автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Высокопрочные шунтирующий и блокирующий диоды солнечных батарей космических аппаратов

На правах рукописи

Дидык Павел Игоревич

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ШУНТИРУЮЩИЙ И БЛОКИРУЮЩИЙ ДИОДЫ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

6 НОЯ 2014

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

йог кон 9

Москва - 2014

005554544

005554544

Работа выполнена на кафедре «Конструирование, технология и производство радиоэлектронных средств» ФГБОУ ВПО «Московского авиационного института (национальный исследовательский университет)».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

Временно исполняющий обязанности начальника отделения ОАО «Российские космические системы» (г. Москва),

Профессор кафедры «Конструирование, технология и производство радиоэлектронных средств» ФГБОУ ВПО «Московского авиационного института (национального исследовательского университета)» Жуков Андрей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

советник директора ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина» (г. Москва, Зеленоград) Киреев Валерий Юрьевич

доктор технических наук,

начальник сектора «Микроэлектронные датчики информационно-измерительных и управляющих систем» ОАО «НИИ авиационного оборудовация» (Московская обл., г. Жуковский), старший научный сотрудник Соколов Леонид Владимирович

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (г. Москва, Зеленоград).

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2014 г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.06 при Национальном исследовательском университете "МЭИ" по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, корпус К, ауд. К-102 А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан « 2Ъ> 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.06 к.т.н., доцент

Сарач О.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для обеспечения работоспособности в открытом космосе солнечных батарей космических аппаратов (СБ КА) и защиты от разрядки батарей применяются блокирующие и шунтирующие диоды. Солнечная батарея (СБ) состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки фотопреобразователей (ФП), внутри которых встречно-параллельно с ФП устанавливают шунтирующие диоды. Блокирующие диоды устанавливаются в электрической цепи между рядами ФП и выходными шинами. Они пропускают электрический ток от освещаемых ФП к нагрузке и блокируют ток, идущий в обратном направлении - от выходных шин к рядам ФП. На СБ и диоды в их составе действуют дестабилизирующие факторы космического пространства (высокие и низкие температуры, термоциклы, радиационные воздействия, высокий вакуум и т.д.). Фактором, приводящим к деградации структур диодов и потери их работоспособности является циклическое изменение температуры со скоростью не менее 10 К/с при переходе СБ из затенённой области в освещённую. Потеря работоспособности диодов приводит к отказу СБ и, как следствие, аппаратуры космического аппарата. Как известно, срок активного существования (С АС) СБ должен составлять более 15 лет. Однако С АС известных диодов составляет менее 15 лет. Таким образом, разработка и исследование отечественных высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, обладающих высокой стойкостью к термоциклам (более 400), является актуальной.

Цель работы: совершенствование конструкций и технологий изготовления высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА.

Решаемые задачи:

1. Анализ конструкций и технологий изготовления, выявление физико-технологических ограничений высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА.

2. Моделирование конструкций и напряжённо-деформированного состояния шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА.

3. Исследования систем металлизации шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, полученных при варьируемых режимах формирования.

4. Оптимизация конструкций и технологий изготовления диодов СБ КА.

5. Испытания разработанных высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов и СБ с разработанными диодами в их составе.

Новизна и научная ценность работы.

1. Разработан физический принцип изготовления шунтирующего диода СБ КА, отличающийся тем, что формирование металлизации рабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки осуществляют в два этапа: формируют омический контакт из алюминия к р+ области магнетронным напылением алюминия при температуре подложки 383 + 403 К с последующими фотолитографией и вжиганием алюминия, а затем формируют металлизацию магнетронным напылением алюминия, никеля и серебра при температуре

подложки 443 463 К с предварительной ионной бомбардировкой. Металлизацию тыльной стороны подложки формируют последовательным магнетронным напылением ванадия, никеля и серебра при температуре подложки 383 + 403 К. Разработанный способ обеспечивает устойчивость конструкций диодов к термоциклам (более 400 термоударов) и длительным воздействиям повышенной температуры.

2. Предложена физическая основа технологии металлизации кремниевых подложек вакуумным магнетронным напылением многослойных структур У-№-Ag, заключающаяся в предварительном прогреве кремниевых подложек в вакууме при температуре 393 ± 2 К и последующем отжиге полученной структуры после напыления при температуре 623 ± 2 К.

3. Обнаружено, что при магнетронном напылении многослойных структур У-№-А§ на межфазной границе ванадий-кремний формируется переходной слой дисилицида ванадия толщиной приблизительно 10 нм. Наличие слоя дисилицида ванадия обуславливает величину адгезионной прочности металлизации У-№-А§ к кремниевой подложке более 15 МПа.

