автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование дилатометрического метода и средств контроля теплофизических параметров полупроводниковых активных элементов



^

'-С ^

с^. На правах рукописи

ЧЕРТОРИЙСКИЙ Алексей Аркадьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск -1997

Работа выполнена в Ульяновском филиале института радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Потапов Владимир Тимофеевич

Научный консультант: кандидат технических наук

Широков Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стучебников Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент Бакланов Сергей Борисович

Ведущая организация: Московский государственный университет Леса

Защита состоится декабря 1997г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 064.21.01 в Ульяновском Государственном техническом университете (432700, Ульяновск, ул. Северный Венец, 32)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского Государственного технического университета.

Автореферат разослан ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор

П.И. Соснин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное внедрение вычислительной техники (ВТ) в различные сферы человеческой деятельности и создание на ее основе сложных интегрированных информационно-измерительных и управляющих систем выдвинуло в ряд важнейших проблему обеспечения надежности их функционирования. Данная проблема непосредственно связана с задачей обеспечения высокой надежности полупроводниковых (п/п) активных элементов (дискретных транзисторов, гибридных и п/п интегральных схем), составляющих основу современных систем и устройств ВТ.

Многочисленными исследованиями доказано, что одной из основных причин отказов п/п активных элементов является отклонение теплового режима их работы от установленных норм. Это отклонение может быть обусловлено рядом причин: неудачным конструкторско-технологическим решением; несоответствием используемых материалов установленным нормам; сбоями в технологическом процессе и целым рядом других причин, необна-руживаемых традиционными методами контроля.

С тепловым режимом работы непосредственно связаны термодеформации, возникающие в элементах под воздействием как переменных температур, так и наличия градиента температуры. Термодеформации также существенно снижают срок службы активных элементов.

Несмотря на достигнутый прогресс в развитии аналитических методов расчета тепловых режимов и термодеформаций, в условиях быстро меняющейся номенклатуры изделий и возможных сбоев технологического процесса большой интерес представляют экспериментальные методы контроля.

Применяемые в настоящее время методы и технические средства контроля тепловых режимов и термодеформаций п/п активных элементов либо не решают вопросов контроля пространственного распределения температуры и термодеформаций (методы, использующие термозависимые электрические параметры активных элементов), либо сложны в применении и требуют предварительной подготовки поверхности исследуемых элементов (интерференционная микроскопия; тепловизионные методы; спекл- интерферометрия; голографические методы).

В связи с изложенным, разработка новых методов и технических средств контроля тепловых режимов и термодеформаций п/п активных элементов является актуальной задачей и имеет как научное, так и практическое значение.

Цель работы - разработка и исследование метода контроля теплофизиче-ских параметров п/п активных элементов по результатам измерения их тер-

модеформаций (дилатометрический метод), а также средства для технической реализации предложенного метода.

Для достижения этой цели решались следующие научные задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование дилатометрического метода контроля теплофизических параметров п/п активных элементов;

2. Разработка метрологических основ дилатометрического метода контроля;

3. Теоретическое и экспериментальное исследование возможности применения волоконно - оптических устройств для контроля термодеформаций п/п активных элементов.

Методика и направление исследований. Зависимость надежности активных элементов от теплового режима и термодеформаций, неразрывная взаимосвязь последних определили основное направление исследований -разработку эффективного экспериментального метода и средства, позволяющего осуществлять контроль п/п активных элементов с помощью одновременного измерения их термодеформаций и теплофизических параметров.

В настоящей работе в качестве термометрического свойства выбрано тепловое линейное расширение исследуемого элемента. В целях обоснования принятой концепции в работе теоретически и экспериментально исследованы тепловые переходные процессы, протекающие в п/п активных элементах при рассеивании в них электрической мощности. Теоретическое исследование тепловых процессов проведено на основе анализа эквивалентных электрических схем с учетом закономерностей теплового расширения твердых тел. Подтверждение основных теоретических выводов получено при проведении экспериментальных исследований термодеформаций и параметров теплового режима нескольких типов мощных транзисторов и гибридных интегральных схем.

