Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Зуев Сергей Михайлович
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
В СИСТЕМАХ МЕТАЛЛИЗАЦИЙ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
И КЕРАМИК
Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Ульяновск 2012
Работа выполнена на кафедре физического материаловедения Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет.
Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,
доцент
Скворцов Аркадий Алексеевич
Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,
профессор
Моргунов Роман Борисович;
Кандидат физико-математических наук,
доцент Гришин Александр Геннадьевич.
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
Саратовский государственный
университет им. Н.Г. Чернышевского
Защита состоится 16 марта 2012 г., в 14 час. 30 мин., на заседании
Диссертационного совета Д 212.278.01 при ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, д. 106, ауд. 703.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет, с авторефератом - на сайте www.uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Минобрнауки России
Автореферат разослан л__ февраля 2012 г.
Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, Управление научных исследований.
Ученый секретарь диссертационного совета Л. Н. Вострецова
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Хорошо известно, что надежность и качество современных полупроводниковых устройств во многом определяется надежностью контактов металл - полупроводник и систем металлизации. Постоянное стремление к минимизации топологического размера элементов приводит к повышенным тепловым нагрузкам проводящих систем, активизации процессов электропереноса, способствующим ускоренной их деградации [1].
Деградационные процессы в рассматриваемых условиях могут развиваться как при статических, так и при импульсных воздействиях. Однако в большинстве работ температура рассматривается как постоянный во времени фактор. Нестационарные тепловые процессы и сопутствующие им эффекты, такие как тепловой удар, локальное оплавление и др. остаются практически нерассмотренными, либо анализируются методами численного моделирования [1].
Современное производство полупроводниковых материалов и оборудования предполагает использование в технологических процессах целого ряда материалов с низкой диэлектрической проницаемостью. Они используются в качестве альтернативы изоляторов для уменьшения емкости межэлементных соединений и увеличения срока эксплуатации устройств. Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с известными диэлектриками, такими как диоксид кремния, германий, структуры из бериллиевой керамики, ситалла. Это сильно увеличивает вероятность термически активированной деградации отдельных элементов приборов [2].
Современные полупроводниковые приборы представляют собой сложные многокомпонентные системы, в состав которых входят контактные пары металл-полупроводник, объемные проводники в виде металлических проволок, а также паяные соединения типа металл-припой-диэлектрическая подложка. Они используются для передачи электрического сигнала от внешних источников к полупроводнику. Поэтому, в момент включения и выключения приборов, как и при их импульсном режиме работы, токовое импульсное воздействие приводит к образованию значительных тепловых возмущений [2-3]. В критических режимах работы это приводит к деградации соединений, что требует дополнительного исследования.
Постоянное совершенствование современной технологии приводит к росту плотности тока, увеличению количества уровней межэлементных соединений, а также к применению новых материалов и структур с низкой диэлектрической проницаемостью, что в итоге приводит к увеличению тепловыделения в слоях металлизаций, контактах металл-полупроводник, металл-окисел-полупроводник, а также приконтактных областях. Влияние электротепловых эффектов приводит к тепловой деградации таких структур. Поэтому исследования в данной области являются актуальной задачей.
Цель диссертационной работы
Заключается в теоретическом и экспериментальном изучении тепловой деградации полупроводниковых структур и систем металлизации при импульсном токовом воздействии, а также анализе термоупругих напряжений в исследуемых образцах с использованием методов математического моделирования.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- Разработать методику анализа тепловых процессов в полупроводниковых структурах и системах металлизаций при воздействии токовыми импульсами различной формы и плотности тока j;
- Провести теоретический анализ деградационных процессов в полупроводниковых структурах и системах металлизаций при импульсном токовом воздействии на основе разработанной методики;
- Провести экспериментальное исследование процессов тепловой деградации в исследуемых структурах (системы металлизаций типа металл-диэлектрик, паяных соединений типа металл-припой-диэлектрическая подложка, объемных проводниках тока);
- Методами математического моделирования в программном комплексе ANSYS описать термоупругое состояние исследуемых структур при токовом импульсном воздействии, выполнить расчет термоупругих напряжений.
- Провести анализ процессов трещинообразования с помощью методов механики разрушения.
Научная новизна работы
1. Развита методика анализа тепловых процессов в системах металлизаций на примере структуры Al-Si, Cu - бериллиевая керамика, многослойных систем типа металл - окисел - полупроводник при токовом воздействии импульсами прямоугольной формы, а также с линейно возрастающим передним фронтом. Установлено влияние тепловых процессов, происходящих при данном воздействии, на деградацию исследуемых структур, и показано, что определяющую роль в тепловой деградации исследуемых соединений играют теплопроводящие свойства исследуемых систем.