4. Разработаны модели напряженно-деформированного состояния шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, позволяющие выявить высокопрочные конструкции диодов СБ КА с коммутирующими шинами, выполненными на основе различных материалов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модели напряженно-деформированного состояния шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, позволяющие выявить высокопрочные конструкции диодов СБ КА с коммутирующими шинами, выполненными на основе различных материалов.

2. Конструкции высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, отличающиеся стойкостью к термоциклам (более 400 термоударов) и безотказностью работы при длительных воздействиях (более 1000 ч) повышенной температуры 373 ± 2 К.

3. Принципы создания высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, обеспечивающие адгезионную прочность металлизации У-№-А§ к кремниевой подложке более 15 МПа за счёт формирования переходного слоя дисилицида ванадия, толщиной приблизительно 10 нм.

4. Установка термоциклирования в диапазоне температур 83 473 К, позволяющая достоверно определять устойчивость к воздействию изменения температуры (термоциклам) со скоростью до 10 К/с и обеспечивающая имитацию изменения температуры на орбите Земли.

Практическая значимость и результаты внедрения.

Практическую значимость имеют следующие результаты диссертационной работы:

модели напряженно-деформированного состояния шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, позволяющие получить высокопрочные конструкции диодов СБ КА с коммутирующими шинами, выполненными на основе различных материалов;

конструкции высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, отличающиеся стойкостью к термоциклам (более 400 термоударов) и безотказностью работы при длительных воздействиях (более 1000 ч) повышенной температуры 373 ± 2 К;

технологии металлизации и сборки высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, обеспечивающие адгезионную прочность металлизации V-Ni-Ag к кремниевой подложке более 15 МПа за счёт формирования переходного слоя дисилицида ванадия толщиной приблизительно 10 нм;

установка термоциклирования в диапазоне температур 83 ^ 473 К, позволяющая достоверно определять устойчивость к воздействию изменения температуры со скоростью до 10 К/с и обеспечивающая имитацию изменения температуры на орбите Земли.

Результаты диссертационной работы использованы:

1. В работах отраслевого центра проектирования и изготовления СБИС ОАО «Российские космические системы» при выполнении договоров на поставку модулей развязывающих 2МР500-2-1, диодов полупроводниковых 2ДСБ150-ЗА-1 с ОАО «Научно-производственное предприятие «Квант».

2. При разработке кремниевых модулей шунтирующих 2МШУ100-2-1, кремниевых модулей развязывающих 2МР500-2-1 по техническим заданиям ОАО «Научно-производственное предприятие «Квант» и в соответствии с договорами между ОАО «Российские космические системы» и ОАО «Научно-производственное предприятие «Квант».

3. При подготовке инженеров по специальности 210201 кафедрой «Конструирование, технология и производство радиоэлектронных средств» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники».

Достоверность н обоснованность научных положений.

Достоверность подтверждена положительными результатами проведенных экспериментальных исследований, а также использованием разработанных конструкций, технологий и методик в производстве шунтирующих и блокирующих диодов в ОАО «Российские космические системы». Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена актами использования результатов в ОАО «Научно-производственное предприятие «Квант» (г. Москва), в ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), в ФГБОУВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ) (г. Москва).

Обоснованность основывается на полученных экспериментальных результатах большого количества исследований влияния режимов формирования металлизации и связанных технологических операций на механические и электрические характеристики высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА с применением современных методов исследований (оптическая, электронная микроскопия, микроинтерферометрия, Оже-спекгроскопия).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на нижеперечисленных научно-технических конференциях (НТК):

- НТК ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященная 100-летию профессора Б. Ф. Высоцкого 24 апреля 2009 года. Москва, МАИ, 2009 г;

- Вторая Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», посвященная 100-летию со дня рождения М. С. Рязанского. 2-4 июня 2009 года. Москва, ФГУП «РНИИ КП», 2009 г.;

- Восьмая НТК «Микротехнологии в космосе». Москва, ФГУП «РНИИ КП», 6-7 октября 2010 г.;

- НТК студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011». Москва, МАИ, 26-30 апреля 2011 г.;

- Четвёртая Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Москва, ФГУП «РНИИ КП», 15-17 июня 2011 г.;

- Пятая Всероссийская НТК «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». Москва, ОАО «Российские космические системы, 2012 г.

Публикации. По материалам и основному содержанию диссертации опубликованы 8 работ в научно-технических журналах и трудах конференций, из которых 1 статья — в рецензируемом журнале, входящем в перечень рекомендованных ВАК Минобрнауки России изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней. По результатам работы получены 2 патента РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы, включающего 102 наименований и приложения. Материалы диссертации изложены на 125 страницах машинописного текста и содержат 58 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность решения поставленных в диссертации задач, сформулированы цель и задачи исследований, обоснована научная новизна, показана практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ конструкций и технологий изготовления шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, предназначенных для уменьшения потерь выходной мощности и защиты СБ вследствие затенения или выхода из строя фотопреобразователей (ФП) СБ КА. Проанализированы принципы функционирования, характеристики СБ КА, шунтирующих и блокирующих диодов в их составе, типовые конструкции шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА. Шунтирующие диоды по конструктивным признакам подразделяются на два класса: шунтирующие диоды, интегрированные в твёрдое тело ФП и дискретные шунтирующие диоды. Конструкциям ФП с интегрированными диодами свойственно отсутствие потребности в дополнительной разводке и

металлизации, а также меньший вес, нежели конструкциям ФП с дискретными диодами. Сложность изготовления ФП с интегрированными диодами, большое количество взаимосвязанных и взаимовлияющих операций, уменьшение рабочей площади ФП за счёт диодов приводят к уменьшению выхода годной продукции и, соответственно, к увеличению цены. Кроме того, в конструкциях ФП с интегрированными диодами сильнолегированные области образуют зоны с повышенными механическими напряжениями, что приводит к низкой прочности конструкции и, как следствие, малому САС СБ. Технологии изготовления дискретных диодов обеспечивают получение оптимальных характеристик диодов за счёт возможности использования технологических операций и материалов, которые невозможно использовать в технологии совместного изготовления ФП с интегрированными диодами. Но имеют ряд недостатков, влияющих на прочность и надёжность конструкции. Определено, что оптимальными характеристиками обладают блокирующие и шунтирующие диоды фирм Emcore (США), RWE Spase Solar Power GmbH (ФРГ) и Azur Spase Solar Power GmbH (ФРГ), Microsemi corporation (США) и ОАО «Российские космические системы» (РФ).

Таким образом, исходя из анализа конструкций шунтирующих и блокирующих диодов определено, что конструкции ФП с дискретными диодами оптимальны. В связи с чем, актуальными являются исследования физических принципов создания и совершенствования именно дискретных диодов как наиболее перспективных с точки зрения технологий и характеристик. Исходя из анализа конструкций и технологий изготовления типовых дискретных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА выявлены конструктивные и физико-технологические ограничения при их изготовлении (таблица 1). К конструктивным ограничениям относятся: низкая прочность конструкций диодов при испытании на устойчивость к термоциклам/термоударам; низкая стойкость конструкций диодов к длительным воздействиям повышенной температуры и деградация электрических характеристик при испытаниях на безотказность.

Таблица 1 - Конструктивные и физико-технологические ограничения при изготовлении высокопрочных дискретных диодов СБ КА______

Характеристика ОАО «Российские космические системы», (РФ) Emcore, (США) RWE Space Solar Power GmbH (ФРГ) . Требуемые характеристики

Адгезия плёнок металлов к кристаллу, МПа >1,47 (> 150 г/мм2) >4,9 (> 500 г/мм2) >4,9 (> 500 г/мм2) >9,8 (> 1 кг/мм2)

Внутренние механические напряжения в металлах Нет данных Нет данных Нет данных <20 кПа

Межфазная граница раздела металл-кремний Отсутствуют переходные слои Нет данных Нет данных Наличие переходного слоя силицида

Устойчивость к термоударам/термоциклам > 20/ 700 Нет данных/1000 Нет данных /1000 >400/1000

Стойкость к испытаниям на безотказность, ч 1000 (10бР< ЮмкА при Uo6D = 100 В) 1000 (1„6р < 1 мА при LU = 50 В) 1000 (1обр < 1 мА при Uo6d= 50 В) 1000 (1обР < 0,1 мкА прии„б„>100В)

Цена за шт., руб. 350 875 370 <350

К физико-технологическим ограничениям относятся: технологии изготовления диодов не обеспечивают оптимальную адгезионную прочность систем металлизации к кристаллу диода, что приводит к выходу из строя диодов и, следовательно, к малому САС СБ КА; наличие внутренних напряжений в напылённых плёнках металлов, вызванные неоптимальными конструктивными и технологическими решениями, приводят к отслоению металлизации, разрушению кремниевого кристалла и, как следствие, деградации готового изделия; отсутствие переходных слоев между металлизацией и кремниевым кристаллом диода, обеспечивающих наиболее оптимальные значения адгезионной прочности систем металлизации к кристаллу диода и, как следствие, прочности конструкции.

В связи с вышеизложенным проанализированные конструкции дискретных диодов СБ КА не являются высокопрочными.

Таким образом, актуальной является работа по разработке конструкций и технологий изготовления высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, проведении исследований систем металлизации диодов СБ КА, оптимизации адгезионной прочности, внутренних напряжений; проведении испытаний на устойчивость к термоциклам, испытаний на безотказность работы.

Во второй главе проведено моделирование конструкций и напряжённо-деформированного состояния шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА под действием изменения температуры.

