автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование влияния поверхностных пленок на проводимость слаботочных электрических контактов

ЖИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ коли и ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ Р5

МОСКОВСКИ! АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени Н.Э.ЦИОЛКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Левин Павел Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРШОСТШХ ПЛЕНОК НА ПРОВОДИМОСТЬ СЛАБОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

Специальность 05.12.13 -Устройства радиотехники и средств связи.

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание учёнс" степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК 621.316.5

МОСКВА 1392

Работа выполнена в научно-исследовательском институте Радиокошонентов, г. Ыосква.

Научный руководитель - кандидат технических наук

В.И. Светланов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор

Б.В. Зссксбснниксв;

кандидат йизиксчлатеглатпческих наук

Г.И. Гончаренко. Ведущее предприятие - В/Ч 67947, г. ¡/¡ытицк.

Защита диссертации состоится " 17 " 1£33г. в 15

часов ка заседании Специализированного совета К C63.55.C3 по специальности 05.12.13 (устройства радиотехники к средств сеязи) в ;.'!сскоесксм авиационном технологическом институте игл. К.Э.Циолковского: г. Москва, ул. Ульяновская, 13, аха. ¿07.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ " 1992 г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, проси.: направлять по адресу: 103767, Москва, ул. Петровка, дсг.: 27, Ыссксвскп;; авиационный технологический институт ;;:.:. К.Э.Циолковского, учёна.?/ секретарю Специализированного совета К C63.56.G3.

Учёный секретарь Специализированного совета , „

к. т.е., доцент ¡^^¿¿«^з И.К.ЕпанеЕниксва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы.Современное состояние радиоэлектронных средств (РЭС) и электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА) характеризуется значительным усложнением выполняемых ими функций, существенным ужесточением условий эксплуатации, повышением требований к аппаратурной надежности, снижением массы и габаритов, уменьшением стоимости и т.д. Выполнение таких требований приводит к усложнению аппаратуры, но усложнение аппаратуры должно происходить только при условии повышения ее надежности, которая складывается из надежности входящих в нее элементов.

Электрические контакты (ЭК) являются неотъемлемым элементом любого электрического или радиоэлектронного устройства. Их количество в отдельных сложных системах достигает 12 млн. штук. Однако надежность ЭК не отвечает современным требованиям и зачастую определяет надежность всего устройства.По опубликованным данным до (85...100)% отказов РЭС вызваны отказами ЭК.

Известно,■что одной из основных причин отказов ЭК являются поверхностные образования на них, которые возникают в процессе изготовления и эксплуатации контактного устройства в виде пленок или посторонних частиц. Анализ причин отказов слаботочных контактных коммутационных изделий (ККИ) показал,что в зависимости от типа изделия от 5,5 до 62^ от общего числа отказов происходит из-за наличия в зоне контактирования поверхностных образований. Такие отказы в слаботочных ККИ объясняются тем,что низкие уровни тсков и напряжений, а также сниженные контактные давления чаще всего недостаточны для разрушения поверхностных пленок и создания участков с чисто;,юталлической проводимостью. Причем такие отказы носят спорадический характер и самовосстанавливаются, т.е. отказ может быть не при каждом замыкании и не всегда предсказуем. -

Влияние пленок на проводимость слаботочных ЭК изучено недостаточно полно, не ясны механизмы изменения электрических параметров пленок в межконтактной зоне под воздействием контактного давления и электрического поля, а также подробно не изучены влияния конструкций, технологии изготовления и условий эксплуатации ЭК и ККИ на образование пленок. Это не позволяет на этапе разработки новых типов ККИ точно определять ожидаемые уровни контактного сопротивления, а также определять причины' появления

пленок на ЭК, елияющих на качество контактирования.

Таким образогл, исследование влияния поверхностных пленок на надежность ККИ, физических условий образования пленок, электрической проводимости через псзерхностные пленки на контактах в зависимости ст условий изготовления и эксплуатации ККИ, а также разработка мероприятий и рекомендаций по оптимальному конструированию, качеству изготовления и условиям хранения и эксплуата-' ции ККИ с учетом пленкообразования является очень важней задачей по повышению надежности современной радиоаппаратуры.