2. Впервые исследованы электротепловые эффекты сложных структур типа полупроводник - окисел - металл. Показано, что при импульсном токовом воздействии происходит накопление тепла в приконтактной области, способствующее развитию необратимых деградационных процессов. Это выражается немонотонным ростом потенциала при прохождении импульса тока через дорожку металлизации.
3. Проведено исследование деградационных процессов межэлементных соединений полупроводниковых структур в виде объемных проводников при наличии градиента температур для образцов, помещенных в различные среды (воздух, вода, масло), и показано влияние геометрии образца на характер его разрушения.
4. Проведено описание тепловых процессов в паяных соединениях на примере структуры CuЦбериллиевая керамика и исследовано термоупругое состояние данной системы. Показано, что при токовом импульсном воздействии с j ~ 31011 - 81011A/м2 при наличии градиента температур T между паяными слоями в интервале 30-100 К возникают max , приводящие к процессам дефектообразования в исследуемых структурах.
Полученные экспериментальные данные и теоретические расчеты позволили определить максимальные толщины бериллиевой керамики, при которой сохраняется целостность образца для конкретной области перепада температур dT/dx. Впервые полученные кривые распределения напряжений для слоя металлизации и припоя, керамики и припоя, а также полученные численные данные о термоупругих напряжениях в местах наличия дефектов спая позволяют судить о пределах использования данного типа соединений с заданной геометрией.
5. Предложена модель анализа трещинообразования в структурах металл-полупроводник на основе использования инструментов механики разрушения (J-интеграл, коэффициент интенсивности напряжений и т.д.), которая позволяет получить зависимость упругопластических значений J-интеграла от длины трещины в образце.
Практическая значимость
- Практическая значимость обусловлена разработанной методикой анализа тепловых процессов в системах металлизаций полупроводниковых структур и керамик;
- Практический интерес представляют полученные численные результаты, которые позволяют определить допустимые режимы работы исследуемых соединений;
- Теоретические результаты анализа трещинообразования в полупроводниковых структурах служат базой для дальнейших исследований в области механики разрушения многослойных структур.
Основные положения, выносимые на защиту
1. При воздействии на структуру Al - Si сериями прямоугольных токовых импульсов с j = 2,0⋅1010 А/м2 8⋅1010 А/м2 при промежутках времени между импульсами τс, сравнимых с длительностью импульса τ0 (τс ~ τ0), происходит накопление тепла в приконтактной области, способствующее развитию необратимых деградационных процессов.
2. Деградационные процессы в структурах металл - окисел - полупроводник связаны с контактным плавлением в системе металл-полупроводник, а также оплавлением всей дорожки металлизации при достижении температуры плавления алюминия (jкр 6,8⋅1010 А/м2).
3. Методами токового импульсного воздействия получены данные, свидетельствующие об ускоренном процессе тепловой деградации проволочных образцов в жидких средах за счет экранирования тепла и эффекта коллапса пузырьков.
4. При токовом импульсном воздействии с j ~ 31011 - 81011A/м2 при наличии градиента температур T между паяными слоями системы медь - припой ПСр72 - бериллиевая керамика в интервале 30-100 К возникают max , приводящие к процессам дефектообразования в исследуемых структурах. Наличие дефектов в спае приводит к снижению прочности данного типа соединений.
5. Количественная оценка значений J-интеграла для систем медь - бериллиевая керамика и алюминий-кремний позволила выработать критерии безопасных режимов работы данного типа соединений.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на XI международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы (Ульяновск, 2009 г.), международной научно-технической конференции Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров (Москва, 2010 г.), II международной научно-технической конференции Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике (Зеленоград, 2011 г.).
ичный вклад автора
Постановка задач осуществлялась научным руководителем д.ф.-м.н. А.А. Скворцовым. Экспериментальные исследования тепловых режимов работы полупроводниковых структур и систем металлизаций, алгоритмы расчетов, их программная реализация выполнены автором самостоятельно.
