Excimerlaser: Parylenbeschichtung für die Hochspannungsverkapselung

Excimerlaser: Parylenbeschichtung für die Hochspannungsverkapselung

Abstract

Ein 25 µm dicker, mittels Dampfabscheidung aufgebrachter Film isoliert ein Hochspannungsbauteil von einer 1%igen Fluor-Mischung bei 3 atm. Das Fluor benötigt 50,000 Stunden, um 0.02 nm tief in den Film einzudringen. Dieser Artikel beschreibt die Abscheidungsschritte, den Diffusionskoeffizienten, die Lebensdauer der Barriere, die dielektrischen Werte, vier Arten von Beschichtungsversagen sowie die Präparation und Prüfung, die den Erhalt des Films gewährleisten.

1. Einleitung

Ein Excimerlaser wird mit einem Gemisch aus Fluor, Krypton, Argon und Wasserstoff bei einem F₂-Gehalt von 0.1 % bis 2 % und einem Druck von 2 bis 5 Atmosphären betrieben. Die Impulsquelle, ihre Kondensatoren, Widerstände, Dioden und Platinen befinden sich alle in dieser Atmosphäre.

Fluor greift zunächst die organischen Verkapselungsmaterialien an. Es spaltet die Polymerkette, entzieht Wasserstoff und hinterlässt Kohlenstoff, wodurch die Oberfläche gleichzeitig spröde und leitfähig wird. Epoxidharz verliert nach 5,000 Stunden die Hälfte seiner Zugfestigkeit und nach 10,000 Stunden vier Zehnerpotenzen seines Oberflächenwiderstands.

Eine Beschichtung muss das Gas vom darunterliegenden Polymer fernhalten und gleichzeitig das Magnetfeld leiten. Das schließt die meisten organischen Schichten aus, da diese entweder das Gas absorbieren oder sich unter der Schiene zersetzen.

Dieser Artikel behandelt den Abscheidungsprozess, die drei Parylen-Typen, den Diffusionskoeffizienten und die Barrierenlebensdauer, die dielektrischen Werte, vier Beschichtungsausfallarten sowie die Vorbereitungs- und Inspektionsschritte, die den Film intakt halten.

2. Kernmechanismus

2.1 Chemische Gasphasenabscheidung

In einer Vakuumkammer bildet sich in drei Schritten ein Parylenfilm, wobei das Bauteil nicht mit Lösungsmitteln oder Flüssigkeiten in Berührung kommt. Das Dimer sublimiert bei 150 °C bis 180 °C unter einem Druck von 0.1 Torr bis 1 Torr. Der Dampf durchläuft anschließend eine Zone mit 650 °C bis 700 °C und zerfällt in reaktive Monomere. Diese Monomere erreichen das Bauteil bei Raumtemperatur und polymerisieren dort.

Der Film wächst mit 1 µm/h bis 2 µm/h, sodass für eine 25 µm dicke Beschichtung etwa eine Schichtdicke erforderlich ist. Die Abscheidung bei Raumtemperatur ist bei einem laserbearbeiteten Bauteil relevant, da sowohl die Polymerhülle als auch die Lötstelle dem Prozess ausgesetzt sind, jedoch keiner thermischen Belastung.

2.2 Die drei Klassenstufen

Parylen N ist substituentenfrei und weist eine Durchschlagsfestigkeit von über 7000 V/mil bei einer Dielektrizitätskonstante von 2.65 auf. Parylen C besitzt ein zusätzliches Chloratom im Ring, wodurch die Barriere gegen Feuchtigkeit und Chemikalien erhöht und die Dielektrizitätskonstante auf 3.15 festgelegt wird. Parylen AF-4 ersetzt das Ringwasserstoffatom durch Fluor und führt Methylgruppen ein, was die UV-Schwelle und die Dauereinsatztemperaturgrenze auf 200 °C erhöht.

Bei einem Lasergehäuse übernimmt Parylen C die Fluor-Belastung. Dort, wo Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm auf das Bauteil trifft, absorbiert die Fluor-Chemie von AF-4 die UV-Strahlung, die Parylen N und C zersetzt.

