авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Влияние окисления металлических радиотехнических материалов на характеристики надежности радиоэлектронного оборудования

На правах рукописи

Титов Александр Валерьевич ВЛИЯНИЕ ОКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Специальности 05.09.02 – Электротехнические материалы и изделия 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2012 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно строительный университет» и в ФГБОУ ВПО «Национальный исследова тельский Томский политехнический университет» д. ф.-м. н., профессор Научные руководители:

Кузнецов Гений Владимирович д. ф.-м. н., профессор Мамонтов Геннадий Яковлевич

Официальные оппоненты: Анненков Юрий Михайлович д. ф.-м. н., профессор, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, профессор кафедры электромеханических комплексов и материалов Прибатурин Николай Алексеевич д. т. н., профессор, Институт теплофизики СО РАН, г. Новоси бирск, заместитель заведующего лабораторией проблем тепломассопереноса ФГБОУ ВПО «Томский государственный

Ведущая организация:

университет систем управления и радиоэлектроники»

Защита состоится «11» апреля 2012 г. в 1500 ч. на заседании диссертационно го совета Д 212.269.10 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ле нина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИ Томско го политехнического университета.

Автореферат разослан «28» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.10 А.В. Кабышев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Прогнозированию надежности элементов радиоэлектронного оборудо вания (РЭО) и электронной техники (ЭТ) уделяется все больше внимания в связи с увеличением тепловых и механических нагрузок на радиотехниче ские материалы (РТМ) и изделия.

В настоящее время методы прогнозирования надежности изделий ра диоэлектроники основываются преимущественно на результатах статистиче ского анализа ускоренных испытаний групп изделий. Опытные образцы ис пытывают под действием различных факторов (повышенных температур, высоких напряжений питания и др.), ускоряющих процессы старения в РТМ.

Современные подходы к оценкам остаточной надежности радиотехнических материалов опираются, в основном, на статистические данные по отказам из делий радиоэлектронного оборудования определенного типа за большие ин тервалы времени. При этом, как правило, не рассматриваются конкретные физико-химические процессы в радиотехнических материалах, приводящие к снижению долговечности и надежности радиоэлектронных материалов и из делий.

Одной из основных причин снижения долговечности и надежности транзисторов и интегральных микросхем (ИС) является окисление металли ческих элементов и изделий. Установлено, что во многих случаях пластмас совые корпуса не защищают материалы полупроводниковых приборов (ППП) от проникновения влаги и воздуха при длительной эксплуатации. Ти пичные полимерные радиотехнические материалы (полиэтилен, стеклотек столит, эпоксидные смолы и др.), использующиеся для изготовления корпу сов ИС и изоляции металлических проводников, при длительной эксплуата ции в условиях циклических и механических нагрузок часто растрескиваются (особенно при циклическом нагреве и охлаждении). Поэтому еще в 80-х го дах прошлого столетия предпринимались попытки исследовать причины, ме ханизмы и кинетику окисления алюминиевой металлизации интегральных микросхем в рабочих диапазонах изменения температур (Теверовский А.А., Волков С.И., Русанова А.Л., Горнев Е.С.). Однако эти работы не привели до настоящего времени к созданию какой-либо физической теории прогнозиро вания коррозионных отказов в микросхемах. По этим причинам, несмотря на гарантированную изготовителями высокую надежность ИС и стабильность выходных характеристик, в реальных условиях работы в микросхемах разви ваются физико-химические процессы, под действием которых схемы выходят из строя (Русанова А.Л., Строгонов А.В., Борисов А.А., Горбачева В.М., Кар ташов Г.Д., Мартынова М.Н., Прытков С.Ф.).

Существующие в настоящее время методики (Строгонов А.В., Карта шов Г.Д., Борисов А.А., Садыхов Г.С.) прогнозирования надежности РЭО и ЭТ не учитывают процессы окисления металлических радиотехнических ма териалов, скорость которых зависит от температуры экспоненциально.

До настоящего времени экспериментальный или теоретический анализ основных закономерностей окисления металлизации в радиотехнических ма териалах в условиях интенсивного теплопереноса не проводился.

Также ранее не исследовалась связь процесса окисления с основной ха рактеристикой надежности радиоэлектронного оборудования – интенсивно стью отказов.

Анализ состояния теоретических и практических подходов к прогнози рованию долговечности радиотехнических материалов и надежности радио электронного оборудования показывает, что в настоящее время существует объективная потребность в математических моделях, учитывающих ком плекс взаимосвязанных термохимических (окислительных), теплофизиче ских, диффузионных и электрических процессов, протекающих в радиотех нических материалах при их эксплуатации.

