Fontes de alimentação de pulsos de laser: Ruptura por avalanche em diodos de alta tensão

Fontes de alimentação de pulsos de laser: Ruptura por avalanche em diodos de alta tensão

Sumário

Um nó de pulso laser aciona seu diodo a 30 kV, 5 kA e 50 kV/µs, seis mil vezes por segundo. Este artigo apresenta a multiplicação por avalanche, a tensão de ruptura de 30 kV definida pela dopagem, a geração de 16.3 kW contra 1.6 kW de dissipação, a corrente de recuperação reversa de 6 J e as especificações e o circuito de proteção que mantêm a junção ativa.

1. Introdução

Em um laser de excímero, os diodos de alta tensão fornecem corrente livre, fixam o circuito, amortecem a descarga e bloqueiam a corrente reversa. Essas funções posicionam o diodo na borda do pulso. A tensão de pico varia de 20 kV a 40 kV, a corrente de pico de 1 kA a 10 kA e a borda de 10 kV/µs a 100 kV/µs.

Três mecanismos finalizam a etapa. A multiplicação por avalanche começa quando o campo reverso ultrapassa o campo crítico. A fuga térmica ocorre quando a geração supera a dissipação. A recuperação reversa adiciona uma explosão de energia a cada evento de comutação.

Cada mecanismo apresenta um curto-circuito ou um circuito aberto, e cada um deles se apresenta como uma falha diferente para a equipe de manutenção. A sobretensão é apontada como culpada nos três casos.

Este artigo aborda a condição de avalanche, a tensão de ruptura definida pela dopagem, o equilíbrio térmico, a carga e energia de recuperação reversa, a corrente de deslocamento, quatro modos de falha em campo e as classificações que mantêm a peça funcionando por 10,000 horas.

2. Mecanismo Central

2.1 Multiplicação por avalanche

Acima do campo crítico de aproximadamente 3e5 V/cm no silício, os portadores ganham energia suficiente para criar pares elétron-buraco por ionização por impacto. A quantidade de portadores se multiplica:

M = 1 / [1 − ∫(αn + αp) dx]

onde M é o fator de multiplicação, αn e αp são os coeficientes de ionização para elétrons e lacunas, e a integral percorre a largura da região de depleção.

Ambos os coeficientes aumentam com o campo:

αn = An × exp(−Bn / E)

onde αn é o coeficiente de ionização eletrônica, An e Bn são constantes do material e E é o campo elétrico. Para o silício, An = 7e5 cm−1 e Bn = 1.2e6 V/cm. M cresce indefinidamente no ponto de avalanche.

2.2 Tensão de ruptura devido à dopagem

A tensão de ruptura segue o campo crítico e a dopagem do lado menos denso da junção:

V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd)

onde V_br é a tensão de ruptura, εs a permissividade do silício, E_c o campo crítico, q a carga do elétron e Nd a concentração de doadores.

Com Nd = 1e14 cm−3 e E_c = 3e5 V/cm, V_br resulta em um valor próximo a 30 kV. Esse é o valor típico para um diodo de alimentação de laser e não oferece margem para lidar com uma tensão de alimentação de 30 kV com sobretensão.

2.3 Equilíbrio térmico na junção

A potência gerada inclui a perda direta, a fuga reversa e o pico de recuperação:

P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f

onde P_gen é a potência gerada, V_f e I_f são a tensão e a corrente direta, V_r e I_r são a tensão e a corrente de fuga reversas, E_rr é a energia de recuperação por evento e f é a taxa de repetição.

Com V_f = 2 V, I_f = 5 kA, V_r = 30 kV, I_r = 10 mA, E_rr = 1 J e f = 6 kHz, P_gen = 10,000 + 300 + 6,000, ou 16.3 kW. A dissipação em uma junção a 200 °C, uma temperatura ambiente de 40 °C e uma taxa de aquecimento de 0.1 °C/W é de apenas 1.6 kW. A junção então entra em fuga térmica.

A elevação durante um pulso é pequena:

T_j(t) = T_a + P_gen × R_th × [1 − exp(−t / τ_th)]

onde T_j(t) é a temperatura da junção, T_a a temperatura ambiente, R_th a resistência térmica, t o tempo e τ_th a constante de tempo térmica. Com τ_th = 5 ms e t = 100 ns, a junção atinge 72.6 °C. A temperatura média ao longo de bilhões de pulsos é o que finaliza o circuito.

2.4 Energia de recuperação reversa

Os portadores minoritários armazenados devem sair da junção antes que o diodo os bloqueie. A carga armazenada e a energia de recuperação seguem abaixo:

Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr

onde Q_rr é a carga de recuperação, I_rr a corrente de recuperação reversa de pico e t_rr o tempo de recuperação.

Em seguida, segue-se a energia por evento:

E_rr = V_r × Q_rr

onde E_rr é a energia de recuperação, V_r a tensão reversa e Q_rr a carga de recuperação. Com I_rr = 2 kA, t_rr = 200 ns e V_r = 30 kV, Q_rr = 200 µC e E_rr = 6 J. A 6 kHz, isso corresponde a 36 kW em um encapsulamento projetado para uma pequena fração dessa potência.

2.5 Corrente de deslocamento na borda

A capacitância de junção permite a passagem de uma corrente de deslocamento sempre que a tensão varia:

I_disp = C_j × dv/dt

onde I_disp é a corrente de deslocamento, C_j a capacitância da junção e dv/dt a taxa de variação da tensão. Uma junção de 100 pF em uma transição de 50 kV/µs conduz 5 A, valor muito inferior aos 5 kA do pulso direto. Uma junção de 1 nF em uma transição de 100 kV/µs conduz 100 A, o que aquece uma região localizada do chip.

Figura 1 — Uma borda de 50 kV/µs conduz 5 A através de uma junção de 100 pF; um circuito snubber RC de 20 kV/µs reduz a corrente de deslocamento para 2 A.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Avalanche devido à sobretensão

Quando a tensão de ruptura é inferior a 1.5 vezes a tensão de alimentação, a sobretensão na borda a ultrapassa. A multiplicação faz com que a corrente aumente e a junção entre em fuga em microssegundos.

A falha ocorre entre 1,000 h e 5,000 h, e o componente apresenta um curto-circuito. O operador culpa o capacitor ou o interruptor, e a análise da curva de tensão de um diodo similar mostra o ponto de ruptura abaixo da tensão de alimentação.

Problema 2: Fuga térmica causada por corrente direta

Quando a corrente de surto é inferior a duas vezes a corrente de pulso, a perda direta aquece o chip mais rapidamente do que a embalagem o dissipa. A junção entra em colapso e o silício derrete em determinado ponto.

Entre 2,000 h e 8,000 h, o diodo entra em curto-circuito. O operador atribui o problema à sobretensão, e uma imagem térmica obtida durante um único pulso mostra o ponto de fusão na constrição.

Problema 3: Falha na recuperação reversa

Um diodo lento com t_rr acima de 500 ns ou Q_rr acima de 500 µC coloca mais energia no pulso de recuperação do que o encapsulamento pode suportar. Uma borda de 50 kV/µs adiciona corrente de deslocamento a isso.

A peça apresenta defeito entre 500 h e 2,000 h. O operador atribui a falha ao circuito de comutação, e uma medição de pulso duplo na tensão e corrente de trabalho mostra a carga de recuperação que causou o problema.

Problema 4: Ponto quente devido à corrente não uniforme

Uma quina viva ou um estreitamento retêm a corrente em uma região específica. Nesse ponto, a temperatura é de 2 a 5 vezes maior que a média e ocorre o derretimento localizado.

