王学仕，万喜新，邓斌

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

WANG Xueshi，WAN Xixin，DENG Bin（The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China）



一种基于六相平衡技术的加热系统

王学仕，万喜新，邓斌

（中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111）

摘要：提出了一种基于六相平衡技术的加热系统，旨在解决高温烧结炉的大功率加热器设计难度高，容易变形、电磁辐射干扰大的问题。将电源整流电路中常用的整流变压器原理首创性的用于高温烧结炉加热系统，据此设计六相平衡电路，搭建高温烧结炉加热系统。在理论设计上做到了向外逸散的磁场相互抵消，极大降低了电磁辐射干扰，也能够最大程度上减小加热器所承受的安培力。最后在高温烧结炉设备上验证了该系统是可行的，工作可靠。

关键词：共烧陶瓷；加热系统；六相平衡；高温烧结炉

氮化铝（AlN）作为电子元器件的基板和封装最理想的材料，其制造工艺非常复杂，其中最为关键的一环是多层共烧陶瓷基板的烧结成形，它是将生瓷片料经布线、叠片、层压后置于氧化-还原气氛中烧结，在高温烧结中生瓷变熟、金属粉料金属化，故被称为共烧。金属粉料为钨（W）、钼（Mo）等难熔金属，制品制程以常压烧结为主。制品在1 850℃左右的温度下，在流动的氧化-还原气氛中烧成，使用的设备是低压大电流的高温烧结炉，最高温度能达2 050℃，在电加热烧结过程中由于加热电流大，加热器所承受的安培力大，电磁辐射强，导致加热器易变形，使用寿命有限，设备可靠性低；电磁干扰大，易影响周围设备，降低生产效率，另外，钨加热器材料、加工制作成本昂贵，同时加热器设计难度高。因此迫切需要一种用于氮化铝高温烧结的加热系统降低加热器设计难度，提高设备可靠性、降低电磁干扰，提高生产效率，节约生产成本。

1　六相平衡原理

根据电磁感应定律，大小相等方向相反的电流产生的磁场能够最大程度地相互削弱。设计六电极对称钨板加热器，对称的钨板加热器中流过的电流方向相反，在炉膛中产生的磁场刚好相反，外围磁场通过周围的屏蔽层形成回路，方向相反，因此在理论设计上，此种结构和加热方式使加热器受磁场作用力的影响最小化，磁场对外界干扰最小化。

根据整流变压器原理，设计相同原理的隔离变压器，次级采用双星形连接并联输出，提供六个相位相差60°的电压，与六电极对称钨板加热器组成六相平衡电路，根据基尔霍夫定律，采用三相电路相量法计算六相平衡电路的电流，得出将其中相位相差180°的一组电压接入一组对称的钨板加热器，能够达到对称钨板加热器中流过大小相等方向相反的电流的目的。根据六相平衡原理设计加热电路如下图1所示。

图1　六相平衡加热电路

该加热电路实质上是六相平衡电路，其等效电路图如图2所示，根据隔离变压器的原理，采用三相电路相量法表示，可得出隔离变压器输出电压相量4。其中：

图2　六相平衡电路等效电路图

根据基尔霍夫定律进行计算得出钨板加热器（1A，1B，2A，2B，3A，3B）电流相量如图3、图4所示。图3中分别代表钨板加热器1A，1B，2A，2B，3A，3B中流过的电流，其中：

图3　隔离变压器输出电压相量图

图4　钨板加热器电流相量图

由此可见通过巧妙的电路设计，对称加热器中流过的电流大小相等方向相反，能够减小加热器承受的安培力。由于隔热屏呈圆柱面包围六电极对称钨板加热器，与普通设计只起到隔热作用不同的是，还能为加热电流产生的向外逸散的磁场提供磁回路，因此能屏蔽大部分电磁辐射干扰。

若是电路设计采用传统的三相平衡电路即隔离变压器采用普通的星形接法，达到同样的功率设计要求，单个加热器厚度需达到0.2 mm。这对于钨材料加工来说，是很难实现的，即使实现，钨加热器也容易变形失效，使用寿命有限。而采用六相平衡加热系统，单个加热器厚度可达到0.635 mm。大大降低了加热器设计加工难度，确保加热器结构稳定，热变形小，表面负荷大，所形成的温度场均匀性好。

2　结构设计

加热器结构设计需要根据氮化铝高温烧结设备的具体要求来进行。以立式高温烧结炉为例，一般要求为：炉体烧结室采用圆形钟罩式结构，工艺气体由烧结室顶部中心通过管道引入炉膛，废气由炉体底部排出，并分出一路管道接真空系统，加热器悬挂于烧结室呈筒形布置，工件承载架置于烧结室底板上，由升降系统提升和关闭钟罩炉体，以便装载和卸载工件。加热器结构设计与加热系统的组成密切相关。

由设计要求，需达到2 000℃的最高温度，则加热器材料必须能承受至少2 000℃以上的温度，可供选择的加热器材料有钨、钽和非金属材料石墨等，但钽和石墨不适合在湿氢气氛中使用，当温度低于钨的熔点时，钨与氢不发生反应，因此只能选择钨作为加热器材料。