Цель работы и задачи исследования Целью работы является разработка нового метода прогностического моделирования параметров надежности радиотехнических материалов и ра диоэлектронных изделий, в основе которого лежит анализ процессов окисле ния металлов в условиях интенсивного тепломассопереноса, соответствую щих реальным режимам эксплуатации РЭО и ЭТ.



Для достижения поставленной цели решались следующие основные за дачи:

1. Численное моделирование процессов окисления металлических РТМ, являющихся неотъемлемой частью радиоэлектронного оборудования при их работе с учетом реальных температур и условий массообмена.

2. Моделирование двумерных температурных полей в радиоэлек тронном приборе (транзисторе, микросхеме) с учетом реальных условий теп лообмена с внешней средой и окисления металлов.

3. Анализ изменения основной характеристики надежности радио электронного оборудования и электронной техники – интенсивности отказов при развитии процессов окисления металлизации в условиях интенсивного воздействия внешней среды и реальных диапазонов изменения температур эксплуатации изделий.

Научная новизна работы 1. Разработан метод прогностического моделирования характери стик работоспособности металлических материалов и параметров надежно сти радиоэлектронного оборудования с учетом процессов окисления метал лов в условиях эксплуатации.

2. Исследованы процессы окисления медных и алюминиевых про водников тока в условиях эксплуатации электронного оборудования. Уста новлена зависимость изменения показателя надежности радиоэлектронного оборудования во времени при окислении металла в условиях интенсивного тепломассообмена.

3. Установлен эффект саморазогрева металлических проводников радиоэлектронной аппаратуры, обусловленный их окислением, что в итоге приводит к отказам радиоаппаратуры.

4. Показано, что при влиянии воздушной атмосферы основным фак тором, определяющим надежность радиоэлектронной аппаратуры является окисление токоведущих элементов схемы.

Практическая значимость работы 1. Предложенная экспресс-методика оценки надежности РЭО, по зволяет прогнозировать время безотказной работы при окислении металличе ских проводников в условиях интенсивного тепломассообмена.

2. Предложено для сохранения уровня надежности и долговечности радиоэлектронных изделий покрывать токоведущие элементы электронных схем влагозащитными лаками и красками через каждые 1,5-2 года эксплуата ции.

3. Результаты работы используются в научной и производственной деятельности компании «НПК ИНТЭК», занимающейся производством нави гационной аппаратуры и других систем и комплексов в области безопасно сти, навигации и связи.

Защищаемые положения.

1. Новая методика прогностического моделирования параметров надежности изделий электронной техники под влиянием окисления металли ческих элементов в условиях интенсивного тепломассообмена с окружающей средой.

2. Масштабы влияния комплекса физико-химических процессов, протекающих при окислении металлических радиотехнических материалов, на долговечность этих материалов зависят от режимов и условий эксплуата ции электронного прибора.

3. Процессы окисления токоведущих элементов электронных схем являются преобладающей причиной отказов радиотехнических материалов и изделий электронной техники при образовании трещин в корпусе электрон ного прибора.

Достоверность полученных результатов Обоснована контролем выполнения условия консервативности разно стной схемы (закон сохранения энергии) и проведением комплекса тестовых расчетов на последовательности сгущающихся сеток по пространственным и временным координатам. Процесс выбора соответствующих параметров про водился до достижения условий, когда результаты решения – разница темпе ратур этих двух решений составляла менее 1%.

Личный вклад автора.

Состоит в постановке задачи, разработке метода и алгоритма её решения, проведении численного анализа исследуемых процессов, обработке и обобще нии результатов теоретических исследований, формулировке выводов и за ключения по диссертации.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсу ждались на следующих конференциях: II Международной научно технической конференции «Новые информационные технологии в нефтега зовой отрасли и образовании» – Тюмень 2006 г.;





V всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной ме ханики» – Томск 2006 г.;

XII Всероссийской научно-технической конферен ции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» – Томск 2006 г.;

Все российской научно-технической конференции студентов, аспирантов и моло дых ученых «Системная интеграция и безопасность» – Томск 2007 г.;

Меж дународной конференции «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» – Томск 2007 г.;

IV Международной научно практической конференции «Электронные средства и системы управления.

