Защо нагревател от клас PFA с много чиста (ниска-пепел) може да покаже по-ранен диелектричен пробив в среди с висока-влажност?

За съществени приложения, изискващи ниски екстрахируеми и йонни замърсители, са посочени много чисти PFA степени (ниска -пепел, полупроводников-клас). Тези степени имат съдържание на пепел<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.

Механизъм на абсорбция на влага и диелектричен пробив
PFA поема 0,03-0,10% вода от теглото при 100% RH в зависимост от температурата и кристалността. Абсорбираните водни молекули са подвижни и могат да провеждат йонен ток в електрическо поле. Ако напрегнатостта на електрическото поле е по-висока, отколкото материалът може да издържи, обикновено 15–25 kV/mm за сух PFA, ще настъпи диелектричен пробив. Абсорбираната влага намалява якостта на разрушаване до 10-15 kV/mm при 80% RH и 5-10 kV/mm 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 Тази реакция използва свободна вода и я комбинира химически. Свързаната вода е значително по-малко подвижна и проводима от свободната вода. Частиците на пълнителя също служат като точки на разсейване на електрони, увеличавайки дължината на пътя на разпадане. Много чистият PFA не съдържа такива пълнители (пепел<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 диелектрична якост на PFA срещу Utra-Pure PFA
Съдържание на пепел от клас PFA (%) Водопоглъщане при 60 градуса, 80% относителна влажност (%) Диелектрична якост (kV/mm) при 80% относителна влажност Време за падане на изолационното съпротивление (<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 часа Храна, фармацевтични продукти
Свръх{0}}чист (ниска-пепел) 0,005–0.01 0.08–0.10 8–10 2,000–4000 часа Полупроводници, критични лаборатории
Свръх{0}}чист с десикантен пълнител (специален) 0,01–0,02 (добавен пълнител) 0,04–0.06 11–14 6,000–10 000 часа Висока влажност + Висока чистота
Стандартно с уловител на влага 0,20–0.40 0.04–0.06 13–16 10,000–15 000 hТропически, външни настройки
Теренни доказателства от производството на полупроводници
Фабриката за полупроводници инсталира ултра{0}}чисти PFA нагреватели (пепел<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.

Намаляване на Ultra-Pure PFA във влажна среда
За ситуации с висока влажност (напр. мокри полупроводникови стендове с произведена от процеса влажност), където са необходими нагреватели с ултра-чист PFA, три смекчаващи мерки подобряват диелектричната надеждност:

Продухване с азот: Приложете постоянен поток от сух азот към студената страна на нагревателя. Положителното налягане предпазва влажния въздух от докосване на PFA-металния интерфейс. Пречистването с азот увеличава живота на съпротивлението на изолацията 5-10 пъти.

По-ниска плътност на вата: Намалете напрежението на електрическото поле, като работите при по-ниско напрежение (208 V спрямо . 480V) и/или използвате по-голям нагревател (по-нисък W/cm²). По-ниската сила на полето намалява задвижващата мощност за ток на утечка.

Улавяне на влага: Инсталирайте пакет от молекулярно сито (зеолит или силикагел) в студената зона. Гетерът поема всяка влага, която изтича през PFA. Сменяйте гетера на всеки 6 до 12 месеца.

За приложения, които се нуждаят от висока чистота и висока влажност (напр. фармацевтични влажни реактори), използвайте ултра-чист PFA с допълнителен влаго{3}}стабилизиращ пълнител. Различни производители произвеждат ултра-чист PFA с „висок-клас на влажност» с 0,01-0,02% калциев оксид или синтетичен хидроталцит. Тези степени имат диелектрична якост от 12-14 kV/mm при 85% относителна влажност, подобно на нормалния PFA, като същевременно поддържат ниски екстрахируеми вещества.

Заключение: Стандартният PFA превъзхожда Ultra-Pure при висока влажност
Много чист (ниска пепел) Когато към пълнителя не са добавени абсорбери на влага, PFA нагревателите са склонни да се разграждат по-рано от нормалните PFA при настройки с висока влажност (по-голяма или равна на 80% RH). Йонната проводимост се увеличава от свободната вода в полимерната матрица и диелектричната якост намалява от 12–15 kV/mm до 8–10 kV/mm. Стандартният PFA с 0,1–0,5 % пепел ще оцелее 2–4 пъти по-дълго от ултра-чистия PFA във влажна среда. Инженерите не трябва да приемат, че "по-чистото е по-добро" във всички ситуации. За сухи приложения ултра-чистият PFA предлага най-висока степен на чистота. При влажни приложения е за предпочитане нормален PFA или ултра{16}}чист с влаго{17}}стабилизиращ пълнител. Ако както ниските екстрахируеми вещества, така и високата влажност са желателни за приложение, осигурете продухване с азот или влагоуловители. Пробивът-на диелектрик, предизвикан от влага, е ограничение на дизайна, а не на материала. Изберете степента на PFA според околната среда, а не идеална теоретична чистота. Малко пепел е хубаво нещо във влага.