Kādi kabeļu ieliktņu materiāli nodrošina zemāko izgarojumu tīrām telpām un vakuuma lietojumiem?

Ievads

Molekulārais piesārņojums, kas rodas no izgaismotiem kabeļu vadu materiāliem, var iznīcināt pusvadītāju plāksnītes, apdraudēt optiskos pārklājumus un piesārņot īpaši augsta vakuuma sistēmas, radot miljoniem vērtus produktu zudumus un pētniecības kavējumus, ja gaistošie organiskie savienojumi pārsniedz kritiskās tīrības robežvērtības jutīgās ražošanas vidēs.

PTFE un PEEK kabeļu gļotādu materiāli uzrāda viszemāko izgarošanas līmeni <1×10-⁸ torr-L/s-cm² vakuuma lietojumiem, savukārt īpaši izstrādāti elastomēri ar zemu izgarošanas līmeni un metāla komponenti nodrošina uzticamu blīvējumu veiktspēju tīrā vidē, kur nepieciešams. ISO 1-5 klases tīrības standarti¹.

Desmit gadus strādājot ar pusvadītāju rūpnīcām, aviācijas un kosmosa ražotājiem un pētniecības iestādēm, esmu sapratis, ka pareizo kabeļu vadu izvadu materiālu ar zemu izplūdes gāzu līmeni izvēle nav saistīta tikai ar specifikāciju ievērošanu - tā ir saistīta ar piesārņojuma novēršanu, kas var apturēt veselas ražošanas līnijas vai apdraudēt svarīgus pētniecības projektus.

Satura rādītājs

• Kas izraisa izplūdes gāzu veidošanos kabeļu vadu materiālos?
• Kādi materiāli nodrošina viszemāko izplūdes līmeni?
• Kā testēt un izmērīt izplūdes gāzu efektivitāti?
• Kādas ir prasības dažādām tīro telpu klasifikācijām?
• Kā izvēlēties kabeļu vadus īpaši augsta vakuuma lietojumiem?
• Bieži uzdotie jautājumi par kabeļu vadu materiāliem ar zemu izplūdes gāzu līmeni

Kas izraisa izplūdes gāzu veidošanos kabeļu vadu materiālos?

Izpratne par izgarošanas mehānismiem ir būtiska, lai izvēlētos piemērotus materiālus tīrām telpām un vakuuma lietojumiem.

Izplūdes gāze² rodas, kad gaistošie organiskie savienojumi, plastifikatori un absorbētais mitrums migrē no kabeļu gļotu materiāliem apkārtējā vidē, un emisijas ātrums eksponenciāli pieaug, pieaugot temperatūrai un samazinoties spiedienam, radot molekulāro piesārņojumu, kas var apdraudēt jutīgus procesus un iekārtas.

Primārie izplūdes avoti

Polimēru piedevas:

• Plastifikatori uzlabo elastību, bet palielina izgarošanu
• Antioksidanti novērš noārdīšanos, bet var iztvaikot.
• Pārstrādes palīglīdzekļi un veidņu atdalīšanas vielas
• Krāsvielas un UV stabilizatori veicina emisijas

Ražošanas atliekas:

• Šķīdinātāju atliekas no pārstrādes
• Nereaģējuši monomēri un oligomēri
• Katalizatora un iniciatora paliekas
• Virsmas piesārņojums no apstrādes

Es strādāju kopā ar Dr. Sāru Čenu (Dr. Sarah Chen), procesa inženieri pusvadītāju rūpnīcā Silīcija ielejā, kur standarta neilona kabeļu vadi radīja daļiņu piesārņojumu 1. klases tīrajā telpā, kā rezultātā progresīvām loģikas mikroshēmām tika zaudēta 15% ražība.

Vides faktori

Temperatūras ietekme:

• Izdūmēšanas ātrums dubultojas ar katriem 10°C.
• Termiskā cikliskuma paātrina gaistošo vielu izdalīšanos
• Augsttemperatūras apdedzināšana samazina ilgtermiņa emisijas
• Aktivācijas enerģija nosaka jutību pret temperatūru

Spiediena ietekme:

• Zemāks spiediens palielina izplūdes dzinējspēku.
• Vakuuma apstākļi novērš reabsorbciju
• Molekulārās plūsmas režīms ietekmē masas pārnesi
• Sūknēšanas ātrums ietekmē līdzsvara koncentrāciju

Laika atkarība:

• Sākotnējais augsta izgarošanas ātruma sprādziens
• Pakāpeniska lejupslīde pēc jaudas likuma
• Ilgtermiņa līdzsvara stāvokļa emisijas
• Novecošanās ietekme uz materiālu īpašībām

Dr. Čena rūpnīcā bija nepieciešams pilnīgs materiālu novērtēšanas un atlases process, lai noteiktu kabeļu vadu materiālus ar izplūdes ātrumu zem 1×10-⁹ torr-L/s-cm², lai saglabātu kritiskās tīrības prasības.