Лель работы.Целью диссертационной работы является разработка научно-методического подхода комплексного учета влияния поверхностных пленок на проводимость слаботочных ККИ,включающий в себя определение оптимального уровня контактного сопротивления реальных ЭК на этапе конструирования и обеспечение стабильности его значения на этапах производства и эксплуатации.Он позволяет отрабатывать мероприятия, средства и рекомендации по повышению качества контактирования ЭК я надежности ККИ.

Методы исследования. Б работе использованы методы линейных и нелинейных электрических цепей,теории вероятности, теории упругости и ползучести,приблпкенные методы выспего анализа, методы вычислительного к физического моделирования.

Научная новизна. К основным научным результата-.;, полученным лично автором,включенных в диссертацию и представляемых к защите, относятся:

- разработка комплексного научно-методического подхода определения величины контактного сопротивления слаботочных ЭК с учетом конструкторских,технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на образование и рост поверхностных пленок;

- разработка уравнений расчета контактного сопротивления,в которых учитываются различные физические состояния поверхностных пленок, образующихся на рабочих поверхностях контактов;

- отработка методик экспериментального определения элекгро-фи-зических параметров пленок, вошедших в уравнения контактного сопротивления;

- результаты экспериментальных исследовании причин образования поверхностных пленок на этапах изготовления и испытаний слаботочных ШСИ.

Практическая ценность.Итогом диссертационной работы является практическое использование полученных в ней результатов в научно-исследовательских .проектных и промышленных предприятиях,разрабатывающих , изготавливающих или эксплуатирующих слаботочные ККИ и радиоэлектронную аппаратуру для повышения ее надежности.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный методический подход к комплексному определению влияния поверхностных пленок на проводимость слаботочных ККИ используется:

- на стадии конструирования новых слаботочных коммутационных изделий при выборе оптимальных сочетаний материалов ЭК и их покрыт;:;"-, корпусов и других элементов ККИ с целью обеспечения низкого уровня и стабильного значения контактного сопротивления;

- при исследовании,определении и дальнейшем устранении причин, приводящих к отказу ККИ, при проведении периодических (ПИ) и приемо-сдаточных (ПСИ) испытаний;

- при определении эксплуатационной надежности ККИ,работающих в условиях отличающихся от нормальных климатических (НКУ).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 4-х Всесоюзных конференциях: "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры" (Запорокье-1990);"Помехи в цифровой технике-90"(Вильшос-1990);"Электрические контакты и электроды.Материалы. Физические процессы"(Киев-Одесса,1990); "Перспективные покрытия электрических соединителей и корпусов для интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. Технология получения,методы анализа и оценки качества"(Мытищи-1991).

Реализация "результатов и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое применение в НИИРК, РНИИЭС и на Смоленском заводе радиодеталей. Расчетный экономический эффект при выпуске I млн.изделий составляет 150 тыс. рублей (в ценах 1990 года). Результаты внедрения позволили оценивать возможность образования поверхностных загрязнений,снижающих качество ЭК, эще на этапе проектирования ККИ и разрабатывать комплексные мероприятия по повышению надежности изделий, охватывающие все этапы проектирования, изготовления и эксплуатации каждого изделия.

Публикации.Научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах и 4-х отчетах по НИР, написанных при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и приложения с актами внедрения. Общий объем без приложения НО странид.

Диссертация подготовлена на основе работ, выполненных автором с 1989 года по настоящее время.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Первая глава.Показано.что по литературным данным до (85-100)$ отказов РЭС обусловлены нарушением работы контактов.

Проведен анализ результатов приемо-сдаточных испытаний и рекламаций с предприятий-потребителей по основным причинам отказов слаботочных ККИ за 1989 и 1990 года. Он доказал, что до 62$ от общего числа отказов вызваны наличием в зоне контактирования поверхностных образований. Такие отказы слаботочных ККИ объясняются тем, что низкие уровни токов и напряжений, а также малые контактные усилия чаще всего не достаточны для разрушения поверхностных пленок и создания участков с чистсметаллической проводи-мостыг.

Показано, что основными причинами образования пленок на поверхности контактов,по литературным данным, являются:

- технические загрязнения от инструментов, загрязнения от вспомогательных инструментов и т.д. ;

- посторонние примеси в воздушной среде производственных помещений;

- органические пары, выделяющиеся в процессе эксплуатации ККИ из изоляционных материалов, входящих в конструктивные элементы устройств.

