Аппаратов

5.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ И МЕХАНИЗМОВ ОТКАЗОВ СПП В СХЕМАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ

Определение допустимых режимов работы СПП предполагает учет многих факторов, влияющих на характеристики приборов, а также всех механизмов их отказа. Зная характеристики и установив типы отказов, можно определить условия работы, при которых гарантируется надежная работа СПП в течение заданного срока службы.

Для классификационных режимов работы характеристики и значения допустимых параметров СПП приводятся в технической документации.

Но во многих применениях условия работы приборов значительно отличаются от классификационных, и разработчик электрооборудования должен сам устанавливать значения параметров, при которых обеспечивается требуемая надежность. Для этого необходимо прежде всего определить электрические характеристики СПП в том диапазоне токов, напряжений и температур, в котором предполагается их использование.

Расплавление и разрушение припоев. При сборке СПП применяются олово и припои типа ПСР-72 и ПОС-61 для соединения кремниевого диска с термокомпенсаторами и вентильного элемента с медными основаниями. Наиболее часто встречающимся дефектом в паяных соединениях является несплошность соединения. В зависимости от условий пайки и применяемой технологии площадь пустот в соединении может достигать 50 % от номинальной площади контактной поверхности. Очевидно, что это приводит, прежде всего, к снижению прочности спая.

При циклической нагрузке приборов током, сопровождающейся попеременным нагревом в охлаждение элементов конструкции в широком интервале температур, припои испытывают значительные механические нагрузки. Поэтому снижение прочности спая вызывает пластические деформации припоя на участках с бездефектным соединением элементов и прогрессирующее ухудшение электрического и теплового контакта, вплоть до вывода прибора из строя.

Развитию этого механизма отказа способствует также возникновение локальных областей с повышенной температурой, обусловленное искажением линий токов из-за наличия дефектов в спае и значительным увеличением плотности тока на отдельных участках. В режимах импульсной токовой перегрузки приборов местное повышение температуры может приводить к частичному расплавлению припоя, рекристаллизации и, следовательно, постепенному старению его.

Процесс старения припоев развивается и в случае, когда соединение выполнено идеально. В процессе термоциклирования из-за неидентичности коэффициентов линейного распределения соединяемых элементов (кремний-вольфрам, вольфрам-медь) припой подвергается периодически меняющимся механическим нагрузкам и в осевом и в радиальном направлении.

Положение осложняется еще и тем, что соединяемые элементы неодинаково нагреваются. В частности, кремний, где происходит основное тепловыделение, при коротких импульсах тока из-за малой теплоемкости нагревается до существенно большей температуры, чем термокомпенсатор. Поэтому для данного режима критическим фактором является не абсолютная температура нагрева, а разность между температурами спаянных элементов конструкции.

Таким образом, число циклов нагрева и охлаждения, которое выдерживает паяное соединение до разрушения, зависит от многих факторов: качества спая, определяющего собственную его механическую прочность, распределения дефектов, физических характеристик материалов, из которых изготовлены соединяемые элементы, режима нагрузки прибора током и др.

Усталостное повреждение кремниевой структуры. Причины и механизм развития усталостного разрушения кремния те же, что и рассмотренные выше. Но кремний является очень хрупким материалом, для него характерно малое сопротивление к сдвиговым или растягивающим усилиям. Но этому даже ослабленные термокомпенсатором механические напряжения, возникающие из-за неодинакового теплового расширения медного основания в кремния, приводят к постепенному разрушению последнего. Вероятность повреждения кремния по этой причине увеличивается с увеличением диаметра прибора, так как при этом возрастают напряжения на периферии кремниевого диска.

Разрушение кремния, проявляющееся в виде трещин или расслоений, может происходить и при воздействии разовой перегрузки прибора током. Особенно важным является предупреждение возможности возникновения такого рода повреждений, когда по условиям работы СПП находится до протекания тока перегрузки при низкой температуре и элементы его конструкции уже подвержены воздействию значительных механических напряжений.

