DUV-Strahlung und Oberflächenleitfähigkeit in Hochspannungskondensatoren

DUV-Strahlung und Oberflächenleitfähigkeit in Hochspannungskondensatoren

Abstract

Excimerlicht mit Wellenlängen von 193 nm, 248 nm und 351 nm dringt durch Sichtfenster und wird an der Isolierung der Stromversorgung gestreut. Die dabei entstehenden Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, und der resultierende Oberflächenstrom setzt einen Stromkreis in Gang, der in einer Leiterbahn und einem Überschlag endet. Dieser Artikel erläutert die Berechnung der Photoleitfähigkeit, den Verlauf dieses Stromkreises, vier Fehlermodi sowie die Material- und Geometrieoptionen, die diesen Fehler verhindern.

1. Einleitung

Excimerlaser emittieren tiefes Ultraviolettlicht bei 193 nm, 248 nm oder 351 nm. Die Strahlung verlässt den Resonator durch Sichtfenster, wird an optischen Elementen gestreut und von mechanischen Teilen reflektiert.

Ein Teil davon landet auf der Isolierung des Netzteils. Vergussmassen, Kabelmäntel, Steckergehäuse, Leiterplattensubstrate und Abstandshalter nehmen dieses Licht auf.

Ein DUV-Photon besitzt bei einer Wellenlänge von 193 nm eine Energie von 6.4 eV, und die meisten organischen Polymere brechen bei Energien zwischen 3 eV und 5 eV. Jedes absorbierte Photon erzeugt ein Elektron und ein Loch, wodurch ein Stromfluss an der Oberfläche entsteht.

Dieser Artikel behandelt die Erzeugungsarithmetik, die anschließende Kriechstromschleife, vier Ausfallarten sowie die Material- und Kriechstromwahl, die die Oberflächenisolierung gewährleisten.

2. Kernmechanismus

2.1 Trägererzeugung unter DUV

Absorbierte Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in einem Ausmaß, das durch den Absorptionskoeffizienten und den Photonenfluss bestimmt wird:

G = α × Φ × λ / (h × c)

wobei G die Erzeugungsrate pro Volumeneinheit, α der Absorptionskoeffizient, Φ der Photonenfluss, λ die Wellenlänge, h die Planck-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Polymere absorbieren bei 193 nm im Bereich von 10⁴ bis 10⁵ cm⁻¹. Bei einem Fluss von 10 mW/cm² erreicht die Erzeugungsrate etwa 10²⁰ Paare pro cm³ pro Sekunde.

2.2 Stationäre Ladungsträger und Leitfähigkeit

Ladungsträger rekombinieren so schnell, wie sie entstehen, daher folgt die stationäre Konzentration der Lebensdauer:

n = G × τ

wobei n die Ladungsträgerkonzentration, G die Generationsrate und τ die Ladungsträgerlebensdauer ist, die bei Polymeren zwischen 10⁻⁶ s und 10⁻³ s liegt.

Eine Lebensdauer von 10⁻⁴ s ergibt 10¹⁶ Ladungsträger pro cm³. Die Leitfähigkeit hängt dann von der Konzentration, der Ladung und der Mobilität ab:

σ = n × e × μ

wobei σ die Oberflächenleitfähigkeit, n die Ladungsträgerkonzentration, e die Elementarladung und μ die Ladungsträgerbeweglichkeit ist, die in diesen Materialien in der Nähe von 10⁻³ cm²/(V·s) liegt.

Das Ergebnis beträgt etwa 1.6 × 10⁻⁶ S/cm, was dem 10⁶- bis 10⁸-Fachen der Dunkelleitfähigkeit desselben Polymers entspricht. Der Flächenwiderstand ist der Kehrwert davon:

R_s = 1 / σ

Dabei ist R_s der Flächenwiderstand und σ die Oberflächenleitfähigkeit. Sie ändert sich von 10¹⁴ Ω/sq im Dunkeln auf 10⁶ bis 10⁼ Ω/sq unter DUV-Bestrahlung.

2.3 Die Tracking-Schleife

Der Leckstrom erhitzt die Oberfläche, die Hitze zersetzt das Polymer, und bei der Zersetzung entsteht Kohlenstoff. Da Kohlenstoff leitfähig ist, konzentriert sich der Strom in einem engeren Kanal, der sich weiter erhitzt. Der Stromkreis schließt sich, sobald der Kohlenstoffpfad die Elektrodenlücke überbrückt und die Oberfläche einen Kurzschluss verursacht.

Bei 10 mW/cm² und 10 kV/cm kommt es bei einem empfindlichen Material innerhalb von 100 bis 1,000 Stunden zum Überschlag. Die Bindungsenergie des Materials bestimmt, wo innerhalb dieses Bereichs die Auslegungsmethode liegt.