Теоретический анализ процессов термодеформаций мощных транзисторов позволил сформулировать основные требования к метрологическим характеристикам разрабатываемого волоконно-оптического датчика (ВОД) для контроля термодеформаций.

Исследование параметров и характеристик ВОД выполнено с учетом законов распространения оптического излучения.

Математическое моделирование, обработка и анализ экспериментальных результатов проведены с применением ЭВМ и программ, написанных с использованием интегрированной системы Microsoft MathCAD 5.0 Plus .

Научная новизна диссертации сводится к следующему:

1. Показана возможность дилатометрического метода контроля распределения относительной температуры перегрева по площади п/п активного

ч н

элемента путем математической обработки результатов измерения переходных процессов термодеформаций в нескольких точках кристалла исследуемого элемента при подаче на него импульсной разогревающей мощности.

2. Проведен анализ особенностей применения волоконно-оптических интерферометров для контроля термодеформаций и теплофизических параметров полупроводниковых активных элементов.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать дилатометрический метод контроля теплофизических параметров п/п активных элементов, а также устройство для его реализации:

1. Предложенный дилатометрический метод позволяет исследовать пространственное распределение относительной температуры перегрева по площади кристалла п/п активного элемента, а также, в ряде случаев, тепловые сопротивления и теплоемкости отдельных слоев элемента. Возможно применение данного метода при отработке теплового режима п/п активных элементов.

2. Разработан и создан макет ВОД на базе интерферометра Фабри-Перо низкого контраста, обеспечивающий исследование термодеформаций и реализацию дилатометрического метода контроля теплофизических параметров п/п активных элементов.

3. Результаты анализа инструментальной и методической погрешностей ВОД, его пространственной разрешающей способности и требований к параметрам юстировки могут использоваться при разработке ВОД для контроля термодеформаций п/п активных элементов.

На защиту выносятся:

1. Метод контроля распределения относительной температуры перегрева в пределах кристалла активного элемента, основанный на подаче на исследуемый элемент импульса электрической разогревающей мощности и измерении параметров переходного процесса теплового расширения в точках, равномерно распределенных по площади кристалла.

2. Дифференциальный метод измерения термодеформаций активного элемента, обеспечивающий выделение информации о параметрах его теплового расширения.

3. Принцип построения ВОД для контроля термодеформаций в п/п активных элементах и результаты анализа составляющих его методической и инструментальной погрешности.

4. Результаты анализа пространственной разрешающей способности ВОД и требований к параметрам его оптической части.

Основные результаты работы представлены и доложены на 5-й Российской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепло-

ч

вые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 1993), Всероссийской конференции "Волоконная оптика" (Москва, 1993), 7-й Всероссийской научно - технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления ("Датчик-95")" (Крым, 1995), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 1996), 2-й Всероссийской научно- технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (Н. Новгород, 1997), ежегодных научно - технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1993-1996).

Публикации. Результаты исследований отражены в 8 научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 126 страниц, в том числе 5 страниц приложений, список литературы из 83 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава. Обзор методов и средств контроля теплофизических параметров и термодеформаций полупроводниковых активных элементов.

Обзор методов измерения теплофизических параметров п/п активных элементов показал, что наибольший интерес для разработчиков представляют методы, обеспечивающие получение картины распределения температуры по поверхности исследуемого объекта. Из рассмотренных методов контроля лишь тепловизионный метод отвечает требованию бесконтактности измерений и обладает пространственной разрешающей способностью. Однако, применение данного метода для контроля теплового поля п/п активных элементов осложнено непостоянством излучающей способности поверхности в пределах кристалла элемента, а также сложностью и высокой стоимостью тепловизионных установок.

С учетом вышеизложенного в данной работе предложено применить для контроля теплофизических параметров п/п активных элементов дилатометрический метод, основанный на измерении величины теплового расширения исследуемого объекта при подаче на последний известной разогревающей мощности. Данный метод обеспечивает реализацию в едином средстве измерения контроль как термодеформаций, так и теплофизических параметров.