Опыт инновационного развития» – Томск 2007 г.;

VI Минском Международ ном форуме по тепломассообмену – Минск 2008 г.;

Международной научно практической конференции «Передовые технические системы и технологии» – Севастополь 2007, 2008 гг.;

VII Всероссийском семинаре вузов по теплофи зике и энергетике – Кемерово 2011 г.;

Международной молодежной научной школе «Энергия и человек» – Томск 2011 г.

Публикации.

По направлению диссертационной работы автором опубликовано работ, в том числе: 2 статьи в журналах рекомендованных ВАК, а также по лучено два авторских свидетельства о регистрации программной разработки в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование».

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований и содержит 32 рисунка. Общий объем диссертации 127 стр.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор современного состоя ния математических и физических моделей, описывающих изменение харак теристик надежности радиотехнических материалов, являющихся неотъем лемой частью радиоэлектронного оборудования в реальных условиях экс плуатации этого оборудования. В этой главе обосновывается необходимость разработки нового подхода к прогнозированию характеристик надежности РТМ и изделий на их основе путем численного моделирования процессов окисления металлических радиотехнических материалов при эксплуатации РЭО и ЭТ.

Во второй главе сформулирована математическая модель процессов окисления медных и алюминиевых радиотехнических материалов в условиях интенсивного тепломассообмена с внешней средой.

Рассматривалась задача окисления в условиях тепломассопереноса в проводнике, покрытом изоляцией, в декартовой системе координат. Областью решения являлась двухслойная (металл–полимер) пластина. В полимерном за щитном покрытии рассматривалась микротрещина (рис. 1). Проводник нагре вался за счет движения электрических зарядов.

Рис. 1. Металлический проводник, покрытый Рис. 2. Область решения задачи окисления в изоляцией: 1 – металл;

2 – изоляция;

3 – мик- условиях интенсивного теплопереноса для ротрещина;

4 – слой окисла металлического проводника с дефектом изо ляции: 1 – металл;

2 – изоляция;

3 – воздух;

– пленка окисла Область решения по осям x, y ограничивалась значениями L x, L y соот ветственно и включала в себя несколько зон с различными характеристиками и размерами (рис. 2).

При постановке задачи приняты следующие допущения: 1) диапазон температур, в котором проводилось исследование, ограничивался от 253 до 383 К;

2) радиотехнические материалы считались изотропными.

В такой постановке задача сводилась к решению следующих уравне ний:

d h ;

4 1 3 n h ( d h) t (1) E 0 exp 1 ;

RT 2 Tk T k T x 2 y 2 Q, при k 1 ;

C k k k k (2) t 2 Tk 2 Tk T x 2 y 2, при k 2,.., 4 ;

C k k k k (3) t где h – толщина оксидной пленки;

d – толщина металла;

– константа ско рости химической реакции;

0 – предэкспоненциальный множитель;

n1 – от носительная массовая концентрация кислорода на поверхности металла;

E1 – энергия активации;

R – универсальная газовая постоянная;

h0 – начальная толщина оксидной пленки;

1 M 4 v4 / M 3 v3 – отношение массовых стехио метрических коэффициентов, M 3, M 4 – молярные массы кислорода и оксида;

v3, v 4 – стехиометрические коэффициенты;

Ck – удельная теплоемкость;

k – плотность;

Tk – температура;

k – коэффициент теплопроводности;

k – номер зоны, k=1,..,4;

Q – удельное тепловыделение источника;

x, y – пространст венные координаты;

t – время.

Интенсивность удельного тепловыделения в проводнике рассчитыва лась следующим образом:

I 2 R(T1 ) Lx Q2 ;

R(T1 ) R0 [1 (T1 T0 )] ;

R 0, Q (4) S Lx S где I – ток в проводнике;

R (T1) – сопротивление проводника;

– шаг расче та по времени;

Q2 – тепловой эффект реакции окисления;

R0 – сопротивление проводника при температуре T0 273 К;

– удельное сопротивление провод ника;

L x – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения проводника;

– температурный коэффициент сопротивления проводника.

Область решения ограничивалась следующими временными и геомет рическими условиями:

t 0;

t м, x 0;

L x, y 0;

L y, (5) где t м – максимальное время работы прибора;

Lx, L y – размеры области ре шения по осям x, y соответственно.

При задании начальных условий принималось, что температура облас ти решения в начальный момент времени распределена равномерно:

Tk Tв, h h0 при t 0, (6) где Tв – температура окружающей среды.

