МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ДОМАШНЕМУ ЗАДАНИЮ

«Моделирование технологических процессов»
ПО КУРСУ «ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В ЭЛЕКТРОНИКЕ И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ»

1. Цель и задачи домашнего задания.

Основная цель работы - выработка навыков самостоятельной постановки и проведения исследования и моделирования технологического процесса (ТП).

В соответствии с этим в домашнем задании следует решить следующие основные задачи:

• на основании тематики инженерного практикума построить схему организации исследования для выбранной технологической операции (ТО);

• провести математическое моделирование заданного ТП;
  проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

1. Исходные данные:

• технологический процесс — объект исследования;

• параметры качества ТО определяются по мере выполнения задания.

1. Содержание работы.

Домашнее задание должно содержать следующие разделы:

1. Тема: «Организация контроля и моделирования технологического процесса .....».

2. Анализ выбранной технологической операции.

   1. Краткое описание технологического процесса:

схема,

назначение,

сущность,

этапы,

оборудование.

1. Сравнительный анализ входных и выходных параметров, присущих данной операции:

входные контролируемые и управляемые параметры и пределы их изменения,

входные контролируемые, но неуправляемые факторы (указать, деформируют ли они закон распределения выходных параметров, и есть ли необходимость в их контроле и анализе),

входные неконтролируемые и неуправляемые факторы,

выходные параметры (параметры качества),

схема, отображающая зависимость выходных параметров качества от входных контролируемых и управляемых факторов.

1. Обоснованный выбор наиболее существенного выходного
   параметра качества (исходя из цели и назначения ТО, влияния параметра на интегральную характеристику качества и информативности).

2. Отбор наиболее существенных входных факторов (исходя из собственного опыта, либо, используя методы выявления наиболее существенных факторов). Указать варьируемые и стабилизируемые факторы, выбрать диапазоны варьирования факторов.

1. Построение общей схемы контроля.

   1. (дополнительно) Для выбранного выходного параметра качества провести анализ конкретных мероприятий по контролю данного технологического процесса по критериям точности и стабильности, настроенности и отлаженности.

   2. Описать операционный контроль выбранного параметра
      качества (методику проведения, оборудование и критерии брака).

2. Проведение математического моделирования данного технологического процесса.

   1. Обосновать необходимость проведения моделирования
      выбранного технологического процесса.

   2. Разработать план эксперимента.

   3. На основании полученных данных построить адекватную математическую модель методами статистического планирования эксперимента (ПФЭ, ДФЭ, ЦКОП, ЦКРП).

   4. Произвести проверку адекватности модели.

3. Анализ полученных результатов и выводы.

1. Отчет о выполнении домашнего задания.

Отчет о выполнении домашнего задания должен содержать все перечисленные в п. 3. разделы и пункты. Пример отчета представлен в Приложении.

Приложение

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э.Баумана

Домашнее задание по курсу:

«Техника эксперимента

в электронике и наноэлектронике»

Тема: «МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА»

Выполнил: студент гр. МТ 11- _____

Проверил: _____

Москва, 20__ г.

1 Анализ выбранной технологической операции.

Для рассмотрения возьмём технологическую операцию отжига термоэлектрических модулей. Внешний вид ТЭМ представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид ТЭМ

На рисунке 2 приведена 3D-структура ТЭМ.

Рисунок 2. Структура ТЭМ

На рисунке 3 представлена послойная структура одной ветви ТЭМ. Отжигу подвергаются многослойные структуры ветвей ТЭМ.

Рисунок 3. Послойная структура одной ветви ТЭМ

1.1 Краткое описание технологического процесса.

Назначение процесса

Операция отжига имитирует процесс работы ТЭМ. По результатам операции отжига можно сделать вывод об изменениях характеристик ТЭМ в процессе их работы.

Оборудование:

Муфельная печь с температурным рабочим диапазоном: 100 °С—500°С

Воздушные: нагрев в воздушной среде.

Внешний вид установки приведен на рис.4

Рисунок 4. Муфельная печь

Этапы процесса

• Установка оснастки с образцами в камере.

• Задание времени и температуры отжига образцов.

• Отжиг.

• Выемка образцов из печи.

• Сборка модулей путём пайки многослойных ветвей с керамическими пластинами.

• Подведение контактов.

• Измерения сопротивления ТЭМ.

Сущность процесса:

Если более детально рассмотреть стык проводник-барьерный слой- полупроводник, то оказывается, что недолговечность и ненадёжность работы ТЭМ вызвана диффузией проводника (Cu) через барьерный слой в полупроводник (Bi₂Te₃). Это становится возможным из-за наличия в стандартном барьерном слое (Ni, Mo,Sn) дефектов: поры, капли, щели. За счёт имитации работы ТЭМ (отжиг) необходимо выявить время, которое прослужит ТЭМ, удерживая свои характеристики на достаточном уровне. А также определить влияет ли структура полупроводникового материала на конечные характеристики ТЭМ, в частности на электрическое сопротивление.