Достоверность
Обоснованность результатов диссертационного исследования достигается:
- проверкой теоретических положений и экспериментальными исследованиями;
- согласованием новых положений с уже известными теоретическими положениями в области физики конденсированного состояния и экспериментальными данными других авторов;
- обсуждением результатов диссертации на конференциях, семинарах, получением рецензий и отзывов от ведущих специалистов;
- публикациями основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2 статьи в журналах по перечню ВАК и 6 докладов на международных и всероссийских конференциях.
Работа выполнена при поддержке ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. (контракт №14.740.11.0488), а также частично ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. мероприятие 1.2.1 - II очередь (ГК № 16.740.11.0514), контракт № П2161 (Создание кристаллических структур на основе эвтектических расплавов металлов, полупроводников и исследование их свойств), грантами РФФИ №09-08-97011-р_поволжье_а, РФФИ №08-08-97036-р_поволжье_а.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, заключения, списка использованной литературы из 101 наименования, приложений. Объём диссертации - 110 страниц, включая 39 рисунков, 4 таблицы.
Краткое содержание работы
Во введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность темы.
Первая глава диссертации
Содержит критический обзор работ по описанию природы тепловой деградации полупроводниковых структур и систем металлизаций. Проведен анализ работ посвященных изучению механизмов тепловой деградации, из которого следует, что значительное влияние на основные характеристики исследуемых структур оказывают теплопроводящие свойства входящих в данные системы веществ.
Вторая глава диссертации
Посвящена теоретическому анализу тепловых процессов в системах металлизаций и методическим аспектам работы с данными системами.
Для решения задачи по определению точного распределения температуры, температурных градиентов и возможности существования перегретых локальных участков вблизи дефектов тонкопленочного проводника необходимо выработать и проанализировать методику решения данной проблемы.
Температурный профиль может быть представлен уравнением:
(1),
где - интегральная экспонента (2).
Здесь I - сила тока, А; R - сопротивление, Ом; l,b - геометрические размеры образца, м; - теплопроводность, В/(мK); a = /(cd) - коэффициент температуропроводности образца; c - удельная теплоемкость, Дж/(кгK), d - плотность, кг/м, Ф() - интеграл вероятности, - длительность импульса, с; x, y, z - система координат, связанная с главными осями кристалла, Т0, К - температура окружающей среды в нормальных условиях.
В случае малых времен нагрева, либо для широких дорожек имеем:
(3),
где q - плотность теплового потока, Вт/м2.
Также в данной главе диссертации предложено описание экспериментальной установки, которая применялась нами для исследования тепловых режимов работы систем металлизаций.
В ходе работ проводился анализ осциллограмм включения, регистрируемых на данной установке. По полученным осциллограммам по известной методике [3] проводился расчет температуры исследуемой структуры.
Данная методика позволяет исследовать тепловые процессы при воздействии на структуру сериями токовых импульсов.
Типичные осциллограммы включения приведены на рисунке 1:
Рис. 1. Вид осциллограмм включения для структуры AlЦSi при прохождении последовательности прямоугольных токовых импульсов: а - j=4,5⋅1010 А/м2, длительностью τ0 = 80 мкс и промежутком времени между импульсами τс=150 мкс; b - j=4,3⋅1010 А/м2, длительностью τ0 = 150 мкс и τс=40 мкс. На вставке: расчет температурных режимов по (3) - сплошные линии, точки - эксперимент.
При промежутках времени между импульсами τс, сравнимых с длительностью импульса τ0 (τс ~ τ0), происходит накопление тепла в приконтактной области (b, рис.1), способствующее развитию необратимых деградационных процессов, а также нарушению целостности образца. В нашем случае это выражается немонотонным ростом потенциала при прохождении третьего импульса тока через дорожку металлизации (стрелка на b, рис.1). Разрушение соединения наступает тем быстрее, чем меньше скважность и больше длительность импульса.
При экспериментальном изучении систем металл-полупроводник с различными подслоями предложен расчет градиентов температур, аналогичный методике полученной в работе [3]:
(4),
где подстрочный индекс У1Ф- относится к Al-пленке; У2Ф- к тонкой пленке диэлектрика толщиной h2; У3Ф- к полупроводниковой матрице; S-площадь теплопередачи. Черта над соответствующим символом означает среднеинтегральное (по температуре) его значение. Результаты исследований показали, что на динамику нагрева многослойной системы сильно влияет и толщина, и теплопроводность подслоя [4]. Необходимо отметить, что различные теплопроводящие свойства пленок SiO2 и Si3N4 четко отражаются на осциллограммах включения (рис. 2):
Рис. 2. Осциллограммы включения системы Si-диэлектрик-Al при пропускании одиночного импульса плотности тока амплитудой j=3.1010 А/m2 и длительностью 440 мкс, h1=5 мкм: 1-h2=0; 2-Si3N4; h2=0,5 мкм; 3- SiO2; h2=0,5 мкм.
h2=0; 2-Si3N4; h2=0,5мкм; 3- SiO2; h2=0,5 мкм.
