半導(dǎo)體企業(yè)擴(kuò)散設(shè)備的改造

【摘要】本文針對(duì)半導(dǎo)體企業(yè)擴(kuò)散設(shè)備老化后，如何利用原有設(shè)備的硬件進(jìn)行軟件升級(jí)來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散爐的改造進(jìn)行簡(jiǎn)析。

【關(guān)鍵詞】擴(kuò)散設(shè)備;改造

一、引言

半導(dǎo)體企業(yè)原有擴(kuò)散設(shè)備大多采用微控?cái)U(kuò)散爐，該設(shè)備使用年限長后，由于溫度控制板損壞無法購買更換等客觀原因，使設(shè)備無法正常工作，造成生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力下降，工序的生產(chǎn)質(zhì)量也受到極大的影響，購買新的設(shè)備成本太高，一臺(tái)新的三管擴(kuò)散爐30萬/臺(tái)左右，進(jìn)口設(shè)備上百萬，而改造一臺(tái)三管擴(kuò)散爐成本在6萬元左右。本文介紹通過設(shè)計(jì)新的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散設(shè)備的改造。

二、控制電路設(shè)計(jì)

在主電路的設(shè)計(jì)中，通過查閱資料選用MR13溫度控制系統(tǒng)作為主控制器。選用MR13溫度控制系統(tǒng)主要是基于以下幾方面的考慮，其一，該溫度控制系統(tǒng)的控制核心采用日本島電2001年推出的0.1級(jí)三段可編程控制PID調(diào)節(jié)器，可用于獨(dú)立的三回路控制;其二，支持多種規(guī)格的溫度傳感器，帶三段獨(dú)立超溫保護(hù)。三、優(yōu)點(diǎn)：0.3級(jí)精度、9段程序控制、四排高亮LED、日本原裝進(jìn)口、制作工藝精細(xì)，性價(jià)比高?；谶@幾點(diǎn)原因，選用MR13溫度控制系統(tǒng)作為溫度控制器，然后根據(jù)需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的可控硅觸發(fā)電路（原理圖如圖1所示）。

圖1

觸發(fā)電路設(shè)計(jì)好后，仔細(xì)了解其控制要求，設(shè)計(jì)了如圖2所示控制電路：

圖2

三、溫度采樣

為了使所采集的溫度信號(hào)更接近實(shí)際值（因?yàn)槭冀K有誤差），通過查閱了大量資料，了解其工作原理：將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生了溫差電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，我們采取了一系列措施：①確保熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接牢固、②在熱電偶兩極上套上瓷管，保證彼此之間很好絕緣，以防短路、③依據(jù)中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩節(jié)點(diǎn)溫度相同，則回路中的熱電動(dòng)勢(shì)不變。與此相似，對(duì)于傳熱均勻的材料，補(bǔ)償導(dǎo)線的合金絲可以直接插入金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。根據(jù)這一原理，在熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接時(shí)在中間加一小塊銅板，將熱電偶接在銅板上。這樣，一方面避免了導(dǎo)線和熱電偶都比較軟易產(chǎn)生接觸不良;另一方面，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶直接連接易損壞熱電偶。

四、保證設(shè)備正常運(yùn)行、低故障的措施

從圖3中可以看出，選好主控制器后設(shè)計(jì)該主控制電路并不困難，但要使改造后的設(shè)備能正常運(yùn)行、故障率低，需注意以下幾點(diǎn)細(xì)節(jié)：

1.在可控硅兩端并聯(lián)RC緩沖電路。

在可控硅兩端并聯(lián)RC緩沖電路（也稱為吸收回路），起到對(duì)可控硅正向電壓上升率dv/dt的限制作用;這是因?yàn)槿鬱v/dt過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。單元電路如圖3所示。

圖3

2.電感在電路中的應(yīng)用。

在可控硅打開時(shí)，正向電流的變化率也應(yīng)有一定的限制。當(dāng)可控硅被觸發(fā)時(shí)，硅內(nèi)的導(dǎo)通區(qū)域擴(kuò)散得相對(duì)慢一些且電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以大約0.1mm/μs的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，如果開啟電流上升得太快，那么較高的電流都集中在陰極附近的小區(qū)域內(nèi)，引起本區(qū)域過熱以及最終導(dǎo)致器件損壞，而限制di/dt的一個(gè)有效的方法是在電路中引入少量的電感。如圖4所示：

圖4

di/dt受柵極驅(qū)動(dòng)電平和上升時(shí)間的影響很大，因?yàn)檩^高級(jí)別的柵極驅(qū)動(dòng)會(huì)使器件內(nèi)的導(dǎo)通區(qū)域迅速擴(kuò)展，較高電平的柵極驅(qū)動(dòng)也會(huì)減少開啟驅(qū)動(dòng)的延遲時(shí)間，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用了可控硅驅(qū)動(dòng)板來更好的驅(qū)動(dòng)可控硅器件?？紤]到機(jī)箱的散熱問題，在機(jī)箱頂部加裝了冷卻風(fēng)機(jī)，以確保機(jī)箱內(nèi)的溫度不會(huì)過熱而縮短設(shè)備的使用壽命。

3.安裝過程須小心謹(jǐn)慎、試運(yùn)行期間應(yīng)監(jiān)控其狀態(tài)。

①在安裝過程中，各指示燈、開關(guān)均采用插片連接方式，因?yàn)槭褂玫闹甘緹?、開關(guān)都是采用的塑料封裝器件，直接焊接會(huì)造成一定的故障隱患;而且使用焊接還有一個(gè)缺點(diǎn)就是在以后的維修中不方便，比如更換開關(guān)。

②在試用期間，用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)可控硅溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)可控硅溫度偏高，于是拆下可控硅將散熱器表面打磨平整、光滑，在涂上導(dǎo)熱硅脂幫助散熱，之后裝上可控硅監(jiān)視其溫度恢復(fù)正常。

③在試用3周后還發(fā)生了一次故障，故障現(xiàn)象是中管口端溫度為800多℃，而中端和尾端均為1150℃（設(shè)定溫度為115 0℃），從控制面板可以看到可控硅觸發(fā)信號(hào)有輸出，但該端溫度往下降，分析判斷可能是功率部分出故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)口端進(jìn)線與線鼻子的連接處燒斷。原因?yàn)樵摻宇^處銅導(dǎo)線的表面已氧化，造成接觸電阻過大，重新處理后設(shè)備運(yùn)行正常。

4.選擇材料

在設(shè)備的改造過程中，我們查閱了許多資料，對(duì)元器件相關(guān)知識(shí)的了解是設(shè)計(jì)好控制電路的前提，對(duì)元器件了解透徹，設(shè)計(jì)的電路才能正常運(yùn)行，更好的解決問題。在設(shè)計(jì)的最初，選擇元器件也遇到很多的問題，如繼電器的選擇上不僅要注意其工作電壓，還要考慮驅(qū)動(dòng)電流（線圈電流）的大小，太大容易把線圈燒壞、太小又不能吸合，以及觸點(diǎn)的過載能力，確保在正常情況下不影響電路的工作狀態(tài)。

五、結(jié)束語

千里之堤，潰于蟻穴，每一個(gè)小小的失誤都有可能引起全局的失敗，因此，在設(shè)計(jì)、施工的過程中，應(yīng)從原材料的選購、安裝、測(cè)試都本著嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的態(tài)度，精益求精的精神，認(rèn)真的分析其中的不足，這樣才能使設(shè)計(jì)更合理。

參考文獻(xiàn)

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