Электроника

Виды отказов активных элементов интегральных схем

Ранние отказы активных элементов (АЭ), имеющие место в первые несколько сотен часов работы, вызваны, как правило, дефектами в окисле (проколами), вследствие которых образовались паразитные диффузионные области или короткое замыкание металлизации с кремнием, загрязнениями окисла, вызывающими повышенные токи утечки р-п-переходов [1, 2].

Полупроводниковые ИС отличаются повышенной устойчивостью к ударным и вибрационным нагрузкам (безопасно выдерживают ускорения в 1000 g). Полупроводниковые активные элементы весьма чувствительны к перегрузкам по току и напряжению и выходят из строя даже при кратковременных перегрузках измеряемых миллисекундами. Кроме того, их надежность чрезвычайно зависит от температуры р-п-перехода. В маломощных логических схемах, где разогрев кристалла незначителен, повышение температуры корпуса от 20 до 125ºС увеличивает интенсивность отказов транзисторов в 18 раз, а при Т=200ºС – в 50 раз.

Наиболее распространенной причиной отказов АЭ является выход из строя р-п-перехода. Известны следующие виды отказов р-п структур:

а)     короткое замыкание (к.з.) в диодах и биполярных транзисторах: попадание проводящих частиц между контактными площадками или выводами;

б)     пробои р-п-переходов и проплавление металлизации через диффузионные слои в кремнии при высоких уровнях рассеиваемой мощности.

Короткие замыкания р-п-переходов из-за нахождения между контактными площадками или выводами посторонних проводящих частиц, например металлических, встречаются редко. Эти частицы появляются вследствие отслаивания осажденного химическим путем металлического покрытия внутренней поверхности корпуса при резких ударах. При работе схемы в условиях вибрации металлические частицы могут попасть на кристалл и закоротить один из р-п-переходов.

Наибольшую опасность представляют различные виды пробоев р-п-переходов, возникающие из-за перегрузок по току и напряжению.

Эти перегрузки обуславливаются неправильным использованием ИС в электронных устройствах и некорректной методикой измерения их параметров. При пробоях имеет место рассеивание больших мощностей, приводящее к нагреву кристалла вплоть до расплавления металлизации и проникновения металла через диффузионные слои в эмиттере и базе. В результате происходит к.з. р-п-переходов эмиттер-база и база-коллектор. Ассиметричные вольт-амперные характеристики р-п-переходов вырождаются в прямые линии с наклонами, равными величинам малого сопротивления между замкнутыми электродами. Очевидно, что при этом диод или биполярный транзистор имеют катастрофический отказ.

Следует отметить, что пробой р-п-переходов в кремниевых планарных диодах и транзисторах ИС не происходит одновременно по всей площади переходов.

Вторичный пробой проявляется в виде резкого уменьшения напряжения между выводами транзистора эмиттер-коллектор Uкэ с одновременным ростом коллекторного тока. Если транзистор находится достаточно долго (более 1мс) в состоянии вторичного пробоя, то происходит расплавление эмиттерной и базовой металлизации, проплавление сквозь базу и, следовательно, к.з. в цепях эмиттер-база, эмиттер-коллектор.

Анализ показывает, что вторичный пробой может иметь место при малых коллекторных токах и больших напряжениях U_кэ=U_кэо, когда наблюдается заметная ударная ионизация в коллекторном р-п-переходе, так и при сравнительно малых напряжениях U_кэ<<U_кэо, но при больших токах I_к.

В логических ИС транзисторы работают при очень малых уровнях мощности Р < 10мВт и при малых U_к < 10В. Поэтому в таких схемах выход транзисторов из строя вследствие возникновения вторичного пробоя в нормальных рабочих условиях маловероятен. В микромощных логических схемах к.з. диодов и биполярных транзисторов происходит, как правило, вследствие туннельного пробоя эмиттерного и лавинного пробоя коллекторного р-п-переходов при случайных значительных превышениях пробивных напряжений переходов U_эбо и U_кбо.

