WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Максимова Екатерина Александровна

Закономерности деградации

полупроводниковых чувствительных

элементов автомобильных датчиков Холла

специальность 01.04.07

Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Косушкин В.Г

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Стрелов В.И.

доктор физико-математических наук,

профессор Горбунов А.К.

Ведущая организация: Обнинский государственный

технический университет атомной

энергетики

Защита состоится « 10 » октября 2007г. в 16 час.00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имена Н.Э. Баумана» по адресу: г. Калуга, ул. Баженова, д.2, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал

Автореферат разослан «__»______2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Лоскутов С.А.

оБЩАЯ Характеристика работы

Актуальность работы заключается в следующем.

В настоящее время полупроводниковые датчики являются основными чувствительными элементами систем автомобильной электроники. Уже в настоящее время в современных автомобилях используется более сорока различных датчиков и надежность автомобиля в целом во многом зависит от работы этих элементов. Проблемы надежности полупроводниковых датчиков во многом определяются знанием механизмов изменения характеристик полупроводников под действием различных внешних факторов. Определение этих механизмов относится к фундаментальным проблемам современной физики. Среди используемых в настоящее время приборов наиболее выделяется группа датчиков, принцип действия которых основан на эффекте Холла.

Из-за сложности процессов, протекающих в чувствительных элементах, до сих пор не удается получить стабильные выходные характеристики датчиков, не изменяющиеся во времени. Ситуация также усугубляется жесткими условиями эксплуатации автомобиля, которые являются своеобразными катализаторами при протекании тех или иных деградационных процессов. Поэтому для повышения надежности работы датчиков необходимо понять физические процессы, протекающие в полупроводниковых элементах, и исключить случайные маскирующие факторы, мешающие однозначному определению причин необратимых изменений параметров датчиков. Это определяет актуальность работы.

Объектом исследования в данной работе являются автомобильные датчики, принцип действия которых основан на эффекте Холла и в которых чувствительным элементом является кремниевый кристалл.

Предметом исследования выбраны теоретические методы определения внутренних механических напряжений в кристаллах и связанные с ними изменения их электрофизических свойств, а также экспериментальные методы исследования микроструктуры и электрофизических свойств полупроводников.

Целью настоящей работы является установление закономерностей деградации полупроводниковых чувствительных элементов автомобильных датчиков Холла в процессе их производства и эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • Установить механизмы, протекающие в полупроводниковых чувствительных элементах при их производстве и эксплуатации и вызывающие необратимые изменения их выходных параметров.
  • Разработать алгоритм расчета уровня механических напряжений в полупроводниковых структурах и определить величины внутренних напряжений для исследуемых чувствительных элементов датчиков Холла.
  • Разработать математическую модель, позволяющую описывать зависимость электрофизических параметров полупроводникового элемента от уровня механических напряжений.
  • Разработать методики экспериментального исследования электрофизических свойств чувствительных элементов с различным уровнем внутренних механических напряжений, которые позволяли бы, не разрушая, анализировать на различных жизненных этапах датчиков полупроводниковый материал их чувствительного элемента.
  • Провести анализ закономерностей влияния внутренних механических напряжений в полупроводниках на наличие в них структурных дефектов.
  • На основе полученных результатов разработать способы, позволяющие минимизировать возможность необратимого изменения параметров датчиков, тем самым повысить их надежность.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлены закономерности и механизм деградации чувствительных элементов датчиков Холла, в основе которого лежат необратимые изменения структуры и свойств полупроводникового материала.

2. Разработана методика экспериментального исследования электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов с помощью измерения микротермо-ЭДС, которая может быть применена на предприятиях в качестве неразрушающего метода контроля для анализа кремниевых кристаллов на любой стадии производства и эксплуатации датчика.

3. Предложена модель изменения электрофизических свойств в зависимости от присутствия дефектов структурного строения в кремниевых кристаллах.

Практическая ценность предложенного подхода состоит в том, что он позволяет комплексно решать задачи надежности. Найденные закономерности могут быть распространены на другие классы полупроводниковых датчиков и приборов, где в качестве активного компонента используется кремниевый кристалл. Используя полученные при выполнении данной диссертационной работы результаты, на предприятии ОАО «Автоэлектроника» была оптимизирована технология окончательной сборки датчиков Холла, что подтверждается актом внедрения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизм деградации чувствительных кремниевых элементов датчиков Холла.

2. Методика определения внутренних механических напряжений, возникающих в чувствительных элементах в процессе производства и эксплуатации датчиков.

3. Модель, описывающая взаимное влияние механических и электрических свойств чувствительных элементов.

4. Методика металлографического исследования полупроводниковых структур рассматриваемых чувствительных элементов датчиков Холла.

5. Методика измерения микротермо-ЭДС чувствительных элементов с различным уровнем механических напряжений и установленная закономерность между измеренными значениями микротермо-ЭДС и основными электрофизическими свойствами чувствительных элементов.

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались и обсуждались на 5 Всероссийских, международных научно-технических и научно-практических конференциях, научно-практических семинарах, в т.ч. на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Калуга, 2006), 5-ой и 6-ой международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2005, 2006). Материалы диссертации опубликованы в 3 тезисах в трудах конференций и 5 статьях, в том числе в журналах «Нано- и микросистемная техника», «Наукоемкие технологии».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 102 страницах, в том числе основного текста 93 страницы, содержит библиографический список из 88 наименований, 16 рисунков, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, ее научная новизна и практическая ценность, определяются объект, предмет и цели исследования, а также задачи, которые необходимо решить для достижения поставленных целей. Приводятся основные положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации.

Первая глава посвящена анализу современного состояния полупроводниковых датчиков, включая датчики автомобильного применения, на основании которого делается вывод об актуальности исследования датчиков с целью реализации предъявляемых к ним требований по надежности и стоимости. Приводятся перспективы развития рынка датчиков с указанием предъявляемых к ним требований. Дан краткий обзор основных типов датчиков, работающих на эффекте Холла. Уделяется внимание основным понятиям теории надежности датчиков, методам ее прогнозирования. Исследуются возможные причины отказов полупроводниковых датчиков Холла. На основе классической теории упругости указаны основные принципы анализа напряженного состояния полупроводниковых структур, влияния механических напряжений на энергетический спектр носителей. Рассмотрены механизмы влияния внутренних механических напряжений на чувствительные элементы датчиков.

Детально изучены имеющиеся методы исследования микроструктуры и свойств полупроводников, выявлены их достоинства и недостатки.

На основе проведенного анализа литературных источников была определена цель работы - установление закономерностей деградации чувствительных элементов автомобильных полупроводниковых датчиков Холла, и поставлены задачи для ее достижения. Выявление негативных факторов, приводящих к снижению надежности датчиков, изучение их влияния на деградацию датчиков, позволит выработать единый подход к их устранению еще на этапах проектирования и производства датчиков.

Глава вторая содержит описание использованных и разработанных в работе расчетных методик и алгоритмов моделирования напряженных состояний кремниевого чувствительного элемента в датчиках, закономерностей изменения их электрофизических параметров от имеющейся величины внутренних механических напряжений.

Из анализа научных публикаций по выбранной тематике и практического опыта следует, что большая часть напряжений в структуре возникают на стадиях разделения пластины на кристаллы и последующей финишной сборки приборов. Типовые технологии сборки предполагают, что напряжения обусловлены воздействием на конструкцию датчика температурных факторов. Причинами образования механических напряжений являются различные температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) материалов элементов датчика и механические воздействия, возникающие в ходе выполнения технологических операций и переходов. Герметизирующий полимерный компаунд обладает ТКЛР, существенно отличным от ТКЛР кремния. Компаунд, основу которого составляет эпоксидная смола, имеет ТКЛР, равный К-1, тогда как у кремния ТКЛР равен К-1. Существенная разница значений ТКЛР приводит к сжатию полупроводника при охлаждении до комнатной температуры после завершения полимеризации компаунда при 1300С. При последующих резких колебаниях температуры от минус 400С до плюс 1300С во время проведения испытаний и эксплуатации происходит развитие имеющихся дефектов структуры и образование новых, которые и могут привести к постепенным или внезапным отказам.

Анализ процесса изготовления датчиков Холла показал, что наибольший вклад в уровень напряжений кремниевой структуры может вносить этап герметизации с применением полимерного компаунда.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы была разработана математическая модель, которая описывает зависимость между уровнем внутренних механических напряжений в кремниевом кристалле и его электрофизическими характеристиками.

В рамках данной модели был разработан алгоритм расчета величины внутренних механических напряжений, возникающих на стадии производства и эксплуатации в кристалле. Основой предлагаемого алгоритма являются типовые приемы расчета теории упругости материалов, построенной на основе механики сплошных сред.

При определении внутренних напряжений в полупроводниковой структуре были сделаны следующие допущения. Из-за симметрии конструкции датчика ее изгибом пренебрегаем, так как слои компаунда сверху и снизу структуры одинаковые и их толщина существенно превышает ее толщину. Считаем, что до герметизации в полупроводниковой структуре отсутствуют какие-либо остаточные структурные и температурные напряжения.

После завершения полимеризации герметизирующий компаунд растянут. Это приводит к тому, что на нижнюю и верхнюю поверхности кристалла действует внешняя распределенная сила F, направленная перпендикулярно к поверхности кристалла. В результате исследуемая структура подвергается деформации и оказывается сжатой. Также предполагаем, что на боковые поверхности структуры не действуют какие-либо силы, поэтому сжатие считаем одноосным.

Для нахождения силы, действующей на чувствительный элемент был проведен анализ напряженного состояния конструкции датчика. После герметизации в каждом элементе конструкции появляются внутренние усилия, которые связаны уравнением:

,

где - количество элементов.

Проведенные расчеты показали, что с каждой стороны на чувствительный элемент действует внешняя сила, равная 0,96…1,23МПасм2.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.