Из анализа работ различных авторов следует,что уменьшить скорость роста поверхностных пленок на контактах возможно только за счет совершенствования технологии производства ККИ и правильного подбора изоляционных и конструктивных материалов для изготовле-. ния контактных устройств.

Вторая глава. Для систематизации рассматриваемых в диссертации вопросов была разработана новая классификация источников по-

Еерхнсстных образований,в которой все источники делятся на 3 группы в соответствии с основными этапами создания и эксплуатации ККИ:

- конструкторские,- определяемые конструкцией изделия и применяемыми материалами, которые способны выделять газообразные летучие вещества.Показано,что на стадии конструирования можно подобрать такие сочетания материалов, при которых образование поверхностных пленок будет минимальным, что приведет к повышению надежности ККИ;

- технологические,- обусловленные нарушением технологии изготовления контактных систем, загрязнением промывочных и протирочных материалов, возможностью попадания пота и грязи с рук человека, запыленностью атмосферы рабочих мест;

- эксплуатационные,- вызванные влиянием состава и концентрацией агрессивных тазов, влажности, температуры окружающей среды, временем эксплуатации и т.п.

На основе данной классификации разработан методический подход к комплексному учету влияния поверхностных пленок на контактное сопротивление слаботочных ЭК. Он заключается в определении оптимального значения контактного сопротивления на этапе конструирования по уравнениям, учитывающим различные электрофизические характеристики поверхностных пленок, экспериментальном определении параметров, входящих в зги уравнения, и в обеспечении минимального изменения сопротивления на этапах изготовления и эксплуатации. Такой подход позволяет разрабатывать комплексную систему контроля и управления качеством ККИ и повысить их надежность.

Третья глава. Представлены результаты теоретического исследования и разработки методов и уравнений расчета контактного сопротивления ЭК с поверхностными пленками для различных физических моделей контактирующих поверхностей.

Рассмотрены физические модели процесса механического разрушения поверхностной пленки в зоне контактирования при статическом и динамическом взаимодействии обоих контактов для упрощенной одноточечной модели ЭК и более точной - шероховатой.Доказано, что у одноточечной модели ЭК пленка разрушается в центре площадки контактирования с образованием участка с чистоме-ташшческш контактом, через который начинает проходить электрический ток.Выведено уравнение контактного сопротивления

одноточечной модели ЭК при механическом разрушении поверхностных пленок:

где: уэ^ _ среднее значение удельного электрического сопротивления материала контактов;

Р, - контактное усилие,приложенное к ЭК. Определяется экспериментально ( гл. 5 );

контактное усилие,при котором начинается разрушение поверхностной пленки.Определяется экспериментально ( гл. 5 );

М - коэффициент Пуассона;

&пр ~ приведенный радиус кривизны ЭК;

£пр - приведенный модуль упругости 1-го рода.

Для шероховатой модели ЭК соприкосновение двух контактов происходит в отдельных,наиболее высоких мнкровыступах.Шероховатая поверхность моделируется наберем плотно расположенных на опорной поверхности полусферических микровыступов одного радиуса и с высотой, подчиняющейся определенному закону: Используя теорию вероятности, рассмотрено соприкосновение двух упругих шероховатых поверхностей, сжатых контактным усилием. На основании предложенной модели взаимодействия Еыведенс уравнение контактного сопротивления ЗК с механически разрушенной поверхностной пленкой,которое справедливо при условия Рк) (I,15—1,2)РКфраз

п _

/Г*- 71 1. /1 ^ г >

А Гр _р 1

Лк [Гк Чс.раь]

где: А^ - кажущаяся площадь контактирования;

к1 - коэффициент, зависящий от степени обработки поверхности и модуля упругости материала ЗК.Рассчитывается пс предложенной формуле или определяется экспериментально ;

V - параметр микронеровностей шероховатой поверхности, выбирается пс таблице.

