Применение высокочастотного нагрева для сборки диодов в корпусе miniMELF

Введение

Полупроводниковые приборы для ограничения опасных перенапряжений — TVS-диоды «супрессоры» применяются в телекоммуникационном, медицинском оборудовании для обработки данных, в источниках питания для защиты электрических схем, МОП-устройств и других компонентов от скачков напряжения, возникающих из-за молний, электростатических разрядов, индуктивного переключения и прочего. TVS-диоды — это лавинные устройства с однонаправленной и двунаправленной конфигурацией. В однонаправленной конфигурации ВАХ наблюдается только в одном направлении, в другом направлении — характеристика как в обычном выпрямителе. ВАХ несимметричного и симметричного TVS-диода представлены на рис. 1.

Рис. 1. ВАХTVS-диода:
а) несимметричного;
б) симметричного

TVS-диоды подключают параллельно для защиты оборудования, как показано на рис. 2. В условиях без пульсации они имеют высокий импеданс, который не влияет на работу схемы. При наличии скачков напряжения они входят в лавинный режим, шунтируя импульсы перенапряжения и тем самым защищая оборудование.

Рис. 2. Принцип работы TVS-диода

Компания Diotec первой в мире освоила производство диодов‑супрессоров серии TGL34 в микрокорпусе miniMELF (SOD‑80/DO‑213), предназначенных для ограничения импульсных перенапряжений мощностью до 150 Вт при нормированной длительности 10–1000 мкс. Диапазон рабочих напряжений 6,8–200 В. Эти элементы могут успешно заменить супрессоры в больших корпусах SOD‑87 и MELF [1].

В корпусах MELF изготавливают двунаправленные сборки супрессоров SDA 4AK с импульсной мощностью 400 Вт и рабочим напряжением 1 и 2 В. Они созданы для защиты от импульсных перенапряжений, вызванных переходными процессами, разрядами статического электричества в сетях телекоммуникаций. Новые серии выпрямительных диодов GL1, RGL1, EGL1 в пластиковых микрокорпусах miniMELF с паяным соединением кристалла представлены на рис. 3. Устройства выпускаются в нескольких версиях (стандартные, быстрые, сверхбыстрые) и имеют ток до 1 А.

Рис. 3. Конструкции SMD-диодов:
а) пластиковый корпус,
б) стеклянный корпус

В 2001 году на заводах Diotec освоена новая технология «холодного напыления», позволяющая устанавливать кремниевый чип непосредственно на алюминиевый теплосток. Отсутствие медного основания, или «безбазовая» (baseless) конструкция, силового модуля является фирменным элементом технологии SEMIKRON, получившей название SKiiP (SemiKron Integrated Intellectual Power) и позволяющей снизить тепловое сопротивление «кристалл-теплоотвод» и повысить стойкость компонента к термоциклированию.

При новой технологии частицы меди напыляются со сверхзвуковой скоростью на алюминий, образуя тонкую адгезивную пленку. Формирование адгезивной связующей пленки исключает плавление материалов и, следовательно, предотвращает окисление. На напыленную пленку устанавливается методом пайки полупроводниковый кристалл, после чего он запрессовывается с использованием эпоксидных наполнителей для обеспечения механической прочности [2].

Белорусское предприятие СКБ «Запад» выпускает импульсные диоды 2Д814А, 2Д814А1 в корпусах miniMELF [3]. Кремниевые эпитаксиально-планарные импульсные диоды 2Д814А1 (рис. 4) в корпусе КД‑34 ГОСТ 18472-88 предназначены для поверхностного монтажа в аппаратуре специального назначения. Масса диода не превышает 0,04 г.

Рис. 4. Габаритные размеры импульсного диода в корпусе miniMELF SOD 80

Диоды в корпусе miniMELF серий TGL34-6.8…TGL34-200CA имеют максимальную импульсную мощность 150 Вт и напряжение пробоя от 6,8 до 200 В.

Технические характеристики импульсного диода представлены в таблице 1.

Конструкция диода в корпусе SMA показана на рис. 5. Сравнение конструкций диодов MELF и SMA представлено в таблице 2.

Рис. 5. Диод в корпусе SMA:
а) внешний вид;
б) вид в разрезе

Использование двойной пассивации с нитридом кремния для электрической изоляции и применение полисилоксана для механической защиты позволяет достичь обратного напряжения до 2000 В.

