Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок

ТЕМА №6

Механизмы отказов в итоге механических нагрузок.

Повреждение конструктивных частей полупроводниковых устройств и ИМС при механических воздействиях может произойти при нагрузках, вызывающих напряжения в материале, превосходящих его механическую крепкость. Под механическими нагрузками будем осознавать Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок – линейные механические нагрузки, вибрацию, механический удар, акустические шумы.

Следует отметить различие процессов механического воздействия ударно-вибрационных нагрузок и акустических шумов. В первом случае механическое воздействие на прибор передается элементам его конструкции Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок через точки крепления в аппаратуре. Потому нагрузка в этом случае обладает определенной направленностью, в итоге которой элементы конструкции зависимо от их положения относительно направления ударно-вибрационного воздействия, будут подвергаться различной степени нагружения. Не Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок считая того, элементы конструкции в местах крепления устройств служат собственного рода демпфирующими устройствами, ослабляющими воздействие источника вибрации на другие конструктивные элементы прибора. Это можно использовать для уменьшения воздействия ударно-вибрационного воздействия методом Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок демпфирования мест соединений (резиновые прокладки, рессоры, растяжные пружины и т.п.). В случае акустических шумов механическим воздействиям подвергаются в одинаковой мере все элементы, без какого или ослабления. Потому воздействие акустических шумов Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок при иных равных критериях представляют самую большую опасность для прибора. Мощность акустических нагрузок, генерируемых движками современного реактивного самолета, добиваются сотен кв, а суммарные мощности акустических нагрузок, возникающих при работе движков галлактических ракет, добиваются Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок сотен мегаватт.

Проанализируем механизмы реакции отдельных конструктивных частей прибора на механические воздействия. Реакция корпуса, обусловленная его деформацией за счет вибраций либо акустических воздействий, появляются в виде:

Реакция Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок внутренней арматуры, обусловленная деформацией корпуса, проявляется в виде:

Реакция активного элемента, обусловленная деформацией корпуса прибора и сопряженных с ним частей внутренней арматуры, появляются в виде:

Приложение к эталону механического напряжения растяжения вызывает деформацию , которая происходит вследствие конфигурации межатомного расстояния в кристаллической решетке. Вид зависимости от (кривая деформации) показан на рис. 6.1. На данном рисунке - предел текучести либо упругости Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок а - предел прочности. Данная зависимость справедлива в этом случае, когда приложенное напряжение равномерно возрастает. В общем случае , где - упругая сила, приложенная к эталону а , где - изменение длины эталона под воздействием данной силы Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок, - начальная длина эталона.

Для варианта статической нагрузки разработана теория, моделирующая механические воздействия, согласно которой разрушение материала рассматривается как постепенный кинетический процесс, возникающий в материале с момента приложения к нему нагрузки меньше критичной и Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок развивающийся в нем во времени с скоплением изъянов прямо до разрушения. Время , нужное для развития процесса разрушения от момента нагружения тела до пришествия разрыва, именуется временной прочностью либо долговечностью материала. Экспериментальные Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок исследования дали последующую математическую модель для среднего времени до разрушения от приложенного напряжения и температуры :

, (6.1)

где - неизменные величины, зависящие от природы и структуры материала. Значение величины в выражении (6.1) близко к периоду Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок термических колебаний атомов в жестких телах .

При повторяющейся нагрузке можно высчитать число циклов до разрушения, используя выражение

, (6.2)

где и - неизменные величины, - амплитуда нагружения.

Не считая конкретных механических воздействий, механические напряжения в полупроводниковых материалах и Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок структурах могут быть обоснованы также последующими причинами:

  1. Внутренними механическими напряжениями в пластинке полупроводника, в пленках металла и защитного окисла, появившимися в процессе их производства и термической обработки.

  2. Различием в параметрах кристаллических решеток Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок разных полупроводников и полупроводниковых соединений, а так же металла и защитного (разделительного) диэлектрика.

  3. Различием в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) и модулей упругости металла, диэлектрика и полупроводника.

  4. Вместе с такового рода механическими Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок напряжениями, в полупроводниковых материалах и структурах появляются также локальные деформации. Такие деформации обычно образуются поблизости дислокаций, включений примесей, также из-за непланарности граница раздела: металл – полупроводник.

Наличие полей внутренних механических Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок напряжений увеличивает свободную энергию полупроводниковой структуры и делает ее термодинамически неравновесной. Рвение системы к малой свободной энергии проявляется в следующей пластической деформации, уменьшающей упругую энергию. В качестве примера можно привести движение пленки металла относительно полупроводника Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок, когда нарушается адгезионная связь меж ними. Пластическая деформация так же может быть связана с образованием и перемещением дислокаций. Совместно с тем, скопленная упругая энергия может приводить к механическому разрушению структуры, к примеру Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок, растрескиванию кристалла.

На рис. 6.1. упругая деформация имеет место на участке . При упругой деформации прекращение деяния нагрузки избавляет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы ворачиваются на прежнее место и деформация исчезает. В Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок данном случае деформация пропорциональна приложенному напряжению, т.е.

, (6.3)

где коэффициент именуется модулем упругости (модуль Юнга). Выше точки нарушается пропорциональность меж напряжением и деформацией. В данном случае напряжение вызывает не только лишь Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок упругую, да и пластическую деформацию, остающуюся после снятия нагрузки. При пластической деформации одна часть кристалла перемещается (скользит) по отношению к другой. Связь меж частями кристалла не нарушается, но существенно меняется обоюдное размещение Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок частиц. Напряжение , при котором появляется пластическая деформация, как отмечалось выше, именуется пределом текучести, а напряжение , соответственное очень вероятной до разрушения деформации, именуют пределом прочности.