На основе анализа литературы были разработаны модели конструкций дискретных диодов с коммутирующими шинами. Исходя из анализа материалов и сплавов были выбраны материалы коммутирующих шин (высокочистое отожжённое серебро; отожженный ковар, покрытый серебром; отожженный молибден, покрытый серебром), которые могут обеспечить термомеханическую стойкость конструкций диодов и, как следствие, длительный САС СБ КА в условиях воздействия большого числа термоциклов.

Проведено моделирование в САПР АШУБ конструкций шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА. Моделирование напряжённо-деформированного состояния в диапазоне температур 93 423 К включало: создание моделей диодов; последующее «разбиение» математических моделей на конечные элементы (рисунок 1); задание свойств материалов, ограничений, условий

Рисунок 1 - Разбиение моделей конструкций диодов на конечные элементы: а) шунтирующий диод; б) блокирующий диод

В результате получены модели деформаций конструкций шунтирующих и блокирующих диодов во времени под действием изменения температуры. Определено, что модели термодеформаций конструкций диодов при различных скоростях изменения температуры схожи. На рисунке 2 представлены модели термодеформаций конструкций диодов со скоростью изменения температуры приблизительно 10 К/с.

а)

б)

в)

Ъ, 13о7

Г)

Д)

Ъ, г.бе-7 г МКМ 2е-7-1.6&-7 •■! 1Ле-7 ; 8е-8-; 4е-8-

о 4-

750

1500 1620

1 С

750

1250

1500 1620

Рисунок 2 - Модели термодеформаций шунтирующих и блокирующих диодов: а) термоциклограмма; б) шунтирующие диоды с коммутирующими шинами на основе молибдена; в) шунтирующие диоды с коммутирующими шинами из

серебра; г) блокирующие диоды с коммутирующими шинами на основе молибдена; д) блокирующие диоды с коммутирующими шинами из серебра

Исходя из результатов моделирования определено, что наибольшей устойчивостью к термоциклированию обладают модели конструкций диодов с многослойными коммутирующими шинами на основе молибдена с нанесёнными с двух сторон серебряными покрытиями. В связи с требованиями минимизации размеров и технологическими ограничениями производства выбрана толщина многослойной коммутирующей шины 16 ± 0,7 мкм (10 ± 0,5 мкм молибденовая плёнка с 3 ± 0,2 мкм серебра с двух сторон). При данных размерах коммутирующих шин и материалах достигаются оптимальные термомеханические характеристики, непосредственно влияющие на САС СБ КА.

Определена необходимость экспериментального подтверждения результатов моделирования для последующего совершенствования конструкций и технологий изготовления с целью обеспечения стойкости конструкций при испытаниях на устойчивость к термоциклам и при испытаниях на безотказность.

В третьей главе представлены разработанные конструкции и технологии изготовления шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА и исследования их характеристик.

Рисунок 3 - Конструкции диодов СБ КА: а) шунтирующий диод; б) блокирующий диод; 1 - кристалл диода; 2, 3 - коммутирующие шины

Выявлено, что недостатком конструкций является малый температурный диапазон функционирования из-за низкой прочности паяных соединений кристаллов блокирующих диодов СБ КА и коммутационных шин, а так же сварных соединений кристаллов шунтирующих диодов СБ КА и коммутационных шин. Определена необходимость дальнейшей оптимизации конструкций и технологий изготовления с целью обеспечения прочности конструкций при испытаниях на устойчивость к термоциклам и при испытаниях на безотказность.

Представлены исследования адгезии систем металлизации шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, полученных при варьируемых режимах формирования. Адгезионную прочность систем металлизации А1-№-Ац, V-Ni-Ag к кремниевой подложке определяли методом нормального отрыва в зависимости от типа обработки поверхности до напыления (таблица 2) и при различных температурных режимах прогрева подложек (рисунок 4) до напыления.

Адгезионную прочность систем металлизации А1-№-А£ к

кремниевой подложке до напыления определяли на заранее подготовленных подложках при варьируемых температурных режимах прогрева подложек. Для

2

3

а)

б)

исследования систем металлизации А1-№-А§, У-№-А§ были подготовлены подложки, последовательно обработанные в диметилформамиде (ДМФА) и изопропиловом спирте, в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу при температуре 373 ± 5 К. После чего последовательно производили прогрев кремниевых подложек в вакуумной камере до напыления при варьируемых температурных режимах и процесс напыления систем металлизации А1-№-А§, V-№-А§. Определено, что с повышением температуры прогрева кремниевых подложек до напыления увеличивается адгезионная прочность систем металлизации Al-Ni-Ag, У-№-А§ к кремниевой подложке (рисунок 4).