STM: Semiconductor thermoelectric material- полупроводниковый термоэлектрический материал

I: Direction of current-направление тока

CP: Cutting plate-отрезанная пластина

1: Plate of thermoelectric material (P- or N-type)- пластина термоэлектрического материала (P- или N-типа)

2: Bar ingot (P- or N-type) – полоса слитка

3: Thermoelectric elements (P- or N-type)-термоэлектрический элемент (P- или N-типа).

Параметры реальных термоэлектрических материалов зависят не только от эффективности используемых материалов, но также и от физико-химических эффектов на границе между термоэлектрическим материалом и слоем проводника. Электрические и адгезионные свойства в этой контактной области определяются преимущественно предварительной обработкой поверхности пластин, изготовленных из термоэлектрических материалов. Поверхностная деформируемая структура слоя зависит от скорости резания и характеристик способа обработки: в середине может быть слой с идеальной структурой, а по краям материала – со структурой, отличающейся от основной массы (что возникает в результате обработки резанием). В связи с этим в эксперименте исследуются модули, где термоэлектрический элемент был использован сразу после резки, а также такие модули, в которых каждый термоэлектрический элемент был подтравлен со всех сторон на 5мкм.

1.2 Сравнительный анализ входных и выходных параметров.

Входные контролируемые и управляемые факторы:

• Время отжига (варьируемый)

• Температура отжига (стабилизируемый)

Входные контролируемые, но неуправляемые факторы:

• Время между нанесением слоёв

• Метод нанесения покрытий

• Величина стравленного слоя ТЭ

• Размеры ветвей

Входные неконтролируемые и неуправляемые факторы:

• Равномерность нагрева

• Фактор условий хранения

• Эксплуатационный фактор (как давно был изготовлен модуль и использовался ли по назначению)

Фактор условий хранения и эксплуатационный фактор вносят систематическую составляющую погрешности (при условии, что все образцы хранились в одинаковых условиях и не использовались), а фактор равномерности нагрева вносит случайную составляющую.

Выходные параметры

• Электрическое сопротивление,R

• Добротность, Z

• Постоянная времени, τ

1.3 Выбор выходного параметра.

Из перечисленных выше выходных параметров для рассмотрения возьмём электрическое сопротивление R. По изменению R можно сделать вывод о деградации модуля, вызванного диффузией материала проводника и припоя в полупроводник.

1.4 Наиболее существенные входные факторы.

Для выявления наиболее существенных входных факторов используем диаграмму рассеивания, изображённую на рисунке 5. Есть основания полагать, что на сопротивление R существенным образом влияют следующие факторы:

• Время отжига – Ф1

• Фактор условий хранения– Ф2

• Величина стравленного слоя– Ф3

• Время между нанесением слоёв – Ф4

Рисунок 5. Диаграмма рассеивания

Наибольшим образом влияют факторы Ф1и Ф3, т.е. время отжига и величина стравленного слоя.

На рисунке 6 представлена зависимость выходного параметра качества от наиболее существенных входных факторов.

В таблице 1представлены результаты эксперимента.

Рисунок 6. Зависимость выходного параметра качества от наиболее существенных входных факторов

Таблица 1. Результаты эксперимента

2 Построение схемы контроля.

Во время проведения эксперимента температура контролируется и составляет T=150ºС.

3 Проведение математического моделирования технологического процесса.

3.1 Обоснование необходимости проведения процесса

Основной целью проведения эксперимента является разработка математической модели, адекватно описывающей процесс отжига ТЭМ, и как следствие, процесса деградации ТЭМ при их использовании. При использовании статистических методов планирования эксперимента математическое описание процесса обычно представляется в виде полинома

где y – функция отклика, а х – факторы исследуемого процесса.

3. 2 План эксперимента

План эксперимента определяет расположение экспериментальных точек в k-мерном факторном пространстве, т.е. условия для всех опытов, которые необходимо провести.

Выбираем центр плана, т.е точку, соответствующую среднему значению всех используемых факторов, в окрестностях которой будут ставиться опыты. Обычно в качестве центра плана принимают центр исследуемой области. В нашем случае центром плана является точка, соответствующая модулю, в котором ТЭ стравлен на 2,5мкм, и который подвергался отжигу в течении 451ч.

Выбираем диапазоны варьирования времени отжига и величины стравленного слоя ТЭ. Выбранные данные занесены в таблицу 2.

Таблица 2

Уровень	Время отжига, [ч], Х1	Величина стравленного слоя ТЭ, [мкм], Х2	В безразмерной системе координат уровни факторов
Верхний	902	5	+1
Нижний	0	0	-1

Выходной параметр R измеряется в [Ом].

3.3 Построение математической модели

В качестве метода исследования технологического процесса выберем полный факторный эксперимент (ПФЭ). В этом случае учитывается влияние на функцию отклика исследуемого процесса не только каждого рассматриваемого в эксперименте фактора в отдельности, но и их взаимодействий. Под взаимодействием факторов понимают эффект влияния изменения значений одного или нескольких факторов на характер изменения функции отклика от изменения другого фактора.

Планирование начнём с предположения, что модель имеет вид полинома первого порядка: