Группа учёных из НИТУ «МИСиС» разработала новый тип силовых диодов, применение которых удвоит скорость контактной сварки и повысит её качество.
Работа проведена под руководством Петра Лагова — доцента кафедры «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников» НИТУ «МИСиС».
Автоматизированная контактная сварка незаменима в машиностроении, судоходной, авиационной промышленности, при производстве бытовых изделий. Суть метода — соединение деталей путём нагрева и деформации металла проходящим через него электрическим током, без использования присадочных материалов. Уже сейчас такая сварка не занимает много времени, но новый тип силовых диодов с оптимизированной кремниевой структурой позволит заметно повысить энергоэффективность процесса и качество сварного соединения. Это достигается двукратным увеличением рабочей частоты (до 20 кГц).
Частота импульсов тока — важнейшая характеристика процесса контактной сварки и именно она определяет его скорость. От частоты зависит и качество получаемого сварного соединения, и его прочность.
Повысить максимальную рабочую частоту диода диаметром 50 мм с 10 до 20 кГц при сохранении прочих характеристик удалось с помощью технологии, позволяющей получать наноразмерные центры рекомбинации (атомные «вакансии») в структуре диодного монокристалла. Это достигается контролируемым смещением (выбиванием) атомов из узлов кристаллической решётки в определённых слоях кремниевой пластины сварочного диода.
Атомные «вакансии», другими словами, микродырки в слоях структуры кремния, получаются путём бомбардировки готового монокристалла лёгкими ионами высоких энергий на ускорителе. В результате на определённых глубинах тонких (1—2 мкм) слоёв формируются структурные дефекты атомарного уровня размером около 1 нм. В процессе контактной сварки при многократной периодической смене полярности тока, эти атомные «вакансии» мгновенно захватывают поток текущих электронов, приводя к их «аннигиляции» (исчезновению) и подавлению нежелательного остаточного тока. Таким образом, резко сокращается время на смену полярности тока, и частота переменного тока увеличивается.
Новый сварочный диод, важнейший функциональный элемент оборудования контактной сварки, по словам его разработчиков, превосходит все известные мировые аналоги. Его использование удвоит количество сварных операций в единицу времени, а значит, и повысит скорость сборки механизмов.
С увеличением рабочей частоты диода уменьшаются паразитные потери электрической мощности, разогрев и циклические колебания температуры диода (именно это ведёт к его износу, механическому повреждению и потере работоспособности).
При прочих равных условиях новый диод позволит обеспечить более высокий рабочий ток сварки и точность его удержания, а также сократить интервал времени между отдельными рабочими циклами, в течение которых происходит остывание («отдых») диода. Становится возможной сварка металлов и сплавов, которые не свариваются при меньшей частоте. Кроме того, такой диод более устойчив к разного рода электрическим перегрузкам — это предотвратит выход из строя узла и остановку всей конвейерной сборочной линии.
Повышение рабочей частоты также позволит уменьшить размер и массу трансформаторно-выпрямительного блока сварочного аппарата и практически до нуля снизить помехи в энергетической сети.
«Мы не только разработали технологию создания рекомбинационных центров в структуре силового сварочного диода, но и получили готовые к применению экспериментальные образцы инновационных диодов, обладающих конкурентными преимуществами — максимальной рабочей частотой не менее 20 кГц (вдвое превышает лучшие зарубежные образцы) при токе 7 кА. Кроме того, в ходе серии проведённых инициативных работ с рядом отечественных предприятий нами установлено, что технология локального формирования центров рекомбинации может быть успешно применена при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем различных классов. Масштабное внедрение данной технологии в полупроводниковое производство позволит существенно повысить качество целого сегмента отечественной электронной компонентной базы, что способствует обеспечению технологической независимости в условиях импортозамещения», — рассказал руководитель проекта Пётр Лагов.