Особенности деградационных процессов в рассматриваемых структурах наглядно иллюстрируется на рисунке 3. Они условно могут быть разделены на два участка, каждый из которых характеризуется своими особенностями [5]:
Рис. 3. Осциллограммы включения системы Si-SiO2-Al (1) и Al-Si (2) при пропускании одиночного импульса тока амплитудой j=6.1010 А/м2 и длительностью 680 мкс, h1=5 мкм.
Первый из них ничем не отличается от ранее рассмотренных осциллограмм. Они описываются уравнением (4) и определяются толщиной и теплопроводностью подслоя, а также теплоемкостью и температуропроводностью монокристалла Si. Начальная стадия второго участка для систем Al-SiO2-Si связывается с достижением температуры плавления алюминия. Здесь наблюдается островковое оплавление Al, быстро распространяющееся на всю токопроводящую дорожку, что приводит к заметному возрастанию U вплоть до его максимального значения Umax. К этому времени в оплавленных островках дорожки металлизации накапливается критическая масса расплава, приводящая к свертыванию участков алюминиевой пленки. Образующиеся разрывы токопроводящей дорожки Al, лежащей на SiO2, приводят к резкому увеличению R. Непрерывный ход кривой на этом участке нарушается, наблюдаются броски и спады потенциала с отчетливо проявляющейся тенденцией его уменьшения. Причем, с увеличением плотности тока процессы приобретают все более глобальный, взрывной характер, приводящий к разбрызгиванию жидкого металла по поверхности. Его быстротечность не позволяет прямым путем оценить скорость поверхностной миграции расплавленных капель, хотя подчеркивает важность этих механизмов.
Что касается системы Al-Si, то здесь наблюдается существенное отличие механизма разрушения систем металлизаций, где не наблюдалось свертывание расплавленного Al в капли даже при высоких плотностях тока (j~9.1010А/м2). Вместо этого оплавление алюминиевых дорожек характеризовалось закономерной направленностью и устойчивостью осциллограмм включения. Причина подобного поведения связывается нами с хорошей адгезией пленки Al к кремниевой подложке. Опытным путём установлено, что начало деградационных процессов во всем исследуемом интервале j = (1-9).1010А/м2 и τ = (40-1000) мкс связано с контактным плавлением в системе металл-полупроводник1
, а также оплавлением всей дорожки металлизации при достижении температуры плавления алюминия. При этом деградационные процессы начинаются тем быстрее, чем больше плотность тока [5].
Исходя из результатов исследований, можно сделать вывод, что за оплавление токоведущей дорожки несет ответственность градиент температуры, активизирующий транспортные процессы в металлической пленке, что приводит к уменьшению значения критической плотности тока. Зарождение жидкой фазы только у отрицательного электрода свидетельствует о несимметричных тепловыделениях в контактной области медных токовых зондов с алюминиевой дорожкой и, однозначно, связано с термоэлектрическими явлениями. Убедительным подтверждением этому служит симметричное зарождение жидкой фазы у обеих токовых площадок при использовании Al зондов.
Третья глава диссертации
Посвящена анализу деградационных процессов в объемных проводниках тока при наличии градиентов температур в различных средах (воздух, вода, масло).
Динамика нагрева объемного проводника электрическим током определяется не только его физическими характеристиками и плотностью тока, но и условиями теплоотдачи в окружающую среду.
Простейшим случаем, с точки зрения описания процесса теплопередачи, является нагрев термоизолированного проводника электрическим током. Этот режим соответствует тепловому режиму работы проводника, соединяющего кристалл с внешним выводом. Проводник, как правило, обладает более высокой теплопроводностью по отношению к окружающей его среде (воздух, компаунд). Выделенное джоулево тепло полностью расходуется на нагрев самого проводника, и условие теплового баланса может быть представлено уравнением:
(5),
где I-текущий по проводнику ток; V-объем проводника; ; T и T0-текущая и начальная температура соответственно; - температурный коэффициент сопротивления (ТКС); R0 - сопротивление при начальной температуре; C - удельная теплоемкость; - плотность.