В граничных условиях учитывался конвективный и радиационный теп лообмен, а коэффициент конвективного теплообмена являлся функцией тем пературы:

T x 0 ;

y [ 0;

d h ] ;

0;

(7) x T x 0 ;

y [d h;

Ly ] ;

0;

(8) x T T x [ L x b] ;

y [ d ;

d h] ;

1 1 4 4 ;

T1 T4 ;

(9) x x T T x [ L x b] ;

y [d h;

L y ] ;

2 2 3 3 ;

T2 T3 ;

(10) x x T x L x ;

y [0;

d ] ;

1 0 ;

(11) x T x L x ;

y [ d ;

d h] ;

0;

(12) x T x L x ;

y [ d h;

L y ] ;

0;

(13) x T y 0 ;

x [0;

Lx ] ;

0;

(14) y T T y d ;

x [ L x b;

L x ] ;

1 1 4 4 ;

T1 T4 ;

(15) y y T T y d h ;

x [0;

L x b] ;

1 1 2 2 ;

T1 T2 ;

(16) y y T T y d h ;

x [ L x b;

L x ] ;

3 3 4 4 ;

T3 T4 ;

(17) y y T (T2 )(Tв T2 ) (Tв4 T24 ) ;

y L y ;

x [0;

L x b] ;

2 (18) y T y L y ;

x [ L x b;

L x ] ;

3 3 (T3 )(Tв T3 ) (Tв4 T34 ) ;

(19) y где Tk – коэффициент конвективного теплообмена с внешней средой;

– приведенный коэффициент черноты поверхности тела и окружающей среды;

– постоянная Стефана-Больцмана.

Для описания коэффициента конвективного теплообмена внешней поверхно сти тела с окружающей средой в диапазоне температур 253–383 K использо валась зависимость Tk, предложенная Г.Н. Дульневым [1].

Приведенный коэффициент черноты поверхности зон и окружающей среды вычислялся по формуле:

1 1 1 (20) k в где k – коэффициент черноты поверхности зоны;

в – коэффициент черноты окружающей среды.

Система дифференциальных нелинейных уравнений (1-3) с соответствую щими начальными (6) и нелинейными граничными условиями (7–19) решены методом конечных разностей на неравномерной сетке. Для решения разност ных аналогов двумерных уравнений использована схема расщепления по ко ординатам в сочетании с методом итераций. Одномерные разностные урав нения решены методом прогонки с использованием неявной четырехточеч ной разностной схемы аппроксимации.

На каждом шаге расчета температур проводился контроль консерва тивности разностной схемы.

Аналогичная задача окисления в условиях теплопереноса рассматрива лась в покрытом изоляцией проводнике круглого поперечного сечения, кото рый являлся частью электронной схемы. Задача решена в цилиндрической сис теме координат.

Уменьшение площади поперечного сечения металлических напылений за счет окисления приводит к изменению электрических режимов работы электронной схемы, и соответственно надежности электронного прибора.

Уменьшение сечения проводника тока при постоянстве последнего влечет за собой возрастание интенсивности тепловыделения, которое в свою очередь интенсифицирует процессы окисления в металле.

Стехиометрические уравнения реакций окисления:

4Cu + O2-2Cu2O (21) 2Al + 3O2 - 2Al2O3 (22) Скорость химической реакции металла с кислородом рассчитывалась с помощью выражения [2]:

1. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. – М.: Высш.

шк., 1984. -247 с.

3 n1, 0 exp E1.

W (23) RT h Здесь W – скорость химической реакции по окислителю (кислороду), она прямо пропорциональна концентрации окислителя n1 и обратно пропорцио нальна толщине оксидной пленки h;

– константа скорости химической ре акции;

0 – предэкспоненциальный множитель;

n1 – относительная массовая концентрация кислорода на поверхности металла;

E1 – энергия активации процесса окисления;

R – универсальная газовая постоянная;

Т4 – температура окисла.

Относительная массовая концентрация кислорода на поверхности ме талла находилась из условия равенства массового потока кислорода к по верхности и скорости его потребления в химических превращениях [2]:

d Nu H D n1 n2 1, (24), D 3, h ( d h) 2 C3 d h где n2 – относительная массовая концентрация кислорода в воздухе;

d – толщина проводника в области окисления;

– коэффициент массообмена;

Nu H – диффузионный критерий Нуссельта;

D – коэффициент диффузии ки слорода в воздухе.

Плотность химического тепловыделения реакции окисления на по верхности металла определялась выражением d h d h 2 1, (25) q Q2 W Q2 3 n2 h где Q2 – тепловой эффект реакции, рассчитанный на единицу массы кисло рода, Дж/кг.

