC DUV耐性コンデンサ

このノードにおける選択を左右する3つの要件は、導電性を持たない表面、同じ光の下でも接合部が保持されること、そして露出期間を通して電気的に安定していることである。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応するN4700部品を製造している。

ここで重要な6つのパラメータ

• アルミナ製の本体、銀パラジウム電極、ガラスシールを用いた完全無機構造のため、深紫外光子が切断すべきポリマー結合が存在しない。
• セラミックと金属のろう付けシールは、同じ暴露条件下で10,000万時間以上気密性を維持するが、有機封止材はそれよりもはるかに早くひび割れる。
• 深紫外光照射下でも表面抵抗は10¹⁴Ω/sq以上を維持するため、そもそも漏洩経路が形成されない。
• tanδが0.1%未満、PDが5 pC未満であれば、内部発熱は小さく抑えられるため、表面が温まり始めてから急速に温度が上昇することはない。
• 30kV動作の場合、沿面距離は50mm以上となるため、フラッシュオーバーマージンはパッケージ自体に含まれ、コーティングはそれを補強する役割しか果たさない。
• DUV光源分野のサービスにおいて、一流ブランドの製品と互換性があり、レーザーOEM各社が新プラットフォームに採用する製品として認定されています。HVC部品は、村田製作所製ネジ式高電圧コンデンサの電気的特性およびパッケージ寸法に適合しています。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、DUV対応セットは6～10週間で出荷されます。HVCのアプリケーションエンジニアリング部門は、DUV耐性試験、絶縁材料の選定、沿面距離設計レビュー、シールド検証をサポートします。

波長、部品における強度、動作電圧、沿面距離をお知らせください。HVCは、部品番号、試験データ、および2つのサンプルからなる評価キットを記載した材料・沿面距離シートを5営業日以内に返送いたします。

6。 よくある質問

Q1：なぜDUVは絶縁表面を導電性にするのですか？

光子はポリマー結合が保持するエネルギーよりも多くのエネルギーを運ぶためです。193 nmの光子は6.4 eVのエネルギーを持ち、エポキシ結合は3 eVから5 eVで切断されます。吸収された光子ごとに電子と正孔が生成され、表面抵抗は10¹⁴ Ω/sqから10⁶～10⁼ Ω/sqに低下します。

Q2：表面がフラッシュオーバーするまでどれくらい時間がかかりますか？

10 mW/cm² および 10 kV/cm の条件下では、エポキシおよびポリイミドは 100 ～ 500 時間でトラッキングが発生し、FR-4 基板は 500 ～ 2,000 時間で故障し、PTFE および PFA は 1,000 ～ 5,000 時間持ちこたえ、アルミナは 10,000 時間を超えてもトラッキングが発生しません。

Q3：30kVの電圧にはどのくらいの沿面距離が必要ですか？

50 mmを超えると、600 V/mmを超える勾配になります。リブ付きまたはシェッド付きプロファイルを使用して、フットプリントを増やさずに経路長を延長し、動作電圧の1.5倍での部分放電試験で検証してください。DC耐電圧試験だけでは、トラッキングマージンを確認できません。

Q4：フッ素がこの問題に関係しているのはなぜですか？

フッ素は表面の回復を妨げるからです。DUVは結合を切断し、フッ素は切断された部位を攻撃して再形成を阻害するため、損傷が蓄積されます。フッ素と熱を併用したDUV照射は、DUV単独の場合と比較して、フラッシュオーバーまでの時間を10倍から100倍短縮します。

Q5：漏洩電流はどのように監視すべきですか？

各高電圧部品の接地接続部に電流センサーを取り付け、シフトごとに記録します。100 µAでアラームが作動し、表面のトラッキングが発生していることを示します。表面が劣化している間も静電容量とESRは許容範囲内に留まるため、漏洩電流が最も早期の兆候となります。

Q6：コーティングは無機物の代わりになりますか？

光子経路を他の方法で遮断できない場合に限ります。50 µm 以上のゾルゲルシリカまたはアルミナコーティングは深紫外光を遮断しますが、熱サイクルに耐え、剥離しない必要があります。コーティングが剥離するとポリマー表面が露出するため、露光後に密着性をテストしてください。

7。 リファレンス

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11. HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ 技術リソース、https://www.hv-caps.com