Entre 3,000 h e 10,000 h, a peça falha nesse ponto específico. O operador atribui a falha a um defeito de fabricação, e um chip de grande área com um padrão de eletrodos otimizado elimina a restrição. O mesmo padrão mantém a N4700 As placas do capacitor e a película resistiva formam um caminho de corrente uniforme.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Defina a margem de detalhamento

Especifique uma tensão de ruptura superior a 2 vezes a tensão reversa de pico; portanto, um nó de 30 kV precisa de uma parte de 60 kV. Verifique o valor com um teste de alta tensão a 1.5 vezes a tensão de operação e verifique a fuga nesse nível, bem como no valor nominal.

Estratégia 2: Defina a margem de aumento de demanda

Especifique uma capacidade de corrente de surto direta superior a 3 vezes a corrente de pico do pulso; portanto, um nó de 5 kA precisa de um componente de 15 kA. Confirme com um teste de pulso com 2 vezes a corrente de operação e verifique a tensão direta no pico, visto que um aumento em V_f contribui para a potência gerada na seção 2.3.

Estratégia 3: Reduzir a taxa de recuperação

Selecione um diodo de recuperação rápida com Q_rr inferior a 100 µC e t_rr inferior a 200 ns, ou um componente Schottky de carbeto de silício cuja carga de recuperação seja próxima de zero. Confirme com um teste de pulso duplo na tensão e corrente de trabalho e observe o formato da corrente de recuperação para detectar um estalo seco.

Estratégia 4: Amortecer o nó

Adicione um circuito snubber RC ou RCD que mantenha dv/dt abaixo de 20 kV/µs. Em uma junção de 100 pF, reduza a corrente de deslocamento de 5 A para 2 A. Ajuste o snubber para amortecimento crítico, de modo que o sobreimpulso na borda diminua com a taxa de variação (slew rate), e verifique a frequência do anel em relação à taxa de variação. capacitor de filme auto-ressonância no mesmo circuito.

Estratégia 5: Espalhar a corrente

Utilize um chip com uma área grande e um padrão de eletrodos que alimente toda a junção. Confirme o caminho da corrente com imagens infravermelhas durante um pulso. Descarte partes com cantos vivos ou constrições estreitas, pois a elevação local nesses pontos é de 2 a 5 vezes maior que a média.

Estratégia 6: Monitorar a temperatura da caixa

Monitore a temperatura da carcaça com um termopar embutido ou um sensor infravermelho. Considere 150 °C como o limite superior e um aumento de 20% em relação à primeira leitura como o gatilho de substituição. Registre a leitura ao lado da taxa de pulsos, pois a potência gerada é proporcional à taxa em cada termo da seção 2.3.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão reversa de pico repetitiva	VRRM de 10 kV	Série 2CL, 25 °C
Corrente direta média	0.8 A IF(AV)	onda retangular, Tc ≤ 85 °C
corrente de surto direta	100 A a 8.3 ms	surto único, IFSM
Tempo de recuperação reversa	abaixo de 1 µs trr	grau de recuperação suave
Capacitância de junção	25 pF típico.	VR = 4 kV, 1 MHz
Temperatura de operação	-55°C a +125°C	Tj máximo
A corrente de fuga	abaixo de 5 mA @ VRRM	25 °C, classificação máxima