Рассмотрены услсепя электрического пробоя поверхностно"; плешей в системе "ыеталл-пленка-металл" и создания участка с высокой электропроводностью. Показано, что физическая модель работы ЭК при пробое пленки происходит как и при механическом разрушении в два этапа: на первом з результате электрического пробоя пленки образуется электропроводящий мостик между обоими контакта!.'.!!, через который протекает ток высокой плотности; на втором этапе температура мостика возрастает и его диаметр увеличивается,сопротивление снижается,вследствие чего контактное напряжение падает.Второй этап продолжается до наступления теплевс го равновесия в зоне пробоя. Для случая электрического пробоя пленки предложено рассчитывать контактное сопротивление как сумму сопротивления стягивания к проводящему каналу и сопротивления канала гпосеодш.;сстп:

Я

К Р Р А / 1Тг\ П

( з )

где: р - удельное электрическое сопротивление канала пробоя;

с(. - суммарная толщина диэлектрических пленск;

£0 - диэлектрическая постоянная;

£ - относительная диэлектрическая прснпцаёмссть пленки; ЦПр - напряжение, при котором происходит пробен пленки.

Определяется экспериментально (гл. 5); (/сст~ напряжение после прсбся пленки.Определяется экспериментально (гл. 5);

Н - теплота сублимации.

Методическая погрешность уравнения контактного сопротивления при электрическом пробое поверхностной пленки состоит из суммы погрешностей уравнении пробоя пленки и площади физического контактирования. Суммарная методическая погрешность составляет 6,9£.

Рассмотрены механизмы проводимости ЭК с неразрушенными поверхностными пленками.которые объясняются переносом электрических зарядов через пленку в системе "металл-пленка-металл". Известно,что в проводимости через пленку участвуют одновременно четыре разных механизма: туннельная проводимость; холодная эмиссия (эмиссия Шоттки); проводимость, ограниченная отрицательным объемным зарядом; проводимость лс примесям.Но их соотношение в общей проводи-

мости определяется химическим составом, толщиной и структурой пленки, температурой рабочей зоны ЭК и т.п. Однако, ЭК одного типоразмера, изготавливающиеся на одном заводе и по одной технологии обычно имеют идентичные структуру и химический состав пленок и, следовательно, в проводимости через такие пленки один из механизмов становится преобладающим. Для случая,когда один из механизмов значительно преобладает над другими уравнение контактного сопротивления имеет вид:

щая от механизма проводимости. Рассчитывается по известным уравнениям. Вид проводимости определяется по температурный зависимостям ВАХ (гл. 5);

Л. - количество видов проводимости, участвующих в переносе электрических зарядов через пленку на ЭК.

Для каждого случая значительного преобладания одного механизма проводимости выведены уравнения расчета контактного сопротивления.

Методическая погрешность выведенных уравнений контактного сопротивления при неразрушенно;'! поверхностной пленке на ЭК состоит из суммы методических погрешностей уравнений плотности тока через пленку в системе "металл-пленка-металл" и погрешности площади физического контактирования. Суммарная методическая погрешность составляет - 7,8$.

На основе анализа механизмов проводимости в системе "М-П-М" была рассмотрена ВАХ ЭК с поверхностными пленками и было высказано предположение, что на ВАХ должно быть не два скачка проводимости, как считалось ранее, а три - если ЭК выполнены из одного материала, или пять - если материалы контактов различии. Это позволяет объяснить резкие скачки изменения сопротивления слаботочных цепей радиоэлектронной аппаратуры при дрейфе рабочего тока.

Четвертая глава.Систематизированы и проанализированы методы и приборы, применяемые для исследования,контроля и испытаний ЭК и ККИ и на их основе разработана единая методология эксперпмеи-

( 4 )

где: и- контактное напряжение;

плотность тока проходящего через пленку и завис*?-

тальной проверки выведенных в третье"- главе уравнени!; контактного сопротивления и для определения входящих в них коз'дшциен-тов. Наряду с традиционными, методами сценки качества ЭК, таких как метод определения контактного сопротивления по четырехдро-водной схеме,метод спектрального микроанализа поверхности контактов и Оже-спекгроскопии,в диссертационной работе были применены автоматизированная установка механического нагружения с фиксацией параметра д 1?к и метод температурных зависимостей ВАХ, разработанный в экспериментальной части диссертации,и включающий в себя установку определения качества ЭК по нелинейности ВАХ, графопостроитель и термокриостат.Эти методы обладают большой информативностью в части выявления скрытых дефектов в ЭК и обеспечены лабораторным оборудованием,что позволяет не только определять коэффициенты,входящие в уравнения контактного сопротивления для различных состояний пленки,но и выявлять причины появления пленок на ЭК в процессе изготовления и оценить скорость их роста при испытании.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований ЭК с поверхностными пленками и проверяются теоретические еыводы, сделанные в главе 3.

