Лазерные материалы: дрейф высоковольтного резистора при импульсном воздействии энергии

Лазерные материалы: дрейф высоковольтного резистора при импульсном воздействии энергии

Резюме

В сети лазерных импульсов высоковольтные резисторы пропускают ток от 1 кА до 10 кА в течение 25–200 нс, один раз за импульс при частоте от 1 до 6 кГц. В данной статье приводятся данные об энергии импульса, адиабатическом повышении температуры, горячих точках в углу, зависимости термического напряжения от прочности на излом, а также модель дрейфа, предсказывающая снижение на 12.6% после 10 000 часов работы.

1. Введение

В источнике питания эксимерного лазера высоковольтные резисторы ограничивают ток, делят напряжение, гасят колебания и демпфируют разряд. Каждая из этих функций обеспечивает прямое попадание компонента в тракт импульса. Пиковое напряжение составляет от 20 кВ до 40 кВ, а пиковый ток — от 1 кА до 10 кА.

Импульсы короткие, от 25 нс до 200 нс, и повторяются с частотой от 1 кГц до 6 кГц. Каждый импульс передает свою энергию элементу за наносекунды. Температура элемента может превышать 500 °C в течение импульса и возвращается к комнатной температуре перед следующим импульсом.

Этот цикл вызывает две проблемы. Термический шок приводит к усталости элемента и подложки до тех пор, пока они не растрескаются. Температура также изменяет сопротивление, и это изменение накапливается.

В данной статье рассматриваются энергия импульса, повышение температуры, горячая точка в углах, зависимость термического напряжения от прочности на излом, модель дрейфа, четыре режима разрушения в полевых условиях и этапы снижения номинальной мощности с учетом 10 000-часового окна.

2. Основной механизм

2.1 Импульсная энергия в элементе

Мгновенная мощность пропорциональна квадрату напряжения, деленному на сопротивление:

P(t) = V(t)^2 / R

где P(t) — мгновенная мощность, V(t) — напряжение на резисторе, а R — значение сопротивления.

Для прямоугольного импульса энергия на один импульс составляет:

E_pulse = V_peak × I_peak × t_pulse

где E_pulse — энергия импульса, V_peak — пиковое напряжение, I_peak — пиковый ток, а t_pulse — ширина импульса. При I_peak = 5 кА, R = 1 Ом и t_pulse = 50 нс, E_pulse = 2500 × 10^6 × 1 Ом × 50 нс, или 1.25 Дж.

2.2 Адиабатическое повышение температуры

Импульс длительностью 50 нс намного короче тепловой постоянной времени, которая для этого класса резисторов составляет от 1 мс до 100 мс. Вся энергия остается в элементе, поэтому нарастание является адиабатическим:

ΔT = E_pulse / (m × c)

где ΔT — повышение температуры, E_pulse — энергия импульса, m — масса резистивного элемента, а c — удельная теплоемкость элемента.

Толстопленочный элемент массой 0.1 г с энергией заряда c = 0.5 Дж/(г·°C) нагревается на 1.25 / 0.05, или на 25 °C. Если увеличить энергию до 10 Дж или уменьшить массу до 0.01 г, то соотношение останется тем же: температура нагрева составит 2,000 °C, что выше температуры плавления элемента.

2.3 Горячие точки в углах

Плотность тока максимальна на краях и углах прямоугольного элемента. Температура в углах значительно выше средней:

ΔT_corner ≈ 3 × ΔT_average

где ΔT_corner — повышение температуры в углу, а ΔT_average — среднее повышение температуры по всему элементу. Среднее значение в 25 °C соответствует углу в 75 °C.

Более высокая энергия повышает температуру в этой точке до 500–1,000 °C. При таком уровне проводимые частицы окисляются, локальное сопротивление возрастает, и горячая точка сама по себе нагревается.

2.4 Термическое напряжение в зависимости от прочности на излом

Циклические колебания нагрузки воздействуют на элемент и подложку:

σthermal = E × α × ΔT / (1 − ν)

где σthermal — термическое напряжение, E — модуль Юнга, α — коэффициент теплового расширения, ΔT — повышение температуры, а ν — коэффициент Пуассона.

В толстопленочном элементе с модулем упругости E = 100 ГПа, α = 7e−6 на °C, ΔT = 100 °C и ν = 0.3 развивается напряжение 100 × 10^9 × 7e−6 × 100 / 0.7, или 100 МПа. Прочность пленки на излом колеблется от 50 МПа до 200 МПа, поэтому напряжение находится в этом диапазоне. Затем миллиарды циклов приводят к росту микротрещин и образованию разомкнутой цепи.

2.5 Постоянный дрейф сопротивления

Температурный коэффициент изменяется на ±1% во время импульса температуры 100 °C и меняет направление по мере охлаждения детали. В случае с основной деталью изменения направления не происходит. Окисление проводящих частиц, миграция связующего вещества и рост зерен повышают это значение, а микротрещины уменьшают эффективное поперечное сечение.

