电弧离子镀阴极靶材起弧控制电路的设计及仿真＊

弥 谦，苏朝辉

（西安工业大学 光电工程学院，西安710021）

电弧离子镀［1］（Arc Ion Plating，AIP）是将电弧技术应用于真空镀膜中，在真空环境下利用电弧蒸发靶材，实现镀膜的过程［2］．它具有沉积能量大、沉积速率快、制备膜层致密度高的特点［3］．电弧离子镀技术最早出现于20世纪50年代，并在随后的几十年里得到了全面的发展［4］．20世纪80年代被引入中国后，经过多年的吸收、改造与发展，电弧离子镀技术在装饰镀和刀具镀等方面得到了广泛的应用，对相关产业也起到了积极的推动作用［5］．

现如今大多数用引弧针进行引弧的装置都是采用机械式接触引弧［6］，在引弧过程中，引弧针和阴极靶源的接触点会存在很高的电流密度和温度，如果引弧针没有及时离开，就可能造成引弧针与表面融化的靶材粘连，导致引弧工作无法完成．而非接触式引弧方式，是将引弧针与靶材分离，通过给引弧电极施加高压脉冲，使引弧电极和阴极靶材之间产生放电，从而激发出靶源离子，离子在磁场作用下沉积在基片上实现镀膜［7-8］．文献［9］设计了一种非接触式的引弧器，能够实现靶材的自动引弧，但是其引弧方式为间断式引弧，一次引弧失败后会自动关闭高压脉冲，需要重新开启脉冲信号，这样大大降低了起弧效率，而且多次引弧可能会将引弧材料的离子带入真空室污染膜层．

本文根据非接触式引弧原理，提出新式引弧结构，对起弧控制电路进行设计，持续产生高压脉冲，对控制电路环节的性能进行仿真测试，以期消除电弧离子镀过程中引弧针与靶材粘连．

1 引弧结构设计

引弧结构设计如图1所示．将设计的引弧结构固定在起弧支架的侧面，用指螺将引弧针固定在引弧架上，防止尖端放电，引弧针通过自身弯曲到达靶材表面附近，与靶材保持一定的距离，靶材通过压圈固定在靶座上．

图1 引弧结构设计Fig．1 Arc structure design

开始工作时，将直流高压脉冲引到引弧针上，这样就会使引弧针和靶材之间产生尖端放电，电弧打在靶材的侧面形成弧斑，弧斑在周围磁场的作用下高速旋转到靶材的表面，同时释放出大量的靶材离子，离子沉积在基片上完成镀膜．为了提高靶材的引弧速度，在起弧支架上均匀放置了三个起弧器，同时工作时就避免了单一引弧器起弧成功率低的问题．相比于接触式起弧装置，优化后的结构提高了引弧的速度，简化了接触式引弧复杂的机械结构，去除了机械式引弧的起弧针分离结构，避免了因为机械故障对镀膜过程的影响，提高了整体设备的使用寿命．

2 控制电路设计

起弧控制系统设计方案如图2所示．从图2可以看出整个电路由高压脉冲生成环节和控制电路两个部分组成．高压脉冲生成电路是通过驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的开关将高压直流信号斩波形成高压脉冲信号，实现对阴极靶材的脉冲放电．在阴极靶源和真空室阳极之间接入一个恒流源，当引弧成功后，靶源与真空室回路导通，传感器用来检测此回路中的电流大小从而判断电弧工作是否稳定，并将结果输出给控制电路．控制电路由多谐振荡器和电压比较器组成，电压比较器根据传感器输出的信号控制多谐振荡器脉冲信号的开关，当生成脉冲信号时，信号就会控制高压脉冲生成环节产生高压脉冲，当关闭脉冲信号时高压脉冲也随之关闭．

2．1 IGBT驱动电路设计

IGBT是由双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和金属氧化物半导体三极管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister，MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降的优点，驱动功率小而饱和压降低，适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域．