为了提高温度场的均匀性，整个加热器包括顶部加热器、中间主加热器、底部加热器，其中主加热器由12块长方形钨板组成，相邻钨板的距离为20 mm。每块钨板大小一致，均匀分布，保证了温度均匀性指标。设计主加热器结构如图5所示。

图5　加热器结构示意图

3　电气设计

由于氮化铝制品的热容参数难以测定，很难直接计算其消耗的功率大小，因此采用间接的方法估算加热器的功率。

功率估算采用工作区表面积负荷法：

有效工作区域φ500 mm×800 mm。

实际工作区表面积：F1= 2π（5/2）2+π×5.0× 8≈164.85 dm2。

根据经验公式和最高温度要求，加热器总功率：

P1=0.91×F10.76×（T/1000）2.53=0.91×164.850.76× （2273/1000）2.53≈352 kW。

考虑到实际工作时，水冷电极和水冷炉壁要带走一部分热量，工艺气体的对流传热会增加一定的热损失，另需保证较快的升温速度，因此加热功率应进行适当的储备，最终取烧结炉的加热器总功率P0=358 kW。由于升温速度主要取决于中间主加热器的功率，因此对3个加热器的功率进行适当调整，增加主加热器功率，减小顶部、底部辅助加热器的功率，取主加热器为306 kW，顶部和底部的辅助加热器均取26 kW。

由于钨的电阻率非常小，加工难度大，为了提高加热器的强度和阻值，确定采用六电极对称钨板结构。根据温度分布经验确定每块主加热器设计的有效尺寸为140 mm×0.635 mm× 1332 mm。并根据钨的电阻率计算加热器电阻、电压得出：

单个加热面的电阻值R=0.01 073 Ω；

单个加热面的功率P=P0/12≈25.5 kW；

单个加热面的加热电压U =（P×R）×0.5≈16.54 V；

单个加热面的加热电流I=U/R≈1 541.6 A；

相电压Uφ≈16.54 V；相电流Iφ=2I≈3 083 A；

考虑到水冷电缆、铜电极、水冷电极压降以及它们之间的接触损耗，进行变压器的设计。

校核加热器表面负荷：对于气体强制对流的高温炉膛，一般钨加热器在2 000℃时允许表面负荷Wy≈8 W/cm2。实际设计加热器表面负荷：Wb= P/S=25500/3729.6≈6.84 W/cm2＜Wy。

表面负荷需要预留适当的余量，而设计余量充足，可以满足要求。

为了减小变形，需要提高加热器的结构强度，主加热器下端采用钨爪从内外将12块钨板夹住焊接，并且作为中性点，主加热器上端采用钨爪将钨板固定，引出的六个钨电极与钨爪分别焊为一体。钨板中间与炉体固定在一起，使得加热器的结构稳定。所有焊接均采用真空电子束或氩弧焊。主加热器通过引出电极与炉盖上的水冷电极固定连接，悬挂于炉内，引出的钨电极直径为φ50 mm，长度为240 mm。

加热器寿命和可靠性分析：在理想状态下使用时，假设加热器电阻增大20%为使用寿命可靠性极限，在2 130℃时，钨丝的蒸发速度V =4.6× 10-7g/cm2·h，经验算，由蒸发而引起加热器失效的时间非常长（达1×105h以上），因此其失效更多是由于钨板的热变形或由湿氢氧化而重结晶变脆继而断裂引起。

4　实施效果

对于超高温设备来说，加热器的设计是难点所在。根据本文提出的六相平衡加热系统研制出的立式高温烧结炉，经检测最高温度可达2 050℃，在有效工作区内温度均匀度达到±4℃，并且经过实际生产验证，系统运行可靠，加热器结构稳定，热变形小，表面负荷大，所形成的温度场均匀性好，降低了设备维护成本，提高了生产效率。

参考文献：

［1］张继玉.真空电炉［M］.北京：冶金工业出版社，1994. 11-13．

［2］王天泉.电阻炉设计［M］.北京：航空工业出版社，2000. 28-32.

［3］江尧中.工业电炉［M］.北京：清华大学出版社，1993. 264-268.

［4］程凯. AlN多层基板的研制［J］.电子与封装，2008，8 （4）：1-4.

A Heating System Based On Six-phase Balanced Technology

WANG Xueshi，WAN Xixin，DENG Bin
（The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China）

Abstract:A heating system based on six phase balancing technology is proposed to solve the problems of high power heater design of high temperature sintering furnace. The principle of the rectifier transformer, which is commonly used in the power rectifier circuit, is first used in the high temperature sintering furnace heating system, and the design of the six phase balance circuit is designed, and the heating system of the high temperature sintering furnace is set up. Outward dissipation field offset each other in design theory, which greatly reduces the interference of electromagnetic radiation, can maximum reduce heater to withstand the ampere force. Finally, it is proved that the system is feasible and reliable in the high temperature sintering furnace equipment.

Keywords:Co-fired ceramics；Heating system；Six-phase balance；High temperature sintering furnace

中图分类号：TN405.97

文献标识码：B

文章编号：1004-4507（2016）05-0009-04

收稿日期：2016-04-14

作者简介：

王学仕（1980-）男，湖南邵东人工程师学士主要从事电子工业专用设备研制工作。