Анализ литературных данных показал, что до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные методические и практические рекомендации по применению дилатометрического метода для контроля теплофизических параметров п/п активных элементов.

При анализе существующих методов и средств контроля термодеформаций учитывалось важнейшее требование бесконтактности и электрической пассивности датчиков. В связи с этим предпочтение отдано оптическим методам измерения, среди которых рассмотрены: интерференционная микроскопия; топографический метод; спекл- интерферометрия; метод муаровых полос; лазерная интерферометрия; волоконная интерферометрия.

Сравнительный анализ показал перспективность применения волоконно-оптических интерферометров (ВОИ) для контроля термодеформаций п/п активных элементов. Преимуществами ВОИ, по сравнению с другими существующими методами и средствами контроля, являются: возможность проведения измерений в труднодоступных местах без специальной подготовки объектов; более низкие требования к параметрам юстировки оптической части датчика и к качеству отражающей поверхности; относительная простота измерительного оборудования.

В результате рассмотрения схем ВОИ отдано предпочтение ВОИ Фабри-Перо низкого контраста. Достоинствами датчика термодеформаций на основе ВОИ Фабри-Перо низкого контраста с обработкой оптического сигнала по методу активного гомодинирования являются: высокая помехозащищенность; возможность миниатюризации; простота оптической схемы; удобная форма представления информации о величине перемещения поверхности исследуемого объекта.

Особенности применения ВОИ Фабри-Перо для контроля термодеформаций п/п активных элементов связаны с нагревом поверхности исследуемого элемента и использованием ее в качестве одного из зеркал интерферометра. Установлено, что для данного случая требуют уточнения и разработки такие важные для практики вопросы, как: влияние параметров юстировки оптической части интерферометра на метрологические характеристики; анализ пространственной разрешающей способности датчика; анализ составляющих погрешности измерений.

Вторая глава. Теоретическое исследование дилатометрического метода контроля теплофизических параметров п/п активных элементов.

Особенностью п/п активных элементов как объектов контроля является их многослойность. В этом случае получаем, что контролируемое с помощью датчика термодеформаций перемещение поверхности исследуемого элемента обусловлено тепловым расширением всех его слоев:

АН(0 = ХН|-а;-АТД1), (1)

1

где ДНО) - мгновенное значение изменения толщины контролируемого активного элемента за счет теплового расширения; Н, , ш , ДТ^) - соответ-

ственно начальная толщина, температурный коэффициент линейного расширения материала и мгновенное значение изменения температуры ¡-го слоя п/п активного элемента. Однако, анализ дилатометрического метода показал, что для определения таких теплофизических параметров, как температура перегрева, тепловое сопротивление и теплоемкость отдельных слоев п/п активного элемента необходимо выделение процесса теплового расширения кристалла из суммарного теплового расширения структуры.

В целях проверки применимости дилатометрического метода для определения перечисленных выше теплофизических параметров проведен анализ происходящих в активных элементах тепловых процессов. Для этого рассматривалась эквивалентная электрическая модель данных процессов. Установлено, что выражение для переходной характеристики теплового расширения п/п активного элемента, при подаче на него разогревающей мощности, приближенно можно представить в виде суммы экспоненциальных функций, соответствующих переходным процессам теплового расширения отдельных слоев. Ввиду сложности и громоздкости получаемых аналитических выражений, вычисления проводились численными методами с использованием ЭВМ. Показано, что возможность применения дилатометрического метода для контроля теплофизических параметров слоев активного элемента определяется соотношением тепловых постоянных времени, а также произведений толщины и температурного коэффициента линейного расширения отдельных слоев исследуемого элемента.