При исследовании влияния конструкторских факторов поярления поверхностных образований на контактное сопротивление бпли экспериментально проверены уравнения I?,,, выведенные в гл.З, а также предложены и отработаны методики определения параметров входящих в эти уравнения:механической и электрической прочности пленок, твердости и шероховатости поверхности ЭК.

Механическая прочность псЕерхнсстноп пленки определялась по скачку 1? на зависимости контактного сопротивления ст усилия накатил ( 5К=/ (Рк) ).Использование методики проводилось на 17 различных сочетаниях материалов ЭК и покрытий после воздействия морского тумана и плесневых грибов.Результаты эксперимента обрабатывались на ЭВМ и,были разработаны экспериментальные уравнения для расчета ? для различных материалов ЭК и покрытии в зависимости ст величины накатил и состава воздействующих агрессивных факторов.Погрешность расчета сопротивления по теоретическим формулам I и 2 составила:для одноточечной модели - 10,2%,а для шероховатой - 7,8^.

При исследовании зависимости 1?..= f (Р ) было обнаружено явление гистерезиса этой зависимости.которое заключается в том, что кривые изменения сопротивления при увеличении и последующем скитании усилия накатия не совпадают, а проходят на некотором

расстоянии друг от друга.При этом кривая нагружения проходит выше кривой разгружения для основных материалов ЭК (серебро, золото),что объясняется увеличением зоны контактирования за счет "прилипания" контактирующих микровыступов при сжатии, и для их разрыва требуется дополнительное усилие.Однако для ЗК с никелевым покрытием наблюдалась обратная картина, точного объяснения этому явлению пока не получено.Величина гистерезиса для исследованных ЭК составила (4,5-6,0)^. После воздействия на ЭК агрессивных факторов среди величина гистерезиса возрастала по сравнению с гистерезисом контрольной партии (находившейся на воздухе) на (1,5-2,0)$. Обнаруженное явление ■позволяет уточнить природу динамической нестабильности контактного сопротивления и внести соответствующую поправку в выведенные уравнения. Дополнительная погрешность составила -3,0$.

Было исследовано влияние времени контактирования ЗК на изменение контактного сопротивления. Б результате исследований было установлено, что контактное сопротивление после замыкания постепенно снижается по экспоненциальному закону. За 7 суток сопротивление снизилось на [10-12)% от первоначального значения. Величину контактного сопротивления замкнутых ЭК было предложено представить как сумму двух составляющих:первая - постоянная, которую можно рассчитать по уравнениям I и 2; и вторая - переменная, определяемая временем пребывания ЗК в замкнутом состоянии и зависящая от физических сеойств материала контакта, усилия нажатия и температуры переходной зоны. Так как контактное давление в ЭК значительно ниже предела текучести материала, то можно предположить, что имеет место ползучесть в зоне контактирования под воздействием контактного давления.При исследовании влияния времени контактирования в ККИ было установлено,что контактное сопротивление в различных типах изделий может как возрастать с течением времени,так и снижаться.Это объясняется тем,что в замкнутых пружинно-контактных системах ползучесть проявляется во всех деталях,влияющих на контактное усилие: пружинах, упорах, запрессвках, ламе-лях и т.д. и их суммарное влияние, приведенное к переходной зоне, может как увеличивать, так и снижать контактное усилие с течением времени и, следовательно, контактное сопротивление ЭК. Б исследованных ККИ изменение сопротивления за 7 суток достигало ±13$. Проведенные исследования позволили уточнить статическую нестабильность контактного сопротивления.

Для определения минимального значения напряжения пробоя пб-верхностной пленки.вошедшего в выведенное уравнение ( 3 ),бнло исследовано изменение напряжения пробоя пленки в зависимости от химического состава пленки и времени выдержки в агрессивной среде. Установлено,что на:гряжение пробоя возрастает с увеличением времени воздействия агрессивных газов до 3-4 суток, затем снижается до времени 15-16 суток.после чего снова возрастает. Это объясняется тем,что с .увеличением толщины пленки изменяется характер проводимости через пленку. На ЭВМ были рассчитаны коэффициенты регрессии и разработаны экспериментальные уравнения для различных сочетаний материалов ЭК и покрытий,позволяющие рассчитывать величину напряжения пробоя поверхностной пленки в любой момент времени эксплуатации. Полученные уравнения позволяют определять верхнюю границу контактного напряжения, при котором проводимость в ЗК осуществляется переносом электрических зарядов через пленку и, следовательно, возможно использовать уравнения ( 4,5,6,7 ).

Исследуя напряжение пробоя,нами было подтверждено теоретическое прогнозирование наличия трех скачков проводимости для ЭК с поверхностными пленками (вместо двух как считалось ранее). Исследования проводились на микропереключателях типа МП с ЭК из серебра, которые подвергались воздействию в течении 21 суток.При анализе ВАХ на всех переключателях были 'обнаружены три скачка проводимости. Первый скачек проводимости происходил при контактном напряжении в пределах (0,06-0,08)В и объясняется пробоем поверхностной пленки.Его значение можно рассчитать по экспериментальным уравнениям,описанным выше. Второй и третий скачки проводимости'на ВАХ были аналогичны скачкам, полученным другими авторами, и объясняются: второй - текучестью материала ЭК, третий - плавлением. Исследование этого явления позволяет объяснить внезапное резкое увеличение рабочего тока в слаботочной аппаратуре, приводящее к отказу электрорадиоэлементов, которое наблюдается при изменении рабочего напряжения в определенных пределах.

Были проведены экспериментальные исследования твердости и шероховатости контактирующих поверхностей и было установлено, что изменение твердости и шероховатости в партии контактов подчиняется закону нормального распределения случайных величин. Разброс значений твердости в одной детали составляет -&%, а в партии - ±17%. Разброс серохсватости в партии деталей не

превышает одного квалитета.

Если в результате приложения к ЭК контактного усилия или напряжения поверхностная пленка не разрушена,то проводимость осуществляется в результате переноса электрического заряда через пленку.Механизм проводимости,как известно,зависит от температуры в зоне контактирования и определяется природой поверхностном пленки.На основании этого явления был предложен и разработан не-разрушающий метод определения природы поверхностно;: пленки по форме кривой температурной зависимости контактного сопротивления, который заключается в тем, что у ККИ в диапазоне температур от -80 до +Ю0°С через каждые Ю°С снимается ВАХ и после обработки полученных характеристик строятся зависимости контактного сопротивления от температуры,по форме которых определяется наличие и природа поверхностной пленки или ее отсутствие.

Отработка метода определения природы поверхностной пленки проводилась на микропереключателях серии МП и Ш, забракованных при приемо-сдаточных испытаниях (ПСИ), а в качестве контрольной бралась партия изделий,прошедшая ПСИ без отказа.Все изделия охлаждались до -80°С и затем нагревались до +Ю0°С. Через каждые 10сС на кавдом образце снимались ВАХ. После обработки ВАХ для каждого изделия строились зависимости контактного сопротивления от температуры. При последующем анализе были выявлены четыре характерные формы графиков (рис.1). Анализ элементного состава 'поверхности ЭК изделий Оже-методом показал, что каждая форма графика строго соответствует пленке имевшей или полупроводниковую (рис.1 "а"), или диэлектрическую (рис.1 "б"), или электролитную (рис.1 "е") природу.График в виде прямой горизонтальной линии во всем диапазоне температур (рис.1 "г") соответствовал чистым ЭК, прспедшим ПСИ без отказа.

Ом.

50

б

-80 -40 0 +¡40 Тео °С

.а г в

Рис. I.

Исследуя технологические источники поверхностных образований, были экспериментально проверены влияния технологического процесса изготовления и сборки изделий на образование пленок на ЭК. С этой целью исследовались:запыленность,влажность,газовый состав атмосферы производственных цехов и чистота промывочных жидкостей на двух заводах,расположенных в разных климатических зонах страна :: сопоставлены с количеством брака при ПСИ. Было установлено, что содержание сернистого ангидрида и окислов азота в атмосфере цеха зависит от времени года и климатической зоны расположения завода. Содержание сернистого ангидрида колеблется в пределах (0,63-2,5)мг/м^, а окислов азота (0,05-0,35)мг/м^. Сравнение изменения содержания агрессивных факторов в атмосфере цеха за год с изменением брака ККИ показал их полную взаимосвязь.Анализ полученных результатов позволил установить,что изменение величины брака на заводах в течении года зависит от изменения агрессивных факторов в атмосфере цеха,времени года и климатической зоны расположения завода.

