Каковы особенности использования нагревательных пластин в чистых помещениях?

Даже мельчайшие частицы или выделяющиеся пары могут разрушить продукцию в чистых помещениях полупроводниковой, фармацевтической или аэрокосмической промышленности. Нагревательные пластины, используемые в таких ситуациях, должны быть изготовлены из материалов и с отделкой, которые минимизируют риск загрязнения и обеспечивают точные тепловые характеристики. Обычные промышленные нагревательные пластины могут отслаивать частицы, выделять летучие химические вещества или загрязняющие вещества из-за дефектов поверхности, и все это не подходит в регулируемых ситуациях. Каждый выбор конструкции нагревательных пластин, совместимых с чистыми помещениями-, является обдуманным.

Нагревательные пластины для чистых помещений Основные опасности загрязнения
Нагревательные пластины актуальны для трех основных механизмов загрязнения:

Образование частиц: Свободные частицы с металлических поверхностей, покрытий или движущихся частей переносятся в воздух и оседают на чувствительных продуктах.

Выделение газов - Органические летучие вещества (ЛОС) или другие пары, образующиеся из материалов при повышенных температурах, конденсируются на поверхностях или изменяют химический состав процесса.

Улавливание поверхностных загрязнений. Грубые или пористые поверхности накапливают частицы, и их трудно очистить, что приводит к перекрестному-загрязнению партий.

Выбор материалов, обработка поверхности и герметизация компонентов должны быть адаптированы к каждой из этих угроз.

Auswahl von Materialien für Reinraum-Heizplatten
Выбор материалов продиктован необходимостью низкого осыпания частиц, коррозионной стойкости и низкого газовыделения. Обычно указываются следующие материалы.

Нержавеющая сталь (предпочтительно 316L)
Среди нагревательных пластин для чистых помещений наиболее распространенным материалом является нержавеющая сталь и особенно марка 316L (низкоуглеродистая). Он обладает высокой коррозионной стойкостью, высокой механической прочностью и относительно небольшим образованием частиц. Но нержавеющая сталь не образует мягкого оксидного покрытия, которое отслаивается, как алюминий. Аустенитные марки (304, 316) не-немагнитны в отожженном виде и подходят для применений, требующих магнитной нейтральности.

Прилипание частиц можно дополнительно уменьшить путем пассивации или электрополировки поверхности нержавеющей стали. Пассивация удаляет с поверхности свободное железо, а электрополировка обеспечивает микроотражающую, гладкую поверхность, устойчивую к загрязнению. Для применения в чистых помещениях обычно требуется нержавеющая сталь 316L с электрополировкой (Ra меньше или равна 0,5 мкм).

Алюминий (ограниченное использование)
Из-за высокой теплопроводности алюминиевые нагревательные пластины иногда используются в чистых помещениях более низкого-класса (класс ISO 7 или 8). Однако алюминий имеет определенные ограничения. Он мягче нержавеющей стали, более склонен к отслаиванию частиц, а анодированное покрытие может отслаиваться или отслаиваться. Если вы выберете алюминий, вам может подойти твердое анодированное покрытие (тип III) с подходящим уплотнением, но электрополированная нержавеющая сталь по-прежнему будет лучшим выбором для критических условий.

Полимеризация ПТФЭ и других фторполимеров
ПТФЭ, как правило, совместим с чистыми помещениями, если его правильно обработать. Он химически инертен, не выделяет значительно газов при температуре ниже 260 градусов и имеет низкий коэффициент трения, что снижает образование частиц при контакте. Но покрытия из ПТФЭ на металлических поверхностях требуют внимания. Плохо связанное покрытие из ПТФЭ может расслаиваться или отслаиваться, образуя частицы. Требуются высококачественные покрытия из ПТФЭ, наносимые распылением, с шероховатой основой или грунтовочным слоем. В качестве альтернативы для низкотемпературного обогрева чистых помещений можно использовать твердые пластины из ПТФЭ (без опоры), однако теплопроводность у них низкая.

Требования к отделке поверхности
Обработка поверхности нагревательной пластины для чистых помещений напрямую влияет на удержание частиц и возможность очистки. Гладкая поверхность имеет меньше щелей, в которых могут скапливаться частицы, и ее легче вытирать растворителями или салфетками для чистых помещений.

Электрополированная отделка - Золотой стандарт для нагревательных пластин для чистых помещений. Электрополировка удаляет тонкий слой металла, сглаживая мельчайшие выступы и впадины. Электрополированная пластина из нержавеющей стали обеспечивает шероховатость поверхности (Ra) всего 0,1–0,4 мкм. В результате процедуры также образуется богатый хромом оксидный слой, который устойчив к коррозии и прилипанию частиц.

Пассивированная отделка - Химическая обработка, которая удаляет свободное железо и восстанавливает пассивный оксидный слой. Пассивация не сильно уменьшает шероховатость поверхности, но снижает вероятность электростатического или химического прилипания частиц.

Механическая полировка - Приемлема для менее требовательных чистых помещений. Механическая полировка (например, отделка № 4) достигает Ra 0,5–1,0 мкм, но может оставлять направленные царапины, задерживающие частицы. Электрополировка предпочтительнее механической полировки.

Грубые, прокатанные или отлитые в песке поверхности не подходят для нагревательных пластин для чистых помещений.

Контроль дегазации при повышенных температурах
Нагревательные пластины работают при повышенных температурах, что способствует выделению летучих химических веществ. Все материалы, используемые при сборке пластины,-включая клеи, смазочные материалы, изоляцию проводов, материалы термоинтерфейса и уплотнительные прокладки-должны выделять низкие газы.

Стандарт НАСА ASTM E595 широко признан за совместимость с чистыми помещениями. Этот тест оценивает общую потерю массы (TML) и количество собранного летучего конденсируемого материала (CVCM) из вещества, подвергнутого воздействию вакуума и тепла. Для нагревательных пластин для чистых помещений обычно подходят материалы с TML < 1,0% и CVCM < 0,1%.

Конкретные компоненты, требующие сертификации по низкому выделению газов, включают:

Изоляция проводов - Рекомендуется использовать провода с изоляцией из ПТФЭ или полиимида (каптона) вместо ПВХ или обычного полиэтилена.

Материалы термоинтерфейса - Прокладки на основе графита или пластины силикона с керамическим-наполнителем с низкой степенью газовыделения.

Клеи - Эпоксидные смолы, разработанные для работы в высоком вакууме (например, EpoTek H77), используются для крепления датчиков.

Смазочные материалы - При наличии движущихся частей (например, регулировочных винтов) рекомендуется использовать перфторполиэфирные (ПФПЭ) смазки, такие как Fomblin или Krytox.

Крайне важно избегать использования типичных промышленных лент, термоусадочных трубок с липкой прокладкой и смазок на углеводородной основе.

Конструкция уплотнения и корпуса
Электрические соединения, датчики температуры и клеммы нагревателя должны быть защищены, чтобы предотвратить образование частиц из внутренних компонентов. Нагревательная пластина для чистых помещений обычно содержит герметичную распределительную коробку или клеммную коробку со следующими характеристиками:

Степень защиты IP65 или выше - Пыленепроницаемость и защита от водяных струй. Степень защиты IP65 гарантирует, что частицы, образующиеся внутри корпуса (например, из-за контактов реле или истирания проводов), не попадут в чистое помещение.

Гладкие внешние поверхности - Корпус должен иметь закругленные углы и полированную поверхность, чтобы исключить захват частиц.

Герметичные вводы - Если провода проходят через стену корпуса, компрессионные или стеклянные вводы предотвращают утечку.

Продувка положительным давлением (дополнительно) - В важных случаях корпус можно продуть чистым сухим воздухом или азотом, чтобы гарантировать удаление любых внутренних частиц через фильтр, а не в чистое помещение.

Контрольный список проектирования нагревательной пластины для чистых помещений
Следующий контрольный список охватывает основные вопросы, связанные с проектированием нагревательных пластин для чистых помещений.

Категория Требование Типовое решение
Материал пластины Низкое выделение частиц, коррозионностойкая Нержавеющая сталь 316L
Поверхностная обработка Гладкая, легко чистится, не прилипает. Электрополированная (Ra меньше или равна 0,4 мкм) или пассивированная.
Выделение газов TML < 1,0 %, CVCM < 0,1 % согласно ASTM E595, изоляция проводов из ПТФЭ; клеи с низким выделением газов; Смазочные материалы из ПФПЭ
Покрытия (если используются) Без отслаивания, расслоения или выделения частиц. Высококачественный ПТФЭ с грунтовкой; или голая нержавеющая сталь
Электрический шкаф Пыленепроницаемый; отсутствие выбросов частиц, класс защиты IP65 или IP67; гладкие внешние поверхности; герметичные вводы
Крепежные детали Отсутствие незакрепленных частиц на резьбе Невыпадающие винты; или непроливающаяся запирающая фурнитура
Очищаемость Совместимость с салфетками для чистых помещений и растворителями. Отсутствие острых углов, трещин и пористых поверхностей.
Производство и сборка в чистых условиях
Сборку нагревательной пластины для чистых помещений следует выполнять в чистой среде. Очистка и упаковка после сборки имеют решающее значение. После окончательной сборки пластина обычно имеет:

Ультразвуковая очистка в деионизированной воде или подходящем растворе.

Промыл изопропиловым спиртом

Сушка в ламинарной печи.

Двойная упаковка в полиэтиленовые или антистатические пакеты для чистых помещений.

При любых манипуляциях во время установки необходимо использовать перчатки, подходящие для чистых помещений, чтобы избежать попадания масел или частиц на поверхность пластины.

Распространенные ошибки, которых следует избегать
Использование алюминиевых пластин с анодированным покрытием - Анодированные слои могут разрушиться при циклическом нагреве, высвобождая абразивные частицы.

Применение типичных силиконовых герметиков RTV - Многие силиконовые герметики выделяют низкомолекулярные силоксаны и могут загрязнять оптические или электронные поверхности.

Установка негерметичных клеммных коробок - Типичный корпус NEMA 1 обеспечивает выход частиц, и его следует заменить коробкой со степенью защиты IP65.

Пренебрежение чистотой крепежа - Стандартные оцинкованные винты разбрасывают частицы; необходимы винты из нержавеющей стали с пассивированными поверхностями.

Заключение
Нагревательные пластины для чистых помещений требуют особого внимания к материалам, покрытиям, дегазационной способности и герметизации для сохранения чистоты окружающей среды. Нержавеющая сталь 316L с электрополированной или пассивированной поверхностью является выбранным материалом из-за минимального высыпания частиц и коррозионной стойкости. ПТФЭ можно использовать в качестве покрытия или сплошной пластины только в том случае, если он наносится без опасности отслаивания. Все электрические корпуса должны быть герметизированы со степенью защиты IP65 или выше, а все неметаллические компоненты (изоляция проводов, клеи, смазочные материалы) должны соответствовать стандартам низкого выделения газов, таким как NASA ASTM E595. Контроль загрязнения распространяется на каждый компонент процесса-от материала пластины до смазки на винтовой резьбе. Правильно сконструированная нагревательная пластина для чистых помещений обеспечивает точный температурный контроль без ущерба для окружающей среды, свободной от частиц, что необходимо для производства полупроводников, фармацевтики и аэрокосмической промышленности.