298 333 363 393 423 453 Температура, К

Рисунок 4 - Адгезионная прочность систем металлизации А1-№-А§, V-Ni-Ag к кремниевой подложке при варьируемых температурных режимах прогрева подложек до напыления

Таблица 2 - Адгезионная прочность систем металлизации Al-Ni-Ag, к кремниевой подложке при варьируемых способах обработки подложек до напыления _ _

Вариант обработки Способ обработки Среднее значение адгезионной прочности И, ±0,1 МПа

Образцы А1 Обработка в ДМФА, промывка в деионизованной воде и сушка на воздухе. 5

Образцы А2 Обработка в ДМФА, промывка в деионизованной воде, сушка на воздухе и плазмохимическая обработка аргоном. 6

Образцы АЗ Обработка в ультразвуковой ванне с четыреххлористым углеродом, затем в изопропиловом спирте 3:1, сушка в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу при температуре 373 ± 5 К. 8

Образцы А4 Последовательная обработка в ДМФА, затем в изопропиловом спирте, после сушка в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу, затем нанесение фоторезиста, плазмохимическое травление, снятие фоторезиста, обработка в ДМФА, затем в изопропиловом спирте, после чего сушка в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу при температуре 373 ± 5 К. 11

Образцы А5 Последовательная обработка в ДМФА, затем в изопропиловом спирте, после сушка в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу при температуре 373 ± 5 К. 15

Исходя из результатов исследования адгезионной прочности систем металлизации Al-Ni-Ag, V-Ni-Ag к кремниевой подложке при варьируемых способах обработки поверхности пластин перед напылением определено, что оптимальной является последовательная обработка в ДМФА, затем в изопропиловом спирте, в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу (таблица 2). При этом адгезионная прочность систем металлизации Al-Ni-Ag, V-Ni-Ag к кремниевой подложке составляет более 15 МПа.

Исследованы внутренние механические напряжения в системах металлизации Al-Ni-Ag, V-Ni-Ag, полученных при варьируемых режимах формирования. Объектами исследования служили балочные конструкции из V-Ni-Ag и Al-Ni-Ag, сформированные методом магнетронного напыления на монокристаллической кремниевой подложке. В качестве метода исследования была выбрана оптическая микроскопия. Полученные образцы одноконсольных балочных конструкций исследовали с помощью оптического микроскопа Axio Imager фирмы Carl Zeiss при бОООх увеличении. Проводили измерения размеров, направления, угла и геометрии деформации балочных конструкций. Характер деформации определялась по отклонению балочных конструкций в различных точках ее длины от поверхности плёнок металлов. Геометрию изгиба деформированных балочных конструкций оценивали по сколу при угле просмотра 90° и при угле просмотра 60°. После чего с помощью математической обработки по формуле Стоуни вычисляли величины напряжения балок. Кривизну балки находили, измеряя отклонение хвостовика одноконсольной микробалки.

Определено, что при напылении на кремниевые структуры при увеличении температуры прогрева до напыления формоустойчивость конструкции улучшается. Механические напряжения в структуре металлических плёнок Al-Ni-Ag, V-Ni-Ag уменьшаются более чем в 5 раз вплоть до достижения температуры прогрева до напыления 393 ± 2 К. При дальнейшем повышении температуры прогрева до напыления механические напряжения снова повышаются, изменяя направление изгиба балочных конструкций (таблица 3).

Таблица 3 — Внутренние механические напряжения в балочных конструкциях А1-№-А§, V-Ni-Ag с защемлённым концом на кремнии при варьируемых температурных режимах напыления__

Температурный режим напыления, ± 2 К Изгиб незащемлённого конца балки Soi, ±0,1 мкм Внутренние напряжения с, кПа

298 -3,13 - 70,74

343 -2,77 -62,6

363 -1,56 - 35,26

393 -0,88 -19,8

423 + 0,93 21,02

453 + 1,58 35,7

По результатам исследований предложена технология формирования на кремниевой полупроводниковой подложке металлизации Al-Ni-Ag и У-М-А§, обеспечивающая минимальные механические напряжения менее 20 кПа в слоистых тонких плёнках металлов А1-№-Ац и V-Ni-Ag, заключающуюся в

предварительном прогреве кремниевых подложек до напыления при температуре 408 ± 15 К для конструкций из Al-Ni-Ag, У-№-А§.

Методами оптической, электронной микроскопии, микроинтерферометрии, Оже-спектроскопии исследованы системы металлизации У-№-А§ на кремниевых подложках. Обнаружено, что при металлизации вакуумным магнетронным напылением с предварительным прогревом подложек в вакууме при температуре 392 ± 2 К и последующим отжигом полученной структуры после напыления при температуре 623 ± 2 К образуется тонкий переходный слой бинарного неорганического соединения ванадия и кремния с формулой У512 (дисилицид ванадия) толщиной приблизительно 10 нм. Наличие слоя дисилицида ванадия обуславливает величину адгезионной прочности металлизации к

кремниевой подложке более 15 МПа (рисунок 4). Определено, что превалирующий механизм адгезии плёнок металлов до температуры 392

