パルスパワーシステムにおける誘電加熱の制約
プリント基板製造および半導体メタライゼーション用の無電解銅浴には、60 度から 75 度の正確な温度制御が必要です。高周波パルス電力加熱は、20 kHz ～ 100 kHz で急速なオンオフ サイクルで動作し、温度均一性を向上させますが、PFA ヒーター シース内で誘電損失が発生します。-ポリマーが受動的絶縁体として機能する DC またはライン周波数 AC 加熱とは異なり、高周波場は PFA 内で分子双極子の回転を引き起こし、内部熱を発生させ、ワイヤーからの抵抗加熱を増加させます。 16 個の無電解銅設備からの定量分析では、PFA の誘電正接が 25 度での 0.0008 から 180 度で 0.015 に増加し、高温で顕著な自己発熱が発生することが示されています。-
PFAコポリマーの誘電損失メカニズム
誘電正接 (tan δ) は、交流電場にさらされたときにポリマー内で熱に変換される電気エネルギーの割合を測定します。 PFA の場合、主な損失メカニズムは、50 ～ 200 ppm の濃度で存在するカルボニル末端基およびその他の極性不純物の回転です。プレミアム PFA グレードでは、25 度、50 kHz での Tan δ の測定値は 0.0008 ～ 0.0012 です。温度が上昇すると、ポリマー鎖のセグメント移動性により、より多くの極性基が交番磁場に整列することが可能になり、損失が増加します。 100 度では、tan δは 0.003 ～ 0.005 に達します。 150度でのtanδは0.008～0.012。連続使用限界に近い 180 度では、tan δは 0.012 ～ 0.018 まで急激に増加します。-カルボキシル末端基が 10 ppm 以下に低減された低不純物 PFA グレードは、150 度で 0.002 の Tan δ を達成しますが、標準不純物レベルの高級グレードはより高い値を示します。
自己発熱量の計算と温度上昇-
単位体積あたりの誘電体自己発熱量は P_d=2πf ε₀ ε_r' Tan δ E² です。ここで、f は周波数、ε₀ は真空誘電率、ε_r' は比誘電率 (PFA の場合 2.1)、E は電界強度です。 2.0 mm の壁に 230 V が印加される一般的な PFA ヒーターの場合、平均電界強度は 115 kV/m です。 50 kHz、tan δ=0.005 (100 度 ) では、自己発熱により 0.12 W/cm3 が追加されます。 200 cm3 の PFA 体積を持つヒーターの場合、これは 24 ワットの内部発熱を表し、PFA 温度は抵抗線加熱のみから計算される温度よりも約 8 度高くなります。 Tan δ=0.010 の 150 度では、自己発熱は 2 倍の 0.24 W/cm3 となり、48 ワットが追加され、さらに温度が 15 度上昇します。この相互作用により、正のフィードバック ループが形成されます。温度が高くなると、tan δが増加し、自己発熱が増加し、さらに温度が上昇します。
パルス範囲全体の周波数感度
PFA の誘電正接は、各サイクルで追加の双極子整列の機会が提供されるため、20 kHz ～ 100 kHz の範囲で周波数とともに直線的に増加します。 100 度では、20 kHz でのtan δは 0.0035、50 kHz で 0.0045、100 kHz で 0.0060 です。温度制御を改善するためにより高いパルス周波数を使用するシステム設計者は、それに比例してより高い誘電加熱を考慮する必要があります。 100 kHz で動作するヒーターは、他のすべてのパラメーターが同じ場合、50 kHz の同じヒーターよりも 70% 多くの誘電体自己発熱を経験します。-。実際の意味は、同じ PFA ピーク温度を維持するには、周波数を 50 kHz から 100 kHz に増加させる場合、最大許容電力密度を 15% から 25% 下げる必要があるということです。
安定動作のための温度制限
| 動作周波数と電力密度 | 熱暴走を回避するための最大安全 PFA バルク温度 | その温度での対応するtanδ | 誘電体自己発熱の寄与- |
|---|---|---|---|
| 20 kHz、< 15 W/cm2 | 160度 | 0.010～0.012 | 総加熱量の 8 ～ 12% |
| 50 kHz、< 15 W/cm2 | 150度 | 0.008～0.010 | 総加熱量の 10 ～ 15% |
| 50 kHz、> 20 W/cm² | 140度 | 0.006～0.008 | 総加熱量の 12 ～ 18% |