В процессе разработки новых п/п элементов наибольший интерес представляет возможность оценки распределения температуры перегрева по площади кристалла. Обобщение результатов, полученных для тепловой модели, на случай неравномерного распределения температуры возможно, если площадь кристалла рассматривать как совокупность равных элементарных площадок, а весь активный элемент - как совокупность элементарных объектов. При этом предполагается, что поток тепла через боковые грани данных объектов отсутствует. Данное упрощение допустимо для случая малой неравномерности распределения разогревающей мощности по площади кристалла, что справедливо для нормального режима работы. В результате получено выражение для нормированного поля изменения толщины п/п активного элемента, обусловленного его тепловым расширением:

ДН(х,у,1) _ Т,(х,уД) ДН(хт,уга,0 Т,(хт,Ут,1)'

где ДН(Хт,ут,0 - максимальное мгновенное значение изменения толщины активного элемента за счет его теплового расширения, соответствующее точ-

п

ке (хго,уга); Т|(хт,ут,0 - максимальное мгновенное значение температуры перегрева первого слоя активного элемента.

Анализ выражения (2) позволяет сделать вывод о возможности применения дилатометрического метода для исследования поля относительного распределения температуры перегрева в пределах поверхности кристалла активного элемента. Это реализуется путем измерения мгновенных значений изменения толщины исследуемого элемента в различных точках его поверхности и нормирования полученных значений относительно максимального мгновенного значения.

Анализ механической модели п/п активного элемента показал, что для минимизации влияния термодеформаций типа изгиб на результаты измерения процесса теплового расширения необходимо применение дифференциального метода измерения термодеформаций. Предложено измерять мгновенное значение перемещения как верхней, так и нижней поверхностей исследуемого п/п элемента, относительно опорной поверхности, и определять величину изменения толщины элемента как разность полученных значений. Сложность практической реализация дифференциального метода измерения заключается в необходимости обеспечения доступа к нижней поверхности п/п активного элемента, расположенной на опорной поверхности, функции которой выполняет теплоотвод. Для решения данной проблемы предложено использовать уникальные свойства волоконной оптики и подводить излучение к нижней стороне исследуемого элемента через миниатюрные отверстия в теплоотводе, количество и расположение которых выбирается из условия возможности восстановления профиля поверхности.

Результаты теоретического анализа использовались для моделирования процессов теплового расширения мощного транзистора, что позволило сформулировать требования к быстродействию и динамическому диапазону ВОД, предназначенного для реализации дилатометрического метода контроля теплофизических параметров мощных транзисторов.

Третья глава. Разработка и исследование волоконно-оптического устройства для измерения термодеформаций п/п активных элементов.

Структурная схема ВОД на основе ВОИ Фабри-Перо низкого контраста, использованного в данной работе для контроля термодеформаций п/п активных элементов, приведена на рис.1.

Интерферометр Фабри-Перо низкого контраста образован выходным торцом одномодового волокна (В) и отражающей поверхностью исследуемого п/п активного элемента (УТ). Последний размещен на трехкоординат-ной подвижке (ПЗ), что позволяет устанавливать необходимую величину рабочего промежутка интерферометра Ь, а также обеспечивает выбор исследу-

емой точки на поверхности п/п элемента. В ВОИ использован Не-Ые лазер (ГН-2П), излучение которого вводится в волокно через светоделительную пластину (СП). Устройство стабилизации (УС) обеспечивает постоянство разности фаз между интерферирующими волнами (постоянство Ь) путем подачи управляющего напряжения на пьезоподвижку (ПП) с закрепленным в ней выходным торцом волокна. Информация о величине Ь выделяется в результате анализа формы напряжения с выхода фотоприемного устройства (ФПУ).

Напряжение обратной связи иос с выхода УС, пропорциональное величине перемещения поверхности УТ при подаче на него импульса разогревающей мощности с выхода устройства подключения активного элемента (УП), поступает на один из входов цифрового осциллографа (Осц.). В результате получается осциллограмма переходного процесса термодеформации. На второй вход осциллографа с УП поступает импульс напряжения 11м, амплитуда которого пропорциональна величине электрической разогревающей мощности. Это позволяет контролировать как величину разогревающей мощности, так и момент начала разогрева.