± 2 К является механизм действия сил Ван-дер-Ваальса. После температуры 392 ± 2 К превалирующим механизмом является химическое взаимодействие между слоями за счет образования дисилицида ванадия (рисунок 5). Прочность химической связи ванадия и кремния выше, нежели прочность связи за счёт действия сил Ван-дер-Ваальса, что объясняет увеличение адгезионной прочности плёнок металлов У-'№-А§ к кремнию. Атомная концентрация, %

Глубина проникновения, нм ^

Рисунок 5 - Результаты профильного анализа методом Оже-спектроскопии систем металлизации V-Ni-Ag на кремниевых подложках, полученных методами вакуумного магнетронного напыления: а) - без прогрева; б) - с предварительным прогревом до напыления при температуре 408 ± 2 К

Исходя из результатов исследований систем металлизации шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, полученных при варьируемых режимах формирования были оптимизированы конструкции и технологии изготовления шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА.

В четвёртой главе представлены высокопрочные шунтирующие и блокирующие диоды в составе СБ КА, их характеристики и результаты испытаний шунтирующих диодов СБ КА на прочность и безотказность, испытания СБ КА с разработанными шунтирующими и блокирующими диодами.

Представлена конструкция СБ КА с установленными высокопрочными шунтирующими и блокирующими диодами (рисунки 6, 7), исследованы основные электрические характеристики.

_4 32

|щ— mf R7

1

Рисунок 7 - Блок блокирующих диодов СБ КА: 1- каркас блока; 2 - защитное цериевое стекло; 3 - блокирующий диод

игл ии

Рисунок 6 - ФП с шунтирующим диодом: 1 - ФП; 2 - шунтирующий диод; 3 - шина-вывод шунтирующего диода; 4 - шина-вывод ФП

Произведено измерение ВАХ (рисунок 8) СБ КА при её освещении и определены основные электрические параметры панели: ток 1кз = 1,385 А; максимальное напряжение панели ита = 40,586 В; оптимальный ток 1от = 1,36 А при оптимальном напряжении и0цг = 36,44 В (выделен квадратом на рисунке 8); максимальная мощность, выдаваемая панелью Рмакс = 49,57 Вт.

ЦМ

U 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

■ОД

5 10 15 20 25 30 35

40 45

U, В

Рисунок 8 - ВАХ освещенной панели СБ КА

Разработана и опробована новая установка термоциклирования, обеспечивающая возможность проведения испытаний в диапазоне температур 83 473 К. Установка термоциклирования позволяет достоверно определять

устойчивость к воздействию изменения температуры со скоростью до 10 К/с и обеспечивает имитацию изменения температуры на орбите Земли.

Представлены результаты испытаний на устойчивость к термоциклам и испытаний на безотказность высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА. В качестве объектов испытаний использовались сформированные кристаллы диодов СБ КА с приваренными коммутирующими шинами на основе молибдена с напылёнными с двух сторон плёнками металлов V-Ni-Ag и кристаллы диодов СБ КА с приваренными коммутирующими шинами из серебра.

Определено, что конструкции диодов с молибденовыми шинами с напылёнными с двух сторон плёнками металлов У-М-А§ (типовая группа образцов № 1) выдерживают более 400 термоциклов (термоударов), в то время как конструкции с серебряными шинами (типовая группа образцов № 2) подвержены разрушению уже после 10 термоциклов (термоударов) (таблица 4). Разрушение структуры происходило в зоне приварки (межслойное разрушение по основным материалам при воздействии повышенных и пониженных температур) при контроле прочности сварного соединения.

Таблица 4 - Результаты испытаний устойчивости к термоциклам (термоударам) диодов СБ КА_

№ Характеристика Типовая группа образцов № 1 Типовая группа образцов № 2

1 Количество термоциклов (термоударов) 400 10

2 До испытаний 1обр= 0,1 мкА при и„бр= 100 В, ит= 0,82 В при 1щ,= 2 А 1обр=0,1 - 0,5 мкА при Uo<¡p= 100 В, Uro= 0,8- 0,82 В при Im=2 А

3 После испытаний 1обр= 0,1 мкА при иобР= 100 В, ито= 0,82 В при 1щ,=2 А 1обР= 0,1 -i- 0,6 мкА при Uo5p= 100 В, ищ,= 0,8-;- 0,84 В при 1по=2 А

Выявлено, что конструкции диодов с молибденовыми шинами с напылёнными с двух сторон плёнками металлов V-Ni-Ag (типовая группа образцов № 1) более стойкие к длительным воздействиям повышенной температуры и менее подвержены деградации электрических характеристик, нежели конструкции диодов с серебряными шинами (типовая группа образцов № 2) (таблица 5).

