【摘要】本文針對半導體企業(yè)擴散設備老化后，如何利用原有設備的硬件進行軟件升級來實現(xiàn)擴散爐的改造進行簡析。

【關鍵詞】擴散設備;改造

一、引言

半導體企業(yè)原有擴散設備大多采用微控擴散爐，該設備使用年限長后，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，購買新的設備成本太高，一臺新的三管擴散爐30萬/臺左右，進口設備上百萬，而改造一臺三管擴散爐成本在6萬元左右。本文介紹通過設計新的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對擴散設備的改造。

二、控制電路設計

在主電路的設計中，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級三段可編程控制PID調(diào)節(jié)器，可用于獨立的三回路控制;其二，支持多種規(guī)格的溫度傳感器，帶三段獨立超溫保護。三、優(yōu)點：0.3級精度、9段程序控制、四排高亮LED、日本原裝進口、制作工藝精細，性價比高?；谶@幾點原因，選用MR13溫度控制系統(tǒng)作為溫度控制器，然后根據(jù)需求設計相應的可控硅觸發(fā)電路（原理圖如圖1所示）。

圖1

觸發(fā)電路設計好后，仔細了解其控制要求，設計了如圖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更接近實際值（因為始終有誤差），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體或半導體A和B焊接起來，構(gòu)成閉合回路。當導體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生了溫差電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，熱電偶就是利用這一效應來工作的。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)中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體的兩節(jié)點溫度相同，則回路中的熱電動勢不變。與此相似，對于傳熱均勻的材料，補償導線的合金絲可以直接插入金屬中或直接焊在金屬表面進行溫度測量。根據(jù)這一原理，在熱電偶與補償導線連接時在中間加一小塊銅板，將熱電偶接在銅板上。這樣，一方面避免了導線和熱電偶都比較軟易產(chǎn)生接觸不良;另一方面，補償導線與熱電偶直接連接易損壞熱電偶。

四、保證設備正常運行、低故障的措施

從圖3中可以看出，選好主控制器后設計該主控制電路并不困難，但要使改造后的設備能正常運行、故障率低，需注意以下幾點細節(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），起到對可控硅正向電壓上升率dv/dt的限制作用;這是因為若dv/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，嚴重時引起晶閘管誤導通。單元電路如圖3所示。

圖3

2.電感在電路中的應用。

在可控硅打開時，正向電流的變化率也應有一定的限制。當可控硅被觸發(fā)時，硅內(nèi)的導通區(qū)域擴散得相對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的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，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)域過熱以及最終導致器件損壞，而限制di/dt的一個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)動電平和上升時間的影響很大，因為較高級別的柵極驅(qū)動會使器件內(nèi)的導通區(qū)域迅速擴展，較高電平的柵極驅(qū)動也會減少開啟驅(qū)動的延遲時間，所以在設計中應采用了可控硅驅(qū)動板來更好的驅(qū)動可控硅器件?？紤]到機箱的散熱問題，在機箱頂部加裝了冷卻風機，以確保機箱內(nèi)的溫度不會過熱而縮短設備的使用壽命。

3.安裝過程須小心謹慎、試運行期間應監(jiān)控其狀態(tài)。

①在安裝過程中，各指示燈、開關均采用插片連接方式，因為使用的指示燈、開關都是采用的塑料封裝器件，直接焊接會造成一定的故障隱患;而且使用焊接還有一個缺點就是在以后的維修中不方便，比如更換開關。

②在試用期間，用紅外測溫儀檢測可控硅溫度時發(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，在涂上導熱硅脂幫助散熱，之后裝上可控硅監(jiān)視其溫度恢復正常。

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℃（設定溫度為115 0℃），從控制面板可以看到可控硅觸發(fā)信號有輸出，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)口端進線與線鼻子的連接處燒斷。原因為該接頭處銅導線的表面已氧化，造成接觸電阻過大，重新處理后設備運行正常。

4.選擇材料

在設備的改造過程中，我們查閱了許多資料，對元器件相關知識的了解是設計好控制電路的前提，對元器件了解透徹，設計的電路才能正常運行，更好的解決問題。在設計的最初，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，每一個小小的失誤都有可能引起全局的失敗，因此，在設計、施工的過程中，應從原材料的選購、安裝、測試都本著嚴謹、科學的態(tài)度，精益求精的精神，認真的分析其中的不足，這樣才能使設計更合理。

參考文獻

[1]熱電偶原理及其檢定，黃澤銑.編著.

[2]電路設計技術(shù)與技巧，李秦華.編著.

[3]電子技能基礎，王港元.編著.