Корпус miniMELF (рис. 6) имеет длину всего 3,5 мм, однако массивные медные выводы, припаянные к кристаллу, обеспечивают эффективный отвод тепла. Это является очевидным преимуществом такого типа корпуса перед SMD-конструктивами c плоскими или аксиальными выводами. Контакты диода в корпусе miniMELF изготовлены из сплава (ковар) на основе никеля (29%), кобальта (17%) и железа (остальное). Коэффициент теплового расширения сплава близок к коэффициенту теплового расширения стекла. Во влажной среде сплав подвержен коррозии, требует защитных антикоррозийных покрытий, для чего обычно выводы никелируют.

Рис. 6. Сборочный состав диода miniMELF:
1 — контакт;
2 — стеклянная трубка;
3 — припой ПСР15;
4 — кристалл;
5 — серебросодержащий припой

На непланарной стороне кристалла расположен серебросодержащий припой ПСр15 (15AgCu). Для образования паяного соединения непланарной поверхности кристалла с выводом необходимо произвести нагрев до +640 °C, чтобы расплавить припой ПСр15.

Недостатком температурного профиля нагрева в печи является большая продолжительность и трудоемкость операции нагрева. При выборе индукционного нагрева необходим расчет конструктивных параметров индуктора, выбор оптимальной частоты электромагнитного поля, мощности генератора и давления инертного газа.

Современные типы ВЧ-генераторов

Высокочастотный генератор представляет собой источник тока синусоидальной формы высокой частоты и предназначен для использования в составе индукционных установок. Современная транзисторная высокочастотная установка индукционного нагрева мощностью 100 кВт состоит из двух блоков и весит до 150 кг. Габариты и вес индукционного оборудования, созданного по новейшим технологиям на транзисторных JGBT-модулях и MOSFET-транзисторах, во много раз меньше такого же по мощности оборудования, выполненного на лампах. Это позволяет размещать его на малых площадях и в непосредственной близости от оборудования последующего производственного цикла.

Транзисторные генераторы не требуют предварительного прогрева, у них пренебрежимо малая мощность холостого хода. КПД ламповых индукционных установок обычно не превышал 60%, транзисторные ТВЧ-генераторы в основном имеют КПД более 90%.

Появившиеся вслед за ламповыми ТВЧ-установками генераторы на тиристорах, как правило, занимают нишу достаточно мощных индукционных установок, предназначенных для нагрева заготовок для горячей штамповки при кузнечно-прессовой обработке и индукционной плавке металлов.

Как ламповые, так и тиристорные индукционные установки очень требовательны к параметрам выходного колебательного контура, который определяется емкостью конденсатора, индуктивностью индукционной катушки и частотой генерации. Частота генерации в предыдущих поколениях индукционных установок если и менялась вообще, то в очень узких пределах (не более ±10%). Поэтому эксплуатационникам приходилось очень точно подбирать резонанс индукционной установки изменением количества витков и диаметра индуктора либо переключением секций конденсаторных батарей.

Транзисторный ВЧ-генератор фирмы SEREN R5001 (рис. 7а) применяется во многих отраслях промышленности и научных лабораториях, генерирует мощность 5000 Вт и позволяет плавно регулировать частоту в диапазоне 1,7–2,1 МГц.

Рис. 7. ВЧ-генераторы:
а) R5001;
б) Adtec TX30

Элементы контроля и управления ВЧ-генератором собраны в логические группы, а дисплей выводит всю необходимую для работы и контроля информацию (значения генерируемой и отраженной мощности, частоту напряжения и т. д.). В генераторе ВЧ-усилитель и управляющая система смонтированы на единой плате. Питание ВЧ-усилителя осуществляется от импульсного источника. Каскад усилителя мощности и задающий контур генератора выполнены на полевых транзисторах, что обеспечивает стабильность работы и точность подаваемой энергии во всем диапазоне мощностей согласно классу АВ (по международной классификации для приборов этого класса), что дополнительно гарантирует высокие характеристики данного ВЧ-генератора.

Номинальная мощность (5 кВт) ВЧ-гене-ратора составляет всего 70% от его максимальной мощности. Генератор позволяет регулировать свою выходную мощность, работая в одном из следующих управляющих режимов: постоянное напряжение смещения, ВЧ-напряжение, стабилизация по подаваемой мощности, стабилизация по мощности нагрузки [13]. Характеристики ВЧ-генератора R5001, а также генератора фирмы Adtec TX30 (рис. 7б) представлены в таблице 3 [4, 5].

Характеристики ВЧ-генераторов фирмы UltraFlex UlTRAHEAT SB (рис. 8а) и фирмы DaWei DW-UHF‑3.2KW (рис. 8б) представлены в таблице 4 [6, 7].

