Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Твердые растворы и смеси называются сплавами (для металлов и полупроводников ) и демонстрируют многие полезные ( аиногда просто уникальные) свойства. Поиск новых сплавов и исследованиеих свойств может проводиться в системах двух, трех и т.д. до 10 и болеекомпонентов.Обычно сплавы-смеси механически не очень прочны.
Но иногда онитехнологически удобны – жидкоподвижны, относительно легкоплавки,образуют полезные композиции ( напр. чугуны, бронзы, силумин). Многие9литейные сплавы - по сути есть смеси исходных веществ или их твердыхрастворов. Литейными называются сплавы, которые в жидком виде легко иточно заполняют сложные полые формы.Химические соединения проявляют огромное разнообразие свойств исочетаний типов химической связи*. Только в группе полупроводниковыхсоединенийА3В5 (индексы соответствуют группе ПС)– более десяткасоединенийсо свойствами от почти металлических до диэлектрических.Примеры:BN -диэлектрик (эквивалент алмаза), GaAs-полупроводник, InSb почти металлические свойства ирекордное значение подвижностиносителей заряда.Химические соединения часто образуют твердые растворы - тройные,четверные ( А1х Ап1-х)[B1уВп1-у] - и эти растворы тоже демонстрируют новыесвойства.В химических соединениях с полупроводниковыми свойствами оченьважна стехиометрия.
А требование это бывает непросто реализовать!Пример:GaAs ( имеется улетучивание молекул Asиз расплава притемпературе плавления 12400С) , подобное же явление имеет место для InP(P ),GaN.Вследствие этогов результате кристаллизации получаетсянестехиометрическое соединение типа ( Ga Аs1- ),где- некоторое весьмамалое число, пусть 0,001. В итоге один кубический сантиметр материаласостоитиз примерно 1022 атомов галлия и мышьяка и 1019 атомныхвакансий* ( в позициях мышьяка),т.е.
является весьма дефектнойструктурой.Свойства материаловКонструктор прибора, изделия выбирает материалы, руководствуясь ихсвойствами - учитывая иногда их десятки и более. Нужна классификациясвойств, см. рисунок 3.10Основные группы свойств: физико-химические и потребительские. Асреди физико-химическихсвойств имеются две важные подгруппы:функциональные и технологические ( по способности к обработке ).Рисунок 3 –Основная классификация свойствМатериал “технологичен” - если имеет благоприятный комплексфункциональных и потребительских свойств .
Как всегда, определениеотчасти условно - например, высокая температура плавления обычноповышает термостойкость материала ( хорошо!), но одновременно можетзатруднятьтермообработку(плохо!).Малотехнологичныйматериалпотребует сложной технологии обработки и станет дорогим (а этопотребительское свойство).Свойства делят на структурочувствительные и структуроустойчивые;на усредненные и экстремальные, на изотропные и анизотропные; на простыеи сложные свойства.Экстремальные свойства - те, которые к своему пределу стремятся нево всем объеме, а локализуются. Например, шейка, возникающаяприразрыве металлического образца на механических испытаниях, трещина и11т.п.Прочность,коррозионнаястойкость–экстремальныесвойстваматериалов; а плотность –усредненное.Простые и сложные свойствавоздействиинесколькихСложные свойства проявляются приэнергетическихполей:например,магнито-сопротивление - изменение электросопротивления при действии на материалмагнитного поля, или тензочувствительность(зависимость проводимости отприложенного к материалу механического напряжения), или фотопроводимость и т.п.
Изучение сложных свойств – перспективный путь созданияновых материалов и образцов техники.Есть свойства фундаментальные, практически неуправляемые - онихарактеризуются параметром. Пример : плотность, период кристаллическойрешетки, ширина запрещенной зоны* (для кремния :Si= 1,12 эВ ; a - 5,2 Å,d = 2,3 г/см3 ).Есть свойства характеристические – онидиапазоне значений.Пример - для кремнияменяются в некоторомsi= 10-3 – 10+4 Ом.см(возможно изменение на семь порядков!)Далее рассмотрим важнейшие группы физико-химических свойств.Механические свойстваСпособность материала противостоять разрушению - это прочность, апротивостоять деформации - это жесткость.