Исследования показали, что при подаче обратного напряжения длительностью даже несколько микросекунд, превышающего напряжение пробоя р-п-перехода, в последнем выделяется значительная мощность и вследствие локального теплового удара происходит растрескивание кристалла кремния и окисла над ним. Это явление названо «эффектом биллиардного шара». После растрескивания сопротивление р-п-перехода резко уменьшается, протекающие через деградированный переход токи резко увеличиваются. В результате локальный разогрев достигает температуры образования эвтектики Al—Si и алюминий проникает в слой кремния, вызывая к.з. р-п-перехода.

Третий механизм возникновения к.з. р-п-переходов – электродиффузия кремния в алюминий. При обычных температурах (Т<200ºС) кремний в алюминии почти не растворяется. Растворение кремния ограничивается скоростью тепловой диффузии кремния в алюминий, которая происходит очень медленно, с энергией активации 0,95 эВ.

Однако, если на алюминиевый контакт подать положительный относительно Si потенциал и пропустить токи большой плотности, то растворение Si в Al резко ускоряется вследствие электродиффузии. Алюминий вблизи поверхности кремния обедняется кремнием. Поэтому, несмотря на то, что растворимость Si в Al при рабочих температурах мала (0,003 вес % даже при 255ºС), все большее количество кремния из кристалла будет растворяться в алюминии. Этот процесс непрерывен, и в результате в кремнии образуются ямки, заполненные алюминием, который достигает ближайшего р-п-перехода и вызывает к.з.

Список использованных источников:

1. Алексеев, В.Ф. Тепловые модели отказов полупроводниковых структур при воздействии мощных электромагнитных импульсов / В.Ф. Алексеев, В.И. Журавлёв // Доклады БГУИР. – 2005. – № 3-4. – С. 65–72.

2. Алексеев, В.Ф. Определение температуры p–n-перехода вследствие импульсного нагрева и его программная реализация / В.Ф. Алексеев, В.И. Журавлёв // Вестник Рязанской государственной радиотехнической академии. – 2005. – № 4. – С. 76–80.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Бужинский А. Д.

Алексеев В. Ф. – канд. техн. наук, доцент

 

Модели прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов сложных электрорадиоизделий

Обсуждаются математические модели прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов сложных электрорадиоизделий: электромагнитных реле, трансформаторов, дросселей и т.п.

Достоверность оценки показателей безотказности электронных устройств во многом определяется прогнозом эксплуатационной безотказности элементов, входящих в состав устройства. В настоящее время в качестве характеристики безотказности элементов используют их эксплуатационную интенсивность отказов. Её прогнозирование обычно выполняют расчётным способом.

Значения эксплуатационной интенсивности отказов λ_Э большинства групп элементов рассчитывают по математической модели

где λ_Б – обобщённая (базовая) интенсивность отказов, характерная для данной группы элементов в целом; К_i –коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов (i = 1, …, m); m –  число учитываемых факторов.

Для сложных электрорадиоизделий (ЭРИ), суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например, электромагнитной катушки и контактной системы реле), предлагается использовать следующую модель:

где λ_Бj – исходная (базовая) интенсивность отказов j-й части изделия (j = 1, …, n); n – количество составных частей изделия; К_i^(j) – коэффициент, учитывающий влияние i-го фактора для j-й части изделия  (i = 1, …, m; j = 1, …, n); m_j – количество факторов, учитываемых для j-й части изделия.

Модель (1) учитывает тот факт, что разные части ЭРИ могут иметь разные значения коэффициентов К_i^(j), учитывающих влияние одного и того же фактора, в частности уровня качества изготовления в условиях производства (вида приёмки). Например, электромагнитная катушка реле может изготавливаться с уровнем качества, характеризуемым приёмкой «1», на одном предприятии, а контактная система и сборка реле в целом могут выполняться с приёмкой «3» – на другом предприятии.

