ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

160

щих периодах свободные колебания затухают и на плоской вершине импульса воздействия напряжение в материале определяется приложенной силой (максимумом ускорения).

Исследование развития реакции колебательной системы на ударное воздействие показывает, что для исключения «подпитки» собственных колебаний необходимо, чтобы длительность ударного импульса tИ при любых значениях коэффициента демпфирования соответствовала неравенствам при

tИ/t0 < 0,3; tИ/t0 > 1,3,

где t0 — период собственных колебаний конструкции. При малой длительности удара колебательный объект не успевает «разгоняться», а при большой длительности снижается вынуждающая амплитуда скачка скорости перемещения основы. Следовательно, для ослабления действия ударов необходимо при известной длительности удара приводить в соответствие резонансную частоту колебательной системы по неравенствам

w0 ≤ 0,6∙π/ tИ; w0 ≥ 2,6∙π/ tИ.

При многократных ударах интервал между ударами сравним или превышает длительность удара. При низкой частоте собственных колебаний конструкции короткие, но частые удары обеспечивают накопление энергии и способны «разгонять» собственные колебания в системе. Поэтому при многократных ударах необходимо, чтобы период ударов в 1,3–1,5 раз превышал период собственных колебаний возбуждаемой системы при скважности более 4–5 или следует обеспечивать выбор повышенных собственных частот системы с тем, чтобы к установлению вынуждающего смещения основы свободные колебания в системе снизились до допустимого 10–20 % значения. При этом, если в первом случае (при низкой частоте собственных колебаний) преобладают деформации, определяемые собственными колебаниями системы, то во втором варианте выбора (при высокой частоте собственных колебаний) преобладающими являются вынужденные деформации колебательной системы.

161

Аналогичное заключение справедливо для амортизированных конструкций, для которых в качестве параметра t0 принимается период их собственных колебаний системы амортизации.

Общая картина реакции конструкций на механические воздействия достаточно сложна и приведенные сведения позволяют лишь обозначить основные аспекты подходов к оценке этой картины. Для снижения порождаемых механическими воздействиями деформаций в конструкциях микроэлектронных устройств, и микросхемах в частности, рекомендуется ряд мер по их защите:

–выбор и приведение в соответствие резонансных частот элементов конструкций как по действию вибраций, так и по действию ударов;

–применение мер демпфирования собственных колебаний элементов конструкций (установка поглощающих эластичных прокладок между колеблющимися поверхностями, приклеивание, заполнение полостей компаундами, применение дополнительных элементов крепления и пр.);

–в случае необходимости применение амортизаторов с поглотителями энергии механических колебаний и приведение их собственных частот в соответствие с собственными частотами защищаемых объектов.

Развитию усталостных разрушений способствуют температурные деформации, возникающие при изменении температуры во время эксплуатации, а также остаточные температурные деформации в результате нагрева в процессе выполнения операции соединения.

Наименее стойкими к вибрационным воздействиям являются соединения стеклом, обладающие хрупкостью и пониженной прочностью на растяжение.

6.7Защита микросхем от воздействия агрессивных сред

Влияние климатических факторов на микросхемы проявляется в возникновении коррозии, ухудшении диэлектрических свойств, изменении электропроводности и механических свойств материалов их конструкций. Коррозия — это явление образова-

162

ния химических соединений исходного металла с химическими элементами воздействующей внешней среды.

Процесс коррозии металлических частей конструкций микросхем имеет химическую или электрохимическую природу. Преобладающим процессом является электрохимическая коррозия с участием влаги окружающей среды и образованием электролитов. Применяемые в микроэлектронике металлы в разной степени подвержены коррозийному изменению состава. Так алюминий, благодаря естественной оксидной плёнке, толщина которой составляет 0,01–0,02 мкм, достаточно устойчив к атмосферной коррозии, а сплавы его с магнием и марганцем имеют повышенную коррозийную стойкость и в морской воде, и в хлоридных средах.

Медь более активна в агрессивных средах. Её поверхностная плёнка соединений не прочна и не является защитой к продолжению роста, приводя к разрушению элементов конструкции и проводных связей, в частности. Повышение коррозийной стойкости меди достигается в сплавах меди с никелем, кремнием, оловом (бронзы, латуни), которые сохраняют свойства в условиях промышленной атмосферы, тёплой влажной среды и морского тумана.