Была получена временная зависимость изменения температуры проводника вида:
, (6),
где j-плотность тока; - начальное удельное сопротивление проводника, V-объем проводника; - температурный коэффициент сопротивления (ТКС); R0- сопротивление при начальной температуре; C-удельная теплоемкость; - плотность.
Как видно из выражения (6) темп нагрева термоизолированного проводника экспоненциально зависит от времени t.
Если динамику нагрева проводника отслеживать по падению напряжения в нем при фиксированном токе, то, учитывая зависимость , из (5) можно получить:
, (7),
где U0 - падение напряжения на проводнике в момент включения токового импульса.
Показано, что влияние окружающей среды на темп нагрева проводника электрическим током существенно изменяет зависимость . Это влияние вызвано передачей тепла в окружающую среду и определяет как количественные, так и качественные характеристики .
Экспериментальным путем обнаружено, что при плотностях токовых импульсов, превышающих j>4,71011 A/м2, наблюдается перегорание проволоки.
Вид осциллограммы включения при плотностях тока, приводящих к перегоранию проводника, представлен на рисунке 4:
Рис. 4. Вид осциллограммы включения для импульсов с критическими плотностями тока (а), приводящими к перегоранию проволочного образца:
j = 5,51011 А/м2. Штриховыми линиями показаны осциллограммы включения для импульсов с j = 4,01011 А/м2 (б) и j = 3,51011 А/м2 (в).
Деградационные процессы в объемных проводниках тока при наличии градиента температур возникают при наличии геометрических неоднородностей в исследуемых образцах. Чем выше плотности токовых импульсов, пропускаемых через исследуемые структуры, тем быстрее и в явной форме наблюдаются деградационные процессы в образце.
В ходе экспериментов по изучению тепловых процессов в алюминиевых проволоках были проведены серии экспериментов для образцов, находящихся в жидкой среде (в частности, в масле). При воздействии на образец токовым импульсным воздействием с j 21011 А/м2 наблюдалось пассивация проволочного образца экранирующим газовым слоем, что оказывает значительное влияние на тепловые процессы в исследуемом образце.
В электролитах с высокой теплопроводностью j токовых импульсов, приводящих к взрыву образца, намного меньше, чем для образцов на воздухе. Так, для алюминиевой проволоки длиной 30 мм и радиусом поперечного сечения r порядка 2,5 мкм jкр. возд. = 4,65 1011 A/м2 - на воздухе, jкр. вода = 4,32 1011 A/м2 - в воде, jкр. масло = 4,13 1011 A/м2 - в масле. Как показали наши исследования, температурные изменения исследуемого объекта сильно зависят от теплоотводящих свойств сред, в которые помещен образец.
Таким образом, деградационные процессы в объемных проводниках тока при наличии градиента температур возникают при наличии геометрических неоднородностей в исследуемых образцах. Чем выше плотности токовых импульсов, пропускаемых через исследуемые структуры, тем быстрее и в явной форме наблюдаются деградационные процессы в образце.
По нашему мнению, и мнению других авторов [6], данный процесс свидетельствует об образовании плазменного разряда в масле при экранировании проволоки газовыми пузырьками, что приводит к усиленному развитию деградационных процессов в исследуемом образце. Данные процессы приводят к изменению структурных и механических свойств исследуемых образцов.
Действительно, экспериментальным путем были полученные данные, свидетельствующие об ускоренном процессе тепловой деградации проволоки за счет экранирования тепла и эффекта коллапса пузырьков.
В четвертой главе диссертации проведен анализ тепловых процессов в паяных соединениях. Среди множества контактных пар керамики с металлом для анализа нами была выбрана наиболее встречающаяся структура - медь-бериллиевая керамика, которая была спаяна с помощью припоя ПСр72.
В процессе нагрева паяного соединения за счет термического расширения происходит рост напряжений в слоях спаянных элементов, что может привести к их разрушению. При оценке прочности паяных соединений необходимо учитывать физические характеристики спаянных элементов, геометрические размеры и температурные режимы работы соединения.
В ходе работы были рассчитаны температурные напряжения в паяном соединении контактной пары медь - бериллиевая керамика.