Согласно (23), изменение толщины оксидной пленки на поверхности металла во времени описывалось дифференциальным уравнением:

d h, 1 M 4 v4 / M 3v3, h(t 0 ) h0.

4 1 3 n1 (26) h( d h ) t где M 1, M 3, M 4 – молярные массы металла, кислорода и оксида соответст венно;

v1, v3, v4 – стехиометрические коэффициенты;

h0 – начальная толщина оксидной пленки.

Дифференциальное уравнение для описания изменения толщины ме талла:

1 d 2 3n1, 2 M 1v1 / M 3v3, d(t 0) d 0. (27) 2 t h где d 0 – начальная толщина металла.

2. Орловская С.Г., Калинчак В.В., Грызунова Т.В., Копыт Н.Н. Высокотемператур ный тепломассообмен и кинетика окисления металлической частицы в воздухе // Химическая физика, 2004, Т. 23, № 3, С. 49-55.

Значения параметров 0, E1 (23) процесса окисления металлов пред ставлены в табл. 1.

Таблица 1. Числовые характеристики процесса окисления металлов [3] 0 E1, эВ Металл Медь 0,1 0, Алюминий 0,15 0, На рис. 3 приведена зависимость толщины окисной пленки на медном проводнике электронного прибора от времени при =1 Вт/(м2·К);

1 – Тв=253 K;

2 – Тв=273 K;

3 – Тв=293 K;

4 – Тв=313 K Рис. 3. Зависимость толщины окисной пленки на металле от времени при =1 Вт/(м2·К);

1 – Тв=253 K;

2 – Тв=273 K;

3 – Тв=293 K;

4 – Тв=313 K В третьей главе представлены результаты исследования влияния окисления РТМ в условиях интенсивного тепломассопереноса в рассматри ваемой (рис. 2) области на характеристики надежности материалов металли зации ИС.

Объектами исследования были широко распространенные компоненты радиоэлектронного оборудования и электронной техники: типичный бипо лярный транзистор КТ819А;

интегральные микросхемы К174УН3, К175УВ1А (рис. 4.).

а) б) Рис. 4. Электронные приборы: а) транзистор КТ819А;

б) микросхема К174УН В качестве примера рассмотрен типичный и широко распространенный низкочастотный транзистор КТ819А большой мощности, выполненный в ме таллопластиковом корпусе ТО–220 (рис. 4а). Этот электронный прибор ис пользуется как силовой элемент стабилизатора напряжения.

Анализ режимов работы электронного прибора проведен с использова нием пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap 8.

3. Коррозия. Справ. изд. Под. ред. Л.Л. Шрайера. Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1981. -632 с.

В программе моделировалась работа электронного устройства. Вычислялись значения постоянных токов в электронной схеме. Значения тока использова лись для расчета интенсивности удельного тепловыделения в проводнике (4).

Интенсивность отказов РЭО определяли по математической модели основанной на известном уравнении Аррениуса, которая учитывает темпера туру эксплуатации изделия.

(T ) Ce E / kT (28) где C – константа;

E – энергия активации;

k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура.

Объем представленной в [4] информации по формальным параметрам, характеризующим надежность зарубежных интегральных микросхем, полу проводниковых приборов и других ЭРИ иллюстрирует значимость рассмат риваемого аппроксимационного выражения для моделирования характери стик надежности элементной базы РЭА по мнению сотрудников ЦНИИ № Министерства Обороны РФ [4].

Параметры E и C определены для доминирующего вида дефектов в ЭРИ – процессов окисления металла [4].

Проведены численные исследования процессов окисления в металлах радио электронных компонентов, совместно с моделированием процессов теплопе реноса в области решения. Спрогнозированы характеристики надежности РЭА по модели Аррениуса (28). Также выполнены численные исследования процессов теплопереноса в проводниках тока без дефектов изолирующего слоя и оценка характеристик надежности этих РЭО.

Решена задача окисления металлических элементов и соответствующе го изменения характеристик надежности в условиях интенсивного тепломас сообмена транзистора с окружающей средой.

Численное моделирование характеристики надежности РЭО – интен сивности отказов при окислении металлических радиотехнических материа лов в условиях интенсивного теплопереноса проводились впервые.

