Проблема пузыря
Установка по очистке полупроводников использует нагревательные пластины из ПТФЭ в кипящей деионизированной воде при температуре 100 градусов. Новые пластины производят постоянный поток маленьких пузырьков, которые аккуратно отделяются от поверхности. Через 18 месяцев пузырьки становятся крупнее и дольше держатся на поверхности, прежде чем оторваться. Поверхность стала шероховатой из-за неоднократного термоциклирования и химического воздействия. Более крупные пузырьки создают локальные горячие точки там, где поверхность не смачивается, ускоряя разрушение.
Шероховатость поверхности влияет на зарождение и отделение пузырьков. На гладких поверхностях образуются более мелкие и более частые пузырьки, которые быстро отделяются. На шероховатых поверхностях образуются более крупные пузырьки, которые задерживаются, создавая термическое напряжение в точке крепления.
Что происходит на поверхности
Образование пузырьков начинается в местах зарождения-неровностей поверхности, где может скапливаться газ. На гладкой поверхности ПТФЭ мест зародышеобразования немного. Пузырьки образуются в определенных точках, вырастают до предсказуемого размера, а затем отделяются. На шероховатой поверхности места зародышеобразования многочисленны. Пузырьки образуются в нескольких точках, сливаются и увеличиваются в размерах, прежде чем отделиться.
Размер отслоения определяет термическое воздействие. Пузырь, отрывающийся на расстоянии 1 мм, создает локальное охлаждение поверхности под ним. Пузырь, отрывающийся на расстоянии 3 мм, создает более существенное охлаждение на большей площади. Колебания температуры больше, а термическое напряжение больше.
Неровность-пузырных отношений
Новые поверхности из ПТФЭ имеют шероховатость (Ra) 0,6-0,8 мкм. При такой шероховатости пузырьки отрываются диаметром 1-2 мм. По мере шероховатости поверхности до 1,5-2,0 мкм размер отслойки увеличивается до 2-4 мм. Более крупные пузырьки вызывают большее термоциклическое напряжение на поверхности.
Температурные циклы, вызванные отделением пузырьков, значительны. Каждое отслоение создает у поверхности колебание температуры в 5-10 градусов. При 1000 отслоений в час это 24000 термических циклов в день. Кумулятивный эффект ускоряет деградацию поверхности.
| Состояние поверхности | Шероховатость (Ra, мкм) | Размер отделения пузырька | Колебания температуры поверхности | Ускорение деградации |
|---|---|---|---|---|
| Новый, гладкий | 0.6-0.8 | 1-2 мм | 3-5 градусов | Базовый уровень |
| Небольшая шероховатость | 1.0-1.4 | 2-3 мм | 5-8 градусов | 1.5-2x |
| Умеренная шероховатость | 1.6-2.2 | 3-4 мм | 8-12 градусов | 2.5-3.5x |
| Сильная шероховатость | 2.5-3.5 | 4-6 мм | 12-18 градусов | 4-6x |
| Сильная шероховатость | >3.5 | >6 мм | >18 градусов | >6x |
Почему шероховатость увеличивается со временем
Шероховатость поверхности при кипячении возникает по нескольким причинам. Повторяющееся отделение пузырьков создает микроскопические эрозии в местах зародышеобразования. Химическое воздействие при высокой температуре избирательно удаляет материал, создавая неровности поверхности. Механическая очистка ускоряет процесс.-каждая операция очистки увеличивает шероховатость на измеримую величину.
Центр, отслеживающий шероховатость поверхности в кипящей деионизированной воде, обнаружил, что Ra увеличился с 0,7 мкм (новый) до 1,8 мкм через 18 месяцев. За тот же период размер отделения пузырьков увеличился с 1,2 мм до 3,5 мм, а время нагрева пластины- увеличилось на 22 %. Изменения, вызванные-шероховатостью, напрямую повлияли на производительность.
Цикл самоухудшения-
Вот в чем ловушка: на шероховатых поверхностях образуются более крупные пузырьки, которые вызывают большее термическое напряжение, которое ускоряет деградацию поверхности, что приводит к увеличению шероховатости. Цикл продолжается до тех пор, пока пластина не выйдет из строя или не будет заменена.
Предприятие, вдохновившее на создание этой статьи, разорвало порочный круг, перейдя на полированные пластины из ПТФЭ. Полированная поверхность (Ra 0,2-0,4 мкм) сохраняла размер отслойки пузырьков менее 1,5 мм более 3 лет. Плиты, прослужившие в кипячении 18-24 месяца, теперь служат более 5 лет.
Варианты профилактики
Полированная поверхность: Для кипячения следует использовать полированные поверхности из ПТФЭ. Дополнительные затраты (15-25%) окупаются за счет продления срока службы.
Избегайте механической чистки: Никогда не используйте абразивную чистку для кипящих сервисных пластин. Повреждение поверхности в результате очистки ускоряет появление шероховатости и образование пузырьков.
Контроль плотности ватт: Более низкая плотность мощности снижает температуру поверхности, что уменьшает образование пузырьков и связанное с этим тепловое напряжение. Снижение мощности с 1,5 до 1,0 Вт/см² привело к снижению шероховатости поверхности вдвое.
Практические методы обнаружения
Регулярное измерение шероховатости поверхности отслеживает прогресс. Простой профилометр выдает значения Ra. Когда шероховатость превышает 1,5 мкм, поведение пузырьков заметно меняется.
Визуальный осмотр также позволяет выявить изменения шероховатости. Гладкая поверхность отражает свет; шероховатая поверхность кажется матовой. Когда поверхность переходит от глянцевой к матовой при кипячении, шероховатость обычно превышает 1,5 мкм.
Решение о замене на основе шероховатости
Ra ниже 1,0 мкм: Хорошее состояние. Продолжайте нормальную работу.
Ra 1,0-1,5 мкм: Внимательно следить. Поведение пузыря меняется.
Ra 1,5-2,0 мкм: Планируем замену. Шероховатость ускоряет деградацию.
Ra выше 2,0 мкм: Рекомендуется немедленная замена. Установлен цикл само-ухудшения.
Когда указывать полированные поверхности
Для кипячения-воды, кислот или других растворов- используйте полированные поверхности из ПТФЭ. Полировка удаляет микроскопические неровности поверхности, которые служат местами зародышеобразования. При меньшем количестве мест зародышеобразования пузырьки образуются реже и быстрее отделяются.
Полировка увеличивает стоимость пластины на 15-25%, но продлевает срок службы в 2-3 раза при кипячении. Для полупроводниковых мокрых стендов и других критически важных служб кипячения увеличение затрат легко оправдывается сокращением количества замен пластин и времени простоя.