2.3 Diffusion und Barrierelebensdauer

Die Barrierewirkung beruht auf dem Diffusionskoeffizienten von Fluor im Film und folgt der üblichen Temperaturform:

D = D0 × exp(−Ed / (kB × T))

wobei D der Diffusionskoeffizient, D0 der präexponentielle Faktor, Ed die Diffusionsaktivierungsenergie, kB die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist.

Parylen C mit D0 = 1e−9 cm²/s und Ed = 1.0 eV ergibt D = 1.7e−26 cm²/s bei 300 K. Die Front bewegt sich dann um eine Strecke, die der Quadratwurzel der Zeit folgt:

x = sqrt(D × t)

Dabei ist x die Tiefe, die die Angriffsfront erreicht, D der Diffusionskoeffizient und t die Belichtungszeit. Nach 50,000 h, was 1.8 × 8⁸ s entspricht, beträgt x = 0.02 nm. Im Vergleich zu einem 25 µm dicken Film ist dies ein Sicherheitsabstand von sieben Größenordnungen.

Dreht man die gleiche Beziehung um, so entspricht die Zeit, die der Film benötigt, dem Quadrat der Dicke:

t_barrier = x^2 / D

Dabei ist t_Barrier die Zeit, die die Front zum Durchqueren des Films benötigt, x die Filmdicke und D der Diffusionskoeffizient. Für 25 µm und 1.7 × 26⁻²⁶ cm²/s ergibt sich ein Wert von 3.7 × 20²⁰ s, der außerhalb des zulässigen Betriebsfensters dieses Geräts liegt.

2.4 Dielektrische Werte

Zwischen Feld und Bauteil befindet sich eine Beschichtung, deren Durchschlag die Obergrenze der Schiene bestimmt:

V_bd = E_bd × t

Dabei ist V_bd die Durchbruchspannung des Films, E_bd die Durchschlagsfestigkeit und t die Filmdicke. Parylen C hat eine Durchschlagsfestigkeit von 275 V/µm, daher hält ein 25 µm dicker Film 6.9 kV und ein 50 µm dicker Film mehr als 10 kV stand.

Die Folie erhöht außerdem die Kapazität jedes Knotens, den sie bedeckt:

C_p = ε0 × εr / t

Dabei ist C_p die Kapazität pro Flächeneinheit, ε₀ die Vakuumpermittivität, εₚ die Dielektrizitätskonstante des Films und t seine Dicke. Mit εₚ = 3.15 und t = 25 µm beträgt die spezifische Kapazität des Films 1.1 nF/cm². Bei 1 kHz weist der Film außerdem einen Verlustfaktor von 0.002, einen spezifischen Volumenwiderstand von über 10¹⁶ Ω·cm und einen spezifischen Oberflächenwiderstand von über 10¹⁵ Ω/sq auf.

Abb. 1 — Ein 25 µm dicker Parylen-C-Film auf einem Keramiksubstrat weist nach 50,000 h in 1% F2 eine Angriffstiefe von 0.02 nm auf.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Dünne Deckkraft an einer scharfen Ecke

Ein aufgedampfter Film passt sich der Oberfläche an, und selbst an einer scharfen Kante beträgt die Dicke nur etwa die Hälfte der nominellen Dicke. Bei einer 25 µm dicken Schicht entsteht eine 12 µm breite Kante, und das Feld konzentriert sich an derselben Stelle.

Nach 10,000 bis 20,000 Betriebsstunden verschlechtert sich die dünne Stelle, und es kommt zu Kriechströmen. Der Bediener macht den Beschichtungslieferanten dafür verantwortlich, und ein Querschnitt einer Ecke zeigt die lokale Schichtdicke. Eine 50 µm dicke Beschichtung weist an derselben Ecke eine Dicke von 25 µm auf.

Problempunkt 2: Ablösung durch eine verschmutzte Oberfläche

Öl, Staub und eine Oxidschicht befinden sich zwischen der Folie und dem Bauteil. Die Folie ist dann für ihre Haftung auf diese Schicht angewiesen, und thermische Belastungen lösen sie ab.