Ниже (рис. 5-11) приведены типичные результаты численного анализа, выполненного для достаточно типичных параметров эксплуатации современ ного радиоэлектронного оборудования и электронной техники: температура окружающей среды изменялась от Тв=253 до Тв=313 K, время эксплуатации электронного прибора до 4 лет, размеры области решения варьировались от z=0,6 мм;

d+h=0,2 мм;

L x = 0,4 мм;

L y =0,4 мм;

b=40 мкм, до z=4 мк;

d+h= мк;

L x =4 мк;

L y =4 мк;

b=2 мкм, проводник нагревался под действием на чального тока до I=0,5 А. Численное моделирование велось на неравномер ной сетке по координатам x, y. Шаг сетки изменялся от некоторого мини мального значения hmin в геометрической прогрессии. Сетка сгущалась на 4. Борисов А.А., Горбачева В.М., Карташов Г.Д., Мартынова М.Н., Прытков С.Ф.

Надежность зарубежной элементной базы // Зарубежная радиоэлектроника, 2000, № 5, С. 34-53.

границах между элементами. Начальная температура принималась равной температуре окружающей среды. Шаг по времени составлял до 1 мс. Коэф фициент конвективной теплоотдачи изменялся от =1 до =4 Вт/(м2·К).

Типичные распределения температур в проводнике транзистора с де фектом корпуса прибора представлены на рис. 5.

а) б) Рис. 5. Поле температур в проводнике транзистора с дефектом защитного покрытия при t=10 тыс. с., =1 Вт/(м2·К): а) Тв=253 K;

б) Тв=300 K Установлено, что в целом температурное поле в проводнике является почти однородным. Перепад температур по области решения составляет не более 0,3 K. Объясняется это малыми линейными размерами области реше ния и высокой теплопроводностью металла.

Зависимость температуры проводника от времени работы прибора при различных значениях температуры окружающей среды в условиях умеренно го охлаждения представлена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость температуры провод- Рис. 7. Зависимость температуры провод ника транзистора с дефектом защитного по- ника транзистора без дефекта изолирующе крытия от времени при =1 Вт/(м2·К);

1 – го слоя от времени при =1 Вт/(м2·К);

1 – Тв=253 K;

2 – Тв=273 K;

3 – Тв=293 K;

4 – Тв=253 K;

2 – Тв=273 K;

3 – Тв=293 K;

4 – Тв=313 K Тв=313 K Зависимость температуры проводника РЭО без дефекта изолирующего слоя от времени его работы при различных значениях температуры окру жающей среды в условиях умеренного охлаждения представлена на рис. 7.

Как и следовало ожидать, эксплуатационные температуры электронно го прибора (рис. 6 и 7) существенно отличаются (на 10 градусов Кельвина).

Объясняется это тем, что во первых при окислении металлов выделяется до полнительная энергия химической реакции, во вторых уменьшается площадь сечения проводника тока, что при постоянном токе способствует интенсифи кации тепловыделения. Также следует заметить, что повышение эксплуата ционной температуры электронного прибора на 10 градусов снижает его на дежность (увеличивается интенсивность отказов) в два раза [4].

Типичная зависимость толщины окисной пленки металла от времени эксплуатации представлена на рис. 3.

По результатам численных исследований установлено, что по мере роста слоя окисла металла (рис. 3) растет интенсивность разогрева проводни ка, температура (рис. 6) и скорость окисления, т. е. процесс, является самоус коряющимся. При этом пленка окисла тормозит процесс подвода окислителя к поверхности металла. В итоге саморазогрев проводника не является слиш ком интенсивным. Однако, этот процесс в итоге может привести к разрыву цепи тока и отказу изделия. Толщина оксидной пленки металла заметно рас тет при увеличении температуры эксплуатации проводника. Так, например повышение температуры окружающей среды на 60 K приводит к увеличению толщины оксидной пленки на металле (рис. 3) в 30 раз при t=35 тыс. часов работы. Это может существенно повлиять на надежность и режимы работы электронных схем.

Полученные зависимости температуры проводника в условиях окисле ния от времени эксплуатации электронного прибора использовались для рас чета показателей надежности РЭО и ЭТ с помощью модели Аррениуса. Так же рассчитывались t электронных приборов без повреждения защитного изоляционного слоя.

На рис. 8 и 9 приведены зависимости интенсивности отказов транзи стора КТ819А от времени при различных условиях эксплуатации. Видно, на пример, что при температуре внешней среды Тв=300 K и уменьшении коэф фициента от 4 до 1 Вт/(м2•К) окисление приводит к увеличению интенсив ности отказов РЭО с дефектом изоляции полупроводникового прибора почти в десять раз рис. 8. При слабом конвективном теплообмене электронного прибора с окружающей средой и росте температуры Тв от 253 до 313 K пара метр надежности РЭО и ЭТ может увеличиваться в тысячу раз и более при окислении металла полупроводникового прибора (рис. 3).

