エキシマレーザー：高電圧封止のためのパリレンコーティング

エキシマレーザー：高電圧封止のためのパリレンコーティング

抽象

25 µmの蒸着膜は、3気圧下で1%のフッ素混合ガスから高電圧部を隔離し、フッ素が膜中に0.02 nm移動するのに50,000時間を要する。本稿では、成膜工程、拡散係数、バリア寿命、誘電率、4つのコーティング破損モード、および膜を健全に保つための準備と検査について述べる。

はじめに

エキシマレーザーは、フッ素、クリプトン、アルゴン、水素の混合ガス（フッ素濃度0.1～2%、気圧2～5気圧）で動作します。パルス電源、コンデンサ、抵抗器、ダイオード、基板はすべてこの雰囲気中に設置されています。

フッ素はまず有機封止材を攻撃します。ポリマー鎖を切断し、水素を抽出し、炭素を残すため、表面は脆くなり、同時に導電性になります。エポキシ樹脂は5,000時間後には引張強度が半分になり、10,000時間後には表面抵抗率が4桁も低下します。

コーティングは、下地のポリマーからガスを遮断しつつ、電界を伝達する必要がある。そのため、ほとんどの有機フィルムは、ガスを吸収するか、レール下で劣化してしまうため、この条件を満たせない。

この記事では、成膜プロセス、3種類のパリレングレード、拡散係数とバリア寿命、誘電率、4つのコーティング破損モード、そしてフィルムを健全に保つための準備および検査手順について解説します。

2. コアメカニズム

2.1 化学気相成長法

パリレン膜は真空チャンバー内で3段階の工程を経て形成され、溶媒や液体が部品に接触することはありません。二量体は0.1～1 Torrの圧力下、150～180℃で昇華します。その後、蒸気は650～700℃の領域を通過し、反応性モノマーに分解されます。モノマーは室温で部品に到達し、その場で重合します。

膜の成長速度は1～2µm/hなので、25µmのコーティングには約1シフトかかります。室温での成膜はレーザー部品にとって重要です。なぜなら、ポリマーシェルと半田接合部の両方が成膜プロセスを受け、どちらも熱負荷を受けないからです。

2.2 3つのグレード

パリレンNは置換基を持たず、誘電率が2.65で7000V/milを超える絶縁耐力を有します。パリレンCは環に塩素原子を導入することで、水分や化学物質の侵入に対するバリア性を高め、誘電率を3.15に設定します。パリレンAF-4は環の水素をフッ素に置換し、メチル基を導入することで、紫外線耐性と連続使用温度限界を200℃まで高めます。

レーザー筐体の場合、パリレンCがフッ素の役割を担います。193nmの光が部品に到達する箇所では、AF-4のフッ素化学が、パリレンNおよびCを劣化させる紫外線負荷に対応します。

2.3 拡散とバリア寿命

バリア作用は、膜中のフッ素の拡散係数に由来し、通常の温度依存性を示す。

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

ここで、Dは拡散係数、D0は前指数因子、Edは拡散活性化エネルギー、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度である。

D0 = 1e−9 cm²/s、Ed = 1.0 eVのパリレンCでは、300 KでD = 1.7e−26 cm²/sとなる。すると、波面は時間の平方根に比例する距離だけ移動する。

x = sqrt(D × t)

ここで、x は攻撃前線が到達する深さ、D は拡散係数、t は露光時間です。50,000 時間（1.8 × 10⁸ 秒）を超えると、x = 0.02 nm になります。25 µm のフィルムに対して、これは 7 桁のマージンです。

同じ関係を逆にすると、フィルムが持つ時間は厚さの二乗に比例する。

t_barrier = x^2 / D

ここで、t_barrierは膜を横切るまでの時間、xは膜厚、Dは拡散係数です。25 µmと1.7e−26 cm²/sの場合、結果は3.7e20秒となり、この装置のサービスウィンドウを超えています。

2.4 誘電率

コーティングは表面と部品の間に存在するため、その劣化がレール上の上限を決定する。

V_bd = E_bd × t

ここで、V_bdはフィルムの絶縁破壊電圧、E_bdは絶縁耐力、tはフィルムの厚さです。パリレンCは275V/µmの耐圧を持つため、25µmのフィルムは6.9kV、50µmのフィルムは10kV以上の耐圧を持ちます。

このフィルムは、覆っているノードに静電容量を付加する。

C_p = ε0 × εr / t

ここで、C_p は単位面積あたりの静電容量、ε0 は真空の誘電率、εr はフィルムの誘電率、t はその厚さです。εr = 3.15、t = 25 µm の場合、フィルムは 1.1 nF/cm² を追加します。1 kHz では、フィルムは 0.002 の損失係数、1e16 Ω·cm を超える体積抵抗率、および 1e15 Ω/sq を超える表面抵抗率も保持します。