Исходные (базовые) интенсивности отказов λ_Бjвыбирают из справочников или подсчитывают по полученным  своим моделям. Конкретный вид модели (1) для группы ЭРИ зависит от конструктивных особенностей ЭРИ и количества задействованных частей, в частности контактов в случае коммутационного изделия, соединителя, реле. В соответствии с (1) модель прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов, например электромагнитных реле, примет вид:

где λ_Б^(L) – базовая интенсивность отказов электромагнитной катушки реле; λ_Б^(КОМ) – интенсивность отказов реле, приходящаяся на одну коммутацию, характеризует безотказность механической части реле, включая контактную систему; К_Р^(L), К_Р – коэффициенты режима работы соответственно для катушки и контактов реле (зависят от электрической нагрузки и температуры); L – верхний индекс, означающий, что соответствующие величины относятся к электромагнитной катушке реле; К_F – коэффициент, учитывающий число коммутаций реле в час; К_П^(L), К_П – коэффициенты приёмки, учитывающие степень жёсткости требований к контролю качества и правила приёмки в условиях производства соответственно катушки и реле в целом; F – средняя частота переключений или коммутаций реле в час в аппаратуре; К_К – коэффициент, зависящий от количества задействованных контактов реле; К_Э – коэффициент эксплуатации, зависящий от жёсткости условий эксплуатации реле при его работе в составе аппаратуры.

Список использованных источников:

1. Прытков, С. Ф. Надёжность электрорадиоизделий, 2006 : справочник / С. Ф. Прытков, В. М. Горбачева, А. А. Борисов [и др.] // научн. руководитель авторского коллектива С. Ф. Прытков. – М. : ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2008. – 641 с.

Авторы:

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

г. Минск, Республика Беларусь

Бурак И. А., Шнейдеров Е. Н., Бруй А. А.

Боровиков С. М. – канд. техн. наук, доцент

 

Микропроцессорное устройство для зарядки кислотных аккумуляторов «МЗУ-10»

Устройство предназначено для эффективной зарядки кислотных аккумуляторных батарей (АКБ). Устройство собрано на базе блока питания компьютера с измененной схемой под управление микроконтроллером ATMEGA 128 с разработкой соответствующего программного обеспечения. Максимальная эффективность зарядки достигается при использовании импульсного тока и возможности программного управления процессом зарядки. Принцип работы устройства основан на сравнении напряжений и токов на АКБ и блоке питания, анализе и выборе алгоритма зарядки. 

 

 

Технические характеристики:
Габаритные размеры, мм	150×150×80
Масса, кг	0,7
Напряжение питания, В 0	220

Статус прав интеллектуальной собственности: удостоверение на рационализаторское предложение №49 от 27.02.2013, выданное УО «Городокский государственный профессионально-технический колледж сельскохозяйственного производства им. И.В. Дорощенко».

Авторы: Федотов Евгений Владимирович – преподаватель, Смирнов Александр Анатольевич – преподаватель УО «Городокский государственный профессионально-технический колледж сельскохозяйственного производства им. И.В. Дорощенко».

Адрес: 211573, Витебская обл., г. Городок, ул. Баграмяна, 31.

Тел.: 8 (02139) 4-31-92.

Радиоуправляемый прожектор света «РУПС-15»

Радиоуправляемый прожектор формирует луч света в виде круга и предназначен для освещения сцены. Луч света перемещается по горизонтали и вертикали при помощи пульта дистанционного управления.

Устройство состоит из радиоуправляемого прожектора, двух электродвигателей, установленных на платформе, один на поворот вправо и влево, второй — вверх и вниз. Электродвигатели управляются при помощи дистанционного пульта, позволяющего одновременно подавать команды ВВЕРХ, ВПРАВО. Платформа и пульт дистанционного управления снабжены светодиодной индикацией, позволяющей информировать о готовности прожектора к работе.

 

 

Технические характеристики:
Напряжение питания прожектора, В:	220
Напряжение схемы управления БП, В	10
Напряжение пульта управления, В	9
Угол поворота, градус	180
Угол подъема, градус	25
Максимальная дальность управления, м	15

 

Статус прав интеллектуальной собственности:удостоверение на рационализаторское предложение №171 от 01.02.2013, выданное УО «Лунинецкий государственный политехнический профессионально-технический колледж».

Авторы: Левшиц Василий Федорович – учащийся, Корчик Алексей Игоревич – учащийся УО «Лунинецкий государственный политехнический профессионально-технический колледж».

