【摘要】依據(jù)在低氣壓下由輝光放電產(chǎn)生等離子體的方法，開發(fā)了一種用于PCB微切片清洗的等離子體清洗機(jī)的高壓開關(guān)電源。該高壓開關(guān)電源采用脈寬調(diào)制集成電路TL494作為電源的核心控制電路。文章圍繞TL494對(duì)高壓開關(guān)電源系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及使用作出了詳細(xì)的介紹。

【關(guān)鍵詞】等離子體;輝光放電;PCB微切片;高壓開關(guān)電源

Abstract：A type of high voltage witching power supply of plasma cleaning machine for cleaning of PCB microsection was developed by using the method to produce plasma through glow discharge at low atmospheric pressure.The high voltage switching power supply adopts pulse width TL494 of modulation integrated circuit as the core control circuit of the power supply.The article makes detailed introduction to integrated design and use of high voltage switching power supply by centering on TL494.

Key words：plasma;glow discharge;PCB microsection;high voltage switching power supply

1.引言

等離子體清洗機(jī)利用氣體作為清洗介質(zhì)，有效地避免了因液體清洗介質(zhì)對(duì)被清洗物帶來的二次污染。等離子清洗機(jī)外接一臺(tái)真空泵，當(dāng)真空清洗腔中的工作氣體在高壓電場(chǎng)作用下發(fā)生電離時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的高能電子、離子和自由基等活性粒子，這些活性粒子很容易與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子，產(chǎn)物分子解析形成氣相;同時(shí)使固體表面會(huì)受到化學(xué)轟擊及物理轟擊，在真空和瞬時(shí)高溫狀態(tài)下，使污染物分子在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生分解、蒸發(fā)從而脫離固體表面。同時(shí)污染物在各種高能量粒子的沖擊下被擊碎并被真空泵抽走，其清洗程度可達(dá)到分子級(jí)。

作為現(xiàn)代電子信息工業(yè)的重要元件——印制板[1]（PCB），集成電路（IC）的電氣互連及裝配離不開它;高新技術(shù)產(chǎn)品要靠它連接各類電子元器件和實(shí)現(xiàn)電氣互連?？梢哉f如果沒有PCB今天將沒有手提電話、計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)、GPS、醫(yī)學(xué)上的CT等等。而PCB的質(zhì)量關(guān)系到電子設(shè)備穩(wěn)定性和電子儀器的準(zhǔn)確度。如果PCB和電子元件組裝后才發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品的質(zhì)量問題，就會(huì)浪費(fèi)掉大量的材料和人工費(fèi)用，所以有必要在PCB裝上元件前對(duì)其質(zhì)量做出評(píng)判，而對(duì)PCB產(chǎn)品檢測(cè)最好靠的是金相剖切檢測(cè)。為了對(duì)PCB的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，專門開發(fā)了用于PCB質(zhì)量檢查的等離子體清洗機(jī)，對(duì)PCB微切片進(jìn)行清洗，使PCB微切片的金相顯微組織圖像清晰，易于觀察。

該等離子體清洗機(jī)直接利用空氣作為工作氣體，主要由真空泵、電阻真空表、真空系統(tǒng)、高壓開關(guān)電源組成，。

2.真空系統(tǒng)與輝光放電

由圖1見真空系統(tǒng)主要由真空腔、放電電極、真空微調(diào)閥、放空閥、手動(dòng)角閥、樣品固定座、電阻真空規(guī)、真空觀察窗等組成。

圖1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（圖例說明：1.高壓電源接頭;2.變徑接頭;3.基座4真空盲板;5.真空腔;6.放電電極;7.擋板;8.樣品固定座;9.真空觀察窗;10.真空微調(diào)閥;11.三通;12.放空閥;13.卡箍14.數(shù)顯電阻真空表接頭;15.電阻真空規(guī);16.手動(dòng)角閥;17.真空泵連接軟管）

