Le nombre de particules inexpliqué
Un bain de traitement humide de semi-conducteurs équipé d'un échangeur de chaleur en PTFE subit des excursions intermittentes du nombre de particules. Pendant des jours, le nombre de particules reste inférieur à la spécification de 10 particules/mL pour la gamme de tailles de 0,1 μm. Ensuite, sans aucun changement dans la chimie du processus ou dans le débit des plaquettes, le nombre de particules atteint 50 à 100 particules/mL pendant plusieurs heures, puis revient à la ligne de base.
Le schéma se répète toutes les quelques semaines. L'analyse chimique des particules les identifie comme étant un fluoropolymère organique -PTFE. La source est dans le bain. L'échangeur thermique en PTFE est le seul composant immergé en fluoropolymère. Mais les tubes eux-mêmes ne présentent aucune dégradation visible, aucun amincissement et aucune fissuration superficielle. La source de particules ne sont pas les tubes. C'est un composant de support.
Le mécanisme de dégradation des composants de support
Les échangeurs de chaleur en PTFE intègrent des plaques de support, des entretoises, des tirants et des composants de cadre-tous généralement fabriqués à partir de PTFE ou de PVDF-de haute pureté. Ces composants subissent des conditions de charge différentes de celles des tubes. Ils sont sujets à l'usure mécanique aux points de contact, à la fatigue par flexion due aux vibrations induites par l'écoulement et, dans certaines conceptions, au frottement des fixations filetées.
Une plaque de support en PTFE à travers laquelle passent les tubes subit un micro-mouvement à chaque point de contact du tube. Sur des dizaines de milliers de cycles d'agitation, le mouvement relatif entre le tube et la plaque support génère des particules d'usure microscopiques en PTFE. Ces particules, généralement de 0,1 à 10 μm, sont libérées dans le bain.
La libération est intermittente car les particules d'usure s'accumulent dans les crevasses aux points de contact jusqu'à ce qu'une perturbation du débit-une agitation accrue, une surtension au démarrage de la pompe ou un changement de niveau du réservoir-déloge les particules accumulées en un seul lot. La libération du lot produit le pic du nombre de particules. Après le pic, le nombre de particules revient à la valeur de base tandis que de nouvelles particules d'usure s'accumulent.
Tableau 1 : Sources de particules d'usure des composants de l'échangeur de chaleur en PTFE
| Composant | Mécanisme d'usure | Modèle de libération de particules | Preuve visuelle | Mesure préventive |
|---|---|---|---|---|
| Interface tube-vers-plaque de support | S'inquiéter des vibrations | Libération de lots intermittente | Marques d'usure polies sur le tube ; poudre blanche dans le trou du support | Insert élastomère ou jeu accru |
| Raccords filetés pour tirants | Frottement au contact du fil | Intermittent avec cycles thermiques | Poudre blanche sur les fils | Lubrifiant pour filetage PTFE ; précharge réduite |
| Joints d'angle du cadre | Fatigue de flexion | Intermittent avec changements de débit | Blanchiment de stress au niveau des articulations | Coins rayonnés ; contrainte réduite |
| Raccords à compression tube-vers-collecteur | Micro-mouvement au niveau de la virole | Niveau bas continu- | Aucun visible sans démontage | Re-couple ; Laveuse Belleville |
| Bords des déflecteurs | Vibrations induites par le flux-contre les tubes | Intermittent avec agitation | Ligne de contact polie | Rayon du bord ; dégagement accru |
La méthodologie de traçage des particules
Le traçage des rejets intermittents de particules jusqu'à un composant spécifique nécessite un isolement et un échantillonnage systématiques.
Première étape : Caractériser les particules. Collectez les particules sur une membrane filtrante lors d’un événement de pointe. Analyser par spectroscopie FTIR ou Raman pour confirmer la composition en PTFE. Examinez par SEM pour déterminer la morphologie des particules.-les particules d'usure sont irrégulières, souvent allongées, avec des bords déchirés. Les particules de dégradation thermique sont plus sphériques. La morphologie confirme le mécanisme d'usure.
Deuxième étape : identifiez le déclencheur du pic. Corrélez les pics de comptage de particules avec les événements du processus : démarrages de pompes, changements d'agitation, cycles de température, changements de niveau du réservoir. Une corrélation cohérente identifie l'événement mécanique qui déloge les particules et pointe vers le composant soumis à cette charge spécifique.
Troisième étape : Inspectez tous les composants en PTFE lors de la maintenance programmée. Examinez les trous de la plaque de support pour détecter les surfaces d'usure polies. Vérifiez les filetages des tirants pour déceler toute accumulation de poudre blanche. Examinez les joints du cadre pour déceler un blanchiment sous contrainte. Photographiez et documentez toutes les découvertes.
Quatrième étape : Isolez les composants suspects en les remplaçant ou en les modifiant. Remplacez une plaque de support suspecte par une nouvelle. Si les pics de particules cessent, le composant est confirmé comme étant la source.
Modifications de conception préventives
Les trous de la plaque de support peuvent être équipés de fins inserts en PTFE ou en élastomère de haute pureté-qui absorbent les micro-mouvements sans générer de particules d'usure. Le matériau de l'insert doit répondre aux exigences de pureté du bain.
Les connexions filetées dans le cadre de support peuvent être éliminées au profit de joints PTFE soudés ou emboîtables. Lorsque les filetages sont inévitables, un lubrifiant pour filetage compatible PTFE- réduit le frottement.
La rigidité du cadre support de l'échangeur peut être augmentée pour réduire l'amplitude des vibrations, ou des éléments amortisseurs peuvent être ajoutés aux points de contact. La réduction de la portée non supportée des tubes réduit le mouvement qui entraîne le frottement au niveau des plaques de support.
Résumé
La perte intermittente de particules dans les bains de semi-conducteurs peut être attribuée à la dégradation des composants de support de l'échangeur de chaleur en PTFE grâce à la caractérisation des particules, à la corrélation des événements et à l'inspection systématique. Les particules d'usure provenant du frottement au niveau des tubes-aux-interfaces de support produisent des modèles de libération par lots intermittents caractéristiques.
Les mesures préventives comprennent des inserts en élastomère aux points de contact, l'élimination des connexions filetées et une rigidité structurelle accrue. La méthodologie d'enquête distingue l'usure des composants de support de la dégradation des tubes, orientant ainsi les efforts de réparation vers l'emplacement correct.
Une assistance technique pour le traçage de la source de particules dans les installations d'échangeurs de chaleur en PTFE de haute pureté-est disponible sur soumission des données de tendance du nombre de particules, des résultats d'analyse des particules, des journaux d'événements de processus et des spécifications des composants de l'échangeur.
