Регистрация / Вход
Прислать материал

14.584.21.0016

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.584.21.0016
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка высокочастотного (10-20 кГц) силового кремниевого диода для роботизированной резистивной сварки
Докладчик
Лагов Петр Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание высокочастотного (10-20 кГц) силового кремниевого диода для промышленной резистивной сварки, в том числе
— разработка новых конструктивно-технологических решений, обеспечивающих достижение необходимых частотных характеристик силового сварочного диода;
— моделирование различных технических решений и технологических условий, экспериментальных образцов, прототипов новых типов сварочных диодов, проведение экспериментов по формированию в структурах диодов рекомбинационных центров, проведение исследовательских испытаний диодов;
— разработка технических требований для создания новых типов продукции, технологий и т.п.;
— лабораторного регламента на технологический процесс создания высокочастотного сварочного диода.
Актуальность и новизна исследования
Создание силового сварочного диода – ключевого элемента резистивной (контактной) сварки с заявленными параметрами актуально в связи с тем, что позволит:
– Повысить скорость (локального) нагрева и сократить длительность сварки за счет сокращения времени отклика сварки (менее 0,1 мс).
– Улучшить производительность и качество соединения в результате повышения точности удержания постоянного тока сварки (не хуже 0,5%).
– Уменьшить уровень помех в центральной сети (исключена необходимость контроля параметров центральной сети).
– Сэкономить электроэнергию вследствие увеличения коэффициента использования мощности (более 0,99), сокращения реактивной мощности (почти до нуля) и исключения необходимости ее компенсации (за счет дополнительных устройств).
– Улучшить качество и внешний вид сварного соединения за счет усиления фокусировки тепловой энергии при сварке.
– Повысить безопасность процесса в связи с отсутствием вспышек и искр при сварке
– Расширить спектр свариваемых материалов, в т.ч. алюминиевые сплавы, медь, высокопрочная сталь и др.
– Сократить расходы и материальные затраты на сварочную машину и сварку в целом (в т.ч. трансформаторы, кабели, техобслуживание, ремонт; увеличить срок службы электродов и др.).
– Реализовать адаптивное управление, расширить спектр режимов работы и их контроля (режимы работы: постоянный ток, постоянное напряжение и контроль энергии с цифровым управлением).
Описание исследования

