レーザーサプライ：高電圧コンデンサの早期警告

レーザーサプライ：高電圧コンデンサの早期警告

抽象

リソグラフィ光源の故障時保守では、ダウンタイム1時間あたり1万ドルから5万ドルのコストがかかり、2年ごとの交換サイクルではコンデンサの寿命の30%から50%が無駄になります。状態基準保守では、これら両方を代替できます。この記事では、4つの劣化曲線、警告および警報の制限値、べき乗則近似による残存寿命の計算、および40kVパルスノードに適合する監視ハードウェアについて説明します。

はじめに

エキシマ電源のセラミックコンデンサは、20kV～40kV、1kA～10kA、1kHz～6kHz、80℃～150℃、0.1%～2%F₂の条件下で動作します。これらのストレスはそれぞれ異なるパラメータを変化させます。

一般的な方針は、故障するまで使い続け、予定通りに交換するというものだ。前者は予告なしに生産設備を停止させ、後者はまだ寿命の半分が残っている部品を廃棄する。

状態基準保全は、パラメータを監視し、傾向を分析した結果に基づいて、計画された期間内に交換時期を決定します。そのためには、基準値、一連の制限値、および各パラメータごとに信頼できる測定値が1つ必要です。

この記事では、4つの劣化曲線、監視方法、残存寿命の推定、およびスケジュールを機能させるための制限事項とハードウェアについて説明します。

2. コアメカニズム

2.1 静電容量ドリフト

誘電体の経年劣化と電極の侵食に伴い、静電容量は低下する。

C(t) = C₀ × (1 − k_C × t^n)

ここで、C(t)は時間t後の静電容量、C₀は初期静電容量、k_Cはドリフト係数、nは時間指数です。k_Cが5×10⁻⁶/時間、nが0.6の場合、10 nFの部品は10,000時間で9.987 nF、100,000時間で9.95 nF、1,000,000時間で9.80 nFとなり、ドリフト率はそれぞれ0.13%、0.5%、2.0%となります。

最後の数値は、公差5%の部品にとって重要な値です。2%のドリフトでは温度係数の許容範囲がほとんど残らないため、部品が-40℃から+125℃の範囲で値を維持する必要がある場合は、ドリフトの許容範囲を1%付近に設定する必要があります。

2.2 散逸係数の成長

電極の酸化や汚染によって損失が増加する。

DF(t) = DF₀ × (1 + k_DF × t^m)

ここで、DF(t)は時間t後の散逸係数、DF₀は初期値、k_DFはドリフト係数、mは時間指数です。DF₀が0.0005、k_DFが2×10⁻⁵/時間、mが0.7の部品は、100,000時間で3.2%成長しますが、これは小さい値です。表面が湿った状態で150℃で動作する部品は50%から100%成長し、その変化はパルス加熱で現れます。

2.3 絶縁抵抗の劣化

湿気や汚染物質が表面に浸透する経路が形成されると、断熱抵抗は低下する。

IR(t) = IR₀ × exp(−k_IR × t^p)

ここで、IR(t)は絶縁抵抗、IR₀は初期値、k_IRはドリフト係数、pは時間指数です。IR₀が10¹⁵Ω、k_IRが5×10⁻⁶/時間、pが1.0の部品は、100,000時間後には6.07×10¹⁴Ωまで低下し、39%減少します。湿度の高い環境やフッ素を多く含む環境では、同じ部品が90%から99%低下し、このレベルは緩やかなドリフトではなく、故障の前兆となります。

2.4 部分放電による成長

空隙が拡大し、電極端部が侵食されるにつれて、部分放電が増加します。新品の部品は定格電圧で1 pC未満に抑えられますが、10万時間経過すると5～100,000 pCに達し、50 pCを超えると貫通破壊寸前の状態になります。

部分放電（PD）は静電容量よりも速く変化するため、メンテナンス日を決定します。傾向から得られる残存寿命は以下のとおりです。

dC/dt = −k_C × n × t^(n−1) × C₀
RUL = (C_current − C_threshold) / (−dC/dt)