清洗機(jī)開啟電源后，真空泵啟動(dòng)開始抽取真空。當(dāng)真空腔內(nèi)真空度下降到設(shè)定真空度時(shí)，定時(shí)器被觸動(dòng)將高壓電源的直流高壓輸出到電極上。電極間的空氣在高壓電場(chǎng)作用下發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的次級(jí)電子再被高壓電場(chǎng)加速與氣體分子碰撞，使更多氣體分子電離，正負(fù)離子復(fù)合過程中會(huì)有光子釋放，即產(chǎn)生輝光放電。

輝光放電是產(chǎn)生等離子體的一種有效方式，一般在低氣壓情況下進(jìn)行。低氣壓輝光放電的擊穿機(jī)制是：從陰極發(fā)射電子，在放電空間引起電子雪崩，由此產(chǎn)生的正離子再轟擊陰極使其發(fā)出更多的電子。它是由電子雪崩不斷發(fā)展而引起的放電[2]。輝光放電須在低氣壓下才能穩(wěn)定放電，因此等離子體清洗機(jī)在工作時(shí)通過手動(dòng)角閥及真空微調(diào)閥的配合將真空清洗腔的真空度控制在12～22Pa之間。由圖1見輝光放電主要是在放電電極6和擋板7之間發(fā)生，放電電極6為直流高壓電源的陰極（即負(fù)極），擋板7為另一電極也就是電源的地。PCB微切片安裝時(shí)將要清洗的表面對(duì)著擋板7的通孔，清洗機(jī)工作時(shí)等離子體穿過擋板7的通孔，到達(dá)PCB微切片的表面進(jìn)行清洗。

3.高壓開關(guān)電源系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)方案及原理

輝光放電需要比較高的放電電壓U（幾百～幾千V），但電流I（mA量級(jí)）比較小;當(dāng)兩電極的直流電壓調(diào)節(jié)到等于氣體著火電壓時(shí)，兩電極就會(huì)從非自持放電過渡到自持放電，此時(shí)放電電流I會(huì)繼續(xù)增大，管壓降U下降，進(jìn)入輝光放電區(qū)。由于真空系統(tǒng)在工作過程中真空度會(huì)發(fā)生微小的變化，其形成的等離子體等效阻抗也是變化的，而且清洗的效果跟高壓電場(chǎng)的強(qiáng)度也有關(guān)系，所以設(shè)計(jì)的高壓直流電源的直流電壓須在一定范圍內(nèi)可調(diào)，以適應(yīng)負(fù)載的變化。因?yàn)殚_關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)，所以該高壓直流電源采用開關(guān)電源技術(shù)。

清洗機(jī)由高壓電源通過向電極施加高壓直流電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)輝光放電。為了實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)及電流的保護(hù)，采用電壓控制脈寬型芯片TL494來設(shè)計(jì)高壓電源。高壓開關(guān)電源整體工作原理框圖見圖2。由圖2知電路實(shí)現(xiàn)可控高壓的關(guān)鍵是執(zhí)行DC-AC逆變的PWN驅(qū)動(dòng)器TL494。

因?yàn)橐獜年帢O發(fā)射電子所以高壓電源輸出電壓為負(fù)極性。開關(guān)電源的主要技術(shù)指標(biāo)：輸出電壓由0V到2500V可調(diào)，最大輸出電流為10mA，負(fù)載調(diào)整率：≤0.5%。為了表述的方便，下面沒有特別說明的，輸出電壓都是指電壓絕對(duì)值的大小，不跟其負(fù)極性一齊表述。

考慮到安裝及調(diào)試的方便，該開關(guān)電源系統(tǒng)采用模塊式安裝結(jié)構(gòu)主要分為AC-DC模塊（24V低壓直流）、DC-AC逆變模塊、AC-DC模塊（高壓直流）、DC-DC模塊（24V轉(zhuǎn)±5V，電壓電流測(cè)量用）、電壓、電流顯示模塊。為了減少外界供電的影響及隔離，電源輸入端用220V輸入，直流24V輸出的成品開關(guān)電源作為整個(gè)電源系統(tǒng)的工作電源。下面分別就DC-AC逆變電路、倍壓整流電路、電壓電流取樣反饋電路、電壓電流顯示電路、輸出過壓保護(hù)電路、輸出高壓控制電路作出說明。