Piesārņojuma mehānismi

Virsmas adsorbcija:

• Gaistoši savienojumi kondensējas uz aukstām virsmām
• Laika gaitā veidojas molekulārie slāņi
• Desorbcija rada sekundāro piesārņojumu
• Kritiskās virsmas temperatūras ietekmē kondensāciju

Ķīmiskās reakcijas:

• Izplūdes vielas reaģē ar procesa ķimikālijām.
• Katalītiskā iedarbība uz jutīgām virsmām
• Optisko komponentu korozija un kodināšana
• Negaistošu atlieku veidošanās

Makrodaļiņu veidošanās:

• Polimēra noārdīšanās rada daļiņas
• Termiskā spriedze izraisa materiāla izkrišanu
• Mehāniskais nodilums rada gružus
• Elektrostatiskā pievilkšanās koncentrē daļiņas

Kādi materiāli nodrošina viszemāko izplūdes līmeni?

Materiālu izvēle ir ļoti svarīga, lai sasniegtu īpaši zemu izgarošanas līmeni sarežģītos lietojumos.

PTFE, PEEK un PPS polimēri nodrošina izplūdes ātrumu zem 1 × 10-⁸ torr-L/s-cm², savukārt īpaši apstrādāti EPDM un FKM elastomēri nodrošina blīvēšanas spēju ar ātrumu zem 1 × 10-⁷ torr-L/s-cm², un elektrogludinātie nerūsējošā tērauda komponenti nodrošina minimālu piesārņojumu vakuuma sistēmās.

Polimēru materiālu veiktspēja

Īpaši zemu izgarojumu polimēri:

Materiāls	Izdūmēšanas ātrums (torr-L/s-cm²)	Temperatūras ierobežojums	Galvenās priekšrocības	Pieteikumi
PTFE	<1×10-⁹	260°C	Ķīmiski inertas, ar zemu berzi	UHV, pusvadītāju
PEEK	<5×10-⁹	250°C	Augsta izturība, izturīgs pret radiāciju	Kosmiskā aviācija, pētniecība
PPS	<1×10-⁸	220°C	Laba ķīmiskā izturība	Automobiļu nozare, elektronika
PI (poliimīds)	<2×10-⁸	300°C	Augstas temperatūras stabilitāte	Kosmosa lietojumprogrammas

Elastomēra opcijas:

• EPDM ar zemu izgarojuma līmeni: <1×10-⁷ torr-L/s-cm².
• Īpaši apstrādāts FKM: <5×10-⁷ torr-L/s-cm²
• Perfluorelastomērs: <1×10-⁸ torr-L/s-cm².
• Silikons (ar zemu izplūdes gāzu līmeni): <1×10-⁶ torr-L/s-cm².

Apsvērumi par metāla sastāvdaļām

Nerūsējošā tērauda klases:

• 316L elektropolirēts: <1×10-¹⁰ torr-L/s-cm²: <1×10-¹⁰ torr-L/s-cm²
• 304 standarta apdare: <1×10-⁹ torr-L/s-cm².
• Pasivācijas apstrāde samazina izgarošanu
• Virsmas raupjums ietekmē emisijas līmeni

Alternatīvie metāli:

• Alumīnija sakausējumi ar anodētu apdari
• Titāns korozīvai videi
• Inconel augstas temperatūras lietojumiem
• Varš īpašām elektriskajām prasībām

Atceros, kā strādāju kopā ar vakuuma sistēmu inženieri Hansu kādā pētniecības iestādē Minhenē, Vācijā, kur viņiem bija nepieciešami kabeļu vadi daļiņu paātrinātāja staru līnijai, kurai bija nepieciešami īpaši augsta vakuuma apstākļi zem 1×10-¹¹ torru.

Hansa lietojumam bija nepieciešamas pilnībā metāla kabeļu vāki ar PTFE izolāciju un īpaši apstrādātiem blīvējumiem, lai sasniegtu vajadzīgo vakuuma līmeni, neapdraudot elektrisko veiktspēju.