Коррозия сплавов железа (сталей) существенно зависит от химического состава добавок, термообработки, состояния поверхности. Углеродистые стали имеют низкую коррозийную стойкость. Применение в качестве добавок меди, хрома, никеля, кобальта повышает стойкость к образованию коррозии. При содержании хрома более 12 % коррозийная стойкость сталей возрастает настолько, что их называют нержавеющими.

В качестве припоев применяются сплавы олова и свинца. Их коррозийную стойкость можно оценивать по скорости образования непроводящего поверхностного слоя, которая в промышленной газовой нормальной континентальной атмосфере составляет 0,23– 0,48 мкм/год, в промышленной газовой среде — 0,43–0,69 мкм/год, на морском побережье — 0,41– 0,56 мкм/год.

Для защиты металлов конструкций от коррозии применяются защитные и защитно-декоративные покрытия для поверхностей, находящихся в контакте с агрессивной средой, и герметизация.

Влияние агрессивных загрязнений из атмосферы на изоляционные материалы конструкций микросхем проявляется в обра-

163

зовании проводящих электролитов с поглощённой влагой, в ухудшении диэлектрических свойств, в изменении размеров, ухудшении механической прочности и разрушении элементов конструкции [16, 17].

Изоляционные материалы в той или иной мере подвержены поглощению влаги. Влага может попадать в объёмы конструкций микросхем через границы раздела и стыки металлов с диэлектриками. На рисунке 6.25, а выделены участки проникновения влаги через поверхности материала. Соответственно на рисунке 6.25, б выделены области проникновения влаги по границам раздела разнородных материалов, где вследствие различия ТКЛР материалов

образуются капиллярные каналы и микротрещины в изоляторе. При переносе из среды с низкой температурой в среду с более

высокой температурой на поверхностях корпуса микросхем неравномерно конденсируется влага, которая проникает внутрь и в конечном итоге понижает надежность функционирования ИС. Диапазон изменения влажности, в котором должна нормально функционировать аппаратура, является одной из норм, регламентируемых заданием на её проектирование и эксплуатацию.

В атмосферном воздухе в молекулярном состоянии присутствуют пары воды, а часть влаги присутствует в виде капель. Для влажного воздуха (в том числе и капель) как смеси идеальных газов справедлив закон Дальтона:

–если в одном и том же объеме заключены два различных газа, то каждый из них заполняет весь объем, как если бы другого газа не было;

–давление любого из этих газов является его парциальным давлением;

–общее давление равно сумме парциальных давлений.

164

С молекулярной точки зрения это означает, что среди молекул нет сил притяжения.

Парциальное давление рП водяного пара обычно называют упругостью водяного пара. Единицей этой величины является паскаль (Па). Основные характеристики влажного состояния газа — это абсолютная влажность и влагосодержание.

Отношение массы водяного пара к объему воздуха называется его абсолютной влажностью ρВ (кг/м3). Чем больше ρВ, тем больше и парциальное давление рП при тех же температуре и барометрическом давлении воздуха. Следовательно, рП является и характеристикой влажности воздуха. При фиксированных температуре Т и барометрическом давлении Р парциальное давление рП не может увеличиваться беспредельно за счет поступления влаги извне и имеет предельное значение рНП (давление насыщенного пара). Максимальному значению рНП соответствует и максимальное значение абсолютной влажности ρНП. Чем выше температура воздуха, тем больше значения рНП и ρНВ. В таблице. 6.6 приведены значения упругости насыщенного водяного пара для различных значений температур при барометрическом давлении 105 Па. Упругость водяного пара рП в воздухе и его абсолютная влажность ρВ не дают представления о степени насыщения влагой воздуха, если при этом не указана его температура Т.

Степень насыщения воздуха влагой характеризуется относительной влажностью. Относительная влажность равна отношению фактической массы пара в воздухе к максимально возможной массе его в данном объеме V воздуха при данной температу-

165

На основании уравнения состояния идеальных газов имеем

где Мпв — относительная молекулярная масса паров воды; Ro — универсальная газовая постоянная.