Таблица 5 - Результаты испытания на безотказность диодов СБ КА

№ Характеристика Температура, К Ток утечки 10бр, мкА

Типовая груша образцов № 1 Типовая группа образцов № 2

1 До испытаний 298 0,1 0,1

2 0 ч испытаний 373 0,4- 1,1 0,5- -4,8

3 200 ч испытаний 373 о,з- -1,5 0,5- -4,9

4 400 ч испытаний 373 0,4- -1,5 0,5- -5,0

5 600 ч испытаний 373 0,3- 1,5 0,5- -5,1

6 800 ч испытаний 373 0,3- -1,6 0,5- -5,2

7 1000 ч испытаний 373 0,3- -1,6 0,6- "5,2

8 После испытаний 298 0,1 0,1- "1,6

Произведены испытания панели СБ КА в ОАО «Научно-производственном предприятии «Квант» (г. Москва), включающие испытания на воздействие повышенной влажности, испытания на прочность при транспортировке, испытания на воздействие синусоидальной вибрации, испытания на ударную прочность, испытания на воздействие линейного ускорения, воздействие изменения температуры среды. В результате комплекса испытаний повреждений панели СБ КА не обнаружено. Проверка сварных и паяных соединений ФП между собой после испытаний, а также проверка элементов крепления базовых модулей (ФП и секций ФП) к сетчатой подложке каркасов панели СБ КА и проверка работоспособности шунтирующих и блокирующих диодов показали положительный результат испытаний.

Основные показатели технического уровня высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА и аналогов представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Показатели технического уровня высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА и аналогов______

Характеристика ОАО «Российские космические системы», (РФ) Етсоге, (США) RWE Space Solar Power GmbH (ФРГ) Разработанные диоды Коэффициент эффективности

Адгезия плбнок металлов к кристаллу, МПа >1,47 (>150 г/мм2) >4,9 (> 500 г/мм2) >4,9 (> 500 г/мм2) >9,8 (> 1кг/мм2) 2,0

Внутренние механические напряжения в металлах Нет данных Нет данных Нет данных <20 кПа -

Межфазная граница раздела металл-кремний Отсутствуют переходные слои Нет данных Нет данных Наличие дисилицида ванадия -

Устойчивость к термоударам/ термоциклам > 20/ 700 Нет данных/1000 Нет данных /1000 > 400/1000 22,5/1,0

Стойкость к испытаниям на безотказность (время испытаний, ч / ток утечки ¡ос) 1000/ < 10 мкА при Uo6p = 100 В 1000/ < 1 мАпри Иобр = 50 В 1000/ < 1 мА при ио6р = 50 В 1000/ <0,1 мкА при U„6p = 100 В 1,0/100

Цена за шт., руб. 350 875 370 300 1,17

Итогами работы стали разработанные физико-математические основы конструкций и технологий изготовления высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА с улучшенными по сравнению с аналогами характеристиками. В результате работы проведены исследования систем металлизации шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, полученных при варьируемых режимах формирования, произведены испытания панели СБ с установленными высокопрочными шунтирующими и блокирующими диодами. Исходя из положительных результатов испытаний следует, что разработанные

высокопрочные шунтирующие и блокирующие диоды СБ КА применимы для оснащениями ими СБ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определены конструктивные и физико-технологические ограничения при изготовлении высокопрочных дискретных диодов СБ КА, обусловленные необходимостью обеспечения САС СБ КА более 15 лет, низкого уровня деградации, высокой прочности при воздействии термоциклов (термоударов) на орбите Земли.

2. Разработаны модели напряженно-деформированного состояния шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, позволяющие выявить высокопрочные конструкции диодов СБ КА с коммутирующими шинами, выполненными на основе различных материалов.

3. Разработаны технологические основы создания шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, обеспечивающие адгезионную прочность соединений плёнок металлов Al-Ni-Ag и У-№-А§ к кремниевой подложке более 15 МПа и включающие:

- технологические основы обработки кремниевой подложки перед напылением металлов Al-Ni-Ag и У-№-А§, заключающиеся в обработке в диметилформамиде, затем в изопропиловом спирте, сушке в парах изопропилового спирта и в сушильном шкафу;

технологические основы формирования на кремниевой полупроводниковой подложке металлизации Al-Ni-Ag и V-Ni-Ag, обеспечивающие минимальные механические напряжения менее 20 кПа в плёнках металлов Al-Ni-Ag и V-Ni-Ag, заключающиеся в предварительном прогреве кремниевых подложек до напыления при температуре 408 ± 15 К;

- технологические основы металлизации 1фемниевых подложек вакуумным магнетронным напылением многослойных структур V-Ni-Ag, при которых образуется переходной слой дисилицида ванадия, толщиной приблизительно 10 нм, заключающиеся в предварительном прогреве кремниевых подложек в вакууме при 393 ± 2 К и последующем отжиге полученной структуры после напыления при температуре 623 ± 2 К.

4. Разработаны шунтирующие и блокирующие диоды СБ КА, отличающиеся стойкостью к более 400 термоциклам (термоударам) в интервале температур 103 393 К и безотказностью работы (более 1000 ч) при длительных воздействиях повышенной температуры 373 ± 2 К.