圖2 電源系統(tǒng)原理框圖

3.2 DC-AC逆變電路

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端式、推挽式、半橋式、全橋式開關(guān)電源[3]。內(nèi)部集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。內(nèi)置兩個(gè)誤差放大器，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流的雙重控制。內(nèi)置5V參考基準(zhǔn)電壓源?？烧{(diào)整死區(qū)時(shí)間。內(nèi)置的功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力，推或拉兩種輸出方式。

由TL494組成推挽式DC-AC變換電路如圖3所示。高壓電源采用推挽式電路實(shí)現(xiàn)24V直流低壓到交流高壓的輸出。5、6腳分別用于外接振蕩電阻C4和振蕩電容R7，用于設(shè)定電路的脈沖頻率，電路工作頻率f=1.1/（R7·C4）≈41kHz;誤差放大器的輸出端（3腳）接電阻R1、R2，和電容C1組成增益控制和相位校正網(wǎng)絡(luò)。14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，由于采用推挽式輸出方式，所以輸出控制端13腳接14腳的5V基準(zhǔn)電壓。1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端，用于輸出電壓的反饋和設(shè)定輸出電壓。設(shè)定的電壓通過調(diào)節(jié)電位器VR1來分壓VREF實(shí)現(xiàn)，當(dāng)VR1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)即增加設(shè)定電壓Ug時(shí)，TL494的輸出脈沖寬度逐漸增大，令輸出電壓Uo逐漸上升。反之則輸出電壓下降;4腳為死區(qū)時(shí)間控制端，其上加0～3V電壓時(shí)可使脈沖占空比從最大線性變化到零，因此該引腳用于開關(guān)電源的開、關(guān)機(jī)控制;8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極，由于是推挽式輸出，8腳、11腳接電源供電端12腳，而9腳、10腳交替輸出脈沖信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)VT1、VT2，繼而推動(dòng)開關(guān)管VT3、VT4;R6和C3組成TL494的軟啟動(dòng)電路，使PWM比較器輸出脈寬緩增大到額定脈寬，避免開機(jī)沖擊電流損壞開關(guān)管。因?yàn)閂T3、VT4需要具有高頻的導(dǎo)通截止特性，為了保護(hù)VT3，VT4正常工作，分別并聯(lián)C5，R12和C6，R13;15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端，用于高壓電源的過流保護(hù)。

3.3 倍壓整流電路

倍壓整流電路適用于輸出直流高電壓、小電流的場(chǎng)所，符合輝光放電的電壓電流條件。而且倍壓整流電路不僅可以使整機(jī)縮小體積、減輕重量，而且還具有輸出電壓穩(wěn)定、脈沖幅度低、自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載變化，即具有軟的負(fù)載特性的優(yōu)點(diǎn)。由圖3可知：設(shè)計(jì)中采用2倍壓整流電路將高頻變壓器T1輸出的交流電壓整流成負(fù)極性直流高壓，電路由2個(gè)倍壓電容器C7、C8，和2個(gè)高壓整流二極管D2、D3組成。