Из соотношений (6.17), (6.18) следует, что

Если в объеме есть газ, то можно считать, что давление паров воды в объеме не зависит от давления газа.

Влагосодержание d влажного воздуха равно отношению массы пара во влажном воздухе к массе сухого воздуха, содержащегося во влажном воздухе:

d = ρП ∙V/(ρС∙V)=МП∙ρП / (МС∙ρС) =18 pП /29 pС = 0,622 p/(p–pП),

где МП =18, МС = 29, p = (pС + pП).

Влагосодержание воздуха в состоянии насыщения достигает максимального значения:

dНП = 0,622 pНП/(p– pНП), или pНП =р∙dНП/(0,622 + dНП), (6.20)

где pНП — давление насыщенных паров, связанное с температурой (см. табл. 6.5).

Избыток воды над влагосодержанием d при насыщении может содержаться в воздухе только в виде жидкости (капли, туман) или твердой фазы (снег). Содержание воды (влаги) в воздухе определяется разностью

Если температура воздуха данной влажности повысится, то его относительная влажность понизится, как это следует из таблицы 6.5. Наоборот, при охлаждении воздуха по мере понижения температуры будет увеличиваться его относительная влажность. При некоторой температуре, когда р = pНП воздух получит отно-

166

сительную влажность F = 100 %, т.е. достигнет полного насыщения водяным паром. Эта температура носит название температуры, точки, росы tP для данной влажности воздуха. Если продолжать понижать температуру, то излишнее количество влаги начнет конденсироваться. Температура tP при заданном парциальном давлении водяного пара равна температуре насыщения и определяется по таблицам насыщенного водяного пара. Конденсация излишней влаги при понижении температуры наблюдается в природе в виде образования туманов.

Пример. Влажность воздуха в различных условиях.

1.Определить точку росы для воздуха, имеющего температуру Т = 20 °С при относительной влажности F = 70 %.

2.При температуре 18 °С воздух имеет относительную влажность F = 60 %. Оценить изменения относительной влажности при повышении температуры до 22 °С и при понижении до 15 °С.

Решение. 1. По данным табл. 6.5 при Т = 20 °С определяется давление насыщенных паров воды рНП = 2,34∙103 Па. Из формулы (6.19) следует, что фактическая упругость пара будет состав-

лять 70 %, что соответствует рНП = 2,34∙103∙0,70 = 1,64∙103 Па.

Температура, для которой 1,64∙103 Па соответствует максималь-

ной упругости паров, и будет точкой росы, т.е. tP ≤ 15˚С, как это следует из табл. 6.5

2.По данным табл. 6.5 давление насыщенных паров при

t = 18 °С равно рНП = 2,07 103 Па. Следовательно упругость пара при F = 60 % составляет рНП = 0,60∙2,07∙103 = 1,24∙103 Па.

При температуре +22 °С давление насыщенного пара равно рНП = 2,64∙103 Па. Давление паров рП = 1,24∙103 осталось без изменения, и по формуле (6.19) определяется относительная влажность:

F = 1,24∙103/(2,64∙103) = 0,47 (или 47 %).

При температуре 15 °С давление рНП = 1,71 103 Па, следова-

тельно, F = 1,24/1,71 = 0,73 или 73 %.

Точка росы во всех случаях 6удет одна и та же, соответствующая рП = 1,24∙103 Па, что позволяет по данным табл. 6.5 определить tР = 10,1 °С.

167

Процесс поглощения телом газов, паров или растворенных веществ из окружающей среды называют сорбцией. Сорбция включает как адсорбцию — поверхностное поглощение, так и абсорбцию — поглощение вещества всем объемом поглотителя. Поглощение вещества часто оказывается весьма сложным, включающим в себя оба эти процесса. Характер адсорбции жидкости твердым телом зависит от

краевого угла Θ и состоя-

ния микрорельефа поверхности, соответствуя пол-

ному смачиванию твёрдого тела жидкостью (см.

рис. 6.26, а), частичному смачиванию и не смачиваемой поверхности, как показано на рисунках 6.26, а, б, в, где равновесие сил поверхностного натяжения «твёрдое тело-газ» σТГ, «твёрдое теложидкость» σТЖ, «жидкость-газ» σЖ Г удовлетворяет равенству

σТГ = σТЖ + σЖГ ∙соs Θ.

