Die Messung von Temperaturen in einem Ofen kann mehrere Herausforderungen mit sich bringen: hohe Temperaturen, Temperaturwechsel und aggressive Atmosphären, die die Grenzen vieler Messgeräte überschreiten, während andere eine stark verkürzte Lebensdauer und eine schlechte Genauigkeit aufweisen.
Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit zwei spezifischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Temperaturmessung in Öfen: Arten von oxidierenden und reduzierenden Atmosphären in Öfen, die in der Mikroelektronikfertigung eingesetzt werden.
Übersicht über Öfen
Die Notwendigkeit der Erhitzung ist vielen Fertigungsprozessen gemeinsam. Gummi und Klebstoffe werden ausgehärtet, Metalle werden geglüht, um ihre Metallurgie und Eigenschaften zu verändern, Beschichtungen werden getrocknet, Metalle werden geschmolzen und Keramiken werden gebrannt oder verglasen. Viele dieser Prozesse werden in Öfen durchgeführt, die entweder mit Strom oder Gas beheizt werden. Ein Ofen, der auf über 1000 °C (1832 °F) erhitzt werden kann, wird als Brennofen bezeichnet.
Ein Brennofen ist eine besondere Art von Ofen, der in der Keramikindustrie verwendet wird. Bei hohen Temperaturen beginnen viele Materialien mit der umgebenden Atmosphäre zu reagieren. Wenn diese Atmosphäre sehr sauerstoffarm ist, kann sie dem erhitzten Material Sauerstoff entziehen. Eine solche Atmosphäre wird als „reduzierend” bezeichnet. Bei der Gasbeheizung entsteht in der Regel eine sauerstoffarme Atmosphäre. Ist die Atmosphäre sauerstoffreich, nimmt das erhitzte Material einen Teil davon auf und bildet eine Oxidschicht. Eine solche Atmosphäre wird als „oxidierend” bezeichnet. Dies ist der Prozess, der in Diffusionsöfen zur Herstellung von SiO2 in der Mikroelektronik eingesetzt wird.
Elektrische Beheizung führt eher zu einer oxidierenden Atmosphäre. Die Kontrolle der Atmosphäre kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Gas kann in die Kammer geleitet werden, um eine inerte Atmosphäre zu schaffen. Alternativ kann ein Vakuumofen verwendet werden.
Optionen für die Hochtemperaturmessung
XTA-, XMO-, XPA- und XIN-Serie Die Obergrenze für Thermistor-Geräte liegt bei etwa 100 °C (212 °F) und RTDs sind auf etwa 750 °C (1382 °F) begrenzt. Damit sind Thermoelemente und Infrarot-Pyrometer oder -Imager die am besten geeigneten Geräte für die Messung von Temperaturen über 1000 °C (1832 °F).
Thermoelemente
Thermoelemente nutzen den Seebeck-Effekt (die Differenz der EMK zwischen unterschiedlichen Metallen), um ein zur Temperatur proportionales Signal zu erzeugen. Nickel-Chrom und Nickel-Aluminium sind die Metallpaare, die am häufigsten in sogenannten „Typ K”-Thermoelementen verwendet werden.
Der Typ K ist kostengünstig und kann in einem Messbereich von -200 bis 1250 °C (-328 bis 2282 °F) eingesetzt werden. Allerdings verringern metallurgische Veränderungen bei Temperaturen über 1000 °C (1832 °F) die Genauigkeit, und das Durchlaufen dieses Temperaturbereichs führt zu Hystereseeffekten, die die Genauigkeit weiter verringern. Thermoelemente vom Typ K sind außerdem anfällig für Korrosion in oxidierender Atmosphäre.
Thermoelemente können während des Betriebs beschädigt werden oder ausfallen und müssen dann ersetzt werden. Wenn dies das Abschalten und Abkühlen eines Durchlaufofens erfordert, kann dies eine schwierige und kostspielige Angelegenheit sein. Aus diesem Grund ist es üblich, redundante Thermoelemente in der gesamten Heizkammer vorzusehen.
IR-Pyrometrie
OS530E-DM E-Serie Die Infrarot-Pyrometrie (IR) ist eine bequeme berührungslose Methode zur Messung hoher Temperaturen. Diese Technologie nutzt das Plancksche Gesetz, wonach die Wellenlänge und Intensität der von einer Oberfläche abgegebenen IR-Strahlung proportional zu ihrer Temperatur ist. Ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera erfasst diese Strahlung und wandelt das Signal in eine Temperatur um.
Die IR-Pyrometrie funktioniert gut, wenn die Oberfläche der heißen Materialien freiliegt, wie beispielsweise bei geschmolzenem Metall in einer Pfanne. Die Verwendung zur Messung von Temperaturen im Inneren eines Ofens ist schwieriger, da sie durch ein Fenster betrachtet werden muss. Dieses Fenster muss IR-Strahlung mit einer Wellenlänge durchlassen, die sowohl der Empfindlichkeit des Detektors als auch der zu messenden Temperatur entspricht.
Normales Glas ist für einige IR-Wellenlängen undurchlässig, insbesondere zwischen sechs und sieben Mikrometern. Chalkogenidglas wird speziell für IR-Transmissionsanwendungen hergestellt, aber auf Temperaturen unter etwa 370 °C (698 °F) beschränkt. Saphir ist ein alternatives Material für Fenster, das Wellenlängen bis zu vier Mikrometern durchlässt, aber relativ weich und leicht zu beschädigen ist. Wenn ein IR-Fenster aus Saphir als Sichtfenster verwendet wird, sollte es ohne Vorsprünge konstruiert sein, die es anfällig für Beschädigungen machen würden. Saphir hat außerdem eine Temperaturgrenze von etwa 450 °C (842 °F), wodurch es für Ofenanwendungen ungeeignet ist.