Результаты анализа функции преобразования исследованного датчика использовались при анализе основных составляющих инструментальной и методической погрешностей измерения термодеформаций, при анализе пространственной разрешающей способности датчика и требований к котировочным параметрам.

п ч

Установлено, что основными составляющими погрешности измерения термодеформаций являются: динамическая погрешность следящей системы; нестабильность коэффициента деформации пьезоподвижки; погрешность средств измерения напряжения обратной связи с выхода устройства стабилизации рабочей точки интерферометра и ФПУ; шумы ФПУ и источника излучения; погрешности, связанные с влияющими факторами внешней среды (нестабильности параметров оптической части интерферометра, вызванные источниками механического шума; изменение показателя преломления воздуха в рабочем промежутке интерферометра, обусловленные нагревом поверхности исследуемого п/п активного элемента).

Одной из особенностей применения интерферометра для измерения теплового линейного расширения п/п активных элементов является изменение температуры воздуха в рабочем промежутке интерферометра за счет теплообмена с нагретой поверхностью кристалла исследуемого элемента и, как следствие, изменение показателя преломления воздуха. Теоретический анализ показал, что связанная с нагревом воздуха погрешность ведет к увеличению результата измерения термодеформаций. Установлено, что в случае исследования термодеформаций мощных транзисторов данная погрешность не превышает 1 % при использовании малого значения рабочего промежутка интерферометра ( порядка 100 мкм).

В связи с тем, что для интерференционного датчика оптимальным является режим максимума видности интерференционных полос, в работе получено выражение, связывающее данный параметр с котировочными параметрами исследованного датчика:

[С1-К1>2К1 -у ГУ о +(!-*,)% -У, -уа(Ь,в) + Я,]

где ДЯб) - параметр видности интерференционных полос как функция от юстировочных параметров Ь, 9-угла между нормалью к отражающей поверхности и направлением распространения выходящего из волокна излучения и Яб - коэффициента отражения от исследуемой поверхности; ^-коэффициент отражения от границы торец волокна-воздух; уо, 71 , уэ - коэффициенты ввода излучения, отраженного от выходного торца волокна-в волокно, с выхода лазера-в волокно и отраженного от поверхности исследуемого объекта-в волокно соответственно.

Установлено, что с учетом возможных при исследовании п/п элементов изменений Иэ в пределах 0.4 - 0.85 и 9 = ±2°, оптимальным значением рабочего промежутка интерферометра следует считать Ь=50 мкм.

ч

Малое значение рабочего промежутка в ряде случаев осложняет проведение измерений деформации поверхности объектов со значительным перепадом высот (например, гибридная интегральная схема). В связи с этим в работе рассмотрена возможность применения оптических насадок, располагаемых между выходным торцом волокна и исследуемым объектом, позволяющих увеличить рабочий промежуток интерферометра. Получены выражения, необходимые для расчета параметров оптической насадки, а также котировочных параметров. Показано, что при использовании оптических насадок максимальная видность интерференционных полос наблюдается при некотором смещении ЛЬ поверхности исследуемого п/п элемента относительно места перетяжки пучка, сформированного оптической насадкой.

При анализе пространственной разрешающей способности ВОД в качестве критерия выбрана величина допустимой погрешности измерения перемещения, обусловленной отражением от поверхности исследуемого объекта за пределами площадки заданного диаметра. Для значения рассматриваемой погрешности равного 1 нм получено, что разрешающая способность соответствует пятну диаметром 7 мкм. Установлено, что для ВОД без оптической насадки разрешающая способность определяется, в основном, параметрами поперечного распределения излучения на выходе оптического волокна. Зависимостью пространственной разрешающей способности от величины рабочего промежутка интерферометра можно пренебречь. В случае применения оптической насадки наблюдается увеличение пространственной разрешающей способности с увеличением смещения исследуемой поверхности относительно места перетяжки сформированного оптической насадкой пучка. С возрастанием коэффициента увеличения оптической насадки пространственная разрешающая способность ухудшается.

