La misurazione delle temperature all'interno di un forno può presentare diverse sfide: temperature elevate, cicli termici e atmosfere ostili che superano i limiti di molti dispositivi di misurazione, mentre altri hanno una durata notevolmente ridotta e una scarsa accuratezza.
Questo articolo affronta principalmente due sfide specifiche relative alla misurazione della temperatura nei forni: i tipi di atmosfere ossidanti e riducenti nei forni utilizzati nella produzione microelettronica.
Panoramica sui forni
La necessità di riscaldare è comune a molti processi di produzione. La gomma e gli adesivi vengono polimerizzati, i metalli vengono ricotti per modificarne la metallurgia e le proprietà, i rivestimenti vengono essiccati, i metalli vengono fusi e le ceramiche vengono cotte o vetrificate. Molti di questi processi vengono eseguiti in forni riscaldati con energia elettrica o gas. Un forno in grado di riscaldare oltre i 1000 °C (1832 °F) è denominato forno industriale.
Un forno per ceramica è un tipo particolare di forno industriale utilizzato nella ceramica. Ad alte temperature molti materiali iniziano a reagire con l'atmosfera circostante. Se tale atmosfera è molto povera di ossigeno, può sottrarre ossigeno dal materiale riscaldato. Tale atmosfera è denominata "riducente". Il riscaldamento a gas di solito produce un'atmosfera carente di ossigeno. Se l'atmosfera è ricca di ossigeno, il materiale riscaldato ne catturerà una parte, formando uno strato di ossido. Tale atmosfera è definita "ossidante". Questo è il processo impiegato nei forni a diffusione utilizzati nella produzione microelettronica per produrre SiO2.
Il riscaldamento elettrico è più incline a produrre un'atmosfera ossidante. Il controllo dell'atmosfera può essere ottenuto in diversi modi. Il gas può essere convogliato nella camera, il che potrebbe essere fatto per creare un'atmosfera inerte. In alternativa, si potrebbe utilizzare un forno a vuoto.
Opzioni di misurazione ad alta temperatura
Serie XTA, XMO, XPA, XIN Il limite massimo per i dispositivi a termistore è di circa 100 °C (212 °F) e gli RTD sono limitati a circa 750 °C (1382 °F). Ciò rende le termocoppie e i pirometri a infrarossi i dispositivi più adatti per misurare temperature superiori a 1000 °C (1832 °F).
Termocoppie
Le termocoppie utilizzano l'effetto Seebeck (la differenza di EMF tra metalli dissimili) per produrre un segnale proporzionale alla temperatura. Il nichel-cromo e il nichel-alluminio sono le coppie di metalli più comunemente utilizzate in quelle che vengono chiamate termocoppie di "tipo K".
Il tipo K è economico e può essere utilizzato in un intervallo di temperatura compreso tra -200 e 1250 °C (-328 e 2282 °F). Tuttavia, i cambiamenti metallurgici a temperature superiori a 1000 °C (1832 °F) riducono l'accuratezza e il ciclo a questa temperatura induce effetti di isteresi, riducendo ulteriormente l'accuratezza. Le termocoppie di tipo K sono anche vulnerabili alla corrosione in un'atmosfera ossidante.
Le termocoppie possono danneggiarsi o guastarsi durante il funzionamento, richiedendo la sostituzione. Se ciò comporta lo spegnimento e il raffreddamento di un forno continuo, È possibile che sia un'operazione difficile e costosa. Per questo motivo è comune includere termocoppie ridondanti in tutta la camera di riscaldamento.
Pirometria IR
OS530E-DM Serie E La pirometria a infrarossi (IR) rappresenta un comodo metodo senza contatto per misurare temperature elevate. Questa tecnologia sfrutta la legge di Planck, secondo la quale la lunghezza d'onda e l'intensità della radiazione IR emessa da una superficie sono proporzionali alla sua temperatura. Un pirometro o una termografia rilevano questa radiazione, convertendo il segnale in una temperatura.
La pirometria IR funziona bene quando la superficie del materiale caldo è esposta, come nel caso del metallo fuso in una siviera. Utilizzarla per misurare le temperature all'interno di un forno è più difficile, poiché è necessario osservarla attraverso una finestra. Questa finestra deve trasmettere radiazioni IR della lunghezza d'onda corrispondente sia alla sensibilità del rilevatore che alla temperatura misurata.
Il vetro normale è opaco per alcune lunghezze d'onda IR, in particolare tra i sei e i sette micron. Il vetro calcogenuro è prodotto appositamente per applicazioni di trasmissione IR, ma è limitato a temperature inferiori a circa 370 °C (698 °F). Lo zaffiro è un materiale alternativo per finestre che trasmette lunghezze d'onda fino a quattro micron, ma è relativamente morbido e si danneggia facilmente. In caso si utilizzi una finestra IR in zaffiro come porta di osservazione, è necessario progettarla senza sporgenze che la rendano vulnerabile ai danni. Lo zaffiro ha anche un limite di temperatura di circa 450 °C (842 °F), che lo rende inadatto alle applicazioni in forni.