При исследовании запыленности атмосферы рабочих участков было установлено, что размеры частиц пыли находились в пределах (0,1-200)мкм. Частицы имели разнообразную ферму в виде: палочек,шариков, пластин, игл и т.д. Спектральный анализ ссстага пыли показал наличие соединений содержащих: металлы - Си,га, Ре; неметаллы -, СЕ, Са, К ; а также органические примеси.Интенсивность осаждения зависит от положения в пространстве контактирующего участка: на поверхность, расположенную вертикально, пыли осаждается, в (50-100)раз меньше, чем на расположенную горизонтально. При встряхивании изделий концентрация пыли на контактирующей поверхности уменьшается.

Исследование чистоты промывочных жидкостей показало,что в них уже до применения содержатся примеси соединений содержащих: Р6, Ре, , АЕ, а после промывки деталей в них добавляются и постепенно накапливаются: Са, Л , Сё и др. Эти соединения попадают даже на чистые контакты и образуют пленки большого сопротивления, приводящие позднее к отказам, что и было подтверждено спектральным анализом поверхности ЭК забракованных при ПСИ.

По результатам исследования влияния технологического процесса с помощью метода температурных зависимостей ВАХ были разработаны и внедренн рекомендации по улучшению техпроцесса,которые позволили сократить количество брака б 25 раз.

Рассматривая эксплуатационные причины образования поверхностных пленок были исследованы влияния агрессивных факторов на контактное сопротивление. Для этого изделия,в соответствии с нормативами "Климат-6", подвергались в течении заданного времени,воздействию агрессивных газов , 502, МНд, N02, ИаСЕ, плесневых грибов и колебанию температуры окружающей среды в диапазоне (-6С ...+85)°С. После выдержек в испытательных камерах у каждого изделия снимались ВАК,определялось контактное сопротивление и дда какдсго материала ЭК и покрытия строились зависимости контактного сопротивления от времени выдержки в конкретней атмосфере. Из анализа полученных результатов было установлено,что чувствительность разных материалов ЭК к образованию пленок избирательна , т.е. скорость изменения контактного сопротивления у разных материалов при везде;;степи одного и того же агрессивного фактора (газа,Елагл,грибов и т.д.) различна. Это позволило сделать вывод о том, что еще на этапе конструирования можно подбирать такой материал ЭК, при котором изменение сопротивления будет минимальным е заданных условию: эксплуатации. Результаты экспериментов обрабатывались на ЭВМ.'Были разработаны экспериментальные уравнения расчета контактного сопротивления для всех исследованных случаеЕ, что позволяет определять величину контактного сопротивления для каждого материала ЭК и состава агрессивного факторе в любой момент испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Обобщение,анализ к систематизация основных источников поверхностных образовании на ЭК позволили разработать научно-методический подход к комплексному учету их влияния на контактное сопротивление. Сн заключается в определении оптимального уровня контактного сопротивления слаботочных ЭК с поверхностными пленка;,;;; на этапе конструирования и в обеспечении его минимального изменения на этапах изготовления и эксплуатации. Такой подход позволяет разрабатывать комплексные мероприятия,средства и рекомендации пс повышенна качества контактирования слаботочных ЭК и, следовательно, надегшсси; Ш!.

2. Разработаны слзичес:-::;е модели взаимодействия ЭК,покрытых поверхностными пленками, и на их основе выведены уравнения расчета контактного сопротивления ЭК с разрушенными и неразрушенными

поверхностными пленками,учитывающие макро- и микрсгеометрию контактов, контактное усилие и состояние окружающей среды.

3. Отработана методика определения механической прочности поверхностной пленки на ЭК по зависимости контактного сопротивления от усилия нажатия. Методика применялась при исследовании 17 исеых сочетаний материалов ЭК и покрытий на стойкость к пленко-сбразсванию в средах содержащих ИаСЕ ' и плесневые грибы.

При этом было подтверждено,что никель является хорошим барьерным подслоем для покрытий из благородных металлов (серебро,золото) ¡1 псззоляот экономить их применение.А такие,что ЭК с покрытием золота без подслоя никеля при воздействии среды,содержащей КаСЕ, имеют склонность к образованию прочных поверхностных пленок, ограничивающих прохождение тока,и которые не разрушаются даже при максимальных усилиях,предусмотренных в современных слаботочных ККИ.