ここで、dC/dt は現在のドリフト率、C_current は測定された静電容量、C_threshold は制限値、RUL は残りの耐用年数です。100,000 時間では、レートは 4.74×10−⁷ nF/時間なので、9.95 nF の部品が 9.5 nF に達するには 950,000 時間かかります。この数値は、静電容量が制限パラメータではなく、部分放電の傾向が制限パラメータであることを示しています。

図1 — PDレベルは76,000時間で20 pCのアラームに達し、静電容量ドリフトは0.42%にとどまっているため、PDトレンドによってメンテナンス日が設定され、静電容量のみでは部品が正常であると報告されます。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：監視されていない障害による予期せぬダウンタイム

警告なしに故障したコンデンサは、リソグラフィ装置を24時間から72時間停止させる。1時間あたり1万ドルから5万ドルの費用がかかるため、1回の故障でパルス電源全体の年間保守費用を上回る損失が発生する。

問題点その2：カレンダーの交換によって人生が台無しになる

年間1万時間稼働で2年サイクルで交換する場合、各部品は寿命の30%から50%が未使用の状態で交換され、コンデンサ1個あたり300ドルから500ドルかかる。この時点で取り外された部品は通常、すべての測定に合格するため、保守記録上ではこの方針が無駄に見えることになる。

問題点３：リスクを隠蔽する単一のパラメータ

容量のみの方式では、50,000時間で0.5%のドリフトを検出し、残りの寿命が950,000時間で部品は正常であると報告する。この時点で部分放電レベルはすでに20 pCに達しているため、部品は次のメンテナンス間隔内に故障する。 フィルムコンデンサ 同じ位置でも異なるパラメータで劣化するため、1つの方式で両方の部品タイプに対応することはできません。

問題点4：部品代よりも高価な監視用ハードウェア

完全なオンライン監視システムはコンデンサ1個あたり5,000ドルから10,000ドルかかるため、100個のコンデンサを使用する電源システムには500,000ドルから1,000,000ドルの計測費用がかかります。一方、5,000ドルのポータブル計測器を1,000時間かけて巡回すれば、同じ対象者をはるかに低い費用でカバーできますが、その分、計測間隔の分解能は劣ります。

4. 設計手順

戦略1：1つではなく4つのパラメータを監視する

トラックC、DF、IR、PD。静電容量とDFは誘電体の経年劣化と電極損失を、IRは水分と表面経路を、PDは内部空隙とエッジ損傷をそれぞれカバーします。ケース温度も追加してください。§2のすべてのドリフト係数はケース温度に比例するためです。

戦略2：パラメータごとに基準値と2つの制限値を設定する

設置部品の試運転時にすべてのパラメータを記録し、その後、警告とアラームを設定します。容量ドリフトは1%と3%、DF増加は50%と100%、絶縁抵抗損失は90%と99%、PDは5pCと20pCです。

戦略3：トレンドに合わせて残りの寿命を読み取る

最後の 3 点または 4 点をべき乗則に当てはめ、現在の時点での傾きを取得し、記録の平均傾きは取得しません。 サンプリング抵抗器 リターンパスで漏洩電流の上昇が見られる場合は、そのチャネルを実際の電源におけるIRトレンドとして使用します。

戦略4：残りの寿命を作業指示に変換する

残りの寿命が 6 か月を超えたら、交換を次の計画停電まで延期します。残りの寿命が 1 か月未満になったら、次の利用可能な期間に予約します。直列接続されたコンデンサが DC バスを共有している場合は、以下を追加します。 グレード別抵抗器 そのため、電圧項によってあるユニットが隣接するユニットよりも早く老化することはなく、一致するセットとしてストリングを交換します。

戦略5：センサーを搭載した部品を使用する

±1℃の温度センサーと1pCの分解能を持つ部分放電センサーを内蔵したスマートコンデンサを使用することで、外部カプラと配線が不要になります。低消費電力の無線リンクでデータを送信できるため、設置コストは有線方式に比べて約半分に削減できます。

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. HVCはパルス電源用のコンデンサを監視した。

このノードでの選択を左右する3つの要件は、トレンドを把握できるほど十分にゆっくりと変化するパラメータ、余裕を持たせるのに十分なほど低いPDレベル、そして部品内に収まるセンシングです。HVCは、 N4700 そのセットの部品は、東莞にある自社所有の6,000平方メートルの工場で、1kVから150kVまでの範囲で製造されている。