Nach 5,000 bis 15,000 Betriebsstunden wird das darunterliegende Polymer durch die abgelöste Stelle dem Gasgemisch ausgesetzt. Der Bediener macht den Haftvermittler dafür verantwortlich, und eine Messung des Wasserkontaktwinkels am Zulaufteil zeigt die Verunreinigung, bevor die Beschichtung verläuft.

Schmerzpunkt 3: Knacken über einem nicht passenden Gelenk

Eine Kupfer-Keramik-Verbindung bewegt sich mit etwa 10 ppm/°C auseinander. Der Film muss dieser Bewegung folgen, und eine Bruchdehnung von 20 % kann nur begrenzt viel aufnehmen.

Nach 10,000 bis 30,000 Temperaturzyklen entsteht ein Riss über der Verbindungsstelle, und das Gasgemisch dringt zum Untergrund vor. Der Bediener macht die Beschichtungsdicke dafür verantwortlich; Abhilfe schafft eine nachgiebige Verbindung oder eine dickere Beschichtung in diesem Bereich. Dieselbe Bewegung belastet die N4700 Keramikkörper und seine Anschlüsse.

Problempunkt 4: UV-bedingte Vergilbung eines DUV-Teils

Wenn Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm auf den Film trifft, absorbieren Parylen N und C die Energie und werden geschädigt. Der Film vergilbt, wird spröde und verliert seine Durchschlagsfestigkeit.

Nach 20,000 bis 50,000 Betriebsstunden sinkt die Spannung der Oberflächenschienen. Der Betreiber vermutet die Ursache in der Schiene. Eine Parylene AF-4-Folie gleicher Dicke hält 10,000 Stunden Belichtung mit 193 nm ohne Vergilbung stand.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Die Oberfläche vor dem Anstrich vorbereiten

Mit Isopropanol oder Plasma reinigen, um Öl, Staub und Oxide zu entfernen. Haftvermittler auftragen: A-174-Silan für Keramik und HMDS für Metall. Das Ergebnis mit einer Wasserkontaktwinkelmessung überprüfen; der Wert sollte auf einer beschichtungsfertigen Oberfläche unter 10° liegen.

Strategie 2: Stellen Sie die Dicke anhand der Belastung ein.

Für Fluorleitungen bis 5 kV wird eine Leiterbahnstärke von 25 µm verwendet, was einer Durchschlagspannung von 6.9 kV entspricht. Oberhalb von 10 kV wird eine Leiterbahnstärke von 50 µm empfohlen. Zusätzlich ist eine lokale Verstärkung über Verbindungsstellen oder scharfen Kanten erforderlich. Die Leiterbahnstärke wird mittels Querschnittsmikroskopie oder Wirbelstrommessung an der dünnsten Stelle sowie auf einer ebenen Fläche überprüft.

Strategie 3: Wähle die Steigung mit der geringsten Belastung.

Verwenden Sie Parylene C für Bauteile, die dem Gasgemisch und wenig Licht ausgesetzt sind, da die Chlorsubstitution die Feuchtigkeits- und Chemikalienbarriere erhöht. Verwenden Sie Parylene AF-4, wenn die Oberfläche mit 193 nm bestrahlt wird, und bestätigen Sie die Wahl durch 1,000 Stunden Belichtung mit 193 nm. Auch bei hohen Temperaturen behält AF-4 seine Eigenschaften bis 200 °C.

Strategie 4: Überprüfen Sie, was der Prozess hinterlässt

Prüfen Sie den Film unter einem Lichtmikroskop auf Nadellöcher, Lufteinschlüsse und abgelöste Stellen und führen Sie einen Klebebandtest nach ASTM D3359 durch. Testen Sie die Durchschlagsfestigkeit eines Referenzmusters mit einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von 500 V/s. Setzen Sie ein drittes Referenzmuster 1,000 h lang einer 5%igen F₂-Lösung bei 100 °C aus. Diese Expositionszeit ist länger als die übliche Einsatzmischung und gewährleistet eine vollständige Abdeckung der Beschichtung.

