Проблемът с мехурчетата
Съоръжение за почистване на полупроводници работи с PTFE нагревателни плочи във вряща DI вода при 100 градуса. Новите плочи произвеждат постоянен поток от малки мехурчета, които се отделят чисто от повърхността. След 18 месеца мехурчетата стават по-големи и се задържат на повърхността по-дълго, преди да се отделят. Повърхността е грапава от многократни термични цикли и химическо излагане. По-големите мехурчета създават локализирани горещи точки, където повърхността не е намокрена, ускорявайки разграждането.
Грапавостта на повърхността влияе върху зараждането и отделянето на мехурчетата. По-гладките повърхности произвеждат по-малки, по-чести мехурчета, които се отделят бързо. По-грубите повърхности произвеждат по-големи мехурчета, които се задържат, създавайки термичен стрес в точката на закрепване.
Какво се случва на повърхността
Образуването на мехурчета започва в местата на нуклеация-повърхностни неравности, където може да се натрупа газ. На гладка PTFE повърхност местата на нуклеация са малко. Мехурчетата се образуват в определени точки, нарастват до предвидим размер, след което се отделят. На грапава повърхност местата на нуклеация са многобройни. Мехурчетата се образуват в множество точки, сливат се и стават по-големи, преди да се отделят.
Размерът на отделянето определя топлинното въздействие. Балон, който се отделя на 1 мм, създава локално охлаждане на повърхността отдолу. Балон, който се отделя на 3 мм, създава по-значително охлаждане на по-голяма площ. Температурните колебания са по-големи и топлинният стрес е по-голям.
Грапавината-връзка с балон
Новите PTFE повърхности имат грапавост (Ra) от 0,6-0,8 μm. При тази грапавост се отделят мехурчета с диаметър 1-2 mm. Тъй като повърхността става грапава до 1,5-2,0 μm, размерът на отделянето се увеличава до 2-4 mm. По-големите мехурчета причиняват по-голям термичен цикличен стрес на повърхността.
Термичният цикъл от отделянето на мехурчета е значителен. Всяко отделяне създава температурни колебания от 5-10 градуса на повърхността. При 1000 отделяния на час това са 24 000 топлинни цикъла на ден. Кумулативният ефект ускорява разграждането на повърхността.
| Състояние на повърхността | Грапавост (Ra, μm) | Размер на отделяне на балон | Колебания на повърхностната температура | Ускоряване на деградацията |
|---|---|---|---|---|
| Нов, гладък | 0.6-0.8 | 1-2 мм | 3-5 градуса | Базово ниво |
| Леко загрубяване | 1.0-1.4 | 2-3 мм | 5-8 градуса | 1.5-2x |
| Умерено загрубяване | 1.6-2.2 | 3-4 мм | 8-12 градуса | 2.5-3.5x |
| Силно нагрубяване | 2.5-3.5 | 4-6 мм | 12-18 градуса | 4-6x |
| Тежка грапавост | >3.5 | >6 мм | >18 градуса | >6x |
Защо грапавостта се увеличава с времето
Грапавостта на повърхността при кипене идва от множество източници. Повтарящото се отделяне на мехурчета създава микроскопична ерозия в местата на нуклеация. Химическата атака при висока температура селективно премахва материала, създавайки повърхностни неравности. Механичното почистване ускорява процеса-всяко почистване увеличава грапавостта с измерими количества.
Съоръжение за проследяване на грапавостта на повърхността при кипяща DI вода установи, че Ra се е увеличил от 0,7 μm (нов) на 1,8 μm след 18 месеца. През същия период размерът на отделянето на мехурчетата се е увеличил от 1,2 mm на 3,5 mm, а времето за загряване-на плочата се е увеличило с 22%. Промените на балончетата,-предизвикани от грапавостта, повлияха пряко на производителността.
Цикълът на само{0}}влошаване
Ето капана: по-грубите повърхности произвеждат по-големи мехурчета, които причиняват повече термичен стрес, което ускорява разграждането на повърхността, което създава повече грапавини. Цикълът продължава, докато плочата се повреди или бъде заменена.
Съоръжението, което вдъхнови тази статия, прекъсна цикъла, като премина към полирани плочи от PTFE. Полираната повърхност (Ra 0.2-0.4 μm) поддържа размера на отделянето на мехурчетата под 1.5 mm за повече от 3 години. Плочите, които са издържали 18-24 месеца при кипене, сега надхвърлят 5 години.
Опции за превенция
Полирана повърхност: Посочете полирани PTFE повърхности за приложения при кипене. Допълнителните разходи (15-25%) се възстановяват чрез удължен експлоатационен живот.
Избягвайте механично почистване: Никога не използвайте абразивно почистване на сервизни плочи за кипене. Увреждането на повърхността от почистването ускорява грапавостта и цикъла на образуване на мехурчета.
Контролирайте плътността на вата: По-ниската плътност на вата намалява температурата на повърхността, което намалява образуването на мехурчета и свързания термичен стрес. Съоръжение, спадащо от 1,5 на 1,0 W/cm², увеличи грапавостта на повърхността, намалена наполовина.
Практически методи за откриване
Редовното измерване на грапавостта на повърхността проследява прогресията. Един прост профилометър предоставя стойности на Ra. Когато грапавостта надвиши 1,5 μm, поведението на мехурчетата се е променило измеримо.
Визуалната проверка също улавя промени в грапавостта. Гладката повърхност отразява светлината; грапавата повърхност изглежда матова. Когато повърхността премине от лъскава към матова при кипене, грапавостта обикновено надвишава 1,5 μm.
Решение за замяна въз основа на грапавост
Ra под 1,0 μm: Добро състояние. Продължете нормалната работа.
Ra 1,0-1,5 μm: Наблюдавайте внимателно. Поведението на мехурчетата се променя.
Ra 1,5-2,0 μm: Замяна на план. Грапавостта ускорява деградацията.
Ra над 2,0 μm: Препоръчва се незабавна подмяна. Установява се цикълът на само{1}}влошаване.
Кога да посочите полирани повърхности
За всякакви услуги за кипене-на вода, киселини или други разтвори-посочете полирани PTFE повърхности. Полирането отстранява микроскопичните повърхностни неравности, които служат като места за нуклеация. С по-малко места на нуклеация, мехурчетата се образуват по-рядко и се отделят по-бързо.
Полирането добавя 15-25% към цената на плочата, но удължава експлоатационния живот 2-3 пъти при приложения за кипене. За мокри стендове за полупроводници и други критични услуги за кипене, увеличението на разходите лесно се оправдава с намаляването на смяната на плочи и времето за престой.