大功率IGBT，需要大功率的驱动电路，驱动电路主要分为分立元件驱动电路、光耦合驱动电路、厚膜驱动电路和专用集成驱动电路．其中，专用集成驱动电路具有很强的抗干扰能力，集成化程度较高，反应速度快，具有完善的保护功能，因此本文使用专用集成驱动电路作为IGBT驱动电路．由日本富士公司研发的EXB系列集成驱动芯片是一种专用于IGBT的集驱动保护等功能于一体的复合集成电路，其内部采用具有高隔离电压的光耦隔离器作为信号隔离．驱动电路外加＋20V单电源供电，由内部电阻和稳压管分压为＋15V和-5V，分别作开栅电压和关栅电压．

图2 系统设计方案Fig．2 Plan of system design

2．2 脉冲电路设计

脉冲 宽 度 调 制 （Pulse Width Modulation，PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或场效应管栅极的偏置，实现晶体管或场效应管管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变．

本文设计使用555定时器来产生宽范围的PWM．555定时器是一种中规模的集成电路，其成本低，性能可靠，只要在外部适当配上阻容元件，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路．本文运用555定时器构成的多谐振荡器，工作是通过电容的充放电使电路在两个暂稳态之间不断变化，从而将直流信号变为矩形波信号．

振荡器输出信号的时间参数T为

式中：R1为电阻；R2为滑动变阻器；C为电容．

振荡频率f为

本设计根据需要设置电阻R1＝6kΩ，滑动变阻器R2＝10kΩ，电容C＝0．15μF，根据式（2）当R2＝8kΩ时，频率f＝470Hz，满足脉冲频率200～500Hz的要求．

2．3 电压比较电路设计

在镀膜机正常工作时，靶源与真空室回路的电流大小在50～170A范围，说明真空室内电弧放电处于正常状态．一旦电弧放电产生熄弧现象，主电源相当于对靶源阴极和真空室阳极形成开路，电流将迅速减小至零．通过对电流信号的采集，可以监控电弧放电的正常与否，当熄弧时重新进行靶材的引弧．使用型号为LHB-200A的霍尔检测式直流电流传感器对电路信号进行检测，此直流电流传感器可用于测量0～200A直流电流，并将输入信号转换为额定直流0～5V电压输出．采用独立闭环“自环磁平衡”的测量方式，抗干扰能力强，能在复杂的环境下较准确地测量直流电流．

比较环节电路由电压跟随器、电压比较器组成，电流传感器的检测信号进入电压比较器，电压跟随器的输出电压和输入电压相同，电压增益为1，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，其在反馈环节电路起到缓冲作用．电压跟随器的输出端与电压比较器的同向输入端连接，反向输入端接参考电压，当正向输入端的电压高于参考电压时，输出高电平；当电压低于参考电压时，输出低电平．开始镀膜时，由于此时阴极靶材没有处在放电状态，因此从电流传感器检测的阴极电流信号为零，经过电压跟随器后进入正向比较器，输入信号为零，小于参考电压，输出低电平，低电平使三极管导通并输出脉冲信号，脉冲信号通过IGBT驱动电路控制IGBT的开关，将高压直流信号斩波成高压脉冲信号从而在引弧电极与阴极靶材间形成电弧，成功引弧．当靶材放电稳定后，电流升高，电压比较器的输入信号随之升高，当大于参考电压时，输出高电平，三极管截止，脉冲信号随之中断，高压脉冲关闭，而当阴极靶材熄弧时，阴极电路减弱，脉冲信号则会立刻产生，重新引弧，靶材继续释放靶材离子．

3 电路仿真

应用Multisim软件对电压比较电路和脉冲生成电路进行仿真测试，首先根据设计好的电路在软件中绘制仿真电路并设置各器件的参数，当靶材起弧稳定后，靶源与真空室回路的电流大小在50～170A范围，传感器的输出电压在1．25～4．25V之间，设置电压比较器参考电压为1．5V，当输入电压大于参考电压时输出高电平从而关闭高压脉冲，反之亦然；然后在整个电路的输入端接入模拟电源，其作用是代替电流传感器的输出电压；在输出端连接示波器来观察输出信号的波形，仿真电路如图3所示．

图3 仿真电路图Fig．3 Circuit simulation

整个仿真实验分为初始脉冲开启、稳弧脉冲关闭和熄弧脉冲开启三个阶段．具体为

1）引弧脉冲生成，初始工作时，由于还没有形成电弧，阴极靶材与真空室回路的电流为零，传感器检测到的信号也为零，因此将输出信号电压设置为0V，表示电弧没有产生．点击开始按钮进行仿真，示波器输出结果如图4所示．示波器显示波形为矩形波，表明电路成功输出脉冲信号，可以通过IGBT形成高压脉冲，对阴极靶材进行起弧．