Деформация всегда предшествует разрушению. К механическим свойствам материалов кроме жесткости ипрочности относят еще фрикционные (износостойкость при трении) иакустические свойства.Жесткость материалов РЭА важна для корпусов, монтажных плат, осей- там, где важны размеры и относительные положения деталей. Иначе будутперегружаться и разрушаться места пайки, контакты, проводники и т.п.Иногда в радиоаппаратуру преднамеренно вводятся детали малой жесткости12- пружины, буфера, торсионы.
Следует предполагать, что такое электронноеустройство как мобильный телефон, калькулятор или плеер рано или поздноупадет из рук или со стола, и конструктор должен предусмотреть в немсредства некоторой компенсации ударных нагрузок.Разрушение – предельная стадия деформации. В начальной стадиидеформации происходит обратимое (упругое) изменение размеров и формыизделия.На второй стадии - пластической, имеет место необратимоеизменение размеров и формы.
Реализуется пластическая деформациядвижением дислокаций* (понятие о дислокации – рисунок 4, более детальновкурсекристаллофизики;пластическаядеформацияматериаларассматривается как процесс движения дислокаций –рисунок 5)Рисунок 4 –Краевая дислокация в кристалле13Рисунок 5 – Упругая и пластическая деформации при сдвиговом напряженииУпругая деформация описывается законом ГукаE(1)где Е - модуль упругости (Юнга); это фундаментальный параметр,- напряжение, вызываемое действием сил- относительное удлинение (деформация), оценивается в %.Размерность Е и- напряжение [П][н/м2]Некоторые виды механических испытаний материалов показаны нарисунке 6.Диаграмма растяжения (рисунок 7) позволяет оценить упругие ипластические свойства основных конструкционных материаловт- предел текучести –соответствует удлинению 0,2% - тут площадкана кривой нагружения, т.е.
материал удлиняется-“течет” без увеличениянагрузки - дальше нагружать его уже опасно;в– временная прочность, состояние предшествует разрушению ихарактеризует максимальную прочность материала в среднем.Рассчитывать рабочее напряжение изделия нужно с разумным запасомпрочности по отношению к деформационным пределам14т= 1,25 2раб;в=2-4раб.Осевое растяжение изделия обычно сопровождается его поперечнымсжатием. Коэффициент Пуассона0связывает эти параллельные процессы0,5. Для большинства металлов=0,250,35, для резины =0,5 .Движение дислокаций в пластичных материалах - большая удача, онопредотвращает локальное накопление напряжений в одном месте.
В хрупкихтелах этого нет и именно потому они хрупки!а) растяжение; б) ударная прочность; в - твердостьРисунок 6 – Схема различных видов механических испытаний15Рисунок 7 – Диаграмма растяженияТвердость - важное механическое свойство, но трудно определимое.Например - сопротивление пластическойдеформации при статическойнагрузке - статическая твердость, при динамической нагрузке - динамическаятвердость.
Сопротивление истиранию и царапанию - тоже твердость.Методов измерения твердости и параметров оценки несколько :НВ – по Бринеллю ( в объект с определенным усилием вдавливаетсязакаленный стальной шарик, см. рисунок 6,в ), HR по Роквеллу, HV - поВиккерсу.
Судят о твердости по площади полученного отпечатка. Метод неидеален- отпечаток может испортить исследуемую поверхность. В случаеHV вдавливается малый шарик и используется малая нагрузка ( оцениваетсятвердость в приповерхностныхслоях материала или изделия, напримертонкий закаленный слой на поверхности пластичной детали).Микротвердость - важный механический параметр в полупроводниках,оценивается по отпечатку вдавливания алмазной четырехгранной микропирамидысусилием50-100г.Полученныйрассматривается и измеряется под микроскопом.промеренных отпечатков (сотни и тысячи)отпечатокмал,онПри больших объемахметод дает много ценнойинформации о приповерхностной структуре полупроводника.16Ударная вязкость - склонность к хрупкому разрушению при боковомударе на копре, рисунок 6, б.
