Влияние некоторых внешних воздействий на полупроводниковые приборы

Вид внешнего воздействия	Основные вызванные или ускоренные процессы	Типичные дефекты
Повышенная температура	Высыхание защитных покрытий и их деформация Выделение газов Растрескивание кристаллов Миграция захваченных примесей, влаги и газов Изменение электрических характеристик Увеличение размеров	Снижение предельно допустимых напряжений (пробой переходов) Ухудшение электрических характеристик Потеря герметичности Обрывы и короткие замыкания
Пониженная температура	Конденсация влаги Растрескивание кристаллов Изменение электрических характеристик Сокращение размеров	Пробой переходов Ухудшение электрических характеристик Потеря герметичности Обрывы и короткие замыкания
Повышенная относительная влажность	Адсорбция и абсорбция влаги Химические реакции с влагой Электролиз Коррозия	Ухудшение электрических характеристик Появление нестабильности Повреждение выводов и корпуса Повреждение лакокрасочных покрытий
Резкие неоднократные изменения температуры	Механические напряжения в местах спая Растрескивание кристаллов Растрескивание и деформация покрытий Изменение размеров	Потеря герметичности Обрывы и короткие замыкания Ухудшение электрических характеристик
Пониженное давление	Ухудшение теплопередачи Уменьшение пробивного напряжения	Перегрев Наружный пробой между выводами или между выводами и корпусом
Механические воздействия (вибрация, удары, ускорения)	Механические напряжения, усталость	Обрывы и короткие замыкания Потеря герметичности

Тепловое разрушение

Тепловая устойчивость материала определяется энергией межмолекулярной/межатомной связи. Чем выше эта энергия, тем выше температура и больше теплота плавления. Большая величина энергии связи характеризует способность к образованию решеток с высокой нагревостойкостью, механической и электрической прочностью. В зависимости от скорости нагревания тепловое разрушение представляет собой плавление или испарение (сублимацию) твердого тела.

Плавление сопровождается значительными и даже катастрофическими изменениями физических свойств материала. Поэтому возникновение условий для начала плавления по - существу и предвосхищает отказ элемента. Кристаллические вещества переходят в жидкое состояние при определённой температуре, или в очень узком диапазоне температур, тогда как аморфные – не имеют фиксированной температуры плавления и переходят в жидкое состояние постепенно размягчаясь. Процесс плавления твердого тела характеризуется температурой и теплотой плавления (количеством энергии, необходимым для плавления одного моля вещества при постоянной температуре), значения которых возрастают с увеличением энергии связи. Наблюдаемая корреляция между плавлением и механическим разрушением соответствует связи между пластической деформацией и разрушением: элементарные акты при плавлении и пластической деформации полагаются одинаковыми (при пластической деформации наступает локальное плавление вследствие повышения температуры в узкой зоне вдоль плоскости скольжения за счет энергии внешнего источника).

Во всяком случае, имеющиеся данные свидетельствуют о близкой природе физических процессов механического и теплового разрушения материала. На взаимную связь этих процессов указывает, в частности, то, что одновременное действие механической нагрузки и нагревания оказывает одинаковое совокупное действие, ускоряющее разрушение металла.

При очень больших скоростях нагрева твёрдое тело не плавится, а испаряется (сублимирует). Особенно существенно сублимация материала сказывается на работоспособность объекта в условиях глубокого вакуума. Для испарения молекула твёрдого тела должна приобрести энергию выше теплоты сублимации, которая определяется зависимостью давления паров вещества от температуры. Скорость испарения любого твёрдого тела в вакууме экспоненциально зависит от температуры (по типу формулы Аррениуса), т.е. пропорциональна exp(-E_s/RT), гдеE_s- энергия сублимации.

При испарении твердого тела кристаллическая решетка полностью разрушается; скорость теплового разрушения твердого тела зависит от подводимой энергии, давления, структуры тела и ее дефектности.

При термическом испарении в вакууме чистых металлов, сплавов, окислов металлов, диэлектриков, полупроводников, так же как и при их механическом разрушении, наблюдаются одинаковые закономерности; температурно-временная зависимость механической и тепловой прочности твердого тела выражается аналогичными экспоненциальными зависимостями; время испарения уменьшается экспоненциально с повышением температуры тела и уменьшением теплоты испарения.

Процессы разрушения электрической природы

Отказы, связанные с электрическими явлениями, в основном актуальны для технических устройств содержащих диэлектрики и полупроводники. В этих материалах встречаются два вида разрушения электрической природы: пробой и поверхностный разряд.