3.4 電壓電流取樣反饋電路

電阻R14和R15組成輸出電壓反饋取樣，為防止前后級(jí)電路互相影響用運(yùn)放IC5作電壓跟隨器隔離。而高壓電源輸出電壓為負(fù)極性，所以反饋電壓先經(jīng)運(yùn)放IC5隔離再輸入運(yùn)放IC4反相放大。由圖3知：放大倍數(shù)A=R18/R19=20，反饋電壓變?yōu)檎龢O性電壓后再經(jīng)電阻R3輸入到1IN+（1腳），與1IN-（2腳）的設(shè)定電壓Ug進(jìn)行比較，令TL494的PWN輸出合適的脈寬的信號(hào)去控制輸出電壓。當(dāng)電位器VR1調(diào)到最大值時(shí)，Ug=UREF=5V，則最大輸出直流電壓UO=UREF（1+R14/R15）/A=5╳（1+24M/2.4k）/20=2500V。電阻R16跟負(fù)載串聯(lián)作為回路電流的取樣電阻，R5和R17將基準(zhǔn)電壓分壓得到5╳2.2k/（110k+2.2k）=0.1V的偏置電壓。此電壓加到誤差放大器II的反相輸入端（15腳），其同相輸入端（16腳）接地。當(dāng)電流取樣電阻流過大于10mA的電流時(shí)，將產(chǎn)生0.1V以下的電壓與偏置電壓抵消，使誤差放大器II的反相輸入端（15腳）電壓低于0V，誤差放大器II會(huì)輸出高電平將輸出關(guān)斷，從而起到過流保護(hù)的作用。

3.5 電壓和電流的顯示電路

清洗機(jī)將來需要和計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)程控，所以選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都帶有BCD碼輸出的。高壓開關(guān)電源輸出電壓測(cè)量采用4位半的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135，而ICL7135滿量程為2.0000V。在這里將輸出電壓通過取樣電阻R14和R15的分壓來間接測(cè)量輸出電壓，為防止對(duì)測(cè)量電路的影響用運(yùn)放IC5作電壓跟隨器隔離，可測(cè)量的最大電壓為：Uo=2.0000/（R15/（R15+R14））=2.0000/0.0001=20000V，即滿量程為20000V，滿足電壓測(cè)量要求。輸出電流的測(cè)量則是通過測(cè)量回路電流取樣電阻R16上的壓降來顯示電流值。采用3位半的模數(shù)轉(zhuǎn)換器MC14433來實(shí)現(xiàn)電壓的測(cè)量，而MC14433滿量程為2.000V或200.0mV，這里采用2.000V量程。則當(dāng)取樣電阻R16的電阻值為10時(shí)，顯示最大電流為：Io=2.000V/10=200.0mA，而高壓電源輸出最大電流為10mA，滿足電流測(cè)量要求。ICL7135、MC14433的外圍電路見[4]這里從略。

3.6 輸出過壓保護(hù)電路

輸出電壓的取樣反饋電壓經(jīng)IC5隔離，IC6反相，輸入電壓比較器IC7的同相端。而IC7的反相端接電位器VR2分壓過來的參考電壓，由圖3知參考電壓由TL431基準(zhǔn)源產(chǎn)生的2.5V電壓獲得，只要將IC7的反相端的參考電壓設(shè)定為0.26V。當(dāng)IC7的同相端輸入電壓值大于0.26V，即某種原因令到電源輸出電壓超過0.26V/（R15/（R15+R14））=2600V時(shí)，由于同相端電壓大于反相端電壓，比較器將翻轉(zhuǎn)，輸出低電平變?yōu)檩敵龈唠娖剑撾娖浇?jīng)R22令光電耦合器IC2得電導(dǎo)通，結(jié)果TL494的4腳的死區(qū)電平升高達(dá)到最大，使TL494輸出脈沖關(guān)斷，導(dǎo)致輸出電壓歸零，從而達(dá)到過壓保護(hù)的目的。設(shè)置過壓保護(hù)的電壓為2600V，是為輸出電壓留出一定的裕量，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)VR2設(shè)定其他保護(hù)電壓。