Параметр ударной вязкости - отношениеэнергии разрушения к площади сечения разрушения Например, хрупкиеметаллы - 100-200 кДж/м2 ,пластичные металлы - 500-1000 кДж/м2.Теплофизические свойстваВажнейшие теплофизические свойства материалов для РЭА :1) теплопроводность;2) теплостойкость ( нагревостойкость );3)температурный коэффициент линейного расширения( ТКЛР илиТКР)Теплопередача, как известно, осуществляется тремя физическимимеханизмами. Теплопроводность –передача тепла через твердое тело.Колебательное движение атомов твердого тела имеет волновой характер(фонон - квант тепловой энергии продольных атомных колебаний). Фононнаятеплопроводность – основная в твердых телах при умеренных температурах,но там, где есть подвижные электроны – существует еще и электроннаятеплопроводность, а при высоких температурах в твердом теле есть ифотонный перенос тепла.
Количество фононов в единице объѐма зависит :от теплоѐмкости С ( Дж/м3К), от средней длины пробега фонона (порядканескольких межатомных расстояний ( 1-10 нм ) и скорости их движения,близкой к скорости звука Vзв в этом материале. Тогда теплопроводность λ1сlпр3зв,(2)Для технических расчетов удобнее выражение17Q lt TSгде: теплопроводность(3)- тепловая мощность, передаваемая черезпоперечную площадку 1м2, при градиенте температур Т/ l = 1 К/мQ/t - мощность;Т/ l – температурный градиент, S - площадь.Размерность теплопроводности- Дж/сек .Логика подсказывает,что у материалов со свободными электронами(металлов, сильно легированных* полупроводников) за счет теплопереносасвободными электронамидолжна быть выше, и в целом это так, но естьисключения: самые теплопроводные материалы- алмаз и ионная керамикаВеО не имеют высокой концентрации электронов.
Коэффициентытеплопроводности некоторых материалов приведены на рисунке 8.Рисунок 8 – Коэффициенты теплопроводности материалов, Вт/(м.К)18Для алмаза С - 500 Вт/м. К ; ВеОпластмассы360 ; Al - 200; Si - 130. Стекло1;0,1 Вт/м. Сравнительно дешевый тепло- (или хладо-) проводдля физического эксперимента можно сделать из меди(-390 Вт/м).Теплопроводность материалов обеспечивает необходимый отвод теплаот нагревающихся узлов РЭА .Но вот пример давления потребительских свойств на конструктора,разрабатывающего теплопроводный корпус микросхемы.Алмаз - оченьдорог (хотя речь конечно идет не о природных, а искусственных техническихалмазах) и трудно обрабатываем, ВеО - очень токсичен ( в пылевиднойформе) в процессе производства, что мешает широко использовать их кактеплопроводящие материалы. Зато синтетический нитрид алюминия Al N –аналог алмаза по типу и прочности связей - весьма перспективныйтеплопроводный материал.Тепловое расширение и температурный коэффициент линейногорасширения( ТКЛР).
Процесс теплового расширения, т.е. увеличения всехлинейных размеров при нагревании хорошо известен из школьной физики.Размерность ТКЛР -- ( К-1), но практически важно знатьматериалав том или ином диапазоне температур.SiO2 (кварц)Si (кремний)= 0,5.10-6 К-1 ( от 20 до 900оС ).= 5.10-6 К-1 ,для полимерных материалов 5.10-5 К.Кварцобладает уникально низким значением ТКЛР и это замеча-тельно. Благодаря этому кварц выдерживает резкие перепады температур,термоудары, кварцевые стабилизаторы частоты очень термостабильны.В процессе изготовления микросхем неоднократно наносят пленкуSiO2 на Si ( примерно при 900-1100оС), а затем охлаждают эту структуру докомнатной температуры. ТКЛРподложки,как следствиевызывает сжатие пленки и растяжениеТ - сразу даетll, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