Адрес: 225644, Брестская обл., г. Лунинец, ул. Чехова 10-а.

Тел.: 8 (01647) 2-57-48,

2-57-50.

Металлоискатель с цифровым индикатором

Металлоискатель предназначен для обнаружения металла и металлических предметов на небольшой глубине в нейтральной или слабопроводящей среде: в грунте, воде, древесине, одежде, багаже, пищевых продуктах, организме человека и животных и т. д. Также его можно использовать в строительстве при поиске скрытой электропроводки.

Принцип действия импульсного металлоискателя основан на возбуждении в металлическом объекте импульсных вихревых токов и измерении вторичного электромагнитного поля, которые наводят эти токи.

 

Технические характеристики:
Габаритные размеры, мм	1200×300×300
Масса, кг	1,5
Напряжение питания, В	12
Глубина поисковых работ, мм	500

Статус прав интеллектуальной собственности: удостоверение на рационализаторское предложение №35 от 24.01.2013, выданное УО «Гомельский государственный профессионально-технический колледж электротехники».

Автор: Прохоров Дмитрий Геннадьевич – мастер производственного обучения УО «Гомельский государственный профессионально-технический колледж электротехники».

Адрес: 246007, г. Гомель, ул. Федюнинского, 6-б.

Тел.: 8 (0232) 68-41-63.

Высококачественное углеродное покрытие

Углеродное покрытие повышенного качества (однородное и износостойкое) можно с успехом наносить на металлические и оптические детали, если воспользоваться изобретением «Способ формирования углеродного покрытия в вакууме» (патент Республики Беларусь №16244, МПК (2006.01): C23C16/26, C23C14/06; заявитель и патентообладатель: Учреждение образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»).

Поясняется, что углеродные покрытия обладают рядом уникальных свойств: высокими твердостью и удельным электрическим сопротивлением, «хорошей» теплопроводностью, оптической прозрачностью в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного излучения, низким коэффициентом трения, высокой стойкостью к агрессивным химическим средам и некоторым видам излучений. Нанесение этих покрытий на рабочую поверхность деталей узлов трения, пресс-форм, плунжерных пар и других деталей является одним из эффективных технологических приемов, позволяющим повысить износостойкость поверхностных слоев, долговечность и надежность устройств различного назначения.

Предложенный белорусскими учеными способ включает следующие технологические операции: 1) предварительную обработку поверхности изделия ускоренными ионами аргона, 2) нанесение на обработанную поверхность подслоя на основе карбидообразующего металла (или его сплава) электродуговым испарением с сепарацией плазменного потока магнитным полем, 3) электродуговое испарение графитового катода под действием импульсного электродугового разряда, созданного между графитовым катодом и анодом путем подачи на них напряжения с частотой следования импульсов 1-5 Гц, 4) конденсацию частиц углерода на поверхности изделия. При этом амплитуды формирующего импульсные электродуговые разряды напряжения и длительность самих импульсов авторами тщательно подобраны.

Отмечается, что запатентованный способ обеспечивает высокие скорости наращивания углеродного покрытия на обрабатываемых деталях с одновременным снижением в нем (в покрытии) величины внутренних напряжений, что положительно сказывается на «триботехнических свойствах» этого покрытия.

Повысили точность измерений

Повышена точность измерения локального градиента индукции магнитного поля благодаря научно-технической разработке «Магнитный градиентометр» автора В.Ярмоловича из Научно-практического центра Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (патент Республики Беларусь на изобретение №16322, МПК (2006.01): G01R33/022, H01L43/06; заявитель и патентообладатель: это Государственное научно-производственное объединение). Магнитный градиентометр относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и может найти применение для: 1) прецизионных измерений, 2) преобразования в электрический сигнал больших локальных градиентов индукции магнитного поля, в том числе — в магнитных системах датчиков и устройств, работающих в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях, 3) обнаружения дефектов печатных плат, 4) идентификации микроскопических магнитных частиц.

