La mesure des températures à l'intérieur d'un four peut présenter plusieurs défis : températures élevées, cycles de température et atmosphères hostiles dépassant les limites de nombreux appareils de mesure, tandis que d'autres ont une durée de vie considérablement réduite et une précision médiocre.
Cet article aborde principalement deux défis spécifiques liés à la mesure de la température dans les fours : les types d'atmosphères oxydantes et réductrices dans les fours utilisés dans la fabrication microélectronique.
Présentation des fours
Le besoin de chauffer est commun à de nombreux processus de fabrication. Les caoutchoucs et les adhésifs sont durcis, les métaux sont recuits pour modifier leur métallurgie et leurs propriétés, les revêtements sont séchés, les métaux sont fondus et les céramiques sont cuites ou vitrifiées. Bon nombre de ces processus sont réalisés dans des fours chauffés à l'électricité ou au gaz. Un four capable d'atteindre une température supérieure à 1 000 °C (1 832 °F) est appelé fourneau.
Un four est un type particulier de fourneau utilisé en céramique. À des températures élevées, de nombreux matériaux commencent à réagir avec l'atmosphère environnante. Si cette atmosphère est très pauvre en oxygène, elle peut extraire l'oxygène du matériau chauffé. Une telle atmosphère est dite « réductrice ». Le chauffage au gaz entraîne généralement une atmosphère pauvre en oxygène. Si l'atmosphère est riche en oxygène, le matériau chauffé en captera une partie, formant une couche d'oxyde. Une telle atmosphère est appelée « oxydante ». C'est le processus utilisé dans les fours à diffusion utilisés dans la fabrication microélectronique pour produire du SiO2.
Le chauffage électrique est plus susceptible de produire une atmosphère oxydante. Le contrôle de l'atmosphère peut être réalisé de plusieurs façons. Du gaz peut être acheminé dans la chambre, ce qui peut être fait pour créer une atmosphère inerte. Il est également possible d'utiliser un four à vide.
Options de mesure à haute température
Séries XTA, XMO, XPA, XIN La limite supérieure pour les dispositifs à thermistance est d'environ 100 °C (212 °F) et les RTD sont limités à environ 750 °C (1382 °F). Il ne reste donc que les thermocouples et les pyromètres infrarouges comme dispositifs les plus adaptés pour mesurer des températures supérieures à 1000 °C (1832 °F).
Thermocouples
Les thermocouples utilisent l'effet Seebeck (la différence de force électromotrice entre des métaux dissemblables) pour produire un signal proportionnel à la température. Le nickel-chrome et le nickel-alumel sont les paires de métaux les plus couramment utilisées dans ce qu'on appelle le thermocouple de « type K ».
Le type K est peu coûteux et peut être utilisé dans une plage de températures allant de -200 à 1250 °C (-328 à 2282 °F). Cependant, les changements métallurgiques à des températures supérieures à 1 000 °C (1 832 °F) réduisent la précision, et le passage à cette température induit des effets d'hystérésis, ce qui réduit encore la précision. Les thermocouples de type K sont également vulnérables à la corrosion dans une atmosphère oxydante.
Les thermocouples peuvent être endommagés ou tomber en panne pendant leur utilisation, ce qui nécessite leur remplacement. Si cela implique l'arrêt et le refroidissement d'un four continu, cela peut s'avérer difficile et coûteux. C'est pourquoi il est courant d'inclure des thermocouples redondants dans toute la chambre de chauffage.
Pyrométrie IR
OS530E-DM Série E La pyrométrie infrarouge (IR) est une méthode pratique et sans contact pour mesurer des températures élevées. Cette technologie tire parti de la loi de Planck, selon laquelle la longueur d'onde et l'intensité du rayonnement IR émis par une surface sont proportionnelles à sa température. Un pyromètre ou une caméra thermique détecte ce rayonnement et convertit le signal en température.
La pyrométrie IR fonctionne bien lorsque la surface du matériau chaud est exposée, comme c'est le cas pour le métal en fusion dans une poche de coulée. Il est plus difficile de l'utiliser pour mesurer les températures à l'intérieur d'un Four, car il faut la regarder à travers une fenêtre. Cette fenêtre doit transmettre le rayonnement infrarouge dont la longueur d'onde correspond à la fois à la sensibilité du détecteur et à la température mesurée.
Le verre ordinaire est opaque à certaines longueurs d'onde infrarouges, en particulier entre six et sept microns. Le verre chalcogénure est spécialement fabriqué pour les applications de transmission infrarouge, mais son utilisation est limitée à des températures inférieures à environ 370 °C (698 °F). Le saphir est un autre matériau pouvant être utilisé pour les fenêtres, qui transmet des longueurs d'onde allant jusqu'à quatre microns, mais il est relativement tendre et s'abîme facilement. Lorsqu'une fenêtre IR en saphir est utilisée comme hublot, elle doit être conçue sans aucune saillie qui la rendrait vulnérable aux dommages. Le saphir a également une limite de température d'environ 450 °C (842 °F), ce qui le rend inadapté aux applications dans les fours.