2.4 Geometrie und Leckagepfad

Die Kriechstrecke bestimmt das mittlere Feld entlang der Oberfläche:

E_avg = V / L_creep

wobei E_avg der mittlere Kriechgradient, V die Betriebsspannung und L_creep die Kriechstrecke entlang der Oberfläche ist.

Bei 30 kV benötigt die Auslegung eine Kriechstrecke von über 50 mm, was einem Gradienten von über 600 V/mm entspricht. Der Leckstrom folgt dann dem Oberflächenwiderstand:

I_leak = V / R_s

Dabei ist I_leak der Leckstrom, V die angelegte Spannung und R_s der Flächenwiderstand. Ein Abfall des Flächenwiderstands von 10¹⁴ Ω/sq auf 10⁶ Ω/sq multipliziert den Strom um acht Größenordnungen, und ein Messwert von 100 µA entspricht bereits einer Spurführungsfläche.

Abb. 1 — Epoxidleiterbahnen verlieren bei 10 mW/cm² und 10 kV/cm innerhalb von 100 bis 500 Stunden ihren Widerstand, während ein Aluminiumoxidkörper seinen dunklen Oberflächenwiderstand auch nach über 10,000 Stunden beibehält.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Überschlag an der Kondensatorvergussmasse

Ein mit Epoxidharz vergossener Kondensator verlor unter UV-Bestrahlung seinen Oberflächenwiderstand, und es floss Kriechstrom vom Hochspannungsanschluss zum geerdeten Gehäuse. Nach 500 bis 1,000 Stunden traten Kriechströme auf, die die Kriechstrecke überbrückten.

Der Überschlag wurde als Kondensatordefekt interpretiert, wodurch auch benachbarte Bauteile beschädigt wurden. Die Leiterbahn auf der Vergussmasse enthielt die eigentliche Aufzeichnung.

Problempunkt 2: Board-Tracking mit sich verschiebenden Auslöseschwellen

Auf einer FR-4-Platine traten Oberflächenleckströme zwischen den Hochspannungsleitern auf. Die Signalintegrität verschlechterte sich, die Triggerschwelle verschob sich, und der Regelkreis reagierte auf ein Phantomsignal.

Zwischen 500 und 2,000 Betriebsstunden fiel die Platine komplett aus und musste ersetzt werden. Bereits Wochen zuvor waren sporadische Steuerungsfehler gemeldet worden.

Problempunkt 3: Leitfähige Steckverbinderisolatoren

Die Steckverbinderisolatoren aus Epoxidharz und PBT führten zu Kriechströmen zwischen den Kontakten, was Kontaktkorrosion und Wackelkontakte verursachte. Die Stromversorgung fiel in unregelmäßigen Abständen aus.

Der Stecker wurde zweimal wegen Qualitätsverdachts ausgetauscht. Die Leckagequelle befand sich auf der Isolieroberfläche und trat bei jedem neuen Teil wieder auf.

Problempunkt 4: Kriechstrom, der einen Erdschluss auslöst

Ein Abstandshalter aus Nylon und Epoxidharz, der einen Hochspannungsanschluss trug, lief innerhalb von 500 bis 1,500 Stunden auf das geerdete Chassis zu. Der Überstromschutz schaltete die Stromversorgung ab.

Die Isolierung wurde als mögliche Fehlerquelle untersucht. Die Kohlenstoffspuren auf der Abstandsfläche zeigten, wo der Strom tatsächlich hingeflossen war.

Problempunkt 5: Keine Leckstrommessung

Eine Messeinrichtung erfasste die Bankspannung und die Impulsenergie, jedoch keine Rückkopplung am Boden. Die Oberflächenleckage stieg über Tausende von Stunden an, ohne dass dazu Daten erfasst wurden.

Ein Stromsensor an jeder Erdungsverbindung wandelt dies in einen Trend mit einem Schwellenwert um. Bei 100 µA folgt die Oberfläche bereits der Messung.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: An jedem freiliegenden Knotenpunkt anorganische Isolierung verwenden

Organische Verkapselungsmaterialien sind durch Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Zirkoniumdioxid (ZrO₂) zu ersetzen, da diese Materialien Bindungsenergien über 5 eV aufweisen und DUV-Strahlung nicht in mobile Ladungsträger umwandeln. Die Durchschlagsfestigkeit muss über 20 kV/mm liegen.

Arbeiten jederzeit weiterbearbeiten können. Jede Präsentation und jeder KI-Avatar, den Sie von Grund auf neu erstellen oder hochladen, N4700 Bauteile mit Keramikkörper und Keramikverkapselung. Eine Keramikoberfläche behält ihre Dunkelbeständigkeit, anstatt um acht Größenordnungen abzufallen.