Новым в предложенном техническом решении является оригинальное выполнение активных магниточувствительных областей полупроводникового слоя (с примесным типом проводимости) магнетометра, его проводящего элемента, а также то, что два токовых контакта проводящего элемента подключены к третьему источнику тока, управляемому микропроцессором. В результате стала возможной калибровка градиента индукции внешнего магнитного поля непосредственно в процессе проведения измерений в различных режимах (в зависимости от программы микропроцессора), что и приводит к повышению точности измерений по сравнению с аналогами и прототипом данного изобретения.

Для неразрушающего контроля

К области неразрушающего контроля ферромагнитных материалов и изделий из них относится изобретение автора из Института прикладной физики Национальной академии наук Беларуси (патент Республики Беларусь на изобретение №16135, МПК (2006.01): G01N27/72; заявитель и патентообладатель: отмеченное выше Государственное научное учреждение). Новое техническое решение может быть использовано для испытаний, контроля и диагностики структурно-напряженного состояния ферромагнитных материалов и изделий из них.

Предложена новая конструкция магнитошумового преобразователя для контроля физико-механических характеристик «слабошумящих» ферромагнитных материалов с высокой чувствительностью к их состоянию.

Магнитошумовой преобразователь для контроля слабошумящих ферромагнитных материалов содержит магнитопровод 1 П-образной формы, расположенную на нем питаемую от генератора (на фигуре отсутствует) намагничивающую катушку 2, предназначенные для создания магнитного поля в исследуемом слабошумящем образце 3 из ферромагнитного материала, измерительную катушку 4 индукционного типа с размещенной в ней обмоткой 5, расположенную между полюсами П-образного магнитопровода 1 и предназначенную для регистрации магнитных шумов Баркгаузена, электронный измерительный блок 6.

Отмечается, что данное изобретение позволяет повысить достоверность и производительность проведения подобного контроля, расширить функциональные возможности известных магнитошумовых преобразователей, упростить конструкцию и снизить их габариты.

Новый миниатюрный датчик

Повысить точность измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля позволяет изобретение «Магниточувствительный датчик» (патент Республики Беларусь № 16260, МПК (2006.01): G01R33/07, H01L43/06; заявитель и патентообладатель: ГНПУ «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению»). Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике. Датчик миниатюрен и может эксплуатироваться в течение длительного промежутка времени даже в неблагоприятных условиях.

Предложенный магниточувствительный датчик содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия 1, эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового соединения A3B5, с двумя токовыми и двумя холловскими контактами 2, проводящий пленочный элемент в виде спирали 3, содержащей два токовых контакта и окружающий элемент Холла 2, золотой микропровод 4, приваренный к токовым и холловским электродам и обеспечивающий омическое электрическое контактирование. (На фигуре не показаны электрические соединения золотых микропроводов с держателем электрических проволочных выводов датчика, а также герметизирующий компаунд, обеспечивающий монолитность конструкции датчика, как в прототипе).

Конкурентоспособность – во главу угла!

Недорогой высокодисперсный люминофор для источников света создан совместными усилиями специалистов из Института физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси и Научно-исследовательского института физико-химических проблем Белорусского государственного университета (патент Республики Беларусь на изобретение № 16315, МПК (2006.01): C09K11/80, H05B33/14; заявители и патентообладатели: отмеченные выше Учреждения).

Изобретение относится к фотолюминофорам, служащим для преобразования излучения «синих светодиодов» в желто-красный свет с целью получения результирующего белого света.

Предложенный люминофор для световых источников содержит алюминий, иттрий, церий, лантан и кислород при определенном соотношении этих ингредиентов.

Отмечается, что новый люминофор на 10 % превосходит люминофор-прототип по максимальному значению «эффективной полуширины полосы люминесценции», максимум которой находится при длине волны 590 нм. Размер зерна люминофора и условия его синтеза идентичны с таковыми для прототипа изобретения. Однако, благодаря замещению дорогостоящего оксида лютеция на более дешевые ингредиенты, стоимость нового светодиода значительно ниже.

Подчеркивается, что достигнутые преимущества предложенного люминофора для световых источников значительно повышают его конкурентоспособность.