Исследования температурных режимов работы анализируемого соединения проводились по методике, предложенной в [7], на основе расчета термоупругих напряжений в бинарных пластинах:
(8);
(9),
где i - температурный коэффициент линейного расширения структур; Еi - модуль упругости; Тi - перепад температур; Ii - момент инерции поперечного сечения детали, где i = 1, 2 (здесь и далее индекс 1 относится соответственно к слою металла, а 2 - к слою керамики):
; (10)
, (11),
где e - расстояние от плоскости стыка до нейтрального слоя:
; (12)
y - расстояние от рассматриваемой точки до нейтрального слоя (положительное направление вниз).
По формулам (8), (9) были получены зависимости термоупругих напряжений (имеют монотонно возрастающий характер в доэвтектической области температур), возникающие в спаянных соединениях контактной пары медь - бериллиевая керамика от температуры (рис.5 и рис.6). Были учтены зависимости коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) меди и бериллиевой керамики от температуры. Из рисунков видно, что кривые имеют нелинейный характер, что является следствием зависимости физических параметров материалов, из которых изготовлено паяное соединение, от температуры.
Рис. 5. Распределение напряжений в слое меди: толщина образца - 3 мм; 1 - соответствует напряжениям на плоскости спая меди с бериллиевой керамикой; 2 - напряжениям в слое меди на глубине 2,0 мм; 3 - в слое меди на глубине 1,0 мм. На вставке показан вид температурной зависимости коэффициента линейного термического расширения меди.
Рис. 6. Распределение напряжений в слое бериллиевой керамики: толщина образца - 3 мм; 1 - соответствует напряжениям на плоскости спая керамики с медной подложкой; 2 - напряжения в слое меди на глубине 2,6 мм; 3 - напряжения в слое меди на глубине 2,0 мм.
Однако данные методы расчетов не позволяют оценить механизмы трещинообразования в слоях паяного соединения. Эту задачу можно решить только методами численного анализа на ЭВМ.
Для расчета термоупругих напряжений создавалась 3D-модель исследуемого соединения, которая полностью моделировала физические и геометрические параметры исследуемого образца.
Для анализа процессов трещинообразования нами используются методы механики разрушения. Они основаны на расчете J - интеграла2, который является наиболее общим и точным критериальным параметром механики разрушения [8].
Анализ JIc материалов контактной пары металл - диэлектрическая подложка позволяет определить силовой критерий хрупкого разрушения для данного типа соединений.
В данной работе было изучено возникновение трещин в результате термоупругого возмущения в слое металлизации контактной пары медь - бериллиевая керамика. Это реализуется путем влияния на образец токовыми импульсами с высокими j ~ 21011А/м2 81011А/м2 с последующей осциллографической регистрацией U(t). По полученным данным рассчитывалась температура образца в момент пропускания импульса:
, (16)
где R0 - сопротивление дорожки металлизации при Т=Т0, Ом; - температурный коэффициент сопротивления, К-1; I - сила тока, А.
Исследования температурных режимов работы анализируемого соединения проводились по методике, предложенной в [6], на основе расчета термоупругих напряжений в бинарных системах (8), (9):
Данное воздействие на поверхность керамики и металлизации приводит к образованию градиентов температур, приводящих к сильным механическим напряжениям. Вследствие чего у пластинки образуются линейные дефекты в области максимальных градиентов температур, а также трещины отрыва (I мода деформации) на поверхности металлизации [8].
Расчет упруго - пластического значения J - интеграла для медной металлизации был выполнен с помощью программного комплекса ANSYS.
Численные значения J - интеграла представлены на рисунке 7:
Рис. 7. Зависимость упругопластических значений J-интеграла от длины трещины при разных значениях термоупругих напряжений в медной металлизации. Геометрические размеры показаны на вставке: А - размеры исследуемой области на поверхности алюминиевой металлизации, мкм; l - длина усталостной трещины на поверхности образца, мкм; d - концентратор напряжений в виде окружности диаметром d, мкм. Значения термоупругих напряжений: 1 = 90 МПа; 2 = 100 МПа; 3 = 110 МПа; 4 = 120 МПа; 5 = 130 МПа.
Была проведена количественная оценка значений J-интеграла для систем медь-бериллиевая керамика и алюминий-кремний. Так, для медной металлизации размерами 100х200 мкм и толщиной 10 мкм, нанесенной на бериллиевую керамику, толщиной 300 мкм, при пропускании прямоугольных токовых импульсов с j~ 21011А/м2 81011А/м2 при наличии трещин с l 13,5 мкм может произойти нарушение целостности металлизации.
Для системы алюминий-кремний данный процесс трещинообразования невозможен из-за перехода вещества в жидкое состояние при достижении Т ~ Тпл (j~6,31011А/м2 и выше для образцов с заданной геометрией).