図1 — セラミック基板上の25 µmのパリレンC膜は、1% F2中で50,000時間経過後、0.02 nmの侵食深さを生じる。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：鋭角部分の被覆が薄い

蒸着膜は表面に沿って形成され、鋭角な角でも公称厚さの約半分になります。25 µm のコーティングでは 12 µm のエッジが残り、電界は同じ場所に集中します。

10,000時間から20,000時間経過すると、薄い部分が劣化し、そこからトラッキング現象が発生する。作業者はコーティング業者を非難するが、コーナーの断面を見ると、その部分の厚みが局所的に減少していることがわかる。50 µmのコーティングでは、同じコーナーで25 µmの厚みが維持されている。

問題点2：汚れた表面からの剥離

油、埃、そして酸化層が、フィルムと部品の間に存在する。フィルムはその層を接着の基盤としているが、熱サイクルによってその層が剥がれてしまう。

5,000時間から15,000時間経過後、剥離した部分の下にあるポリマーがガス混合物に曝される。作業者は接着促進剤に問題があると指摘し、被塗物の接触角測定を行ったところ、塗膜が垂れる前に汚染が確認された。

痛みのポイント3：関節の不一致によるひび割れ

銅とセラミックの接合部は、温度変化1℃あたり約10ppmずつ移動する。フィルムはその動きに追従する必要があるが、破断伸度20%では限界がある。

10,000～30,000回の熱サイクル後、接合部に亀裂が生じ、ガス混合物が基材に到達します。作業者はコーティングの厚さを原因として挙げ、解決策は柔軟な接合部、またはその領域に厚いフィルムを貼ることです。同じ動作で負荷がかかると、 N4700 セラミック本体およびその端部。

問題点4：DUVプリント部品のUV黄変

193nmの光がフィルムに到達すると、パリレンNとCがエネルギーを吸収して分解する。その結果、フィルムは黄変し、脆くなり、誘電強度が低下する。

20,000時間から50,000時間経過すると、表面のトレース電圧が低下します。オペレーターはレールに問題があると考えていますが、同じ厚さのパリレンAF-4フィルムは、193nmの光を10,000時間照射しても黄変しません。

4. 設計手順

戦略1：塗装前に表面を準備する

イソプロパノールまたはプラズマ処理で洗浄することにより、油分、ほこり、酸化物を除去します。密着促進剤として、セラミックにはA-174シラン、金属にはHMDSを塗布します。水接触角を測定して結果を確認し、コーティング準備が整った表面では接触角が10°未満であることを確認します。

戦略2：荷重から厚さを設定する

5 kVまでのレールにフッ素系絶縁材を使用する場合は、絶縁破壊電圧が6.9 kVとなるように25 µmの厚さを適用します。10 kVを超える場合は50 µmの厚さに変更し、継ぎ目や鋭角部分には局所的に厚みを増します。厚さは、断面顕微鏡または渦電流計を用いて、最も薄い部分と平面の両方で確認してください。

戦略3：軽い荷物から勾配を選択する

ガス混合物にさらされ、光がほとんど当たらない部品には、塩素置換によって水分および化学物質に対するバリア性が向上するパリレンCを使用してください。193 nmの光が表面に届く場所にはパリレンAF-4を使用し、1,000時間の193 nm照射試験でその選択を確認してください。部品が高温になる場所でも、AF-4は200℃までその特性を維持します。

戦略4：プロセスが残すものを検査する

光学顕微鏡でフィルムにピンホール、空隙、剥離箇所がないか確認し、ASTM D3359 法に従ってテープテストを実施します。試験片上で、500 V/s の速度で絶縁破壊に至るまで誘電率試験を行います。3 枚目の試験片を 5% F2 の 100 °C に 1,000 時間曝露します。これは使用時の混合比よりも高く、コーティング全体を一度に覆います。

戦略5：気密シールの上にコーティングを施す

金属とセラミック間の気密シールを一次バリアとして使用し、その上にコーティングを二次バリアとして使用します。1e−9 atm·cm³/s以下の圧力の接合部ではケース側でガスが遮断され、25 µmのフィルムがフィードスルー、終端部、およびそれらの周囲の基板を覆います。一方の層が劣化しても、もう一方の層は保持されるため、このペアによってアセンブリは100,000万時間以上動作します。