Постоянный дрейф подчиняется эмпирической зависимости:

ΔR/R0 = A × N^α × (ΔT)^β

где ΔR/R0 — относительный дрейф, A — коэффициент дрейфа, N — количество импульсов, α — показатель цикла, ΔT — повышение температуры, а β — показатель температуры.

Примем A = 2e−12, α = 0.6, β = 2.0 и ΔT = 100 °C. При частоте 6 кГц 10 000 ч дают N = 2.16e11 импульсов. Тогда ΔR/R0 = 2e−12 × 6.3e6 × 1e4, или 12.6%. Обычный допуск составляет от ±1% до ±5%, поэтому деталь выходит из диапазона примерно через 4,000 ч.

Рис. 1 — Деталь с импульсным повышением температуры на 100 °C достигает дрейфа в 12.6% через 10 000 ч, превышая предел ±5%; деталь с низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR) при повышении температуры на 25 °C остается ниже 0.8%.

3. Проблемы проектирования

Проблемный момент 1: Термический шок открывает нагревательный элемент.

Когда энергия импульса превышает 5 Дж или масса элемента падает ниже 0.05 г, термическое напряжение превышает предел прочности на излом. После 10⁸–10⁹ циклов микротрещины соединяются, и деталь раскрывается.

Выход из строя происходит в период от 5,000 до 10,000 часов работы. Оператор объясняет это напряжением, но при увеличении трещины показывают термическую усталость.

Проблема 2: Дрейф сопротивления ухудшает работу схемы.

Высокий коэффициент дрейфа или высокий температурный коэффициент приводят к тому, что постоянный дрейф превышает ±5% после 5,000–10,000 часов работы. В этом случае токоограничивающий резистор пропускает слишком большой ток, делитель показывает неверное соотношение, а демпфирующий резистор перестает поглощать колебания.

Оператор замечает ухудшение характеристик и винит в этом... N4700 конденсатор или выключатель. Измерение сопротивления на стенде позволит установить его за несколько минут.

Проблема 3: Окисление в очаге перегрева приводит к гибели одного участка.

Острый угол или узкое сужение удерживают ток на небольшой площади. В этом месте температура повышается на 500–1,000 °C при каждом импульсе, происходит окисление, и оно нагревается сильнее по мере увеличения сопротивления.

Деталь выходит из строя в этой точке в промежутке между 3,000 и 8,000 часами работы. Оператор объясняет это производственным дефектом, и замена той же детали на версию с закругленным электродом устраняет перегрев.

Проблемный момент 4: Расслоение субстрата выходит из-под контроля.

В местах со слабой адгезией пленки термический удар отрывает элемент от подложки. Отслоившаяся область теряет тепловой контакт, поэтому ее температура продолжает повышаться, и отслоение усиливается.

В период от 2,000 до 5,000 часов деталь выходит из строя. Оператор винит в этом перенапряжение, а испытание на отрыв аналогичной детали показывает, что прочность сцепления с самого начала была ниже 20 МПа.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Снизить энергию импульса.

Укажите номинальную импульсную мощность, превышающую в 2 раза энергию, выдаваемую схемой. Для 1.25 Дж на импульс выберите компонент с номинальной мощностью выше 2.5 Дж. Подтвердите номинальную мощность по данным импульсных испытаний производителя или проведите собственные импульсные испытания при энергии, в 1.5 раза превышающей рабочую.

Стратегия 2: Добавить тепловую инерцию

Выберите элемент массой более 0.2 г, чтобы тот же импульс мощностью 1.25 Дж повысил температуру элемента на 12.5 °C вместо 25 °C. В этом случае демпфирующий резистор соединен с пленочный конденсаторРазделите скважность импульса между двумя элементами так, чтобы ни один из них не нес полную амплитуду нарастания.

Стратегия 3: Округление геометрических фигур

Укажите закругленные углы и равномерный путь протекания тока. HVRGHP В резисторах используется оптимизированная схема расположения электродов, которая распределяет ток по всей пленке. Исключите детали с острыми углами, узкими сужениями или пленкой неравномерной толщины.

Стратегия 4: Использовать материал с низким содержанием Т-клеточных рецепторов.

Выберите температурный коэффициент ±50 ppm/°C или лучше, который обеспечивает временное колебание в пределах ±0.5% при импульсе 100 °C. Пленки из оксида рутения и серебра-палладия обладают как низким коэффициентом, так и хорошей импульсной устойчивостью. Проверьте коэффициент в диапазоне температур от −40 °C до +125 °C.

Стратегия 5: Закрепить пленку на подложке

Требуется адгезия выше 20 МПа и подложка из оксида алюминия, коэффициент теплового расширения которой близок к коэффициенту теплового расширения пленки. Подтверждение должно быть получено с помощью испытания на отрыв и 1,000 термических циклов от −40 °C до +125 °C. В отслоившейся области отсутствует тепловой путь, и последующее распространение тепла начинается на этой границе.