| 100 kHz、任意の電力密度 | 130度 | 0.005～0.007 | 総加熱量の 15 ～ 25% |
パルスパワーサービス向けの PFA グレードの選択
一般的なカルボキシル末端基濃度を備えた標準的な PFA グレードは、150 度を超えると急激に上昇する Tan δ を示し、誘電自己発熱により温度が上昇し、損失が増加して温度がさらに上昇する熱暴走のリスクを引き起こします。-電子グレードまたは半導体グレードとも呼ばれる低不純物 PFA グレードは、極性末端基が 150 ppm から 15 ppm 未満に減少しているため、tan δ が 180 度まで 0.005 未満に維持されます。制御温度がわずか 75 度である無電解銅浴のパルス電力加熱の場合、誘電自己発熱があっても PFA バルク温度が 100 度未満に保たれるため、標準グレードが許容されます。-。ただし、ヒーターが空気にさらされる可能性がある用途や、PFA 温度が 140 度を超える低流量条件にさらされる可能性がある用途では、低不純物グレードが必要です。-グレード間のコスト差は通常 20% ～ 30% ですが、高温にさらされる可能性がある場合にのみ正当化されます。-
壁厚と誘電界強度との相互作用
誘電体の自己発熱力を決定する PFA 壁を横切る電界の強さは、所定の印加電圧における壁の厚さに反比例します。{0}} 1.5 mm の壁は 230 V で 153 kV/m の電界強度を受けますが、2.5 mm の壁は 92 kV/m の電界強度を受けます。自己発熱電力は電界強度の二乗に比例するため、同じ電圧と周波数において、1.5 mm の壁は 2.5 mm の壁よりも 2.8 倍多くの誘電熱を生成します。パルスパワーシステムの場合、厚い PFA 壁により誘電体自己発熱が大幅に低減され、熱安定性が向上します。-その代償として、抵抗線から槽への熱伝達が減少します。-熱伝達要件が中程度（10 ～ 15 W/cm²）の無電解銅の場合、2.2 mm ～ 2.5 mm の壁を指定すると、適切な熱性能を維持しながら誘電加熱のリスクが大幅に軽減されます。
測定および検証プロトコル
高周波パルス電力サービス用の PFA ヒーターを指定する場合は、動作周波数および 25 度から 160 度の温度範囲にわたるタンδの測定をサプライヤーに要求してください。{0}測定は、精密インピーダンス アナライザーを使用して ASTM D150 に準拠する必要があります。サプライヤーは、25 度、50 度、100 度、130 度、150 度、および 170 度のデータを提供する必要があります。 50 kHz のパルス電力を使用して 75 度で動作する無電解銅浴の場合、安全マージンを確保するために、100 度での Tan δ を 0.005 未満にすることを目標にします。サプライヤーが標準グレードでこれを達成できない場合は、不純物の少ない電子グレードの PFA を指定してください。-特定のヒーターの形状、電圧、周波数、壁の厚さで予想される誘電体自己発熱温度上昇の計算をリクエストします。代表的な条件で動作するテスト ヒーターの赤外線熱画像によって検証されます。 PFA 壁に埋め込まれた熱電対を使用した現場検証により、測定温度が ±3 度以内で予測と一致することが確認されています。
パルスパワー無電解銅線の仕様ガイダンス
無電解銅バスの高周波パルス電力加熱の場合、動作周波数が 30 kHz を超える場合は、壁厚が最小 2.2 mm の PFA ヒーターと、不純物の少ない電子グレードの PFA を指定してください。-動作周波数で測定したtanδが130度で0.007未満、150度で0.010未満であることの認証が必要です。電源が可変周波数出力を使用する場合は、tan δ 要件の最悪の場合の周波数を指定します。-新しいシステム設計の場合は、誘電自己発熱効果を直接検出するために、温度センサーをバルク流体内ではなく PFA 壁にできるだけ近づけて配置します。- 75 kHz を超える周波数のシステムでは、熱性能のペナルティを受け入れて誘電界強度を低減するために、より厚い壁 (2.5 mm ～ 2.8 mm) を使用することを検討してください。既存のヒーターにパルス電力コントローラーを改造する場合は、ライン周波数 AC 用に設計されたヒーターでは高周波での誘電損失に対するマージンが不十分な可能性があるため、動作前に予想される誘電自己発熱を計算してください。-現場で設置する前に、熱暴走の傾向を特定するために、流れのない状態でフルパワーで温度上昇テストを実行するようサプライヤーに依頼してください。{21}}