Четвертая глава. Экспериментальное исследование дилатометрического метода контроля теплофизических параметров п/п активных элементов и средства для его реализации.

Для подтверждения достоверности результатов контроля теплофизических параметров, получаемых с помощью ВОД, экспериментально исследованы параметры ВОД, определяющие инструментальную погрешность измерений: быстродействие устройства стабилизации рабочей точки интерферометра; гистерезис пьезоподвижки; шумовые параметры низкочастотного и высокочастотного канала.

Измерения спектральной плотности напряжения шумов на выходе ФПУ и устройства стабилизации, выполненные для различных способов крепления чувствительного элемента датчика над поверхностью исследуемого объекта показали, что механические колебания конструкции интерферометра являются основным влияющим фактором внешней среды. Кроме того, эксперимен-

п

талыю подтверждена зависимость величины случайной составляющей погрешности рассматриваемого ВОД от параметра видности интерференционных полос. Это позволяет производить обоснованный выбор котировочных параметров, обеспечивающих достижение заданной точности измерения термодеформаций.

В результате экспериментального исследования параметров разработанного датчика установлено, что он обеспечивает контроль термодеформаций в диапазоне ±(20 * 1000) им с приведенной (для ЮОнм) инструментальной погрешностью не более 6% . Минимальная тепловая постоянная времени термодеформаций, определяемая быстродействием низкочастотного канала ВОД, составляет 14 мс. Сравнение характеристик разработанного датчика с требованиями, сформулированными во второй главе диссертации, подтверждает возможность его использования для измерения термодеформаций и характеристик теплового режима мощных транзисторов.

Проверка работоспособности дилатометрического метода контроля проводилась на партии транзисторов типа КТ8107 и КТ8150, а также на гибридных ИС с использованием описанного в предыдущем разделе датчика на основе ВОИФП. Транзисторы и ИС взяты из техпроцесса до стадии герметизации.

Транзистор подключался по схеме эмиттерного повторителя, что обеспечивало удобство измерения рассеиваемой на нем мощности. Подачей с генератора на базу транзистора прямоугольных импульсов заданной длительности обеспечивался импульсный режим разогрева и исследовался процесс перемещения поверхности кристалла транзистора, т.е. переходный процесс термодеформации. Для реализации дифференциального метода измерения использовались сделанные в теплоотводе отверстия диаметром 0.5 мм, через которые осуществлялся контроль перемещения обратной стороны фланца транзистора в пределах проекции кристалла транзистора.

С целью экспериментального подтверждения теплового характера контролируемых деформаций и проверки работоспособности ВОД при работе с различными типами отражающих поверхностей проведены две серии испытаний. В качестве исследуемых объектов с контролируемыми теплофизиче-скими параметрами использовались мощные транзисторы.

В первой серии испытаний для каждого транзистора исследовалась зависимость мгновенного значения термодеформации от величины разогревающей мощности. При этом изменение последней достигалось как изменением коллекторного напряжения так и коллекторного тока. Полученная для всех экземпляров транзисторов, независимо от режима разогрева, линейная зависимость между измеряемым перемещением поверхности транзистора и величиной рассеиваемой на нем мощности позволяет сделать вывод, что при

дилатометрическом методе контроля параметров мощных транзисторов, влиянием обратного пьезоэффекта можно пренебречь и считать, что наблюдаемые деформации имеют тепловой характер. В результате данных исследований также экспериментально подтверждена работоспособность предлагаемого ВОД при использовании в качестве отражающих различных типов поверхностей (кремний, полированный алюминий, облуженная медь, неполированная сталь), встречающихся в конструкциях п/п активных элементов.

Во второй серии испытаний для транзисторов из одной партии при неизменных параметрах подаваемого на них импульса разогревающей мощности получена линейная зависимость установившегося значения теплового расширения кристаллодержателя от величины теплового сопротивления кристалл-корпус транзистора. Это делает возможным применение дилатометрического метода для контроля теплового сопротивления кристалл-корпус транзистора в процессе их производства. Необходимо отметить, что линейная зависимость наблюдалась только в случае применения дифференциального метода измерений термодеформаций, что является экспериментальным подтверждением результатов, полученных во второй главе при рассмотрении модели термодеформаций мощного транзистора.