ここで重要な6つのパラメータ

• ±1℃の分解能を持つ埋め込み型温度センシングと、1pCの分解能を持つPDセンシングにより、最初に変化する2つのパラメータが報告される。
• 通信範囲10kmの低電力無線リンクがデータをゲートウェイまで伝送し、無線方式を採用することで、有線方式に比べて設置コストを約半分に削減できる。
• クラウドプラットフォームは、500以上のシステムに設置された1万個以上のコンデンサからデータを収集し、予測される故障の3ヶ月前に残存寿命の数値を返す。
• 4つのパラメータによるモニタリングでは、C、DF、IR、PDをカバーし、傾向分析によって主要な劣化メカニズムを特定できるため、メンテナンス担当者はそのメカニズムに焦点を当てることができます。
• 残存寿命予測は、10年間の実地データに対して95%の精度を誇り、B10の寿命は95%の信頼度で15,000時間と確定している。
• リソグラフィ用光源において認定を受けた部品は、計画外のダウンタイムを80%削減し、保守費用をカレンダーポリシーと比較して40%削減することが実証されています。

ラジアルリードディスク、スクリュー端子、および ドアノブコンデンサ 1 kVから150 kVの範囲をカバーします。HVC部品は、 ビシェイ HVCC、KEMETラジアルリード、村田製作所DHS/DHR、TDK UHV/FHV。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、センサー搭載セットは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は、ベースライン測定、制限値設定、トレンドフィッティング、および残存寿命レポートの解釈をサポートします。

供給トポロジー、設置済み部品数、現在のメンテナンス間隔、および1時間あたりのダウンタイムコストをお送りください。HVCは、制限値、サンプリング間隔、および2サンプル評価キットを含む監視計画を5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：どのパラメータが最も早く警告を発しますか？

部分放電。新品の部品は定格電圧で1 pC未満に抑えられ、10万時間経過後も5～10 pC、許容範囲を超える前に20 pCに達します。100,000 nFの部品では、部分放電が20 pCのアラーム値を超えた時点で、静電容量のドリフトはわずか0.42%です。

Q2：どのような警告値とアラーム値を設定すればよいですか？

静電容量ドリフトは1%警告、3%警報、DF増加は50%および100%、絶縁抵抗損失は90%および99%、PDは5 pC警告および20 pC警報です。これらの値はすべて、データシートの値ではなく、実際に設置した部品で測定した値に基づいて設定してください。

Q3：容量のみの方式が失敗する理由は？

静電容量は4つのパラメータの中で最も変化が遅いためです。50,000時間経過した時点で、10 nFの部品は約0.35%ドリフトしており、べき乗則近似では残りの寿命が950,000時間と予測されていますが、部分放電レベルはすでに20 pCに達しています。そのため、部品は近似で安全と判断された範囲内で故障します。

Q4：どのくらいの頻度でサンプルを採取すればよいですか？

携帯型機器を用いて1,000時間ごとに一次スクリーニングを実施し、いずれかのパラメータが警告限界値を超えた場合は、より短い間隔で検査を行う。組み込みセンサーを備えたオンライン方式では、継続的にサンプリングを行うため、1,000時間ごとの検査では見逃してしまうような急激な変化にも対応できる。

Q5：状態基準保全はどのようなコスト削減につながりますか？

総保守費用の40%～60%を削減できる一方、従来の保守方針では残存寿命の30%～50%を廃棄する。最大の節約効果はダウンタイムの削減にある。リソグラフィ装置の場合、1時間あたり1万ドル～5万ドルのダウンタイムが発生しているが、計画的な交換は既存の停止時間内に実施できる。

Q6：センサーが内蔵されていない部品を監視することはできますか？

はい、絶縁抵抗の傾向を測定するためのサンプリング抵抗を介した漏洩電流チャネル、静電容量とDFを測定するためのLCRブリッジ、およびPDを測定するための外部カプラを備えています。センサー内蔵バージョンは標準部品よりも10～20%高価ですが、ほとんどの外部ハードウェアが不要になります。

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