Шнурование прямого тока. Этот вид повреждения СПП возникает из-за чрезмерного разогрева кремниевой структуры, в результате чего создаются условия для локализации тока в небольшой области. Этот процесс завершается локальным проплавлением кремния. Заметим, что амплитуда и длительность допустимого тока перегрузки, при которых исключается процесс шнурования тока, определяются не разностью температур, а максимальной температурой кремния при протекании им пульса тока. Особенно опасным в отношении возможности проявления шнурования тока является превышение допустимых значений (di/dt)_crit при включении приборов.

Шнурование обратного тока. Проявление этого повреждения связано с приложением обратного напряжения к прибору непосредственно после прохождения импульса тока перегрузки. Если к моменту перехода тока через нуль температура полу проводниковой структуры превышает критическое значение, то к наиболее нагретой зоне стягивается обратный ток со всей структуры, что может привести к локальному расплавлению кремниевого диска. Критическая температура начала шнурования обратного тока зависит от многих факторов. Существенными из них являются интенсивность охлаждения, удельное сопротивление исходного кремния, параметры (du/dt,U_max) прикладываемого в обратном направлении напряжения.

Изменение параметров приборов. Под отказами этого вида следует понимать ухудшение характеристик СПП, приводящее к возникновению ненормальных режимов работы устройств, созданных на их основе. Наиболее важные параметры СПП, которые являются исходными данными при проектировании любого полупроводникового аппарата. К ним относятся напряжение переключения U_(ВO) и напряжение загиба характеристики U_(ВR), время выключения t_q, обратный ток I_R и ток утечки I_D критическая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)_{crit ,} не отпирающие ток I_GD и напряжение U_GD управления. Все эти параметры сильно зависят от температуры, и неправильный учет их может привести к аварийной работе спроектированного устройства. Например, снижение напряжений U_(BO) и U_(BR) приводит к потере управляемости тиристоров или их пробою. Следствием увеличения времени выключения является отказ (не выключение) аппарата с емкостной искусственной коммутацией. Снижение значений параметров I_GD и U_GD может вызвать ложное включение аппаратов. Для того чтобы исключить аварийные режимы работы устройств, необходимо знать причины изменения параметров и допустимые пределы этих изменений. Как и для всех рассмотренных выше отказов, основным фактором, определяющим ухудшение параметров СПП, является превышение допустимой температуры нагрева кремниевой структуры.

Суммируя все отмеченное о причинах отказов СПП и механизмах их развития, можно сделать следующие выводы:

1. Все отказы СПП, за исключением тех, которые являются следствием дефектов производства, связаны с температурой нагрева элементов конструкции прибора. Причем в большинстве случаев определяющее значение имеет нагрев кремниевой структуры.

2. Наиболее опасным в отношении возникновения причин, приводящих к отказам, является режим импульсной перегрузки приборов током. Именно в этом режиме проявляется сразу несколько критических факторов, определяющих повреждение СПП.

3. Различным механизмам отказов соответствует не только определенное значение критической температуры нагрева, но и длительность процесса нагрева, определяющая перепад температуры в элементах конструкции или в пределах одного элемента.

4. Превышение предельной температуры может привести либо к временному ухудшению параметров СПП и соответственно к временному неработоспособному состоянию аппарата, либо к необратимому повреждению приборов, вплоть до механического их разрушения.

Из-за сложности протекания физических процессов в элементах конструкции прибора, и особенно в полупроводниковой структуре СПП, при различных токовых воздействиях количественный учет факторов, определяющих те или иные отказы, не представляется возможным. Во многих случаях, например при включении тиристоров, нельзя точно измерить и тем более рассчитать повышение температуры из-за неравномерного распределения площади электронного перехода.

Исключительно трудно точно рассчитать нагрев и при кратковременных токовых перегрузках, когда длительность импульса тока соизмерима временем распространения включенного состояния по площади кремниевой структуры. Поэтому в большинстве практических случаев допустимые режимы работы СПП и критерии надежности определяются на основе экспериментальных испытаний. Так как разработчикам аппаратов доступен контроль только температуры, напряжения, тока и механических воздействий на приборы, допустимые режимы их работы следует определять через эти измеряемые параметры.

