Чому дуже чистий (з-зольним) нагрівач класу PFA може виявити більш ранній діелектричний пробій у середовищі з високою{1}}вологістю?

Для важливих застосувань, які потребують низьких витягувальних речовин та іонних забруднювачів, вказуються дуже чисті класи PFA (низька -зола, напівпровідниковий-клас). Ці сорти мають зольність<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.

Механізм поглинання вологи та діелектричного пробою
PFA поглинає 0,03-0,10% води за вагою при 100% RH залежно від температури та кристалічності. Поглинені молекули води рухливі і можуть проводити іонний струм в електричному полі. Якщо напруженість електричного поля вища, ніж може витримати матеріал, зазвичай 15–25 кВ/мм для сухого PFA, відбудеться пробій діелектрика. Поглинена волога знижує міцність на розрив до 10-15 кВ/мм при 80% RH і 5-10 кВ/мм при 100% RH.

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 Ця реакція використовує вільну воду та хімічно поєднує її. Зв'язана вода значно менш рухлива і провідна, ніж вільна вода. Частинки наповнювача також служать точками розсіювання електронів, збільшуючи довжину шляху пробою. Дуже чистий PFA не містить таких наповнювачів (зола<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.

Стандартна діелектрична міцність PFA проти Utra-Pure PFA
Клас PFA Вміст золи (%) Водопоглинання при 60 градусах, 80% RH ( %) Діелектрична міцність (кВ/мм) при 80% RH Час падіння опору ізоляції (<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
Висока-чистота 0.05-0.10 0.06-0.08 11-13 5000-8000 год. Продукти харчування, фармацевтика
Над-чистий (з низьким-зольністю) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2,000–4000 годин Напівпровідник, критичні лабораторії
Ультра{0}}чистий із осушувачем (спеціальний) 0,01–0,02 (доданий наповнювач) 0,04–0.06 11–14 6,000–10 000 годин Висока вологість + висока чистота
Стандартно з поглиначем вологи 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15 000 годТропічний режим, надворі
Польові дані з виробництва напівпровідників
Фабрика напівпровідників встановила нагрівачі ультра-PFA (зола<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.

Зниження ультра-Pure PFA у вологому середовищі
Для ситуацій з високою вологістю (наприклад, напівпровідникові вологі стенди з вологістю, створеною технологічним процесом), де потрібні над-нагрівачі PFA, три пом’якшення покращують діелектричну надійність:

Продувка азотом: подайте постійний потік сухого азоту на холодну сторону нагрівача. Завдяки надлишковому тиску вологе повітря не торкається металевої поверхні PFA-. Продувка азотом збільшує термін служби ізоляції в 5-10 разів.

Нижча щільність ват: зменшіть напругу електричного поля, запустивши на нижчу напругу (208 В проти . 480В) і/або використовуючи більший нагрівач (менше Вт/см²). Менша напруженість поля зменшує рушійну потужність струму витоку.

Вологопоглинач: установіть пакет молекулярного сита (цеоліт або силікагель) у холодну зону. Геттер поглинає будь-яку вологу, яка просочується через PFA. Змінюйте геттер кожні 6-12 місяців.

Для застосувань, які потребують високої чистоти та високої вологості (наприклад, фармацевтичні вологі реактори), використовуйте над-чистий PFA з додатковим наповнювачем-для стабілізації вологи. Різні виробники виготовляють ультра-PFA з високою-вологістю з вмістом 0,01-0,02% оксиду кальцію або синтетичного гідротальциту. Ці сорти мають діелектричну міцність 12-14 кВ/мм при 85% відносної вологості, подібну до звичайного PFA, зберігаючи при цьому низькі екстраговані речовини.

Висновок: Стандартний PFA кращий за Ultra-Pure за високої вологості
Дуже чистий (з низьким вмістом золи). Якщо до наповнювача не додано поглиначі вологи, обігрівачі PFA мають тенденцію виходити з ладу раніше, ніж звичайний PFA, за умов високої вологості (більше або дорівнює 80% RH). Іонна провідність збільшується за рахунок вільної води в полімерній матриці, а діелектрична міцність зменшується з 12–15 кВ/мм до 8–10 кВ/мм. Стандартний PFA із вмістом золи 0,1–0,5 % витримає в 2–4 рази довше, ніж ультра{11}}чистий PFA у вологому середовищі. Інженери не повинні припускати, що "чистіше - краще" в усіх ситуаціях. Для сухого застосування ультра-PFA забезпечує найвищий ступінь чистоти. У вологих приміщеннях краще використовувати звичайний PFA або ультра-чистий із-наповнювачем, що стабілізує вологу. Якщо для застосування бажані і низькі екстраговані речовини, і висока вологість, забезпечте продувку азотом або вологопоглиначі. Пробою діелектрика-внаслідок дії вологи є обмеженням конструкції, а не матеріалу. Вибирайте клас PFA відповідно до середовища, а не теоретичного ідеалу чистоти. Невелика кількість попелу – приємна річ у вологості.