Strategie 5: Die Beschichtung über einer hermetischen Versiegelung auftragen

Als primäre Barriere dient eine hermetische Metall-Keramik-Verbindung, die Beschichtung als zweite. Eine Verbindung mit einem Druck unter 1e−9 atm·cm³/s verhindert das Eindringen von Gas in das Gehäuse. Die 25 µm dicke Schicht bedeckt anschließend die Durchführungen, die Anschlüsse und die umliegende Leiterplatte. Selbst wenn eine Schicht beschädigt ist, bleibt die andere intakt, und das Paar gewährleistet eine Lebensdauer der Baugruppe von über 100,000 Stunden.

Wenden Sie die gleiche zweischichtige Behandlung auf die Bemessung von Widerständen auf der Trennwand und zu der schnelle Erholungsdiode Das Paket, da sich beide in der gleichen Atmosphäre wie die Kondensatoren befinden.

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 Parylenbeschichtete Kondensatoren für Fluorgehäuse

Vier Anforderungen bestimmen die Wahl an diesem Knotenpunkt: ein gasdichter Film, Abdeckung an Ecken und Spalten, ein dielektrisches Material zur Leiterbahnführung und eine Haftung, die Temperaturwechseln standhält. HVC betreibt diese Beschichtungsanlage in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan. Dampfabscheidung, Oberflächenvorbereitung und Inspektion erfolgen im selben Gebäude und decken einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV ab.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Ein 25 µm dicker Parylen-C-Film mit einem Frontfortschritt von 0.02 nm nach 50,000 h und einem Oberflächenwiderstand, der über 1e15 Ω/sq bleibt.
• Die Ablagerungsdichte liegt auf allen Flächen innerhalb von ±5 % des Sollwerts, einschließlich der Spalten und Ecken, wo eine Kante sonst über die halbe Dicke verlaufen würde.
• Eine Durchschlagsfestigkeit von über 7000 V/mil, eine Dielektrizitätskonstante von 3.15 und ein Verlustfaktor von 0.002, die eine Spannung von 6.9 kV über einen 25 µm dicken Film halten und 1.1 nF/cm² hinzufügen.
• Haftung über 20 MPa durch Plasmareinigung und einen Silan-Promoter, die über 1,000 Zyklen von −40 °C bis +125 °C ohne Ablösung erhalten bleibt.
• Eine Parylene AF-4-Option, die 10,000 Stunden Belichtung bei 193 nm ohne Vergilbung ermöglicht, für die Teile, die dem Laserlicht ausgesetzt sind. Der Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV deckt das Pulsnetzwerk und die doorknob Kondensatoren auf demselben Gehäuse.
• Qualifiziert als direkter Ersatz für importierte Schraubenbauteile in Lithografie-Lichtquellenprogrammen, mit mehr als 50,000 Betriebsstunden bei 1 % F2, 40 kV und 6 kHz. Die HVC-Bauteile entsprechen den Parametern und Gehäuseabmessungen von Murata Schraubgewinde-Reihen.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen, kundenspezifische Sets innerhalb von 6–10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Auswahl der Beschichtung, der Überprüfung von Schichtdicke und -klassifizierung, der Haftungsqualifizierung und der Planung von Fluor-Expositionstests.

Bitte senden Sie uns die Fluorkonzentration, die Schienenspannung, die Lichtexposition am Bauteil, den Temperaturbereich und die Oberflächengeometrie. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen eine Beschichtungsspezifikation mit Prüfdaten und ein Evaluierungsset mit zwei Proben.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie lange hält sich ein 25 µm dicker Parylenfilm in einer Fluormischung?

Die Front bewegt sich gemäß x = √(D × t), wobei D bei 300 K 1.7 × 10⁻²⁶ cm²/s beträgt. Über 50,000 h ergibt sich eine Bewegung von 0.02 nm, was einen Sicherheitsspielraum von sieben Größenordnungen gegenüber der Filmdicke lässt. Wendet man die Gleichung mit t_Barrier = x² / D an, gewinnt der Film 3.7 × 10²⁰ s – weit über den zulässigen Bereich für dieses Gerät hinaus.