Стратегия 6: Мониторинг уровня сопротивления

Измеряйте значение каждые 1,000 часов с помощью прецизионного омметра и стройте график зависимости. На делительной схеме проверьте градуировочные резисторы В том же проходе, потому что дрейф там сдвигает каждое соотношение в цепочке. Рассматривайте дрейф свыше ±2% как предупреждение, а свыше ±5% как сигнал к замене, и регистрируйте тренд рядом с температурой окружающей среды.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 ° C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5%	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Резисторы HVC HVRGHP для узлов импульсов высокой энергии

Выбор на этом узле определяется четырьмя требованиями: импульсная мощность выше подаваемой энергии, достаточная тепловая инерция для поддержания повышения температуры около 25 °C, низкий температурный коэффициент и расположение электродов без зон перегрева. Компания HVC производит компоненты HVRGHP для этого комплекта на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Энергия импульса составляет 10 Дж на импульс, в то время как импульс 5 кА длительностью 50 нс с энергией 1.25 Дж выдает сигнал на сопротивление 1 Ом. Большая масса элемента и оптимизированная схема позволяют снизить температуру до 12.5 °C.
• Последовательная индуктивность ниже 10 нГн от коаксиальной электродной структуры, поэтому сигнал следует фронту в 25 нс без перерегулирования или колебаний в затухающем узле.
• Температурный коэффициент составляет ±50 ppm/°C для пленки оксида рутения, что обеспечивает временное колебание в пределах ±0.5% при импульсе 100 °C.
• Адгезия подложки выше 30 МПа на алюминиевом теле к пределу 20 МПа. Соединение устойчиво к термическому удару и предотвращает расслоение, которое может привести к неконтролируемому разрушению.
• Геометрия закругленных электродов распределяет ток по пленке, что устраняет трехкратное повышение напряжения в углах и последующее окисление. Диапазон рабочих напряжений составляет от 1 кВ до 150 кВ, поэтому одно семейство электродов обслуживает ограничивающие, разделяющие и демпфирующие узлы рядом с дверная ручка конденсаторы.
• Подходит для использования с передовыми платформами источников света, включая программы полевого ремонта источников света ASML для литографии. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и размерам корпуса. Vishay Диапазоны высоковольтных толстопленочных материалов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в расчете энергии импульса, тепловом моделировании, прогнозировании дрейфа и анализе снижения номинальных характеристик импульсных сетей.

Отправьте пиковое напряжение, пиковый ток, ширину импульса, частоту повторения и значение сопротивления. HVC вернет вам лист выбора с данными импульсного тестирования и комплект для оценки с двумя образцами в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую энергию передает один импульс на резистор?

Отсюда следует, что E_pulse = V_peak × I_peak × t_pulse. Импульс 5 кА длительностью 50 нс на сопротивлении 1 Ом передает 1.25 Дж. Эта величина определяет все последующие решения, поскольку повышение температуры происходит по закону энергии, деленной на тепловую массу элемента. Вычислите это значение, прежде чем смотреть на технические характеристики.

В2: Почему повышение средней температуры на 25 °C имеет значение, если в углах температура достигает 75 °C?

Поскольку окисление и плавление происходят в углу, а не в среднем. Для прямоугольного элемента повышение температуры в углу примерно в 3 раза превышает среднее значение. Следовательно, среднее значение в 25 °C означает температуру в углу 75 °C, а среднее значение в 2,000 °C для элемента массой 0.01 г помещает угол значительно выше точки плавления пленки.

В3: Какой номинальный уровень импульсного воздействия мне следует указать?

Более чем в 2 раза превышающая подаваемую энергию, то есть 2.5 Дж или более для импульса 1.25 Дж. Подтвердите это значение по данным импульсных испытаний производителя или проведите собственные испытания при энергии, в 1.5 раза превышающей рабочую. Значение, соответствующее подаваемой энергии, не оставляет места для переходных процессов в сети, достигающих узла.

Вопрос 4: С какой скоростью изменяется сопротивление?

Отсюда следует ΔR/R0 = A × N^α × (ΔT)^β. При A = 2e−12, α = 0.6, β = 2.0 и повышении температуры на 100 °C, 10 000 ч при 6 кГц дают 2.16e11 импульсов и дрейф 12.6%. Снизим повышение температуры до 25 °C, используя элемент большего размера, и в том же диапазоне получим дрейф менее 0.8%.

В5: Устраняет ли низкий температурный коэффициент дрейф?

Это устраняет временную составляющую. Коэффициент ±50 ppm/°C удерживает обратимое колебание в пределах ±0.5% при импульсе 100 °C, по сравнению с ±1% для составляющей ±100 ppm/°C. Постоянная составляющая обусловлена ​​окислением, миграцией связующего вещества и ростом зерен, поэтому материал элемента и температура пленки определяют эти параметры.

В6: Как обнаружить смещение до того, как произойдёт отказ в работе?

Измеряйте значение каждые 1,000 часов и стройте график зависимости тренда от температуры окружающей среды. ±2% рассматривайте как предупреждение, а ±5% — как сигнал к замене. Сопоставьте электрические измерения с осмотром пленки на наличие темного кольца в углу, которое указывает на горячую точку, вызывающую дрейф показаний на этом участке.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. Зинке, О., и Зайтер, Х., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Ауфл. Берлин: Спрингер, 1982.
7. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
8. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
9. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com