图4 初次引弧脉冲信号Fig．4 First arc pulse signal

2）稳弧后脉冲自动关闭，当靶材电弧稳定后，靶源与真空室回路的电流逐渐升高，当电流大于参考电压时表明引弧成功，电路进入稳态，因此设置模拟电源为4V，表示电弧进入稳态．仿真后，示波器输出结果如图5所示．结果显示示波器输出为0 V，高压脉冲信号自动关闭．

3）熄弧脉冲自动开启，当电弧即将熄灭时，回路电流会急剧下降，当电流低于参考电压时，输出低电平，重新开启脉冲信号，实现对靶材的自动引弧．设置电源为1V，表示电弧即将熄灭．仿真后示波器输出结果与初始脉冲开启时一致，表明高压脉冲信号重新产生．

通过三次仿真可以看出设计的起弧控制电路可以在镀膜机初始工作时打开高压脉冲对阴极进行引弧，在电弧稳定后自动关闭脉冲信号，当熄弧时又能重新开启高压脉冲，保证镀膜过程中电弧的稳定，整个系统设计比较合理，稳定性较高，达到预期效果．

图5 引弧稳定后脉冲信号Fig．5 Pulse signal after the arc stability

4 印制电路板的制作与检测

4．1 印制电路板制作

经过对元件封装的绘制、器件位置的安排以及布线和覆铜后，将电路图转换成了电路版图，将印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）制作好后把元器件焊接在板子上，这样一个完整的电路就制作完成，如图6所示．

图6 制作完成的PCB板Fig．6 PCB board completed

4．2 电路检测

将电源打开调制检测需要的电压后关闭，把制作好的电路板与电源和示波器相连，如图7所示．

图7 PCB板检测线路Fig．7 Detection circuit of PCB board

实验搭建好后，开始进行检测，检测的方式与仿真时相同，在仿真中只进行了控制环节的检测，PCB板检测中包含了IGBT的驱动电路，因此实验的输出为驱动电路的输出波形．首先进行初始脉冲开启实验，把电源电压调制0V，示波器输出结果如图8所示，输出为矩形波，从图8可以看到波形中有许多尖峰噪声干扰，表示电路在设计中可能存在缺陷．

将电源电压调制4V，进行脉冲关闭实验，输出结果如图9所示，与仿真结果相同，表示脉冲已经关闭．

图8 脉冲波形图Fig．8 Pulse waveform

最后进行熄弧脉冲开启实验，实验结果与图8一致．通过对PCB板的实验可以看到，整个实验的结果与仿真结果基本一致，PCB板能够满足设计要求，在生成脉冲信号时整个电路会受到一些干扰，电压的突变可能会烧坏IGBT，电路产生噪声的原因很多，可以通过增加去耦电容或者给IGBT栅极增加瞬变电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）来缓解尖峰，保证电路能够安全运行．

图9 脉冲信号关闭Fig．9 Pulse signal off

5 结 论

1）采用了非接触式高压脉冲引弧方式，简化了整体结构，避免了机械式引弧由于机械故障对镀膜的影响，增强了设备的使用寿命，并且设置三个起弧器同时工作，提高了起弧的成功率和引弧速度．

2）设计了起弧控制电路，实现了对阴极靶源的自动引弧，通过电压比较电路对靶源电流检测控制高压脉冲信号的开启和关闭，增强了镀膜过程中对靶材引弧的控制和保护能力．

3）对电路的控制环节进行了仿真，结果表明：整个电路在镀膜机工作的各个阶段都能正确的判断高压脉冲的开关，该系统的设计比较合理，稳定性能良好，基本达到预期效果．该系统还可以根据实际情况扩展膜厚检测等模块，实现应用的最大化．

4）制作了电路的PCB板并进行了检测，实验结果与仿真结果基本一致，电路能够达到设计要求，不过试验中发现生成脉冲信号的波形受到干扰，为保证安全，在电路中适当加入电容或TVS管可能会更好．

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