5. Diodos de recuperação rápida HVC para nós de pulso de alta dv/dt

Quatro requisitos norteiam a escolha neste nó: uma tensão de ruptura bem acima da tensão de alimentação, uma capacidade de suportar surtos acima da corrente de pulso, uma pequena carga de recuperação e uma capacitância de junção suficientemente pequena para limitar a corrente de deslocamento. A HVC fabrica componentes para esse conjunto em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para tensões de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• A tensão de ruptura chega a 150 kV com V_br acima de 2 vezes o valor operacional, portanto, um trilho de 40 kV mantém a margem durante a ultrapassagem em uma borda de 100 kV/µs.
• Capacidade de suportar corrente de surto de até 20 kA contra um pulso de 5 kA, o que mantém a perda direta dentro do que o encapsulamento pode remover entre os pulsos.
• Carga de recuperação inferior a 50 µC e tempo de recuperação inferior a 100 ns, graças à vida útil controlada dos portadores, em comparação com os 200 µC e 6 J que um componente lento oferece no mesmo nó.
• A capacitância de junção inferior a 50 pF mantém a corrente de deslocamento próxima de 1 A em uma borda de 20 kV/µs, em vez dos 100 A que uma parte de 1 nF passa a 100 kV/µs.
• Um padrão de eletrodos otimizado que distribui a corrente por todo o chip e elimina a restrição que gera temperaturas de 2 a 5 vezes mais altas. A faixa de tensão de 1 kV a 150 kV atende aos nós de fixação, roda livre e amortecimento próximos ao... capacitores maçaneta.
• Qualificado em plataformas avançadas de fontes de luz, incluindo fontes de luz para litografia e programas de ferramentas DUV nacionais a 6 kHz, 40 kV e 100 bilhões de ciclos. Os componentes HVC correspondem aos parâmetros e dimensões de encapsulamento de Vishay faixas de diodos de alta tensão.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos personalizados em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte à caracterização da recuperação, projeto de circuitos de amortecimento, simulação térmica e planejamento de testes de surto.

Envie a tensão reversa, a corrente direta de pico, a taxa de variação da borda, a taxa de repetição e o layout do loop. A HVC retorna uma planilha de seleção com dados de recuperação e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Qual a margem de segurança necessária para um trilho de 30 kV?

Defina a tensão de ruptura acima de 2 vezes a tensão de alimentação, ou seja, 60 kV. Resolva V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd) e uma concentração de doadores de 1e14 cm−3 retorna cerca de 30 kV, o que não deixa margem para a sobretensão em uma borda de 50 kV/µs. Um componente de 30 kV em uma alimentação de 30 kV entrará em avalanche dentro de 1,000 h a 5,000 h.

Q2: Por que o balanço térmico falha tão longe do equilíbrio?

Porque a descarga de recuperação aumenta a perda direta. P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f retorna 16.3 kW a 5 kA e 6 kHz com um evento de recuperação de 1 J, enquanto a dissipação a 200 °C na junção e 0.1 °C/W é de 1.6 kW. A junção entra em modo de fuga porque a geração está uma ordem de magnitude acima da taxa de remoção.

P3: Como faço para interromper a energia de recuperação reversa?

Reduza a carga de recuperação. Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr e E_rr = V_r × Q_rr. Com I_rr = 2 kA, t_rr = 200 ns e V_r = 30 kV, a descarga é de 200 µC e 6 J por evento. Uma peça com Q_rr inferior a 50 µC e t_rr inferior a 100 ns reduz isso em 4 vezes no mesmo nó.

Q4: De quanto o circuito snubber altera a corrente de deslocamento?

A corrente varia com a taxa de variação. I_disp = C_j × dv/dt, portanto, uma junção de 100 pF conduz 5 A a 50 kV/µs e 2 A a 20 kV/µs. Ajuste o circuito snubber para um amortecimento crítico, de modo que a sobretensão diminua com a taxa de variação, e verifique se o circuito em anel está em auto-ressonância do laço.

Q5: Qual classificação devo verificar primeiro em uma peça nova?

Verifique a tensão de ruptura em relação à tensão reversa de pico, incluindo a sobretensão, e depois a corrente de surto em relação à corrente de pulso de pico. Um componente com V_br inferior a 1.5 vezes a tensão de alimentação entra em avalanche, e um componente com uma classificação de surto inferior a 2 vezes a corrente de pulso apresenta fuga devido à perda direta. Ambas as falhas se manifestam como um curto-circuito.

Q6: Como posso detectar um diodo com defeito antes que a linha pare?

Monitore a temperatura da carcaça em cada pilha e compare-a com a primeira leitura. Um aumento de 20% indica um aumento na tensão direta ou na carga de recuperação, sendo 150 °C o limite máximo. Combine isso com uma medição periódica de pulso duplo de Q_rr na tensão e corrente de operação.

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