Apstrāde un apstrādes ietekme

Virsmas sagatavošana:

• Elektropolirēšana samazina virsmas laukumu
• Ķīmiskā tīrīšana novērš piesārņojumu
• Pasivācijas apstrāde uzlabo stabilitāti
• Pārstrāde kontrolētā atmosfērā

Termiskā kondicionēšana:

• Vakuumizdedzināšana paaugstinātā temperatūrā
• Noņem gaistošos savienojumus un mitrumu
• Paātrināta novecošanās stabilitātes nodrošināšanai
• Kvalitātes kontroles pārbaudes testēšana

Kvalitātes nodrošināšana:

• Materiālu sertifikācija un izsekojamība
• Partijas testēšana attiecībā uz izplūdes gāzu efektivitāti
• Statistiskā procesa kontrole
• Iepakošana un apstrāde bez piesārņojuma

Kā testēt un izmērīt izplūdes gāzu efektivitāti?

Standartizētas testēšanas metodes nodrošina drošus izgarošanas ātruma mērījumus materiālu kvalifikācijai.

ASTM E595³ un NASA SP-R-0022A nodrošina standartizētas testēšanas metodes kopējo masas zudumu (TML) un savākto gaistošo kondensējamo materiālu (CVCM) mērīšanai ar pieņemšanas kritērijiem TML <1,0% un CVCM <0,1% kosmosa kuģu lietojumiem, savukārt ASTM F1408 nosaka izgarošanas ātrumu vakuuma lietojumiem.

Standarta testēšanas metodes

ASTM E595 skrīninga tests:

• 24 stundu iedarbība 125°C temperatūrā vakuumā
• Mēra kopējo masas zudumu (TML)
• Savāc gaistošos kondensējamos materiālus (CVCM).
• Atbilstības/neatbilstības kritēriji kosmosa lietojumiem
• Plaši atzīts nozares standarts

ASTM F1408 ātruma mērīšana:

• Nepārtraukta izgarošanas ātruma uzraudzība
• Temperatūras un laika atkarības raksturojums
• Piemērots vakuuma sistēmas projektēšanai
• Nodrošina kinētiskos datus modelēšanai

Pielāgotie testēšanas protokoli:

• Pielietojumam specifiski temperatūras profili
• Testēšana ar pagarinātu ilgumu
• Izplūdušo vielu ķīmiskā analīze
• Piesārņojuma jutīguma novērtējums

Testēšanas aprīkojums un procedūras

Vakuuma sistēmas:

• Īpaši augsta vakuuma testa kameras
• Atlikuma gāzu analizatori (RGA)
• Kvadrupolu masspektrometri
• Spiediena mērīšanas sistēmas

Parauga sagatavošana:

• Kontrolēta griešana un apstrāde
• Virsmas laukuma mērīšana
• Iepriekšējas kondicionēšanas procedūras
• Piesārņojuma novēršanas protokoli

Datu analīze:

• Izdūmēšanas ātruma aprēķini
• Rezultātu statistiskā analīze
• Arreniusa modelēšana temperatūras ietekmes noteikšanai
• Kalpošanas laika prognozes un ekstrapolācija

Kvalitātes kontroles lietojumprogrammas

Materiālu kvalifikācija:

• Piegādātāju sertifikācijas prasības
• Partijas konsekvences verifikācija
• Procesa validācijas testēšana
• Ilgtermiņa stabilitātes novērtējums

Ražošanas uzraudzība:

• Statistiskās izlases plāni
• Tendenču analīze un kontroles diagrammas
• Neatbilstības izmeklēšana
• Nepārtrauktas uzlabošanas programmas

Bepto sadarbojas ar sertificētām testēšanas laboratorijām, lai nodrošinātu visaptverošu izplūdes gāzu raksturojumu visiem mūsu tīro telpu un vakuumam atbilstošiem kabeļu ieliktņu izstrādājumiem.

Kādas ir prasības dažādām tīro telpu klasifikācijām?

Tīro telpu klasifikācija nosaka īpašas prasības materiāliem un piesārņojuma kontroles pasākumus.

ISO 1. klases tīrajās telpās ir nepieciešami kabeļu vada materiāli ar daļiņu veidošanos 0,1 μm un molekulāro piesārņojumu <1×10-⁹ g/cm²-min, savukārt 5. klases vidē pusvadītāju un farmaceitiskajā ražošanā ir pieļaujamas augstākas robežvērtības - 0,5 μm un molekulāro piesārņojumu <1×10-⁷ g/cm²-min.