Die Emissivität ist bei der Pyrometrie immer ein Thema: Verschiedene Materialien strahlen bei gleicher Temperatur unterschiedliche Intensitäten an IR-Strahlung ab, und der Sensor muss dafür kalibriert werden. Das Fenster hat einen Einfluss auf die durchgelassene Strahlung.
Hochtemperatur-Thermoelemente
Es gibt zwei Arten von Thermoelementen: solche mit Wolfram-Rhenium-Übergängen und solche mit Platin-Rhodium-Übergängen. Die Wolfram-Rhenium-Thermoelemente (Typen G, C und D) sind beim Betrieb bei Temperaturen von bis zu 2320 °C (4208 °F) nicht gegen eine oxidierende Atmosphäre geschützt.
Für oxidierende Atmosphären sollten Platin-Rhodium-Thermoelemente, manchmal auch als „Edelmetall-Thermoelemente” bezeichnet, gewählt werden. Diese sind als Typ R [maximal 1460 °C (2660 °F)], S [maximal 1450 °C (2642 °F)] oder B [maximal 1700 °C (3092 °F)] erhältlich. Sie sind teurer als Thermoelemente aus unedlen Metallen.
Mäntel für Thermoelemente
Je nach Installation ist es üblich, Thermoelementdrähte durch Einlegen in ein Schutzrohr oder einen Schutzmantel zu schützen. Edelstahl wird häufig verwendet, da er kostengünstig und korrosionsbeständig ist. Allerdings hat er einen Schmelzpunkt von etwa 1400 °C (2552 °F), wodurch die Betriebstemperatur auf unter 1100 °C (2012 °F) begrenzt ist, und er reagiert mit Atmosphären, die oxidieren.
Für höchste Temperaturbeständigkeit sollten Sie die Verwendung von Tantal- oder Molybdänmanteln in Betracht ziehen. Diese halten Temperaturen von bis zu 2315 °C (4199 °F) bzw. 2200 °C (3992 °F) stand, sind jedoch beide oxidationsempfindlich und sollten daher nicht in oxidierenden Atmosphären verwendet werden. Alternativen sind Keramikmantel, die Temperaturen von bis zu 1960 °C (3560 °F) standhalten, Mantel aus einer Platin-Rhodium-Legierung, die 1650 °C (3002 °F) standhalten, oder Inconel® 600, das bis zu 1150 °C (2102 °F) standhält. Alle diese Materialien sind für oxidierende Atmosphären geeignet.
Mantelmaterialien
| Code | Materialien | Max. Betriebstemperatur | Umgebung | Ungefährer Schmelzpunkt | Anmerkungen |
| XTA | Tantal | 2300 °C 4200 °F | Vakuum | 3000 °C 5425 °F | Beständig gegen viele Säuren und schwache Laugen. Sehr empfindlich gegenüber Oxidation über 300 °C (570 °F) |
| XMO* | Molybdän | 2200 °C 4000 °F | Inerte Vakuumreduktion | 2610 °C 4730 °F | Empfindlich gegenüber Oxidation über 204 °C (400 °F) Nicht biegbar |
| XPA | Platin-Rhodium-Legierung | 1650 °C 3000 °F | Oxidiert inert | 1870 °C 3400 °F | Keine Angriff durch SO2 bei 1093 °C (2000 °F). Siliziumdioxid ist schädlich. Halogene greifen bei hohen Temperaturen an |
| XIN | Inconel 600 | 1150 °C 2100 °F | Oxidierend Inert Vakuum | 1400 °C 2550 °F | Ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Wasserstoff neigt zur Versprödung. Sehr empfindlich gegenüber Schwefelkorrosion |
*Refraktäre Metalle reagieren extrem empfindlich auf jede Spur von Sauerstoff oberhalb von etwa 260 °C (500 °F).
Thermopaar-Isolierung
XC-, XC4- und XS-Isolierung Die Isolierung ist in die Mantelhülle des Thermoelements integriert, um zu verhindern, dass die Drähte mit den Seitenwänden in Kontakt kommen. Diese Isolierung muss für die Umgebung geeignete Temperaturwerte aufweisen. Übliche Materialien für Ofentemperaturen sind Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Hafniumoxid. Aluminiumoxid hat eine maximale Temperaturbeständigkeit von 1540 °C (2804 °F), während Magnesiumoxid und Hafniumoxid bis zu 1650 °C (3002 °F) aushalten.
Zusammenfassung
Thermoelemente sind eine gute Option für die Temperaturmessung in Öfen. Die weit verbreiteten Thermoelemente vom Typ K sind zwar für Ofentemperaturen geeignet, jedoch bieten die Typen G, C und D sowie R, S und B eine bessere Leistung. Bei Ofentemperaturen ist die Art der verwendeten Atmosphäre ein wichtiger Faktor. Insbesondere eine oxidierende Atmosphäre, wie sie in der Mikroelektronikfertigung verwendet wird, verursacht eine Reaktion sowohl mit den Typen G, C und D als auch mit den häufig verwendeten Edelstahlmanteln.
Die IR-Pyrometrie ist eine Alternative zur Messung hoher Temperaturen, erfordert jedoch ein Sichtfenster oder eine Öffnung, um im Inneren eines Ofens messen zu können. Aus diesem Grund wird sie im Allgemeinen bevorzugt, wenn eine ununterbrochene Sichtlinie vorhanden ist.
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