Высокая пространственная разрешающая способность рассматриваемого датчика позволяет, путем измерения переходных процессов теплового расширения в различных точках поверхности кристалла транзистора, получать информацию о пространственном распределении термодеформаций. Наиболее полно потенциальные возможности рассматриваемого ВОД реализуются при контроле термодеформаций транзисторов с явной неравномерностью пространственного распределения разогревающей мощности.

Изменение профиля поверхности данного транзистора в процессе воздействия на него импульса разогревающей мощности показано на рис.2.

В целях экспериментальной проверки возможности применения дилатометрического метода для получения информации о распределении относительной температуры перегрева, для нескольких экземпляров мощных тран-

150 мс-

300 мс"

Рис.2. Изменение профиля поверхности (в нм) кристалла транзистора с локализацией тока в различные моменты времени после подачи разогревающего импудьса.

зисторов проведены исследования процессов теплового расширения в различных точках кристалла. Измерения проводились дифференциальным методом.

На рис.3 показаны результаты измерения распределения относительной температуры перегрева для транзистора с нормальным токораспределением и транзистора, у которого наблюдается явление локализации тока. Линиями показаны изотермы температуры перегрева. Температура нормирована относительно максимума. Вид распределения температуры соответствует результатам теоретических и экспериментальных исследований, получаемым с использованием других методов и средств измерения.

В целях проверки возможности расширения области применения дилатометрического метода и рассматриваемого ВОД проведены исследования

а) б)

Рис.3. Пространственное распределение относительной температуры перегрева кристалла транзистора спустя 200мс после подачи импульса разогревающей мощности для транзистора а) с нормальным токораспределением; б) с локализацией тока.

термодеформационных процессов в ИС, выполненных по гибридной тонкопленочной технологии. Эксперименты подтвердили данную возможность.

Установлено, что распределение термодеформаций по площади ИС является крайне неоднородным. В значительной степени это связано с качеством крепления активных элементов к подложке и условиями отвода тепла от контролируемой зоны. Данный факт иллюстрируют результаты измерения деформаций для одной и той же микросхемы до и после приклеивания активных элементов к ее подложке (рис.4).

Также экспериментально показано, что использование дилатометрического метода измерения для идентичных элементов (транзисторов, диодов) гибридной интегральной схемы обеспечивает контроль относительного распределения температуры среди данных элементов.

дн, дн,

Рис.4. Профиль поверхности подложки микросхемы в различные моменты времени I после подачи на микросхему напряжения питания, а) транзисторы микросхемы не приклеены к подложке; б) транзисторы микросхемы приклеены к подложке. N - номера точек на поверхности микросхемы.

В заключении приведены основные результаты исследований, проведенных автором в настоящей работе:

1. Аналитический обзор существующих методов и средств контроля деформаций позволил установить, что наиболее перспективным является использование устройств на основе волоконно- оптических интерферометров. В результате сравнительного анализа ВОИ в качестве датчика термодеформаций выбран ВОИ Фабри-Перо низкого контраста с обработкой оптического сигнала по методу активного гомодинирования.

2. Показано, что дилатометрический метод расширяет номенклатуру методов и экспериментальных средств контроля элементов и устройств ВТ, обеспечивая реализацию в едином средстве измерения контроль как термодеформаций, так и теплофизических параметров п/п активных элементов.

3. Теоретически и экспериментально подтверждена возможность применения дилатометрического метода для контроля пространственного распределения относительной температуры перегрева кристалла п/п активных элементов. Проведен анализ основных источников погрешности дилатометрического метода. Получены оценки метрологических характеристик дилатометрического метода при исследовании теплофизических параметров мощных транзисторов.

4. Исследованы и сформулированы требования к основным техническим параметрам ВОД, предназначенного для измерения термодеформаций и теплофизических параметров мощных транзисторов дилатометрическим методом.

