Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное внедрение вычислительной техники (ВТ) в различные сферы человеческой деятельности и создание на ее основе сложных интегрированных информационно-измерительных и управляющих систем выдвинуло в ряд важнейших проблему обеспечения надежности их функционирования. Данная проблема непосредственно связана с задачей обеспечения высокой надежности полупроводниковых (п/п) активных элементов (дискретных транзисторов, гибридных и п/п интегральных схем), составляющих основу современных систем и устройств ВТ.
Многочисленными исследованиями доказано, что одной из основных причин отказов п/п активных элементов является отклонение теплового режима их работы от установленных норм. Это отклонение может быть обусловлено рядом причин: неудачным конструкторско-технологическим решением; несоответствием используемых материалов установленным нормам; сбоями в технологическом процессе и целым рядом других причин, необна-руживаемых традиционными методами контроля.
С тепловым режимом работы непосредственно связаны термодеформации, возникающие в элементах под воздействием как переменных температур, так и наличия градиента температуры. Тфмодеформации также существенно снижают фок службы активных элементов.
Несмотря на достигнутый прогресс в развитии аналитических методов расчета тепловых режимов и термодеформаций, в условиях быстро меняющейся номенклатуры изделий и возможных сбоев технологического процесса большой интерес представляют экспериментальные методы контроля.
Применяемые в настоящее время методы и технические федства контроля тепловых режимов и термодеформаций п/п активных элементов либо не решают вопросов контроля пространственного распределения температуры и термодеформаций (методы, использующие термозависимые электрические параметры активных элементов), либо сложны в применении и требуют предварительной подготовки поверхности исследуемых элементов (интерференционная микроскопия; тепловизионные методы; спекл- интффе-рометрия; голографические методы).
В связи с изложенным, разработка новых методов и технических федств контроля тепловых режимов и термодеформаций п/п активных элементов является актуальной задачей и имеет как научное, так и практическое значение.
Цель работы - разработка и исследование метода контроля теплофизиче-ских параметров п/п активных элементов по результатам измерения их тер-
модеформаций (дилатометрический метод), а также средства для технической реализации предложенного метода.
Для достижения этой цели решались следующие научные задачи:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование дилатометрического метода контроля теплофизических параметров п/п активных элементов;
-
Разработка метрологических основ дилатометрического метода контроля;
-
Теоретическое и экспериментальное исследование возможности применения волоконно - оптических устройств для контроля термодеформаций п/п активных элементов.
Методика и направление исследований. Зависимость надежности активных элементов от теплового режима и термодеформаций, неразрывная взаимосвязь последних определили основное направление исследований -разработку эффективного экспериментального метода и средства, позволяющего осуществлять контроль п/п активных элементов с помощью одновременного измерения их термодеформаций и теплофизических параметров.
В настоящей работе в качестве термометрического свойства выбрано тепловое линейное расширение исследуемого элемента. В целях обоснования принятой концепции в работе теоретически и экспериментально исследованы тепловые переходные процессы, протекающие в п/п активных элементах при рассеивании в них электрической мощности. Теоретическое исследование тепловых процессов проведено на основе анализа эквивалентных электрических схем с учетом закономерностей теплового расширения твердых тел. Подтверждение основных теоретических выводов получено при проведении экспериментальных исследований термодеформаций и параметров теплового режима нескольких типов мощных транзисторов и гибридных интегральных схем.
Теоретический анализ процессов термодеформаций мощных транзисторов позволил сформулировать основные требования к метрологическим характеристикам разрабатываемого волоконно-оптического датчика (ВОД) для контроля термодеформаций.
Исследование параметров и характеристик ВОД выполнено с учетом законов распространения оптического излучения.
Математическое моделирование, обработка и анализ экспериментальных результатов проведены с применением ЭВМ и программ, написанных с использованием интегрированной системы Microsoft MathCAD 5.0 Plus .
Научная новизна диссертации сводится к следующему: 1. Показана возможность дилатометрического метода контроля распределения относительной температуры перегрева но площади п/п активного
элемента путем математической обработки результатов измерения переходных процессов термодеформаций в нескольких точках кристалла исследуемого элемента при подаче на него импульсной разогревающей мощности.
2. Проведен анализ особенностей применения волоконно-оптических интерферометров для контроля термодеформаций и теплофизических параметров полупроводниковых активных элементов.
Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать дилатометрический метод контроля теплофизических параметров п/п активных элементов, а также устройство для его реализации:
-
Предложенный дилатометрический метод позволяет исследовать пространственное распределение относительной температуры перегрева по площади кристалла п/п активного элемента, а также, в ряде случаев, тепловые сопротивления и теплоемкости отдельных слоев элемента. Возможно применение данного метода при отработке теплового режима п/п активных элементов.
-
Разработан и создан макет ВОД на базе интерферометра Фабри-Перо низкого контраста, обеспечивающий исследование термодеформаций и реализацию дилатометрического метода контроля теплофизических параметров п/п активных элементов.
-
Результаты анализа инструментальной и методической погрешностей ВОД, его пространственной разрешающей способности и требований к параметрам юстировки могут использоваться при разработке ВОД для контроля термодеформаций п/п активных элементов.
На защиту выносятся:
1. Метод контроля распределения относительной температуры перегрева
в пределах кристалла активного элемента, основанный на подаче на иссле
дуемый элемент импульса электрической разогревающей мощности и измере
нии параметров переходного процесса теплового расширения в точках, рав
номерно распределенных по площади кристалла.
-
Дифференциальный метод измерения термодеформаций активного элемента, обеспечивающий выделение информации о параметрах его теплового расширения.
-
Принцип построения ВОД для контроля термодеформаций в п/п активных элементах и результаты анализа составляющих его методической и инструментальной погрешности.
4. Результаты анализа пространственной разрешающей способности
ВОД и требований к параметрам его оптической части.
Основные результаты работы представлены и доложены на 5-й Российской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепло-
вые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 1993), Всероссийской конференции "Волоконная оптика" (Москва, 1993), 7-й Всероссийской научно - технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ("Датчик-95")" (Крым, 1995), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 1996), 2-й Всероссийской научно- технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (Н. Новгород, 1997), ежегодных научно - технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1993-1996).
Публикации. Результаты исследований отражены в 8 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 126 страниц, в том числе 5 страниц приложений, список литературы из 83 наименований.