Для железных пленок при релаксации (т.е. возвращении Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок к сбалансированным условиям) механических напряжений вероятна перестройка их структуры. Так, для крупнозернистых пленок (поперечник зерна несколько мкм) свойственны перестройка зернышек при низкотемпературном термоциклировании и образование параллельных бороздок. Эти явления наблюдаются в пленках Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок при наличии напряжения сжатия, к примеру, в пленках алюминия. В данном случае возникновение бороздок, уменьшающих напряжение в пленке, связано с ее пластической деформацией, вызванной поверхностной вялостью при сжатии. В тонкодисперсных пленках при Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок низкотемпературном термоциклировании сжимающими упругими напряжениями инициируется рост холмов и усов металла в неких областях пленки либо рост маленьких зернышек, выступающих над ее поверхностью. По мере роста размера зернышек, число холмов и их размер уменьшаются Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок, и преобладающим типом перестройки поверхности пленки становится образование на поверхности отдельных бороздок. Рост “усов”, холмов и образование параллельных бороздок на поверхности поликристаллической пленки металла, может вызвать локальное изменение поверхностного Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок сопротивления пленки и образование в ней областей с высочайшей плотностью тока и, вследствие этого, появление значимых температурных градиентов повдоль пленки металла. В этих областях пленки произойдет ускорение процесса электродиффузии металла, а меж этими областями Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок и остальной пленкой вероятна диффузия атомов металла за счет разности температур (эффект Сора). Поток атомов либо обратный ему поток вакансий, может вызвать структурное изменение в пленке, к примеру, уменьшение ее толщины, образование Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок пор. В этих областях пленки металла с завышенными напряжениями может происходить усиленная обоюдная электродиффузия полупроводника и металла либо термодиффузия. Рассмотренные процессы могут также приводить к изменению дислокационной структуры, коэффициентов диффузии примесей и т Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок.д.

Механические напряжения и их релаксация сказываются также и на параметрах полупроводниковых материалов. При упругой деформации меняются ширина нелегальной зоны, концентрация и подвижность носителей заряда. При пластической деформации значительно меняется дислокационная структура Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок полупроводникового материала из-за движения дислокаций и может быть их скопление на границе металл – полупроводник.


Для пояснения механизма пластического скольжения в кристалле, представим, что под действием силы (рис. 6.2) все атомы Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок части кристалла выше плоскости скольжения смещаются и из положения а) поочередно перебегают в положение б), то окажется, что теоретический предел текучести материалов приблизительно на два порядка выше предела текучести, приобретенного экспериментально. В реальности этого Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок не происходит, так как в пластическом течении активную роль играют дислокации. Дислокация (обозначается знаком ), под действием силы (рис. 6.3.) перемещается на право вследствие конфигурации “соседства” атомов по обе стороны от Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок плоскости . В конце дислокация выйдет на поверхность кристалла и пропадет, как это показано на рис 6.3 . Таковой процесс протекает существенно легче, другими словами при существенно наименьшем напряжении, чем одновременный сдвиг всех атомов. (Не плохая Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок аналогия этому – передвижение ковра, лежащего на полу. Передвинуть его, разгладив складку, легче, чем просто тащить по полу.)





Таким макаром, процесс сдвига в материале будет происходить тем легче, чем больше будет в Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок нем концентрация дислокаций. Но, достигнув малого значения при некой концентрации дислокаций, настоящая крепкость материала вновь будет возрастать. Это разъясняется тем, что появляются не только лишь параллельные друг дружке дислокации, да и дислокации Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок в разных направлениях. Такие дислокации будут мешать друг дружке передвигаться, и настоящая крепкость материала вырастет. На данном механизме основаны методы упрочнения, когда применяется термообработка и легирование. В последнем случае в решетку материала внедряются чужеродные атомы Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок, которые делают преломления решетки, препятствующие движению дислокаций.

Напряжение , возникающее в теле, может привести под воздействием термических флуктуаций к образованию субмикроскопических областей с разорванными хим связями. В предстоящем, эти области Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок, объединяясь меж собой, могут вызвать зарождение и развитие микротрещин. При этом, после заслуги микротрещиной критичной длины

, (6.4)

ее предстоящий рост происходит самопроизвольно, приводя к разрушению эталона. В выражении (6.4) - удельная свободная поверхностная энергия эталона. Реальные значения для Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок металлов лежат в границах единиц микрометров.

В общем случае пластическая деформация, которая ведет к остаточным изменениям твердого тела и является необратимой, имеет зависящую и не зависящую составляющие. Зависящая от времени составляющая пластической Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок деформации именуется ползучестью. Зависимость скорости ползучести от температуры описывается законом Аррениуса

, (6.5)

где - энергия активации процесса ползучести; - неизменная, имеющая ту же размерность, что и скорость деформации.


Контрольные вопросы

  1. Что понимается под механическими нагрузками?

  2. Как Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок можно уменьшить ударно-вибрационное воздействие на элементы конструкций полупроводниковых устройств и ИМС?

  3. Как проявляется реакция корпуса, обусловленная его деформацией, при механическом воздействии?

  4. Как проявляется реакция внутренней арматуры?

  5. Как проявляется реакция активного Тема №6 Механизмы отказов в результате механических нагрузок элемента?

  6. Какой вид имеет кривая деформации?

  7. Что такое пластическая деформация?

  8. На каком механизме основан принцип роста прочности материала?








tema-6-rs-belkin-o-diskussii-mezhdu-lg-vidonovim-i-am-larinim.html
tema-6-sestrinskij-process-pri-zabolevaniyah-serdechno-sosudistoj-sistemi-issledovanie-pulsa.html
tema-6-sistema-nacionalnogo-schetovodstva.html