Электрическая прочность материала характеризуется напряжением пробоя (напряжение пробоя). При повышенных температурах происходит так называемый тепловой пробой, при котором напряжение пробоя, в отличие от чисто электрического пробоя, зависит от температуры. Типичные значения напряжения при электрическом пробое находятся в интервале 10⁶-10⁷В/см, а при тепловом – 10⁴-10⁵В/см (электропроводность диэлектриков растет с увеличением температуры). Пробой при таких напряжениях не всегда происходит мгновенно, его длительность может достигать нескольких секунд при электрическом пробое и сотен секунд – при тепловом.

Существуют две температурные области, в которых диэлектрик ведет себя по-разному. В области низких температур, соответствующей электрическому пробою, напряжение пробоя не зависит от температуры и от времени воздействия напряжения, если оно не мало. В области, соответствующей тепловому пробою, напряжение пробоя зависит как от температуры, так и от длительности воздействия напряжения: чем меньше время воздействия, тем напряжение выше.

Иногда выделяются как отдельные формы пробоя химический (электрохимический) пробой и пробой, вызываемый физическими дефектами диэлектрика. Под химической формой пробоя понимается пробой, связанный со снижением электрической прочности диэлектрика вследствие химических изменений, происходящих в диэлектрике при длительном воздействии высокого напряжения. При этом по существу происходят два последовательных процесса: процесс физико-химического изменения диэлектрика (старение), снижающий его электрическую прочность, и собственно пробой, который может быть тепловым (чаще всего) или чисто электрическим.

Обычно разрушение изоляции при эксплуатации происходит в результате комбинированного воздействия ряда факторов: термического воздействия при повышенных температурах, воздействия электрического напряжения, механического воздействия, влияния влаги и загрязнений и др.

Полупроводники, так же как диэлектрики, обладают определенной электрической прочностью, характеризуемой критической напряженностью электрического поля (пробивной напряженностью), при которой начинается резкий рост электропроводимости. Различия объясняются, главным образом, разной шириной полосы запрещенных энергий между валентной зоной и зоной проводимости: в диэлектриках она больше 3 эВ, в полупроводниках меньше 2 эВ. Потеря электрической прочности и пробой полупроводников под действием электрического поля в зависимости от ряда условий могут быть вызваны различными физическими процессами. В связи с этим различают, так же как для твердых диэлектриков, электрический, тепловой и комбинированный механизмы пробоя полупроводников.

Керамика — неоднородный по составу материал. Воздействие на нее электрического поля приводит к возникновению в керамике областей с повышенным значением максимальной напряженности по отношению к значению средней напряженности электрического поля. Причиной возникновения таких областей могут быть крупные и мелкие поры, макро- и микротрещины, проводящие включения, межкристаллическая прослойка, граница электрод—керамика.

Электрический пробой твердых диэлектриков представляет собой сложный комплекс разнообразных физических процессов и явлений: электрических, механических, тепловых. Характерной особенностью электрического пробоя, который возникает в чистом виде в достаточно однородном поле, в отсутствие краевых разрядов, при кратковременном приложении напряжения, является возрастание тока перед пробоем с увеличением напряжения приблизительно по экспоненциальному закону и почти скачкообразное увеличение тока при достижении определенной напряженности поля (при пробое); образующийся большой ток способен расплавить, обуглить или сжечь диэлектрик, при небольшом токе в месте пробоя остается след в виде прокола или прорыва.

Наиболее вероятным механизмом электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация электротоками или ионами. При движении в решетке твердого тела электроны проводимости отдают энергию, полученную от электрического поля, атомам или ионам кристалла, вызывая ионизацию. Разрушение диэлектрика в стадии завершения разряда и послепробойной стадии значительно больше, чем в стадии формирования разряда. В стадии завершения разряда (стадии разрушения) выделяется энергия, по крайней мере на три порядка большая, чем в стадии формирования разряда.

Различают два основных вида электрического разряда по поверхности диэлектрика и соответствующего им электрического повреждения:

1) поверхностное (дуговое) перекрытие, характеризующееся тем, что электрическая дуга начинается и проходит в основном в газе, находящемся над поверхностью изоляционного материала;

2) прогрессирующее поверхностное повреждение, при котором повреждение происходит под разрушающим влиянием поверхностных дуговых разрядов или искрения.