Сорбция зависит от физического состояния материала и структуры поверхности, размера пор в материале. Молекула воды имеет эффективный диаметр 2,58 10–4 мкм и легко может проникать в поры материала, размеры которых больше диаметра молекулы воды. Так, в керамике микропоры имеют размер (103–106)∙10–4 мкм, капилляры в волокнах целлюлозы — 10–1 мкм; поры в стенках волокна — (10–103) 10–4 мкм, межмолекулярная пористость различных материалов — (10–50) 10–4 мкм. В условиях повышенной влажности происходит межмолекулярная конденсация водяных паров на внутренних стенках пор, и при развитой поверхности пор материал может поглотить значительное количество воды. В порах, радиус которых r < 0,1 мкм, имеет место явление капиллярной конденсации, когда давление паров воды в капилляре над мениском меньше, чем над плоской поверхностью, и все капиллярные поры из-за пониженного давления будут заполняться.

168

Высота h поднятия смачивающей жидкости в цилиндрической капиллярной трубке (см рис. 6.27, а) радиусом r определяется по формуле Жюрена

где σП — поверхностное натяжение жидкости; ρЖ, ρП — плотности жидкости и пара; g — ускорение свободного падения.

Из формулы (6.22) следует, что высота поднятия жидкости обратно пропорциональна радиусу r; для воды при полном смачивании (соs Θ = 1) и при t = 20 °С высота поднятия h = 0,15/r (м). В капиллярах с радиусом r = 10–2 мкм возможное капиллярное поднятие составляет 1,5 км.

Мениск

а — подъём жидкости в капилляре; б — термовлагопроводность капилляра; в — воздушная полость в капиляре

Рисунок 6.27

Давление паров воды для цилиндрического капилляра определяется по формуле Томсона

р = рО∙ ехр [–2∙σП ∙ ρП ∙рП ∙ cos Θ /(r ∙g ∙ ρЖ∙ρП)], (6.23)

где рО — давление паров воды над плоской поверхностью. Приведенные формулы могут быть применены для капилля-

ров, радиус которых находится в пределах 0,5∙10–3 < r < 10–1 мкм, и, следовательно, на поверхности крупных пор образуется пленка жидкости, а в мелких порах происходит капиллярная конденсация. Оба эти процесса относятся к неактивированной сорбции и характерны для неорганических материалов. В процессе неакти-

169

вированной сорбции происходит молярное перемещение влаги внутрь материала по законам капиллярного движения.

Для большинства полимерных материалов характерна активированная сорбция, при которой происходит непосредственное внедрение молекул воды между молекулами диэлектрика. Молекулы воды имеют размеры в тысячи раз меньше размеров макромолекул полимера, и поэтому происходит растворение молекул воды в полимере, которое сопровождается частичным раздвижением, а иногда и разрывом цепей макромолекул. При этом возможно частичное набухание полимера.

Взаимосвязь плотности поглощенной влаги ρ с давлением окружающих материал паров водыр определяется по закону Генри:

где hP — коэффициент растворимости, равный количеству паров воды, растворившихся в 1 м3 материала при давлении паров в

1 Па (при n = 1).

Для неполярных и слабополярных диэлектриков (целлулоид) n = 1, для волокнистых материалов (электрокартон, бумага) n > 1.

Помимо сорбционной формы связи воды с твердыми материалами существует химическая, или кристаллогидратная, форма связи. В первом случае молекула воды не входит в молекулярную структуру тела и не образуется новое вещество, во втором случае наличие воды приводит к структурным изменениям: к перестройке кристаллической решётки пли получению новой кристаллической решетки. Промежуточное положение между сорбционной и химической формами связи занимают вещества, в которых вода образует водородные связи с материалом (бумага, целлюлоза и др.). Опыты показывают, что одно и то же количество поглощенной влаги по-разному влияет на электрические параметры материалов. Определяющим фактором в этом случае является не столько количество поглощенной влаги, сколько форма ее распределения в материале (сферические образования, нити, пленки). Вода обладает значительной электропроводностью и высокой абсолютной диэлектрической проницаемостью (~80), поэтому увлажнённый материал можно рассматривать как неоднород-