ISO tīro telpu klasifikācija

1. klases prasības (īpaši tīrs):

• Daļiņu skaits: >0,1 μm: 0,1 μm
• Molekulārais piesārņojums: <1×10-⁹ g/cm²-min
• Kabeļu vadu materiāli: Materiāli: PTFE, PEEK, elektriski pulēti metāli.
• Pieteikumi: Uzlabotā pusvadītāju litogrāfija

5. klases prasības (standarta tīrība):

• Daļiņu skaits: 0,5 μm
• Molekulārais piesārņojums: <1×10-⁷ g/cm²-min
• Kabeļu vadu materiāli: Materiāli: polimēri ar zemu gāzu izplūdes līmeni, apstrādāti metāli.
• Pieteikumi: Farmaceitiskā ražošana, elektronikas montāža

10. klases prasības (mēreni tīrs):

• Daļiņu skaits: 0,5 μm
• Molekulārais piesārņojums: <1×10-⁶ g/cm²-min.
• Kabeļu vadu materiāli: Standarta polimēri ar apstrādi
• Pieteikumi: Medicīnisko ierīču ražošana

Nozares specifiskās prasības

Pusvadītāju ražošana:

• Gaisa molekulārā piesārņojuma (AMC) robežvērtības
• Metālu jonu piesārņojums <1×10¹⁰ atomu/cm²
• Organiskais piesārņojums <1×10¹⁵ molekulu/cm²
• Prasības attiecībā uz daļiņu izmēru sadalījumu

Farmācijas produktu ražošana:

• USP klases standarti sterilai ražošanai
• Bioloģiskās slodzes un endotoksīnu robežvērtības
• Ķīmiskā saderība ar tīrīšanas līdzekļiem
• Validācijas un dokumentācijas prasības

Aviācija un aizsardzība:

• MIL-STD-1246 tīrības līmeņi
• Kosmosa kuģu piesārņojuma kontroles prasības
• Termiskās stabilitātes testēšana vakuumā
• Ilgtermiņa misijas uzticamība

Es sadarbojos ar Ahmedu, kurš vada farmācijas ražotni Dubaijā, AAE, kur viņiem bija nepieciešami kabeļu uzmavas sterilām uzpildes operācijām, kurām nepieciešami ISO 5. klases nosacījumi ar papildu bioloģiskās saderības prasībām.

Ahmeda ražotnē bija jāveic plaša materiālu testēšana un validācija, lai nodrošinātu kabeļu gļotu atbilstību gan tīrības, gan normatīvajām prasībām farmācijas ražošanā.

Uzstādīšanas un apkopes apsvērumi

Uzstādīšanas protokoli:

• Tīro telpu prasībām atbilstošs iepakojums
• Apstrādes procedūras bez piesārņojuma
• tīrīšana un pārbaude pirms uzstādīšanas
• Dokumentācijas un izsekojamības prasības

Uzturēšanas prasības:

• Periodiskas tīrīšanas un pārbaužu grafiki
• Nomaiņas kritēriji un procedūras
• Piesārņojuma monitoringa programmas
• Veiktspējas verifikācijas testēšana

Kvalitātes nodrošināšana:

• Materiālu sertifikācija un dokumentācija
• Uzstādīšanas kvalifikācijas (IQ) procedūras
• Ekspluatācijas kvalifikācijas (OQ) testēšana
• Veiktspējas kvalifikācijas (PQ) validācija

Kā izvēlēties kabeļu vadus īpaši augsta vakuuma lietojumiem?

Īpaši augsta vakuuma sistēmām ir nepieciešama specializēta kabeļu vadu konstrukcija un materiāli, lai sasniegtu spiedienu zem 1 × 10-⁹ torr.

UHV kabeļu uzmavas ir jāveido no visa metāla ar PTFE vai keramikas izolāciju, panākot noplūdes ātrumu <1×10-¹⁰ atm-cc/s hēlija, vienlaikus saglabājot elektrisko veiktspēju un nodrošinot uzticamu blīvējumu vairākos termiskos ciklos no -196°C līdz +450°C cepšanas temperatūrā.