При прогрессирующем повреждении при каждом разряде на поверхности диэлектрика появляется неисчезающий дефект (проводящий след или проводящая дорожка), имеющий обычно древовидную форму и способный вызывать сильную эрозию поверхности. Влияние дуги и проводящего следа является в основном термическим, т. е. они вызывают высокотемпературные реакции, такие как разложение или горение. Поверхностное перекрытие изоляционных конструкций зависит от большого числа факторов, к которым относятся: площадь и состояние поверхности диэлектрика, расположение поверхности диэлектрика относительно электродов, относительные значения диэлектрической проницаемости двух сред (твердого диэлектрика и газовой среды), электрическая прочность газа, контакт между электродом и изоляционным материалом, форма приложенного напряжения, продолжительность его действия, толщина изоляции и изоляционные расстояния и др.

Тепловой пробой твердых диэлектриков происходит обычно при длительном воздействии электрического напряжения и является следствием нарушения теплового равновесия диэлектрика (когда подвод тепла к диэлектрику превышает отвод тепла путем теплопроводности, излучения и конвенции). Нарушение теплового равновесия приводит к катастрофическому нарастанию количества тепла, выделяемого в диэлектрике, и к термическому его разрушению прожиганию, плавлению или разложению. Тепловой пробой имеет место в случае, когда приложенное напряжение недостаточно для того, чтобы вызывать электрический пробой при данной температуре, и когда вследствие выделения тепла происходит такое повышение температуры в диэлектрике, что снижаются его электрическое сопротивление и электрическая прочность до значений, соответствующих приложенному напряжению.

Возникновение электрического пробоя полупроводников в сильном электрическом поле обусловлено резким увеличением концентрации носителей зарядов вследствие генерации электронно-дырочных пар электрическим полем. В полупроводниковых приборах с увеличением обратного напряжения, приложенного к электронно-дырочному (pn)-переходу, по достижении некоторого напряжения происходит резкое возрастание обратного тока и, если не принять мер к его ограничению, возникает пробой (pn)-перехода прибора. Существуют следующие механизмы электрического пробоя в объеме полупроводников:

- электрический пробой, вызываемый электростатической ионизацией (электростатический, туннельный, зинеровский пробой);

- электрический пробой, вызываемый ударной ионизацией (ударный, или лавинный пробой).

Пробой может наступить в результате совместного действия ударной и электростатической ионизации. Наряду с пробоем в объеме полупроводника наблюдается поверхностный пробой. В ряде случаев выход полупроводниковых приборов из строя происходит вследствие их теплового пробоя, что влияет на их тепловую устойчивость. Исследования показывают, что практически во всех случаях теплового пробоя транзисторов происходят следующие явления:

а) выход транзисторов из строя сопровождается возникновением необратимого короткого замыкания между коллектором и эмиттером либо, что наблюдается значительно реже, – между коллектором и базой;

б) выход транзисторов из строя происходит при напряжениях, значительно меньших, чем предусмотренное ТУ предельное напряжение для транзисторов данного типа;

в) вероятность отказа транзисторов быстро возрастает с повышением температуры (рn)-перехода и приложенного к нему напряжения;

г) вероятность отказа больше для транзисторов с большим обратным током коллекторного перехода, особенно если наблюдается возрастание этого параметра в процессе работы.

Поглощение энергии излучений

Взаимодействие частиц или квантов проникающих излучений с молекулами или атомами вещества может приводить к существенным изменениям свойств материалов. Механизмы взаимодействия зависят от вида и энергии излучения, от состава и атомного строения вещества. Следствием этих взаимодействий являются: ионизация атомов и диссоциация молекул, образование радикалов, образование точечных, линейных и объёмных структурных дефектов (смещения, вакансии, дислокации, вакансионные и газовые поры), образование фаз в объеме и по границам зерен.

Основным результатом взаимодействия сильно заряженных частиц (высокоэнергетические ионы, альфа - частицы) с веществом является его ионизация. Нейтроны (нейтральные частицы) высоких энергий вызывают смещения атомов кристаллической решётки, а нейтроны тепловых энергий могут поглощаться ядрами вещества с последующим их радиоактивным распадом, сопровождаемым излучением β - частиц и жесткого гамма-излучения. В подобных случаях в веществе происходят так называемые трансмутации, т.е. атомные превращения, приводящие к изменению состава вещества и его свойств. Кванты гамма и рентгеновского излучений при прохождении вещества предают свою энергию электронным оболочкам атомов и отдельным оболочечным электронам по механизмам фотоэффекта, Комптон - эффекта и эффекта образования электрон-позитронных пар (в зависимости от кинетической энергии квантов).

Последствия интенсивного облучения для разных материалов различны. Наиболее радиационностойкими являются металлы и сплавы, а наиболее существенные изменения в них обусловлены интенсивным дефектообразованием при облучении. Высокой радиационной стойкостью обладают оксидные керамики и минералы. Однако в них под воздействием излучений могут иметь место обратимые, но существенные изменения свойств (в основном электрических и электроизоляционных), связанные с интенсивной ионизацией атомов. Полимерные материалы наименее радиационностойкие.