Таким образом, деградационные процессы в слоях металлизаций связаны с формированием градиентов температур, которые могут приводить к образованию трещин и сколов в образце. Анализ J-интеграла позволяет определить силовой критерий хрупкого разрушения для данного типа соединений и определить безопасные режимы работы систем металлизаций.
Основные результаты и выводы
1. Предложена методика анализа тепловых процессов в системах металлизаций на примере структур Al-Si, Al-SiO2-Si, Cu - бериллиевая керамика при воздействии на образцы токовыми импульсами прямоугольной формы, а также с линейно нарастающим передним фронтом.
Впервые получены данные о температуре образца при таком воздействии.
Впервые исследовано воздействие на структуру типа металл - окисел - полупроводник последовательности ряда импульсов с одинаковой скважностью и частотой. Показано, что при импульсном токовом воздействии происходит накопление тепла в приконтактной области, способствующее развитию необратимых деградационных процессов. Это выражается немонотонным ростом потенциала при прохождении импульса тока через дорожку металлизации.
2. Впервые исследованы электротепловые эффекты сложных структур типа полупроводник - окисел - металл. На примере системы Al-Si при наличии диэлектрической ступеньки на поверхности диэлектрика при воздействии импульсов с критическими плотностями тока j~81010А/м2 показано, что за оплавление токоведущей дорожки несет ответственность градиент температуры, активизирующий транспортные процессы в металлической пленке, что приводит к уменьшению значения критической плотности тока. Зарождение жидкой фазы только у отрицательного электрода свидетельствует о несимметричных тепловыделениях в контактной области медных токовых зондов с алюминиевой дорожкой и, однозначно, связано с термоэлектрическими явлениями. Убедительным подтверждением этому служит симметричное зарождение жидкой фазы у обеих токовых площадок при использовании Al зондов.
3. Методами токового импульсного воздействия изучены процессы деградации и разрушения объемных проволочных образцов в разных средах (на воздухе, в воде, в масле). Оценено влияние геометрии образца на характер разрушения. Определено, что при пропускании импульсов с критическими плотностями тока jкр 8,81011A/м2 образуется область перегорания проводника, размеры которой зависят от амплитуды импульса.
Экспериментальным путем были полученные данные, свидетельствующие об ускоренном процессе тепловой деградации проволочных образцов за счет экранирования тепла и эффекта коллапса пузырьков.
В электролитах с высокой теплопроводностью j прямоугольных токовых импульсов, приводящих к деградации проволок, намного меньше j для образцов находящихся на воздухе. Так, для алюминиевой проволоки длиной 30 мм и радиусом поперечного сечения r порядка 2,5 мкм jкр = 4,65 1011 A/м2 - на воздухе, jкр = 4,32 1011 A/м2 - в воде, jкр = 4,13 1011 A/м2 - в масле.
4. Проведен анализ тепловых, а также деградационных процессов (термических и механических) контактных зон металлизированной керамики (на примере структуры Cu - бериллиевая керамика). Показано, что при токовом импульсном воздействии с j~31011-81011A/м2 при наличии градиента температур T между паяными слоями в интервале 30-100 К возникают max, приводящие к процессам дефектообразования в исследуемых структурах.
Определены максимальные толщины бериллиевой керамики для конкретной области перепада температур dT/dx. Впервые получены кривые распределения напряжений для слоя металлизации и припоя, а также керамики и припоя. Они позволяют судить о пределах использования данного типа соединений с заданной геометрией.
В ходе работы проанализированы тепловые процессы в местах дефектов спая металл - диэлектрик. Показано, что при наличии в паяном соединении областей соприкосновения металлизации с подложкой из BeO термоупругие напряжения в момент включения и выключения токового импульсного воздействия превышают предел прочности для данного типа соединения. Так, для медной металлизации при T ~ 120 К и выше возникают термоупругие напряжения, приводящие к активному дефектообразованию.
Для бериллиевой керамики данные процессы возникают при T = 100 К и выше.
Полученные данные позволяют выявлять области безопасной работы данного типа соединений.
5. При оценке опасности, которую представляет напряженно-деформированное состояние для целостности конструктивного элемента, и предсказания возможного развития трещин, были использованы критерии разрушения, основанные на вычислении J-интеграла с использованием стандартной программы ANSYS.
Впервые получена зависимость упругопластических значений J-интеграла от длины трещины в образце.