Рис. 8. ВЧ-генераторы:
а) UltraFlex UlTRAHEAT SB;
б) DaWei DW-UHF 3.2KW

Схема ВЧ-нагрева, представленная на рис. 9, включает кольцевой индуктор, который окружает кварцевую трубу, источник ВЧ-нагрева, источник защитного газа, контролирующие приборы. Диоды размещаются в медной кассете внутри кварцевой трубы.

Рис. 9. Схема ВЧ-нагрева для сборки диодов:
1 — источник газа;
2 — подача воды;
3 — индуктор;
4 — конденсаторная батарея;
5 — диод;
6 — кассета;
7 — генератор;
8 — термопара;
9 — частотомер;
10 — измеритель-регулятор ТРМ210

Моделирование тепловых полей индукционного нагрева

Фундаментальной математической моделью, используемой для моделирования электромагнитных явлений, считается система уравнений Максвелла, устанавливающая связь между компонентами электрического и магнитного полей, параметрами среды (электропроводностью, магнитной и диэлектрической проницаемостью) и сторонними источниками электромагнитного поля. Математическая модель вихревых токов описывается через магнитный векторный потенциал А [8]:

для рабочей области:

∇²A–jωμγA = 0;                         (1)

для индуктора:

∇²A–jωμγA = –μJ;                    (2)

плотность тока равна:

J = –jωμγA;                        (3)

процесс распределения тепла описывается уравнением теплопроводности:

ρC(∂T/∂t)–∇(λ∇t) = Q;              (4)

поток газа определяется уравнениями Навье — Стокса:

ρ(∂u/∂t+u×∇u) = –∇p+∇×(μ(∇u+(∇u)^T)–2/3μ(∇×u)I)+F,     (5)

где u — скорость жидкости, p — давление жидкости, ρ — плотность жидкости и µ — динамическая вязкость жидкости.

Эти уравнения решаются совместно с уравнением непрерывности:

∂ρ/∂t+∇×(ρu) = 0.                (6)

Уравнения Навье — Стокса представляют собой сохранение импульса, в то время как уравнение непрерывности — сохранение массы [9].

Самым быстрым и наиболее эффективным способом является решение электромагнитной задачи методом конечных элементов. Модель индукционного нагрева создана с помощью пакета моделирования Comsol Multiphysics 5.1. Физическая модель ВЧ-нагрева диодов в корпусе miniMELF в двумерной асимметрии представлена на рис. 10. Для моделирования индукционного нагрева заданы исходные параметры, представленные в таблице 5. Разбиваем модель на конечные элементы, задаем сетку большой плотности. Напряженность электрического поля при индукционном нагреве показана на рис. 11а, температурное поле индукционного нагрева диодов — на рис. 11б, а зависимости нагрева корпусов диодов — на рис. 12.

Рис. 10. Двумерная модель расположения диодов в кассете:
а) горизонтальная;
б) вертикальная:
1 — диод,
2 — кварцевая труба,
3 — индуктор

Рис. 11. Напряженность электрического поля (а) и температурное поле нагрева диодов (б) в кварцевой трубе

Рис. 12. Зависимости температуры нагрева корпусов диодов (1–6 — диоды в корпусе miniMELF)

Подавая поток газа в кварцевую трубу и осуществляя обдув корпусов диодов miniMELF, создаем условия для охлаждения корпусов (рис. 13а). Для образования электрического контакта при нагреве диодов используется медная кассета, в которой диоды располагаются вертикально (рис. 13б). На рис. 14 показаны зависимости температур серебросодержащего припоя, применяемого для соединения кристалла, и корпуса диода от времени при обдуве потоком газа.

Рис. 13. Температурные профили нагрева при обдуве газом:
а) диодов;
б) медной кассеты с диодами

Рис. 14. Зависимости температуры от времени при обдуве газом:
1 — серебросодержащего припоя;
2 — корпуса диода

В результате моделирования оптимизирован процесс высокочастотного индукционного нагрева, получены температурные поля и температурные зависимости нагрева диодов. Установлен градиент распределения скорости потока газа в кварцевой трубе, используемого для охлаждения корпусов диодов.

Применение медной кассеты с вертикальным расположением диодов позволяет добиться нагрева корпусов диодов до температуры +620…+640 °C за 60 с.

Заключение

Температурные профили индукционного нагрева свидетельствуют, что быстрый нагрев серебросодержащего припоя до температуры плавления +640 °C происходит в медной кассете, что соответствует требуемому режиму формирования паяного соединения кристалла с выводами, а обдув газом позволяет удерживать необходимый диапазон температур, избегая нагрева стеклянного корпуса до температуры плавления.