Полупроводниковые материалы обладают высокой чувствительностью к примесям и структурным дефектам, а характеристики элементов устройств, главным образом электронных, в которых они применяются, радикально меняются как под действием облучения, так и при малейших изменениях состава или структуры.

По скорости протекания принято делить все приводящие к отказам процессы на три группы:

1. Быстропротекающие процессы имеют периодичность изменения, составляющую малую долю продолжительности рабочего цикла объекта и малую периодичность (большую частоту) изменения. К таким процессам относят:

- вибрация деталей и узлов;

- колебания сил трения в подвижных сопряжениях;

- колебания уровня рабочих нагрузок и другие процессы, искажающие рабочий цикл объекта.

2. Процессы средней скоростиимеют периодичность, сравнимую с длительностью рабочего цикла объекта. Они приводят к монотонному изменению его выходных параметров. К ним относят:

- суточные изменения температуры;

- изменения влажности окружающего воздуха;

- изнашивание наиболее нагруженных элементов;

3. Медленные процессы имеют периодичность, сравнимую с длительностью межремонтного периода. К ним относят:

- процессы изнашивания деталей подвижных сопряжений;

- перераспределение внутренних напряжений в деталях вследствие процесса старения материалов;

- ползучесть материалов;

- процессы коррозии;

- загрязнение трущихся поверхностей деталей.

Обычными методами устранения последствий медленных процессов являются периодические ремонты и технические обслуживания.

Повреждение– это событие, приводящее к нарушению исправного состояния при сохранении работоспособного, адефект– это любое отдельное несоответствие требованиям, т.е. фактически – результат повреждения, который может оказаться причиной отказа.

Повреждения, вызываемые обсуждавшимися выше воздействиями, подразделяют на:

1. Допустимые повреждения, возникающие при нормальных условиях эксплуатации. Полностью устранить этот вид повреждений невозможно, но можно замедлить их проявление.

2. Недопустимые повреждения, возникающие вследствие наличия дефектов или случайных неконтролируемых внешних причин, непосредственно не связанных с техническим состоянием рассматриваемого объекта (аварии, стихийные бедствия и т.п.).

Дефектымогут возникать на разных стадиях существования объекта и по этому признаку они делятся на три группы:

1. Дефекты (ошибки) проектирования:

- недостаточную защищённость узлов трения;

- наличие концентраторов напряжений на деталях;

- неправильный расчет несущей способности деталей;

- неправильный выбор материалов;

- неправильное определение предполагаемого уровня эксплуатационных нагрузок и т. п.;

2. Дефекты изготовления (производственные):

- дефекты заготовок (пористость, усадочные раковины, неметаллические включения и т.п.);

- дефекты механической обработки (задиры, заусенцы и т.п.);

- дефекты сварки (трещины, остаточные напряжения, термические повреждения основного материала и т.п.);

- дефекты термообработки (перегрев, закалочные трещины, поводка, коробление, обезуглероживание поверхностного слоя);

- дефекты сборки (повреждения поверхностей, задиры, перекосы, внесение абразива и т. п.).

3. Дефекты эксплуатации:

- нарушение условий применения;

- невыполнение требования необходимой и достаточной диагностики;

- неправильное техническое обслуживание и ремонт;

- наличие перегрузок и непредвиденных нагрузок;

- применение некачественных эксплуатационных и расходных материалов.

Невыполнение требуемого объема ремонта технических устройств является причиной более четверти отказов от их общего количества.

На выявление скрытых дефектов тратится много времени, отведенного для выполнения ремонтных операций. Отсутствие необходимого оборудования приводят к низкой распознаваемости скрытых дефектов. Именно поэтому совершенствование систем диагностики оборудования в рабочем режиме существенно повышает его надежность при эксплуатации.

Достижение требуемой надежности технического устройства обеспечивается на всех стадиях и процессах ЖЦ: при разработке (конструкторское обеспечение), изготовлении (технологическое обеспечение), эксплуатации (эксплуатационное обеспечение) и утилизации. На всех стадиях важны социальные и эргатические аспекты обеспечения надежности: создание здоровой психологической обстановки в коллективе, повышение ответственности за выполненную работу, повышение квалификации специалистов, повышение моральной и материальной заинтересованности в правильности выполнения работы, правильное распределение функций между людьми и техническими средствами, оптимальность интенсивности и ритмичности, построение рабочих мест в соответствии с требованиями эргономики и др.