L'émissivité est toujours un problème en pyrométrie : différents matériaux à la même température émettent des intensités différentes de rayonnement infrarouge et le capteur doit être calibré en conséquence. La fenêtre aura une influence sur le rayonnement transmis.
Thermocouples haute température
Il existe deux familles de thermocouples : ceux qui utilisent des jonctions tungstène-rhénium et ceux qui utilisent des jonctions platine-rhodium. Les thermocouples tungstène-rhénium (types G, C et D) fonctionnent à des températures pouvant atteindre 2320 °C (4208 °F), mais ne résistent pas à une atmosphère oxydante.
Pour les atmosphères oxydantes, il convient de choisir des thermocouples platine-rhodium, parfois appelés « thermocouples en métaux nobles ». Ils sont disponibles en type R [la température maximum 1460 °C (2660 °F)], Type S [la température maximum 1450 °C (2642 °F)] ou Type B [la température maximum 1700 °C (3092 °F)]. Ils sont plus chers que les thermocouples en métal commun.
Sheaths for Thermocouples
Selon l'installation, il est courant de protéger les fils pour thermocouples en les plaçant à l'intérieur d'un tube ou d'une gaine de protection. L'acier inoxydable est largement utilisé car il est peu coûteux et résiste à la corrosion. Cependant, son point de fusion est d'environ 1400 °C (2552 °F), ce qui limite la température de service à moins de 1100 °C (2012 °F) et il réagit avec les atmosphères oxydantes.
Pour les températures les plus élevées, envisagez d'utiliser des gaines en tantale ou en molybdène. Celles-ci peuvent atteindre respectivement 2315 °C (4199 °F) et 2200 °C (3992 °F), mais elles sont toutes deux sensibles à l'oxydation et ne doivent donc pas être utilisées dans des atmosphères oxydantes. Les alternatives sont les gaines en céramique, qui résistent jusqu'à 1960 °C (3560 °C), les gaines en alliage platine-rhodium, qui résistent à 1650 °C (3002 °F), ou l'Inconel® 600, qui résiste à 1150 °C (2102 °F). Tous ces matériaux peuvent être utilisés dans des atmosphères oxydantes.
Matériaux de gaine
| Code | Matériau | Plage de température de fonctionnement | Environnement de travail | Point de fusion approximatif | Remarques |
| XTA | Tantale | 2300 °C 4200 °F | Sous vide | 3000 °C 5425 °F | Résiste à de nombreux acides et alcalis faibles. Très sensible à l'oxydation au-dessus de 300 °C (570 °F) |
| XMO* | Molybdène | 2200 °C 4000 °F | Inert VIDE Réducteur | 2610 °C 4730 °F | Sensible à l'oxydation au-dessus de 204 °C (400 °F) Non pliable |
| XPA | Alliage platine-rhodium | 1650 °C 3000 °F | Inertie à l'oxydation | 1870 °C 3400 °F | Non d'attaque par le SO2 à 1093 °C (2000 °F). La silice est nocive. Les halogènes attaquent à haute température |
| XIN | Inconel 600 | 1150 °C 2100 °F | Oxydant Inerte Sous vide | 1400 °C 2550 °F | Excellente résistance à l'oxydation à haute température. L'hydrogène a tendance à fragiliser. Très sensible à la corrosion par le soufre |
*Les métaux réfractaires sont extrêmement sensibles à toute trace d'oxygène au-dessus d'environ 260 °C (500 °F).
Isolation des thermocouples
Isolation XC, XC4 et XS Une isolation est intégrée à la gaine du thermocouple afin d'empêcher les fils d'entrer en contact avec les parois. Cette isolation doit avoir une température nominale adaptée à l'environnement. Les matériaux couramment utilisés pour les températures de four sont l'alumine, la magnésie et l'oxyde d'hafnium. L'alumine a une température maximale de 1540 °C (2804 °F), tandis que la magnésie et l'oxyde d'hafnium peuvent atteindre 1650 °C (3002 °F) et
Points à retenir
Les thermocouples sont une bonne option pour mesurer les températures à l'intérieur des fours. Si les thermocouples de type K, largement utilisés, permettent de mesurer les températures des fours, les types G, C et D, ainsi que R, S et B, offrent de meilleures performances. Aux températures des fours, le type d'atmosphère utilisé devient un facteur important à prendre en compte. En particulier, une atmosphère oxydante, telle que celle utilisée dans la fabrication microélectronique, provoquera une réaction avec les types G, C et D et les gaines en acier inoxydable souvent utilisées.
La pyrométrie IR est une alternative pour mesurer les températures élevées, mais nécessite une fenêtre ou un hublot pour mesurer l'intérieur d'un four. C'est pourquoi elle est généralement préférée lors d'une ligne de visée ininterrompue.
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