UHV projektēšanas prasības

Vakuuma veiktspēja:

• Bāzes spiediens: <1×10-⁹ torr sasniedzams
• Noplūdes ātrums: <1×10-¹⁰ atm-cc/s hēlijs
• Izdūmojuma ātrums: <1×10-¹² torr-L/s-cm² Izgarošana: <1×10-¹² torr-L/s-cm²
• Termiskās cikliskuma spējas: -196°C līdz +450°C

Materiālu izvēle:

• 316L nerūsējošā tērauda konstrukcija
• PTFE vai keramikas elektriskā izolācija
• Metāla-metāla blīvējuma saskarnes
• Elektropolirēta virsmu apdare

Dizaina iezīmes:

• Conflat (CF) atloki saderībai ar UHV
• Slīpās malas blīvējums ar vara blīvēm
• Minimāls iekšējais tilpums un virsmas laukums
• Kondicionēšanai var cept līdz 450°C

Elektriskās veiktspējas apsvērumi

Izolācijas prasības:

• Augstsprieguma sadalījuma izturība
• Zema noplūdes strāva <1 nA
• Temperatūras stabilitāte darbības diapazonā
• Izturība pret starojumu īpašiem lietojumiem

Vadītāju materiāli:

• Bezskābekļa varš zemai izgarošanai
• Sudraba vai zelta pārklājums izturībai pret koroziju
• Kontrolēta termiskās izplešanās saskaņošana
• Mehāniskās spriedzes mazināšanas konstrukcija

Ekranēšana un EMC:

• Nepārtraukts ekranēšanas ceļš caur caurlaidi
• Zemas pretestības zemējuma savienojumi
• Minimāli elektromagnētiskie traucējumi
• Savietojamība ar jutīgiem mērījumiem

Lietojumprogrammu piemēri

Daļiņu paātrinātāji:

• Īpaši augstas vakuuma prasības
• Augsta starojuma vide
• Precīza elektriskā veiktspēja
• Ilgtermiņa uzticamības vajadzības

Virsmas analīzes iekārtas:

• Elektronu spektroskopijas sistēmas
• Jonu stara analīzes rīki
• Skenēšanas zondes mikroskopi
• Masspektrometrijas lietojumprogrammas

Kosmosa simulācijas kameras:

• Termiskā vakuuma testēšana
• Kravas, kas jutīgas pret piesārņojumu
• Ilgtermiņa misijas
• Ekstrēmo temperatūru cikliskums

Bepto piedāvā specializētus UHV kabeļu gļotādu risinājumus, kas izstrādāti un pārbaudīti īpaši ultravieglam vakuumam, nodrošinot uzticamu darbību visprasīgākajās pētniecības un rūpniecības vidēs.

Secinājums

Lai novērstu piesārņojumu, kas var apdraudēt jutīgus procesus un iekārtas, ir ļoti svarīgi izvēlēties pareizos kabeļu vada materiālus tīrām telpām un vakuuma iekārtām. PTFE un PEEK nodrošina viszemāko izgarošanas līmeni īpaši tīrā vidē, savukārt īpaši apstrādāti elastomēri nodrošina nepieciešamo blīvēšanas veiktspēju. Izpratne par tīro telpu klasifikāciju un vakuuma prasībām palīdz nodrošināt pareizu materiālu izvēli, jo ISO 1. klasei ir nepieciešami visstingrākie materiāli, bet UHV lietojumiem ir nepieciešama pilnībā metāla konstrukcija. Standartizētas testēšanas metodes, piemēram, ASTM E595, nodrošina uzticamus kvalifikācijas datus, savukārt pareizas uzstādīšanas un apkopes procedūras nodrošina ilgtermiņa veiktspēju. Bepto apvieno plašas zināšanas par materiāliem un visaptverošas testēšanas iespējas, lai piedāvātu kabeļu vadu risinājumus, kas atbilst visprasīgākajām tīrības un vakuuma prasībām. Atcerieties, ka ieguldījumi atbilstošos materiālos ar zemu izplūdes gāzu līmeni šodien novērš dārgas piesārņojuma problēmas un ražošanas aizkavēšanos rīt! 😉

Bieži uzdotie jautājumi par kabeļu vadu materiāliem ar zemu izplūdes gāzu līmeni

1. Iepazīstieties ar oficiālo ISO 14644-1 standartu, kas nosaka gaisa tīrības klasifikāciju pēc daļiņu koncentrācijas tīrās telpās. ↩

2. Izpratne par izgarošanas zinātniskajiem principiem un to, kāpēc tā ir būtisks faktors augsta vakuuma un tīro telpu vidē. ↩

3. Iepazīstieties ar detalizētu informāciju par standartu ASTM E595, kas ir galvenā testa metode materiālu izgarošanas īpašību mērīšanai vakuumā. ↩