5. Разработана установка термоциклирования в диапазоне температур 83 -г 473 К для шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА, отличающаяся тем, что обеспечивает возможность проведения испытаний устойчивости к термоциклам (термоударам) в интервале температур 83 473 К, достоверно определять устойчивость к воздействию изменения температуры со скоростью до 10 К/с и обеспечивает имитацию изменения температуры на орбите Земли.

6. Получены результаты испытаний высокопрочных шунтирующих и блокирующих диодов СБ КА на устойчивость к термоциклам (термоударам) и на

безотказность, подтверждающие результаты моделирования напряжённо-деформированного состояния диодов СБ КА. Разработанные шунтирующие диоды с коммутирующими шинами на основе молибдена с напылёнными с двух сторон плёнками металлов V-Ni-Ag выдерживают более 400 термоциклов (термоударов), в то время как с серебряными коммутирующими шинами подвержены разрушению уже после 10 термоциклов (термоударов).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Дидык, П. И. Оптимизация процессов формирования тонких металлических пленок при изготовлении вертикальных полупроводниковых приборов [Текст] / П. И. Дидык, А. А. Жуков // Научно-техническая конференция ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные системы», посвященная 100-летию профессора Б. Ф. Высоцкого 24 апреля 2009 года. - М. , Московский авиационный институт (технический университет), 2009. - С. 14-17.

2. Дидык, П. И. Оценка прочности конструкции бескорпусных вертикальных полупроводниковых приборов [Текст] / П. И. Дидык, А. А. Жуков // Ракетно-космическое приборостроение и информационные технологии. Труды II Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий», посвященной 100-летию со дня рождения М. С. Рязанского. -М. : Радиотехника,

2010.-С. 225-228.

3. Жуков, А. А. Исследование внутренних напряжений в металлических микробалочных конструкциях для микро-электронных устройств [Текст] / А. А. Жуков, П. И. Дидык, М. Н. Слюсарев, С. В. Котыхов // Тезисы докладов VIII научно-технической конференции «Микротехнологии в космосе». - М. : Радиотехника, 2010. - С. 32-33.

4. Жуков, А. А. Исследование внутренних напряжений в металлических микробалочных конструкциях для микроэлектронных устройств [Текст] / А. А. Жуков, П. И. Дидык, М. Н. Слюсарев, С. В. Котыхов // Труды VIII научно-технической конференции «Микротехнологии в космосе». - М. : Радиотехника,

2011.-С. 102-111.

5. Дидык, П. И. Моделирование и исследование прочностных характеристик бескорпусных двухвыводных МЭМС [Текст] / П. И. Дидык, А. А. Жуков // Сборник тезисов докладов научно-практической конференции студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011». - М. : МЭЙЛЕР, 2011. — С. 49.

6. Жуков, А. А. Характеристики слоистых тонких плёнок металлов при изготовлении УМСТ [Текст] / А. А. Жуков, П. И. Дидык, М. Н. Слюсарев, С. В. Котыхов // Труды IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». - М.: Радиотехника, 2012. - С. 15 -16.

7. Дидык, П. И. Оценка прочностных характеристик бескорпусных МЭМС [Текст] / П. И. Дидык, А. А. Жуков. - М.: Наукоемкие технологии, 2012. -Т. 13. —№ 2. — С. 19-24.

8. Способ изготовления шунтирующего диода для солнечных батарей космических аппаратов [Текст] : пат. 2479888 Рос. Федерация : МПК Н01Ь21/329 / П. И. Дидык, А. А. Жуков, А. А. Басовский, Л. В. Анурова ; патентообладатель Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы").-№2011148715/28 ; заявл. 29.11.11 ; опубл. 20.04.13.

9. Ануров, А. Е. Перспективы применения технологии на карбиде кремния для изготовления дискретных полупроводниковых приборов и устройств микросистемной техники [Текст] / А. Е. Ануров, П. И. Дидык, А. А. Басовский // Сборник докладов V Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий». - М.: Радиотехника, 2012. - С. 43-45.

10. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов и способ её изготовления [Текст]: пат. 2525633 Рос. Федерация : МПК Н01ЬЗ1/042, В64С1/44 / П. И. Дидык, А. А. Жуков, А. А. Басовский, Л. В. Анурова ; патентообладатель Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы"). -№ 2013107439/28 ; заявл. 20.02.13 ; опубл. 20.08.14.

Автор выражает благодарность и признательность доктору технических наук, профессору Жукову Андрею Александровичу, кандидату технических наук Басовскому Андрею Андреевичу и Семёнову Виктору Львовичу за оказанную всестороннюю помощь в научном консультировании при подготовке работы.

Подписано в печать Д- ^ЯйЩ Зак. Тир. Я>П.л. Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13