Характерным для применения СПП в схемах электрических аппаратов является многообразие режимов и условий работы. Основные из этих режимов без учета ограничивающих факторов по условиям надежности рассмотрены в гл.3 и 4. Если теперь проанализировать возможные режимы работы аппаратов и соответственно СПП с точки зрения физики отказов, то все они могут быть сведены к четырем основным режимам.

Длительные режимы. Главным признаком всех длительных режимов является установившаяся температура элементов конструкции прибора. Критерием допустимого тока нагрузки является максимально допустимая температура кремниевой структуры T_jm. Для классификационных режимов за этот критерий принимается эффективная (усредненная) температура кремниевой структуры T_j, и значение ее приводится в справочных материалах.

С увеличением частоты переменного тока или угла задержки включения тиристоров при f =50 Гц условия работы кремниевой структуры изменяются, и выбор режима нагрузки должен основываться не на средней, а на максимальной температуре структуры.

Импульсный режим. Этот режим характеризуется многими параметрами: частотой повторения импульсов, длительностью импульса и паузы между импульсами тока, параметрами импульсов тока (форма, амплитуда, фронт). Основным признаком импульсных режимов является то, что к моменту начала воздействия следующего импульса температура кремниевой структуры, обусловленная протеканием предыдущего импульса тока, снижается до температуры окружающей среды.

Различают короткие и длинные импульсы тока. Короткими считают такие импульсы, длительность которых меньше времени установления стационарных процессов в СПП. Для диодов короткими можно считать импульсы длительностью менее 50 мкс, для тиристоров длительностью менее 200 мкс. Импульсы длительностью более 1 мс относят к длинным.

Промежуточное положение импульсы средней длительности, но они обычно не выделяются в отдельную группу, так как их воздействие можно свести к комбинации процессов от коротких и длинных импульсов.

Критические температуры, вызывающие повреждения приборов, зависят от длительности импульсов тока, числа и периодичности их воздействия, от того, прикладывается или нет напряжение к приборам непосредственно после протекания импульса тока. Поэтому каждому конкретному сочетанию ограничивающих факторов соответствует определенная критическая температура. По данным различных источников она может изменяться в интервале 300 −1300 °С.

Повторно-кратковременный режим. Отличие этого режима от периодического импульсного состоит в том, что через определенные интервалы времени приборы нагружаются серией (пачкой) импульсов тока. За время воздействия серии импульсов температура кремниевой структуры и других элементов прибора не достигает установившегося значения.

В течение паузы между сериями импульсов прибор не успевает охладится до исходной температуры. Если число воздействующих серий импульсов достаточно большое, через некоторое время наступает квазистационарный режим, когда максимальные и минимальные превышения температуры соседних циклов становятся одинаковыми.

Максимальный перепад температуры при циклировании в повторно-кратковременном режиме меньше, чем в периодическом импульсном режиме. Однако большая длительность воздействия серии импульсов приводит к тому, что критическая температура снижается до 200 − 300 °С.

Режим ударных токов. Этот режим характеризуется воздействием одиночных импульсов или серии импульсов тока с амплитудой и длительностью, опасными в отношении развития практически всех рассмотренных выше механизмов повреждения СПП. Как правило, режим ударных токов носит случайный характер повторения и связан с возникновением аварийных ситуаций. После воздействия импульса ударного тока температура прибора снижается до температуры охлаждающей среды или до установившейся температуры, определяемой током длительной нагрузки.

Напряжение к прибору после протекания ударного тока не прикладывается. Критическое значение температуры кремниевой структуры в этом режиме зависит от длительности импульса тока. Для импульсов шириной 10 − 100 мкс оно равно 1000 °С, для импульсов шириной 500 мкс. 10 мс − 500 °С.

Определение допустимых токовых нагрузок в различных режимах работы рассматривается в последующих параграфах.