Strategie 2: Verwendung von Fluorpolymer-Kabelisolierung

Wählen Sie eine Isolierung aus PTFE, PFA oder ETFE, die unter gleichen Einwirkungsbedingungen 1,000 bis 5,000 Stunden lang standhält, und legen Sie die Wandstärke auf über 1 mm fest. Vermeiden Sie die Verwendung von PVC-, Polyethylen- und Epoxid-isolierten Kabeln in Bereichen, die UV-Strahlung ausgesetzt sind.

Die Eignung der Wahl lässt sich durch eine 1,000-stündige Bestrahlung mit 100 mW/cm² bestätigen, was über der installierten Intensität liegt. Der höhere Fluss führt in einem Bruchteil der Zeit zum gleichen Degradationszustand.

Strategie 3: Beschichten, was nicht ersetzt werden kann

Organische Oberflächen, die im Gehäuse verbleiben müssen, werden mit einer Sol-Gel-Siliciumdioxid- oder Aluminiumoxidschicht von über 50 µm Dicke beschichtet. Die Beschichtung blockiert den Photonenweg zum darunterliegenden Polymer.

Die Haftung muss nach dem Belichtungstest überprüft werden, da sich ablösende Beschichtungen auf eine blanke Polymeroberfläche mit demselben Fehlermuster wie zuvor zurücklassen. HVC liefert HVRGHP Teile und ein Dickschichtwiderstand Aus diesem Grund ist die Karosserie mit DUV-stabilen Beschichtungen versehen.

Strategie 4: Kriechspannung für die Betriebsspannung einstellen

Halten Sie die Kriechstrecke bei 30 kV über 50 mm, was einem Gradienten von über 600 V/mm entspricht, und verwenden Sie gerippte oder abgelöste Profile, um den effektiven Pfad zu erhöhen, ohne die Grundfläche zu vergrößern.

Anschließend wird die Konstruktion mit Teilentladungsprüfungen bei der 1.5-fachen Betriebsspannung überprüft. Kriechströme, die einen Gleichstromfestigkeitstest bestehen, können auch unter DUV-Bedingungen und Oberflächenstrom noch zuverlässig funktionieren.

Strategie 5: Versorgungssicherheit gewährleisten und Leckagen überwachen

Platzieren Sie Metallplatten oder UV-absorbierendes Glas zwischen dem Laserkopf und den Hochspannungskomponenten und verwenden Sie Labyrinthdichtungen an den Gehäusen, damit die Belüftung keinen Lichtweg öffnet.

Überprüfen Sie die Schirmung mittels einer radiometrischen Messung im Gehäuseinneren. Protokollieren Sie anschließend den Leckstrom an jeder Erdungsrückführung mit einem Alarm bei 100 µA und halten Sie die Daten aktuell. HVCT8G, schnelle Erholungsdiode und Murata Schraubenpositionen nach dem gleichen Zeitplan.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-DUV-immune Kondensatoren für Excimer-Leistungsstufen

Drei Anforderungen bestimmen die Wahl dieses Bauteils: eine nichtleitende Oberfläche, eine unter gleicher Lichteinstrahlung beständige Verbindung und elektrische Stabilität bei Belichtung. HVC fertigt die Bauteile des Typs N4700 für dieses Set in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Vollständig anorganische Konstruktion mit einem Aluminiumoxidkörper, Silber-Palladium-Elektroden und Glasdichtungen, sodass DUV-Photonen keine Polymerbindung finden, die sie aufbrechen könnten.
• Keramik-Metall-Lötverbindungen behalten ihre Dichtheit über 10,000 Stunden unter der gleichen Belastung bei, während ein organisches Verkapselungsmittel schon deutlich früher Risse bekommt.
• Der Oberflächenwiderstand bleibt unter DUV über 10¹⁴ Ω/sq, wodurch die Bildung eines Leckstrompfads von vornherein verhindert wird.
• Bei einem tanδ-Wert unter 0.1 % und einem PD-Wert unter 5 pC bleibt die interne Erwärmung gering, sodass die Oberfläche nicht von Anfang an warm ist und dann schneller nachläuft.
• Bei einer Kriechgeometrie von über 50 mm für den 30-kV-Betrieb befindet sich die Überschlagsreserve im Gehäuse selbst und wird nur durch eine Beschichtung zusätzlich verstärkt.
• Qualifiziert als direkter Austausch für führende Marken im Bereich der DUV-Lichtquellen-Service und von Laser-OEMs in neuen Plattformen spezifiziert. HVC-Bauteile entsprechen den elektrischen Parametern und Gehäuseabmessungen von Murata-Schraubkondensatoren für Hochspannung.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen, DUV-qualifizierte Sets innerhalb von 6–10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt DUV-Beständigkeitsprüfungen, die Auswahl von Isoliermaterialien, die Überprüfung der Kriechstromauslegung und die Schirmungsprüfung.

Bitte senden Sie uns die Wellenlänge, die Intensität am Bauteil, die Betriebsspannung und die verfügbare Kriechstrecke. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Datenblatt mit Material- und Kriechstreckeninformationen, Teilenummern, Testdaten und ein Prüfset mit zwei Proben.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum macht DUV eine isolierende Oberfläche leitfähig?

Weil die Photonen mehr Energie tragen, als die Polymerbindungen speichern können. Ein Photon mit einer Wellenlänge von 193 nm besitzt 6.4 eV, und Epoxidbindungen brechen bei Energien zwischen 3 eV und 5 eV. Jedes absorbierte Photon erzeugt ein Elektron und ein Loch, und der Oberflächenwiderstand sinkt von 10¹⁴ Ω/sq auf 10⁶ Ω/sq.

Frage 2: Wie lange dauert es, bis eine Oberfläche überbrennt?

Bei 10 mW/cm² und 10 kV/cm treten bei Epoxid- und Polyimid-Platinen Kriechströme nach 100 bis 500 Stunden auf, bei FR-4-Platinen nach 500 bis 2,000 Stunden, bei PTFE und PFA nach 1,000 bis 5,000 Stunden, und bei Aluminiumoxid treten auch nach 10,000 Stunden keine Kriechströme mehr auf.

Frage 3: Welche Kriechstrecke ist bei 30 kV erforderlich?

Oberhalb von 50 mm entspricht dies einem Gradienten von über 600 V/mm. Verwenden Sie gerippte oder abgelöste Profile, um die Leiterbahnlänge ohne Vergrößerung der Grundfläche zu erhöhen, und überprüfen Sie dies mit Teilentladungsprüfungen bei der 1.5-fachen Betriebsspannung. Eine reine Gleichspannungsprüfung reicht nicht aus, um die Kriechstromfestigkeit zu ermitteln.

Frage 4: Warum spielt Fluor bei diesem Problem eine Rolle?

Weil es die Oberflächenregeneration verhindert. DUV bricht Bindungen auf, und Fluor greift diese Bruchstellen an, anstatt ihre Neubildung zu ermöglichen, wodurch sich der Schaden anhäuft. Die Kombination von DUV mit Fluor und Hitze verkürzt die Zeit bis zum Überschlag um das 10- bis 100-Fache im Vergleich zu DUV allein.

Frage 5: Wie sollte der Leckstrom überwacht werden?

Mit einem Stromsensor an der Masseverbindung jeder Hochspannungskomponente werden die Werte in jeder Schicht protokolliert. Ein Alarm wird bei 100 µA ausgelöst, was bereits auf eine Kriechstrombildung hinweist. Kapazität und ESR bleiben innerhalb der Toleranz, während sich die Oberfläche verschlechtert; Leckströme sind daher das früheste Anzeichen.

Frage 6: Kann eine Beschichtung einen anorganischen Körper ersetzen?

Nur dort, wo der Photonenweg auf keine andere Weise unterbrochen werden kann. Eine Sol-Gel-Beschichtung aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid mit einer Dicke von über 50 µm blockiert DUV-Strahlung, muss aber Temperaturwechselbeanspruchung ohne Ablösung überstehen. Die Haftung sollte nach der Belichtung geprüft werden, da eine abgelöste Beschichtung die gleiche ungeschützte Polymeroberfläche hinterlässt.

7. Referenzen

1. E. Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, Grundlagen der Hochspannungstechnik, 2. Aufl., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Auflage, Wiley, 2003.
3. MIL-HDBK-217F Mitteilung 2, Zuverlässigkeitsvorhersage elektronischer Geräte 1995.
4. IEC 60384-1:2021, Festkondensatoren für den Einsatz in elektronischen Geräten – Teil 1: Allgemeine Spezifikation, 6. Aufl. Genf: IEC, 2021.
5. IEC 60664-1:2020, Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungsversorgungssystemen – Teil 1: Grundlagen, Anforderungen und Prüfungen, 3. Aufl. Genf: IEC, 2020.
6. V. Belyaev, Modell des Oberflächenüberschlags eines Isolators im Vakuum, in: Proceedings ISDEIV. 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, S. 151-154, 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
7. T. Mizutani, Raumladungsmesstechniken und Raumladung in PolyethylenIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Bd. 1, Nr. 5, S. 923-933, 1994. https://doi.org/10.1109/94.326659.
8. Die Zukunft mit Energie versorgen: Wie Hochspannungs-MLCCs die Effizienz moderner Elektronik steigern, Murata, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
9. US 6,760,215, Kondensator mit hoher Durchbruchspannungsschwelle, DF DeVoe (Presidio-bezogen), erteilt 2004, https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
10. GB/T 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Titel: 2018.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com