Frage 2: Welche Parylen-Sorte eignet sich für ein Laserteil?

Verwenden Sie Parylen C, wenn das Gasgemisch die Hauptbelastung darstellt und nur wenig Licht auf die Oberfläche trifft, da die Chlorsubstitution die Feuchtigkeits- und Chemikalienbarriere erhöht. Verwenden Sie Parylen AF-4, wenn 193 nm Licht auf das Bauteil trifft, da die Fluorierung die UV-Belastung absorbiert, die Parylen N und C vergilben lässt, und es zudem eine Dauertemperaturgrenze von 200 °C aufweist.

Frage 3: Wie viel Abbauleistung trägt die Beschichtung bei?

Daraus folgt V_bd = E_bd × t. Parylen C speichert 275 V/µm, daher speichert ein 25 µm dicker Film 6.9 kV und ein 50 µm dicker Film über 10 kV. Der Film fügt außerdem eine Kapazität von 1.1 nF/cm² gemäß C_p = ε0 × εr / t mit εr = 3.15 hinzu, sodass ein kleiner Knoten die zusätzliche Kapazität wahrnehmen kann.

Frage 4: Warum wird eine scharfe Ecke am Ende dünn?

Da ein dampfabgeschiedener Film der Oberfläche folgt und eine Ecke eine kleinere Angriffsfläche für das einfallende Monomer bietet, kann die Ecke mit der halben nominellen Dicke beschichtet werden. Dies ergibt 12 µm an einer Kante, die 25 µm erfordern würde. Die Dicke sollte lokal aufgebaut und ein Querschnitt an der Ecke anstatt auf einer ebenen Fläche geprüft werden.

Frage 5: Wie kann ich die Haftung beurteilen?

Reinigen Sie die Oberfläche mit Isopropanol oder Plasma, tragen Sie A-174-Silan auf Keramik oder HMDS auf Metall auf und prüfen Sie, ob der Wasserkontaktwinkel unter 10° liegt. Führen Sie anschließend einen Klebebandtest nach ASTM D3359 und 1,000 Temperaturzyklen von −40 °C bis +125 °C durch. Eine Haftung über 20 MPa bleibt während dieser Zyklen ohne Ablösung erhalten.

Frage 6: Ersetzt die Beschichtung eine hermetische Abdichtung?

Beide Verbindungen müssen in dieser Reihenfolge beibehalten werden. Eine hermetische Verbindung unterhalb von 1e−9 atm·cm³/s stoppt das Gas am Gehäuse, und die 25 µm dicke Folie deckt die Durchführungen und Platinen ab, die von der Verbindung nicht erreicht werden können. Mit zwei Barrieren erreicht die Baugruppe selbst nach dem Verschleiß einer der Barrieren eine Lebensdauer von über 100,000 Stunden. Folienkondensator Alle Objekte im selben Gehäuse benötigen die gleiche Behandlung an ihren exponierten Flächen.

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 60384-1:2018, Festkondensatoren für den Einsatz in elektronischen Geräten – Teil 1: Allgemeine Spezifikation.
5. IEC 61071:2017, Kondensatoren für Leistungselektronik, 2. Aufl. Genf: IEC, 2017.
6. 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.
7. M. Xiao et al., Untersuchung der Teilentladungs- und Selbstheilungseigenschaften von metallisierten Folienkondensatoren, in: 2024 IEEE 5th International Conference on Dielectrics (ICD), S. 1–4, 2024. https://doi.org/10.1109/icd59037.2024.10613348
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. Aufbau einer Kondensatorbank, die 16000 A Gleichstrom pulsieren kann, Physik-Forum, https://www.physicsforums.com/threads/building-a-capacitor-bank-capable-of-pulsing-16000-a-dc.327153/ .
10. MIL-PRF-55681 Rev. H, Chipkondensator, Mehrschichtkondensator, Festkondensator, Keramikdielektrikum, etablierte und nicht etablierte Zuverlässigkeit, Allgemeine Spezifikation fürColumbus, OH: DLA Land and Maritime, 2025.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com