3.7 高壓輸出控制電路

清洗機(jī)開啟電源后，真空泵啟動(dòng)開始抽取真空。預(yù)先將真空表的真空度設(shè)定在22Pa的工作點(diǎn)，即當(dāng)真空腔內(nèi)真空度下降到22Pa時(shí)，電阻真空表將發(fā)出一個(gè)指令信號(hào)給定時(shí)器，定時(shí)器接受到信號(hào)后將常閉觸點(diǎn)Kt打開，光電耦合器IC3失電關(guān)斷，令到TL494的4腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，TL494恢復(fù)輸出脈沖，直流高壓輸出到電極6。使真空腔內(nèi)空氣在高壓電場(chǎng)作用下發(fā)生電離，由此產(chǎn)生的正離子再轟擊陰極使其發(fā)出更多的電子，引起電子雪崩即可實(shí)現(xiàn)輝光放電。定時(shí)器主要對(duì)輝光放電的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，時(shí)間可精確到秒。對(duì)不同的清洗對(duì)象設(shè)置不同的放電時(shí)間，一般將放電時(shí)間設(shè)定在幾十秒到幾分鐘以內(nèi)。放電時(shí)間一到定時(shí)器將常閉觸點(diǎn)Kt閉合，光電耦合器IC3得電導(dǎo)通，令TL494的4腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，TL494關(guān)閉輸出脈沖，電源無直流高壓輸出。

4.高壓開關(guān)電源的使用及效果

4.1 高壓開關(guān)電源的使用

將PCB微切片樣品放置在樣品固定座后，再將真空觀察窗蓋上。然后打開清洗機(jī)的電源，真空泵開始工作，同時(shí)電阻真空表顯示的真空度逐漸下降。當(dāng)真空度下降到22Pa時(shí)，由高壓輸出控制電路知，直流高壓將輸出到放電電極。同時(shí)可在電壓表上看到實(shí)時(shí)的輸出電壓的示值。一般輸出電壓要在1000V以上才能在兩電極間有效起輝。如發(fā)現(xiàn)電壓在1000V以下時(shí)可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器VR1，令TL494輸出脈寬增大，輸出電壓增大，輸出電流增大。同時(shí)觀察放電電極6和擋板7間有無輝光產(chǎn)生。當(dāng)輸出電壓等于氣體著火電壓時(shí)，兩電極的放電空間將發(fā)出輝光，形成等離子體對(duì)PCB微切片樣品進(jìn)行清洗，具體清洗時(shí)間可根據(jù)需要自行設(shè)定。如果在清洗過程中覺得電流偏小可適當(dāng)升高輸出電壓。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，比較合適的輸出電壓在1500V左右，輸出電流在3mA左右。當(dāng)放電結(jié)束后關(guān)閉電源，打開放空閥，讓真空腔內(nèi)氣壓升至一個(gè)大氣壓。再將真空觀察窗拿開，取出樣品觀察即可。高壓電源工作時(shí)的輝光放電狀態(tài)如圖4所示。

圖4 輝光放電

4.2 PCB微切片清洗的效果

需要檢驗(yàn)的PCB經(jīng)取樣、灌膠、研磨、拋光、微蝕后，使用該等離子體清洗機(jī)做最后的清洗。

PCB微切片清洗后在顯微鏡下即可觀察到清晰的圖像。清洗前后PCB微切片的顯微圖片見圖5：

a.清洗前;;;;;;;;;; b.清洗后

圖5 PCB微切片圖片

5.結(jié)束語

該等離子體清洗機(jī)高壓開關(guān)電源在清洗PCB微切片時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定、適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)、穩(wěn)壓精度高、控制性能優(yōu)良。只要選擇合適的工作電壓或工作電流和清洗時(shí)間，清洗后的PCB微切片顯微圖象逼真、顏色真實(shí)、邊界分明、層次清晰，滿足了生產(chǎn)中對(duì)PCB的質(zhì)量監(jiān)控，將電子產(chǎn)品的質(zhì)量問題控制在萌芽階段，節(jié)省了材料及人工的費(fèi)用，有效地保證了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：關(guān)自強(qiáng)（1974—），男，廣東開平人，大學(xué)本科，廣州半導(dǎo)體材料研究所工程師。