В ходе исследований проведен анализ оборудования для формирования рекомбинационных центров (РЦ). Показано, что рекомбинационные центры в кремниевых биполярных полупроводниковых структурах, отвечающие за их быстродействие, могут быть сформированы различными способами: термическим (термозакалка – нагрев с резким охлаждением), диффузионным (напыление золота или платины на поверхность пластины с последующим нагревом и диффузией вглубь структуры), радиационным (обработка структур частицами высоких энергий с последующим стабилизирующим отжигом), комбинированным (диффузионный совместно с радиационным). Термический и диффузионный способы могут быть реализованы с применением обычного термического и напылительного оборудования, которое традиционно имеется на полупроводниковом производстве. Радиационный метод может быть реализован с использованием различных частиц высоких энергий и, соответствующего, оборудования. К основным видам радиационной обработки можно отнести обработку гамма-квантами (как правило, изотопы кобальта с энергией 1,25 МэВ), обработку альфа-частицами (различные изотопные источники с энергией около 5 МэВ), обработка ускоренными электронными (ускорители электронов с энергией 0,5–10 МэВ), реакторные нейтроны, ускоренные легкие ионы (ускорители ионов широкого диапазона энергий). Отмечается, что технология электронного облучения уже успешно реализуется производителями полупроводниковых приборов. Данный вид обработки пришел на смену диффузионным и термическим способам. Однако, наиболее перспективным вариантом является обработка легкими ионами, поскольку позволяет локально формировать центры рекомбинации в определенном слое полупроводниковой структуры. В последнее время развивается комбинированная обработка. В этом случае атомы металлов могут быть закреплены на вакансиях, предварительно сформированных с помощью обработки легкими ионами. Выполнено моделирование сварочного диода на различных частотах, в ходе которого апробировано современное программное обеспечение для моделирования силовых сварочных диодов в статическом и частотном режимах. Разработан алгоритм численного расчета вольтамперных и частотных характеристик силовых сварочных диодов с учетом центров рекомбинации. Для применения алгоритма в похожем случае не требуется значительных изменений командного файла. Проведено моделирование четырех вариантов кремниевой приборной структуры диодов диаметром 50 мм и толщиной 200 мкм. В ходе выполнения синтеза показано влияние исходных параметров прибора на расчетные статические и частотные характеристики прибора: - введение РЦ способствует повышению критической частоты диода в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц; - увеличение концентрации РЦ способствует росту обратного тока. В результате моделирования силовых сварочных диодов доказано, что умеренное равномерное введение РЦ в i-слой способствует улучшению частотных характеристик. Моделирование процесса формирования профиля рекомбинационных центров в кремниевых структурах сварочных диодов, который представляет наибольший практический интерес, выполнено для варианта обработки ионами водорода в вакууме с учетом конструктивно-технологических параметров диодной структуры. Двумерное моделирование первичных вакансий проведено в программе SRIM для случая обработки со стороны лицевого алюминиевого контакта толщиной 5 мкм с учетом формирования максимума распределения вакансий на расстоянии 5–10 мкм от границы перехода со стороны базовой области n-типа проводимости. Проведен комплекс экспериментальный исследований по формированию центров рекомбинации в кремниевых структурах сварочных диодов различными методами, включая обработку ускоренными электронами и протонами и последующий термический отжиг. Также апробирован комбинированный способ, включающий напыление металлов рекомбинационных примесей на поверхность диодной структуры, протонную обработку и термический отжиг. Было проведено измерение основных статических и динамических параметров тестовых выпрямительных элементов согласно международному стандарту IEC 60747-2 «Приборы полупроводниковые. Дискретные приборы и интегральные схемы. Часть 2: Выпрямительные диоды»

 

Результаты исследования

Установлено, что наилучшие результаты дает протонная обработка диодных структур. Основные результаты по влиянию различных вариантов протонной обработки на основные электрические параметры сварочных диодов приведены в таблице. При этом диод типа 1 имеет структуру (Al/n+np+-Si/Al/Mo), а диоды типа 2 структуру (Al/ p+nn+-Si/nano-Ag/Mo). Оба типа имеют диаметр 50 мм, максимальный постоянный рабочий ток 7,1 кА, напряжение 400 В, толщину кристалла 200 мкм, толщину лицевого алюминиевого контакта около 7 мкм, толщину базы 50 мкм, анода 85-90 мкм, катода 60 мкм

Таблица

Diode

type

EH+,

MeV

Straggle,

μm

Qrr,

μC

trr,

μs

S,

a.u.

IDRM,

mA

VFM,

V

1

3.3

55

NA

1.2–1.3

0.4–0.6

15–20

1.2–1.3

1

3.2; 3.5

2–3

8–10

1.3–1.5

0.7–1.0

6–10

1.1–1.2

2

3.3

55

19–20

1.1–1.5

0.6–1.1

8–12

1.2–1.3

2

2.8; 3.1

2–3

7–9

1.0–1.4

1.5–4.6

0.2–2

1.1–1.2

Из результатов таблицы следует, все приведенные варианты позволяют получить диоды с максимальное рабочей частотой более 20 кГц, Однако наилучший комплекс статических и динамических параметров реализуется для варианта 4 (нижняя строка). Такой вариант характеризуется малыми токами утечки, малым падением напряжения, а главное рекордными значениями показателя мягкости (до 4,6 отн. единиц). Отметим, что значение данного показателя более 1 уже считается высоким. Таким образом, получены образцы сварочных диодов с характеристиками, превышающими мировой уровень (сегодня ближайший аналог имеет максимальную рабочую частоту 10 кГц и показатель мягкости переключения менее 1) . 

Практическая значимость исследования
приведена в разделе актуальность