08 марта 2016г.
Введение
При воздействии на проводник различных токовых импульсов происходят локальные тепловые возмущения в соединении. Следствием этого является разрушение системы металлизации проводника. Поэтому анализ тепловых процессов может дать важную информацию о характере возникновения и динамике протекания рассматриваемых явлений.
Работа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, в которых используются проводники, обычно связана с повышенными тепловыми и механическими нагрузками, достигающими максимальных значений при повышенных значениях плотности тока, что приводит к перегоранию соединения. Между тем, влияние на проводник критических процессов (при максимальных плотностях тока), приводящих к взрыву образца, практически не изучено. Поэтому исследование проводника в момент его взрыва может иметь практическую ценность.
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) [3].
1. Теоретический анализ
При расчете темпа нагрева термоизолированного проводника были сделаны следующие допущения:
а) можно пренебречь градиентом температур от центра проволочки к еѐ поверхности. Оценим отношение внутреннего термического сопротивления проволочки в поперечном направлении к внешнему термическому сопротивлению, обусловленному конвекцией (наиболее существенным процессом поверхностной теплоотдачи):
То есть, изменение температуры от центра к поверхности внутри проволочки мало (по сравнению с изменением температуры (от T к T0) в пограничном слое), что и дает основание приписать всему сечению проволоки и ее поверхности одну температуру T.
б) Принимаем поперечное сечение проволочки постоянным по всей длине образца.
Выделенное тепло полностью расходуется на нагрев самого проводника, и условие теплового баланса может быть представлено очевидным уравнением:
(2)
Здесь I-текущий по проводнику ток; V-объем проводника; Q = T -T 0 ; T и T0-текущая и начальная температура соответственно; a - температурный коэффициент сопротивления (ТКС); R0- сопротивление при начальной температуре; C-удельная теплоемкость; g - плотность.
1. Экспериментальная часть
В качестве образца использовались алюминиевая проволочка диаметром 50, 150, 200 мкм и длиной l = 25 мм, которая была закреплена в массивных стальных зажимах. Опыт проводился в двух средах: образец находился в воздухе, в воде, а также в масле.
Регистрировались температурные изменения при пропускании через проволочку импульсов прямоугольной формы. Полученные осциллограммы U(t) позволяли анализировать тепловые процессы в проводнике.
Экспериментальные данные, приведенные на Рисунке 2, хорошо согласуются с теоретическими расчетами для проводников находящихся в вакууме или воздухе.
Из Рисунка 2 видно, что для всех образцов падение напряжения и, следовательно, температура изменяется экспоненциально. Это свидетельствует о преобладании процессов накопления тепла в самом проводнике над процессом теплопередачи.
В ходе экспериментов по анализу деградационной стойкости объемных проводников в силовых транзисторах была проведена серия экспериментов по термоциклированию исследуемых образцов. Были проведены серии экспериментов при воздействии на образец токовыми импульсами с j ~ 3,0∙1011 A/м2с числом циклов порядка 100 токовых импульсов. Было обнаружено возрастание R структуры после проведения серии импульсных воздействий, что говорит о процессах деградации данной структуры.
При плотностях токовых
импульсов превышающих j>4,7∙1011 A/м2 наблюдается перегорание проволочки. Перегорание проволочки происходит преимущественно в центральной части. Размер участка проволочки,
в котором происходит перегорание, составляет примерно 1/5 часть от общей длины проводника.
В ходе экспериментов по изучению тепловых
процессов в алюминиевых проволоках, был проведен эксперимент для образцов находящихся в жидкой среде (в частности, в масле). При воздействии на образец токовым импульсным воздействием с j ≥ 2·1011 А/м2 наблюдалось образование пузырьков вокруг проволоки (Рисунок 3):
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.
Выводы:
Таким образом, фазовые
превращения 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.
Действительно, экспериментальным
путем были полученные данные, свидетельствующие об ускоренном процессе теплового
разрушения проволоки за счет экранирования тепла и коллапса пузырьков.
Список литературы
1.
Kato N.I., Nishikava A., Saka H. dislocations in Si generated by fatigue
at room temperature // Mater. Sci. Semicond. Process., 2001, v.4, № 1-3,
p.113-115.
2.
Каленков С. Г., Скворцов А. А., Корячко
М. В. Фазовые превращения в системах металлизации при нестационарном тепловом
воздействии// Письма в Журнал
технической физики. – СПб.: Физико- технический институт
им. А.Ф. Иоффе РАН, №19, 2014. с. 15-18.
3.
Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа,
1967, 600 с.
4.
Малер Р., Кейминс
Т. Элементы интегральных микросхем. М.: Мир, 1989, 630 с.
5. Орлов А. М., Скворцов
А. А., Рыбин В. В. К вопросу диагностики деградационных процессов в системе алюминий – кремний
при импульсных электрических воздействиях. // ЖТФ, т. 32, вып. 6, 2006 г., с..18 – 23.
6.
Орлов И. Я. Основы радиоэлектроники. Н.Новгород, Нижегородский университет им. Н.И. Лобачевского. 2011, 169 с.
7. Скворцов А. А., Рыбин В. В., Зуев С. М. Особенности электростимулированного разрушения алюминиевой металлизации
при наличии диэлектрических ступенек
на поверхности кремния. // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 6, стр.73-79.