L'emissività è sempre un problema nella pirometria: materiali diversi alla stessa temperatura irradiano intensità diverse di radiazione IR e il sensore deve essere calibrato per questo. La finestra avrà un'influenza sulla radiazione trasmessa.
Termocoppie per alte temperature
Sono disponibili due famiglie di termocoppie: quelle che utilizzano giunzioni tungsteno-renio e quelle platino-rodio. Le termocoppie tungsteno-renio (tipi G, C e D) funzionano a temperature fino a 2320 °C (4208 °F), ma non resistono in un'atmosfera ossidante.
Per le atmosfere ossidanti è necessario scegliere termocoppie platino-rodio, talvolta denominate "termocoppie in metallo nobile". Queste sono disponibili come tipo R, [massimo 1460 °C (2660 °F)], Tipo S, [massimo 1450 °C (2642 °F)] o Tipo B, [massimo 1700 °C (3092 °F)]. Sono più costose delle termocoppie in metallo comune.
Guaina per termocoppie
A seconda dell'installazione, è comune proteggere i fili delle termocoppie inserendoli all'interno di un tubo o di una guaina protettiva. L'acciaio inossidabile è ampiamente utilizzato in quanto è economico e resiste alla corrosione. Tuttavia, ha un punto di fusione di circa 1400 °C (2552 °F), che limita la temperatura di esercizio a meno di 1100 °C (2012 °F) e reagisce con le atmosfere ossidanti.
Per temperature più elevate, si consiglia di utilizzare guaine in tantalio o molibdeno. Questi raggiungono rispettivamente i 2315 °C (4199 °F) e i 2200 °C (3992 °F), ma entrambi sono sensibili all'ossidazione, quindi non devono essere utilizzati in atmosfere ossidanti. Le alternative sono le guaine in ceramica, che resistono fino a 1960 °C (3560 °F), guaine in lega di platino-rodio, che resistono a 1650 °C (3002 °F), o Inconel® 600, che arriva fino a 1150 °C (2102 °F). Tutti questi materiali possono essere utilizzati in atmosfere ossidanti.
Materiali della guaina
| Codice | Materiale | Temperatura massima di esercizio | Ambiente di lavoro | Punto di fusione approssimativo | Note |
| XTA | Tantalio | 2300 °C 4200 °F | Vuoto | 3000 °C 5425 °F | Resiste a molti acidi e alcali deboli. Molto sensibile all'ossidazione sopra i 300 °C (570 °F) |
| XMO* | Molibdeno | 2200 °C 4000 °F | Inerte sottovuoto Riducente | 2610 °C 4730 °F | Sensibile all'ossidazione sopra i 204 °C (400 °F) Non pieghevole |
| XPA | Lega di platino-rodio | 1650 °C 3000 °F | Inert all'ossidazione | 1870 °C 3400 °F | Nessun attacco da parte di SO2 a 1093 °C (2000 °F). La silice è dannosa. Gli alogeni attaccano ad alte temperature |
| XIN | Inconel 600 | 1150 °C 2100 °F | Ossidante Inerte Sottovuoto | 1400 °C 2550 °F | Eccellente resistenza all'ossidazione ad alta temperatura. L'idrogeno tende a renderlo fragile. Molto sensibile alla corrosione da zolfo |
*I metalli refrattari sono estremamente sensibili a qualsiasi traccia di ossigeno al di sopra di circa 260 °C (500 °F).
Isolamento Termocoppia
Isolamento XC, XC4 e XS L'isolamento è incorporato nella guaina della termocoppia per impedire che i fili entrino in contatto con i lati. Questo isolamento deve avere una temperatura nominale adeguata all'ambiente. I materiali comunemente utilizzati per le temperature dei forni sono l'allumina, la magnesia e l'ossido di afnio. L'allumina ha una temperatura massima di 1540 °C (2804 °F), mentre la magnesia e l'ossido di afnio raggiungono i 1650 °C (3002 °F) e
Conclusioni
Le termocoppie sono una buona opzione per misurare le temperature all'interno dei forni. Sebbene le termocoppie di tipo K, ampiamente utilizzate, siano in grado di gestire le temperature dei forni, le termocoppie di tipo G, C e D e R, S e B offrono prestazioni migliori. Alle temperature dei forni, il tipo di atmosfera utilizzata diventa un fattore importante da considerare. In particolare, un'atmosfera ossidante, come quella utilizzata nella produzione microelettronica, provoca una reazione sia con i tipi G, C e D che con le guaine in acciaio inossidabile spesso utilizzate.
La pirometria IR è un'alternativa per misurare temperature elevate, ma richiede un oblò o una finestra per misurare all'interno di un forno. Per questo motivo è generalmente preferibile quando la linea di vista è libera.
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