5. Теоретически и экспериментально доказана необходимость дифференциального метода измерения термодеформаций п/п активных элементов,

ч ч

обеспечивающего выделение информации о параметрах их теплового расширения. Показана возможность реализации данной процедуры измерения с использованием уникальных свойств волоконной оптики.

6. Предложена и исследована структура ВОД микроперемещений на основе ВОИ Фабри-Перо низкого контраста с обработкой интерференционного сигнала методом активного гомодинирования. Анализ функции преобразования электронной и оптической частей датчика позволил выделить основные составляющие погрешности ВОД при измерении термодеформаций. Экспериментальное исследование метрологических характеристик ВОД подтвердило возможность его применения для контроля термодеформаций мощных транзисторов и ряда других п/п активных элементов.

7. Теоретически и экспериментально исследовано влияние котировочных параметров оптической части ВОД на его метрологические характеристики. Получено выражение для пространственной разрешающей способности датчика. Данные результаты распространены на случай применения в датчике оптических насадок. Проверена работоспособность ВОД при использовании в качестве отражающих различных типов поверхностей (кремний, полированный алюминий, облуженная медь, неполированная сталь), встречающихся в конструкциях п/п активных элементов.

8. Экспериментально показана возможность применения рассмотренного ВОД для контроля термодеформаций и теплофизических параметров как мощных транзисторов, так и гибридных интегральных схем.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Контроль теплофизических параметров транзисторов с помощью ВО ИФП низкого контраста / С. В. Гонтарев, M. JI. Конторович, В. Т. Потапов, А. А.Черторийский, А. А. Широков II Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля качества материалов, изделий и окружающей среды: Сб. тезисов 5 Российской науч. техн. конф. 26-29 окт. 1993 г. - Ульяновск, 1993.-С. 21 -22.

2. Волоконно-оптический датчик микроперемещений и вибраций / С. В. Гонтарев, В. Т. Потапов, А. А.Черторийский, А. А. Широков // Волоконная оптика : Тез. докл. Всероссийской конф. 20-21 окт. 1993 г. - М., 1993. - С. 52.

3. Черторийский A.A., Широков A.A., Гонтарев C.B. Волоконно-оптический датчик контроля механических колебаний // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления (Датчик-95) : Тез. докл. 7 Всероссийской науч.-техн. конф. 24 -30 мая 1995 г. - Крым, 1995. -Том 2. - С.396 -397.

ч

4. Применение дилатометрического метода для определения теплофизи-ческих параметров мощных транзисторов / М. Л. Конторович, М. А. Кулакова, А. А.Черторийский, А. А. Широков // Тез. докл. 30 науч.-техн. конф. УГТУ, февр. 1996 г. - Ульяновск, 1996. - Часть 1. - С. 69-70.

5. Оценка теплофизических свойств многослойных структур дилатометрическим методом / М. Л. Конторович, М. А. Кулакова, А. А. Черторийский, А. А. Широков // Тез. докл. 30 науч.-техн. конф. УГТУ , февр. 1996 г. - Ульяновск, 1996. - Часть 1. - С. 74-75.

6. Контроль термодеформаций в элементах и устройствах электронного приборостроения методом теплового расширения / Е. А. Алтухов, А. И. Савельев, А. А.Черторийский, А. А. Широков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 10-12 сент. 1996 г. - Саратов, 1996.- Часть 2.- С. 4-5.

7. Черторийский А. А. Особенности применения волоконно- оптического интерферометра Фабри-Перо для контроля термодеформаций элементов и устройств РЭА // Методы и средства измерений физических величин : Тез. докл. 2 Всероссийской науч.-техн. конф. 18-19 июня 1997 г. - Н. Новгород, 1997.-Часть 2,- С. 34.

8. Черторийский А. А. Способ определения распределения температуры перегрева по площади полупроводниковых элементов и устройство для его реализации // Ульяновский межотраслевой ЦНТИ, информационный листок № 52-97. - Ульяновск, 1997. - 3 с.

ч