Было отмечено, что данный метод описывает лишь механизм распространения трещин, имеющий чисто механическую природу.
Основные публикации по теме диссертации
1. А.А. Скворцов, В.В. Рыбин, С.М. Зуев. Особенности
электростимулированного разрушения алюминиевой металлизации при наличии диэлектрических ступенек на поверхности кремния. // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 6, стр.73-79.
2. А.А. Скворцов, А.М. Орлов, С.М. Зуев. К вопросу диагностики деградационных процессов в системе металл-полупроводник. // Микроэлектроника, 2011, том 40, №6, стр. 1-11.
3. А.А. Скворцов, В.В. Рыбин, И.П. Романенко. С.М. Зуев. Электростимулированное разрушение алюминиевой металлизации при наличии диэлектрических ступенек на поверхности кремния. // Труды 8-й международной конференции Пленки и покрытия - 2007. Санкт-Петербург, 2007 г. с. 200-202.
4. А.А. Скворцов, В.В. Рыбин, С.М. Зуев, Е.А. Каштанова. Особенности деградационных процессов в системах металлизаций в условиях термоудара. //Труды 7- всероссийской молодежной научной школы Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники: физические свойства и применение. Саранск, 2008 г. c. 83-84.
5. А.А. Скворцов, В.В. Рыбин, С.М. Зуев. Особенности деградации систем металлизаций при наличии диэлектрических ступенек на поверхности кремния. // Труды X международной конференции Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Ульяновск, 2008 г. с. 200.
6. А.А. Скворцов, С.М. Зуев. К вопросу тепловой деградации тонких алюминиевых пленок, напыленных на поверхность полупроводника. // Труды Международной научно-технической конференции Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров. Москва, 2010 г. с.95-107.
7. А.А. Скворцов, С.М. Зуев. Деградационные процессы в системах металл-диэлектрик. // Труды 2-й международной научно-технической конференции Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике. Зеленоград, 2011 г. с.57-60.
8. А.А. Скворцов, С.М. Зуев. Исследование влияния импульсного токового воздействия на процессы дефектообразования в системах металл-диэлектрик. // Труды 2-й международной научно-технической конференции Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике. Зеленоград, 2011 г. с.11-14.
Цитируемая литература
1. В.И. Старосельский. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники. М.: ЮРАЙТ Высшее образование, 2009 год. 463 стр.
2. М.Д. Скубилин, В.В. Поляков. Электронная техника: производство и применение. ТТИ - ЮФУ, 2010 г. 375 с.
3. А.А. Скворцов, В.В. Рыбин, С.М. Зуев. Особенности электростимулированного разрушения алюминиевой металлизации при наличии диэлектрических ступенек на поверхности кремния. // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 6, стр.73-79.
4. А.А. Скворцов, А.М. Орлов, А.А. Саланов. Деградационные процессы в системе алюминий кремний при импульсных электрических воздействиях. // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. В. 19. С. 76-84.
5. А.М. Орлов, А.А. Скворцов, В.В. Рыбин. К вопросу диагностики
деградационных процессов в системе алюминий - кремний при
импульсных электрических воздействиях. // ЖТФ, т. 32, вып. 6, 2006 г., с.
18 - 23.
6. А.М. Орлов, И.О. Явтушенко, А.В. Журавлева. Стартовые режимы возбуждения плазмы в проводящих водных растворах. // М. ЖТФ, 2010, том 80, вып. 2. с. 64-75.
7. О.А. Кузнецов, А.И. Погалов. Прочность паяных соединений. М.:
Машиностроение, 1987. 112 стр.
8. J.W. Hutchinson. Fundamentals of the phenomenological theory of nonlinear fracture mechanics. Trans. ASME, J. Appl. Mech., 1983, 1051 p.
1 Начальная температура контактного плавления связана с эвтектической температурой, которая для системы Al-Si соответствует Те=850 К [5].
2 J-интеграл может быть определен как линейный интеграл, не зависящий от пути интегрирования:
(13),
где Г - произвольный путь вокруг вершины трещины; w - удельная энергия деформации (энергия деформации, отнесенная к единице объема); tx - вектор напряжений вдоль оси X, ty - вектор напряжений вдоль оси Y;
tx=xnx+xyny (14),
ty=yny+xynx (15),
- компоненты вектора напряжений; n - единичный вектор нормали вдоль пути Г; u - вектор перемещений; s - длина пути интегрирования [8].
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике