120 度のピラニアにさらされた場合の PFA の環境応力亀裂の発生を予測するにはどうすればよいですか?

半導体および分析機器用の最も強力な化学洗浄剤の 1 つはピラニア溶液です。これは濃 H2SO4 と H2O2 (通常 3:1 ～ 7:1) の混合物です。応力の程度に応じて、PFA は数時間から数日で 120 度の環境応力亀裂 (ESC) が発生します。 120 度では、ピラニアの ESC の臨界応力は 0.5 ～ 1.5 MPa であり、これは PFA の降伏強度 (12 ～ 15 MPa) よりも大幅に小さくなります。亀裂は、1 MPa を超える製造残留応力 (冷却、巻き取り、取り付け) によって発生します。亀裂が発生するまでの時間の式は t_crack=A × σ^(-n) × exp(E_a/RT) です。ここで、n ≈ 3 ～ 4 および E_a ≈ 60 ～ 80 kJ/mol。残留張力が 3 MPa の一般的なヒーターの場合、亀裂は 1 ～ 10 時間で始まります。発生予測には残留応力の測定（スリットリングの曲率を使用）とESCモデルの使用が必要です。ピラニア整備のために残留張力を除去するには、ストレスのない取り付けとアニーリング (150 度、4 時間、+ 220 度、6 時間) を使用します。-

ピラニアのESC機構
ピラニア溶液は強力な脱水剤 (H2SO4) および酸化剤 (H2O2 はヒドロキシルラジカルを生成します) です。 C-F 結合を破壊し、ヒドロキシル基とカルボニル基を作成することで、PFA の非晶質領域をターゲットにします。劣化した部分は引張応力により亀裂や破壊が発生します。溶液は亀裂の先端を酸化し続けるため、亀裂は急速に広がります。 ESC が 3 ～ 5 MPa で発生する単純な酸とは対照的に、ピラニアは臨界応力を 1.5 MPa 未満に低減します。時間が経つと、フランジに掛かったヒーターの重量（曲げ応力 0.5 ～ 1 MPa）でもクラックが発生する可能性があります。

温度には例外的な加速係数があります。t_crack は 120 度で 1 ～ 10 時間です。 t_crack は 100 度で 50 ～ 200 時間 (20 倍遅い) です。 t_crack は 80 度で 500 ～ 2,000 時間 (200 倍遅い) です。最適な洗浄効果を得るには、ピラニアは通常、PFA の限界に近い 120 度付近で使用されます。

ストレス vs.亀裂発生時間 (ピラニア 3:1、120 度)
適用応力 (MPa)、亀裂発生時間 (時間)、亀裂伝播速度 (mm/hr)、および破壊モードの提案
0.2 >500 (アンコモン)<0.01Only 0.5 200–500 0.01–0.05 annealed heaters with no crackingFine crazing is acceptable for brief exposure.
1.0 50–150 0.05–0.2 目に見える亀裂 限界あり 1.5 10–30 0.2–0.5 いくつかの亀裂 許容不可 2.0 3–8 0.5–1.0 急速な亀裂 拒否 3.0 (通常の残留) 1–3 1–2 即時故障 使用不可
5.0 <0.5 >5 壊滅的な事態は決して暴露しない 残留応力測定を使用して発症を予測する
特定のヒーターがピラニアへの曝露に耐えられるかどうかを判断するには:

PFA シース (犠牲セクションまたはスクラップ ヒーターから) から長さ 10 ～ 20 mm のリングを切り取ります。

リングを軸方向に切断すると、残留応力によりリングが湾曲した形状に開きます。

曲率半径 (R_curve) をミリメートル単位で計算します。残留応力 σ_res=E × t / (2 × R_curve)、​​ここで t=肉厚 (mm) および E=500 MPa (120 度で)。 σ_res=500 × 2 / (200)=5 MPa は、R_curve=100 mm の 2 mm の壁には高すぎます。 σ_res=500 × 2 / 600=1.7 MPa は R_curve=300 mm では限界です。 R_curve > 500 mm (ほぼ直線) の場合、σ_res < 1 MPa が許容されます。

推定時間: t_crack=200 × (1 / σ_res)^3 時間を σ_res (MPa 単位) に使用します (経験的当てはめ)。 t_crack=200 × (0.67)^3=200 × 0.30=60 時間、σ_res=1.5 MPa。 t_crack=200 × (0.33)^3=200 × 0.036=7 時間、σ_res=3 MPa。

Piranha サービスの軽減
ピラニア サービス ヒーターには特別な準備が必要です。

アニーリング: 残留応力は 150 度 /4 時間 + 220 度 /6 時間で 1 MPa 未満に減少します (記事 #20 および #99 を参照)。その結果、120 度では、t_crack は 1 時間から 50、200 時間に増加します。

ストレスのない取り付け: 取り付けに曲げ応力が加わるのを防ぐため、フレキシブル接続 (編組ホース) を使用してください。

温度を下げる: 寿命を 20 倍にするには、ピラニアを 120 度ではなく 100 度で実行します。交換頻度は低くなりますが、掃除はゆっくりと行ってください。

より厚い壁: 3 mm の壁では、より多くの材料が破壊され、応力がより適切に分散されます。 t_crack は t^2 としてスケールします。

石英は 120 度に永久に耐えることができ、ピラニアに対して不活性であるため、石英ヒーターを使用してください。加熱要素として石英を利用できますが、接続には PFA フィッティングを使用することもできます。最も信頼できるオプションはこれです。

現場での例
ピラニア溶液は、半導体研究室で特別に設計された PFA ヒーターを使用して 120 度に加熱されました。最初に使用してから 2 時間後、ヒーターが壊れました。 4 MPa で残留応力が記録されました。研究室では石英ヒーター（シースレス、PFA-でコーティングされたリード付き）と交換されました。石英ヒーターは5年以上ひび割れませんでした。石英ヒーターは PFA (600) よりも高価 (1,200) でしたが、故障のリスクはなくなりました。アニーリングに関係なく、研究室は PFA が 120 度のピラニアには適さないことを発見しました。

結論: ESC で<1.5 MPa Stress Is Caused by Piranha at 120°C
120 度のピラニア溶液 (H2SO4+H2O2) は、ポリマーの降伏強度をはるかに下回る 0.5 ～ 1.5 MPa という低いひずみで PFA に環境応力亀裂を引き起こします。 1 ～ 10 時間以内に、残留製造応力 (通常 3 ～ 6 MPa) により亀裂が発生します。焼きなましは残留応力を 1 MPa 未満に低減することで寿命を 50～200 時間延長しますが、それでも長期間の使用には信頼性がありません。-。通常のピラニア加熱には石英ヒーターを使用し、120 度で加熱します。応力のない取り付けを備えたアニール PFA は、使用頻度が低い場合や低温 (100 度以下) に適しています。{17}}ストレスを受けた PFA は凶暴なピラニアによって破壊されます。ストレスを取り除くか、PFA を取り除きます。安心感を求めるならクォーツをお選びください。ピラニアでは、PFA は危険です。アニーリングによってリスクは軽減されますが、完全に排除されるわけではありません。迷ったらクォーツを選んでください。