Рис. 8. Изменение во времени при окисле- Рис. 9. Изменение во времени при окисле нии РТМ интенсивности отказов электрон- нии РТМ интенсивности отказов электрон ного прибора с дефектом защитного покры- ного прибора с дефектом защитного покры тия в проводнике (=1 Вт/(м2•К);

1 – Тв= тия в проводнике (Тв=300 K;

1 – = Вт/(м2•К);

2 – =2 Вт/(м2•К);

3 – =3 K;

2 – Тв=273 K;

3 – Тв=293 K;

4 – Тв= Вт/(м2•К);

4 – =4 Вт/(м2•К)) K).

Рассмотрен неблагоприятный режим работы электронного прибора (Тв=313 K, = 1 Вт/(м2•К)). В этом случае конвективный тепловой поток от проводника в окружающую среду минимален, а температура окружающей среды максимальна. В результате температура транзистора существенно воз растает, а площадь поперечного сечения проводника из-за процессов интен сивного окисления уменьшается. Толщина оксидной пленки достигает h= мкм (рис. 3), а температура проводника 380 K рис. 6.

Из рис. 9 видно, что процесс окисления металла ППП с дефектом изо ляции существенно увеличивает интенсивность отказов электронного прибо ра и радиоэлектронного оборудования (в тысячу и более раз). Дальнейшая эксплуатация РЭО и ЭТ с предельными рабочими температурами может при вести к полному окислению проводника, что вызовет отказ электронного прибора.

На рис. 10 и 11 приведены зависимости интенсивности отказов элек тронного прибора без повреждения защитного изоляционного слоя от време ни при различных условиях эксплуатации.

Как и следовало ожидать, процесс окисления в условиях интенсивного теплопереноса в металле приводит к заметному снижению надежности ис следуемых ЭРЭ.

Все полученные результаты соответствуют режиму работы проводника при наличии одной трещины в изоляции. На практике чаще трещины обра зуются группами на поверхности полимера и формируют сетку трещин. В этом случае эффект окисления металла может приводить к существенно бо лее раннему изменению показателей надежности радиотехнических материа лов и изделий на их основе.

Рис. 10. Изменение во времени при интен- Рис. 11. Изменение во времени при интен сивном теплопереносе в РТМ интенсивно- сивном теплопереносе в РТМ интенсивно сти отказов электронного прибора без по- сти отказов электронного прибора без по вреждения защитного изоляционного слоя вреждения защитного изоляционного слоя (=1 Вт/(м2•К);

1 – Тв=253 K;

2 – Тв=273 K;

(Тв=300 K;

1 – =1 Вт/(м2•К);

2 – = Вт/(м2•К);

3 – =3 Вт/(м2•К);

4 – =4 3 – Тв=293 K;

4 – Тв=313 K).

Вт/(м2•К)) На основании результатов математического моделирования процессов окисления в системе «проводник – слой окисла – изолятор – окружающая среда» можно сделать вывод, что окисление токопроводящих элементов при водит к значительному ухудшению показателей надежности типичных ра диотехнических материалов, радиоэлектронного оборудования и изделий ЭТ.

Масштабы выделенного эффекта при эксплуатации радиотехнических материалов определяются временем их работы в неблагоприятных условиях (климатические факторы, повышенные температуры). Полученные результа ты являются основанием для объективной оценки ухудшения характеристик радиотехнических материалов в реальных условиях эксплуатации под дейст вием химически активной окружающей среды и повышенной температуры.

Разработанная математическая модель и метод численного анализа могут быть использованы для оценки масштабов снижения показателей надежности радиоэлектронного оборудования при работе и в других окислительных сре дах.

Результаты выполненных численных исследований показывают пер спективность предложенного в диссертации подхода к анализу надежности радиотехнических материалов в условиях их окисления. Важнейшим досто инством предложенного подхода является то, что для реализации процесса моделирования показателей надежности радиотехнических материалов и из делий на их основе не требуется проводить каких-либо специальных экспе риментов и определять эмпирические постоянные, которые в многих анало гичных моделях являются по существу коэффициентами согласования разра ботанной теории и реальной практики. Для реализации представленных в диссертации математических моделей достаточно информации о теплофизи ческих характеристиках радиотехнических материалов, использующихся для изготовления, например, микросхем, и постоянных, характеризующих окис ление металлов в воздушной среде. Разработанная при написании диссерта ции теория является по существу автономной. Коэффициенты диффузии в воздухе также определены к настоящему времени для достаточно широкого диапазона изменения основных параметров, характеризующих специфику процессов массопереноса в конкретных условиях.

Важным, по мнению автора также является то, что разработанный в диссертации подход и соответствующие математические модели могут быть развиты на достаточно широкий круг приложений в радиоэлектронной и электронной технике.

Заключение 1. Предложена новая методика прогностического моделирования характеристик параметрической надежности радиотехнических материалов и изделий, в основе которой лежит анализ реальных физико-химических про цессов окисления в условиях интенсивного тепломассопереноса, протекаю щих при работе радиоэлектронного оборудования и электронной техники.

2. Методика прогностического моделирования характеристик пара метрической надежности РТМ позволяет определять время безотказной ра боты исследуемых электронных приборов.

3. Впервые поставлена и решена задача процессов окисления ме талла с учетом интенсивного нестационарного теплопереноса в металличе ских РТМ, являющихся неотъемлемой частью радиоэлектронного оборудо вания.

4. Впервые проведено численное моделирование основной характе ристики надежности радиоэлектронных материалов и оборудования – интен сивности отказов, с учетом протекания окислительных процессов в РТМ. Так например установлено, что, процесс окисления металла в дефектной инте гральной микросхеме усилителя звуковой частоты, работающей при темпе ратуре окружающей среды 40C и слабом конвективном теплообмене элек тронного прибора с окружающей средой может увеличивать ее интенсив ность отказов и радиоэлектронного оборудования в целом в шестьдесят пять раз.

5. Разработанная методика прогностического моделирования пока зателей параметрической надежности радиотехнических материалов и изде лий на их основе может быть использована для оценки надежности проекти руемого и введенного в эксплуатацию радиоэлектронного оборудования и электронной техники;

дополнения существующих и используемых методик прогнозирования надежности радиоэлектронного оборудования и электрон ной техники;

оптимизации процесса выбора радиотехнических материалов на этапе проектирования.

Публикации по теме диссертации 1. Кузнецов Г.В., Титов А.В. Математическое моделирование ха рактеристик надежности типичных элементов РЭА // «Новые информацион ные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» Сб. материалов II Международной научно-технической конференции. – Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2006.-270с.

2. Титов А.В. Математическое моделирование характеристик на дежности радиотехнических систем // Материалы докладов пятой Всероссий ской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы со временной механики» Томск. Изд-во: ТГУ, 2006. -420 с.

3. Титов А.В., Мамонтов Г.Я. Прогнозирование характеристик на дежности радиотехнических систем // Материалы двенадцатой Всероссий ской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. -465 с.

4. Титов А.В. Численное моделирование характеристик надежности радиоаппаратуры // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Системная интеграция и безопасность». – Томск: Изд-во «В Спектр», 2007. Ч. 1. -364 с.

5. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Титов А.В. Анализ влияния ин тенсивности тепломассообмена в радиоэлектронной аппаратуре на надеж ность ряда ее элементов // Электронные средства и системы управления.

Опыт инновационного развития: Доклады Международной научно практической конференции. – Томск: В-Спектр, 2007. В 2 ч. Ч. 1. -326 с.

6. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Титов А.В. Численное моделиро вание одного из механизмов влияния интенсивности тепломассообмена в ра диоэлектронной аппаратуре на надежность ряда ее элементов // Науч. изд.

Тезисы докладов и сообщений VI Минский международный форум по тепло и массообмену. Минск, 2008, В 2 Т. Т. 1. С. 272-274.

7. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Титов А.В. Оценка надежности типичного транзистора в условиях окисления металла // Известия Томского политехнического университета, 2008, №4, С. 135–140.

8. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Титов А.В. Численный анализ влияния окисления медного проводника на его параметры // Электромагнит ные волны и электронные системы. Издательство Радиотехника, 2009, №1, С. 25–30.

9. Титов А.В., Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я. Электронный инфор мационный образовательный ресурс: Программа расчета температурных полей и окисления металла в радиоэлектронных приборах TFTA v.1.0 // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образова ние», № 4, 2011. URL: http://ofernio.ru/portal/newspaper/ofernio/2011/4.doc. (да та обращения: 04.04.2011).

10. Титов А.В. Электронный информационный образовательный ре сурс: Динамика окисления проводника в тепловом поле TDTF v.1.0 // Хро ники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование», № 4, 2011. URL: http://ofernio.ru/portal/newspaper/ofernio/2011/4.doc. (дата обра щения: 07.04.2011).



 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.