同じ2層処理を グレード別抵抗器 仕切り板の上と 高速回復ダイオード パッケージは、どちらもコンデンサと同じ環境にあるため、同じものになります。

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. フッ素樹脂筐体用HVCパリレン被覆コンデンサ

このノードにおける選択を左右する4つの要件は、ガスを遮断するフィルム、角や隙間を覆う被覆、レールを支える誘電体、そして熱サイクルに耐える接着性です。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場内で、蒸着、表面処理、検査を同一建物内で行い、1kVから150kVまでの電圧範囲に対応しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 50,000時間後に前面が0.02 nm前進し、表面抵抗率が1e15 Ω/sq以上を維持する25 µmのパリレンCフィルム。
• 隙間や角など、本来であれば厚みの半分程度しか塗布されないような箇所も含め、すべての面において、塗布面積が公称値の±5%以内であること。
• 7000 V/milを超える絶縁耐力、3.15の誘電率、および0.002の誘電正接は、25 µmのフィルムに6.9 kVの電圧を保持し、1.1 nF/cm²の静電容量を加える。
• プラズマ洗浄とシラン促進剤により20MPaを超える接着力が得られ、-40℃から+125℃までの温度変化を1,000サイクル繰り返しても剥離しない。
• レーザー光を受ける部品には、193 nmの露光を10,000時間受けても黄変しないパリレンAF-4オプションがあります。1 kVから150 kVまでの電圧範囲はパルスネットワークと ドアノブコンデンサ 同じ筐体内。
• リソグラフィ光源プログラムにおいて、輸入スクリュータイプ部品の代替品として認定されており、1% F2、40 kV、6 kHzで50,000時間以上の稼働実績があります。HVC部品は、以下のパラメータとパッケージ寸法に適合します。 村田 ねじ込み式レンジ。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、カスタムセットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリング部門は、コーティングの選定、厚さと等級のレビュー、接着性の評価、フッ素暴露試験の計画をサポートします。

フッ素濃度、レール電圧、部品への光照射量、温度範囲、表面形状をお送りください。HVCは、検査データと2つのサンプルからなる評価キットを添えたコーティング仕様書を5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：25μmのパリレンフィルムはフッ素混合液中でどのくらいの時間耐えられますか？

前面は x = sqrt(D × t) のように移動し、300 K では D は 1.7e−26 cm²/s です。50,000 時間で 0.02 nm となり、フィルムの厚さに対して 7 桁の余裕があります。t_barrier = x^2 / D で逆算すると、フィルムは 3.7e20 秒の余裕を持ち、この装置のサービス ウィンドウを超えます。

Q2：レーザー加工部品に適したパリレンのグレードはどれですか？

ガス混合物が主な負荷であり、表面に届く光が少ない場合は、パリレンCを使用してください。塩素置換により、水分および化学物質に対するバリア性が向上するためです。193 nmの光が部品に届く場合は、パリレンAF-4を使用してください。フッ素化された化学構造により、パリレンNおよびCを黄変させる紫外線負荷が抑制され、さらに200℃の連続使用温度限界も備えているためです。

Q3：コーティングによってどの程度分解が進みますか？

これは、V_bd = E_bd × t の関係に従います。パリレン C は 275 V/µm の電圧を保持するため、25 µm のフィルムは 6.9 kV を保持し、50 µm のフィルムは 10 kV 以上を保持します。また、フィルムは C_p = ε0 × εr / t (εr = 3.15) から 1.1 nF/cm² の静電容量を追加するため、小さなノードは余分な静電容量を検出できます。

Q4：なぜ鋭角な部分は薄くなるのですか？

蒸着膜は表面に沿って形成されるため、角部ではモノマーが接触する面積が小さくなります。角部の厚さは公称厚さの半分で済むため、本来25 µmが必要な箇所でも、角部では12 µmの厚さで済むことになります。そのため、厚みを局所的に調整し、平面ではなく角部の断面で確認するようにしてください。

Q5：接着性をどのように評価すればよいですか？

イソプロパノールまたはプラズマで洗浄し、セラミックにはA-174シラン、金属にはHMDSを塗布し、水接触角が10°未満であることを確認します。次に、ASTM D3359法に従ってテープテストを行い、-40℃から+125℃まで1,000回の熱サイクル試験を実施します。20MPaを超える接着力は、この一連の試験を通して剥離することなく維持されます。

Q6：このコーティングは気密シールを代替するものですか？

両方とも、この順序で保持してください。1e−9 atm·cm³/s以下の気密接合部はケース内でガスを遮断し、25 µmのフィルムは接合部が届かないフィードスルーとボードを覆います。2つのバリアがあれば、片方が劣化してもアセンブリは100,000時間以上動作します。 フィルムコンデンサ 同じ囲いの中にある場合、露出面には同様の処理が必要です。

7。 リファレンス

1. E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版​​、ニューネス、2000年。
2. N. モハン、TM アンダーランド、WP ロビンス、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計、第3版、Wiley、2003年。
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8. 未来を支える電力：高電圧MLCCが現代の電子機器の効率性をどのように向上させるか、村田製作所、https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html 。
9. 16000Aの直流パルスを供給できるコンデンサバンクの構築、Physics Forums、https://www.physicsforums.com/threads/building-a-capacitor-bank-capable-of-pulsing-16000-a-dc.327153/ 。
10. MIL-PRF-55681 Rev. H、 コンデンサ、チップ、多層、固定、セラミック誘電体、確立された信頼性および非確立された信頼性、一般仕様. コロンバス、オハイオ州：DLA陸上海事部、2025年。
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