4. Приведены экспериментальные исследования установленного явления гистерезиса зависимости контактного сопротивления при изменении направления усилия нажатия и явления изменения контактного сопротивления от времени контактирования, вызванное ползучестью материалов ЭК под воздействием контактного давления. Они позволили внести соответствующие поправки в уравнения контактного сопротивления. Суммарная погрешность составила - ¿16$.

5. Отработана методика определения напряжения электрического пробоя поверхностной пленки на ЭК 1/Пр и остаточного пссле прсбся напряжения исст. По полученным результата!.: разработаны экспериментальные уравнения расчета напряжения пробоя пленок в зависимости ст материала контактов,состава агрессивных газов и времени эксплуатации коммутационного изделия.

Ир:: этом экспериментально проверено теоретическое предположение наличия трех скачксв проводимости на кривей ВАК контактов с поверхностными пленками вместо двух, как считалось ранее. Это позволило объяснить внезапные изменения сопротивления слаботочных цепей при колебании напряжения, приводящие к отказам аппаратуры.

6. Разработан неразрушающий метод определения природы поверхностно:: пленки пс форме кривой зависимости контактного сопротивления от температуры, который значительно проще и дешевле применяемых ранее. Этот метод апробировался при исследовании чистоты технологического процесса и позволил разработать рекомендации,позволившие сократить количество брака при ПСИ в 25 раз.

7.' Проведены экспериментальные исследования влияния чистоты технологического процесса изготовления и сборки изделий на образо-

вание пленок на ЭК. Установлена взаимосвязь количества брака с составом агрессивных газов и пыли в атмосфере цеха,временем года и климатической зоной расположения завода-изготовителя.

8. Проведено экспериментальное исследование различных сплавов ЭК и покрытий на стойкость к пленкообразованию в газовых средах, содержащих Hgi , S02, HHg. Н02, НаСВ и плесневые грибы. На основе полученных результатов разработаны экспериментальные уравнения контактного сопротивления, позволяющие определять сопротивление для кавдого материала ЭК и состава агрессивного фактора в любой момент испытаний.

9. Основные результаты диссертационной работы внедрены на трех предприятиях, экономический эффект от внедрения полученных результатов при выпуске I млн. изделий составит 150 тыс. рублей (в ценах 90-го года).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Левин П.А..Светланов В.И. Исследование изменения падения напряжения на контактах с тонкими поверхностными пленка!.™// тез.докл.Всессюз. НТК "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры" - Запорожье,1990 - с.99,100.

2. Левин П.А..Светланов В.И. Влияние коррозионной среды на изменение формы электрического сигнала проходящего через контакты/Дез. докл.Всесоюз. НТК "Методы и средства борьбы с помехами в цифровой технике" - Вильнюс,1990 - с.164-167.

3. Левин П.А..Светлаков В.И. Проводимость ЭК с поверхностными пленкаш//Злектронная техника.Сер.5 - 1991 - Вып.3(84)-с.27-30.

4. Новые методы нанесения функциональных покрытий контактных систем коммутационных кзделий/Крыщенко К. И., Светлаков В.И. , Левин П.А..Вишнякова Г.И.//Гез.докл. НЖ "Перспективные покрытия электрических соединителей и корпусов для интегральных микросхем к полупроводниковых приборов. Технология получения, методы анализа и оценки качества." - Мытищи,1991 - с.58-62.

5. Звонов П.П..Светланов В.И..Левин П.А. Автоматический комплекс для определения контактных свойств образцов материалов произвольно:; фор;лы//Тез. докл. НТК "Перспективные покрытия электрических соединителей и корпусов для интегральных микросхем и ползгпроводнпковых приборов. Технология получения,методы анализа и сценки качества." - Мытищи,1991 - с.37-39.

6. Леви П.А. Исследование контактного сопротивления никелевых гальвакопокрытпй//Электронная техника.Сер.5 - 1991 -Вып.4

(85) - с.32,33.

7. Влияние воздействия окру~-ающей среды в процессе изготовления микропереключателей на качество кснтактирования/Любаева И.И., Левин П.А. и др.//Автоматизация и современная технология. -1992 - >Л2 - с. 19-21.

8. Легки П.А. Исследование гистерезиса зависимости Зк=/(Рк)// Автоматизация и современная технология. - 1992 - Гй - с.21.