Иванов Иван Олегович. Исследование деградации металлопленочных конденсаторов при форсированных нагрузках : Іванов Іван Олегович. Дослідження деградації металоплівкових конденсаторів при форсованих навантаженнях

Краткое описание

Иванов Иван Олегович. Исследование деградации металлопленочных конденсаторов при форсированных нагрузках: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.02 / Иванов Иван Олегович;[Место защиты: ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого], 2017

Содержание к диссертации

Введение
1. Литературный обзор 19
1.1. Технические условия и основные принципы выбора конденсаторов 19
1.2. Ускоренные испытания и форсированные режимы работы конденсаторов 20
1.3. Общие сведения о металлопленочных конденсаторах 22
1.4. Основные механизмы деградации металлопленочных конденсаторов
1.4.1. Деградация конденсаторов в процессе самовосстановления 28
1.4.2. Разрушение контактных узлов под действием токовой нагрузки 36
1.4.3. Электромиграционный механизм деградации проводников 40
1.5. Выводы и постановка задач исследования 45
2. Методика иследования 49
2.1. Объекты исследования 49
2.2. Стенд для экспериментальных исследований 50
2.3. Исследование процессов самовосстановления 51
2.4. Исследование электротеплового разрушения модельных контактных узлов металлопленочных конденсаторов
2.4.1. Объекты исследования 54
2.4.2. Методика исследования 55
2.5. Исследование токовой устойчивости металлопленочных конденсаторов 57
2.5.1. Методика экспериментального исследования 58
2.5.2. Численное моделирование распределения электрического поля в конденсаторных структурах 59
2.6. Исследование электротеплового разрушения сегментированных электродов металлопленочных конденсаторов 61
2.6.1. Объекты исследования 61
2.6.2. Экспериментальная реализация исследования 62
2.6.3. Методика численного моделирования 63
2.7. Определения площади зон деметаллизации 65
2.8. Исследование электромиграционного механизма деградации электродных систем металлопленочных конденсаторов 66
2.8.1. Объекты исследования 67
2.8.2. Методика экспериментального исследования 68
2.8.3. Расчет электрических и тепловых полей вблизи трещины 69
2.9. Статистическая обработка экспериментальных данных 71
Выводы 74
3.Экспериментальное исследование процессов самовосстановления в металлопленочных конденсаторах76
3.1. Определение энергии самовосстановления 76
3.2. Определение площади зоны деметаллизации 82
3.3. Изменение электрических параметров исследуемых конденсаторов 83
3.4. Модель импульсного сопротивления конденсатора в 86
процессе самовосстановления 86
3.5. Предельно допустимые перегрузки в форсированных режимах 90
Выводы 92
4.Экспериментальное исследование электромиграционного механизма деградации электродов металлопленочных конденсаторов94
4.1. Исследование динамики роста электромиграционных трещин 94
4.2. Расчет плотности тока и температуры вблизи трещин 98
4.3. Оценка кинетических потоков 100
Выводы 103
5.Экспериментальное исследование электротеплового разрушения электродных систем металлопленочных конденсаторов104
5.1. Экспериментальное исследование электротеплового разрушения модельных образцов контактных узлов 104
5.1.1. Исследование времени жизни контактных узлов и степени эрозии 104
5.1.2. Обсуждение полярного механизма деградации 111
5.2. Экспериментальное исследование токовой устойчивости серийных металлопленочных конденсаторов 114
5.2.1. Определение срока службы конденсаторов и полярности разрушения контактных узлов 114
5.2.2. Частотная дисперсия электрофизических параметров исследуемых конденсаторов 116
5.2.3. Обсуждение механизма возникновения частотной дисперсии 120
емкости в металлопленочных конденсаторах 120
5.2.4. Анализ распределения потенциала в конденсаторных структурах 122
5.2.5. Эквивалентная схема замещения конденсатора с учетом деградации контактных узлов 128
5.3 Увеличение срока службы металлопленочных конденсаторов за счет смены полярности электродов 131
5.4. Экспериментальное исследование электротеплового разрушения сегментированных электродов металлопленочных конденсаторов 132
Выводы 135
Заключение 137
Список литературы 140

Ускоренные испытания и форсированные режимы работы конденсаторов
Исследование электротеплового разрушения модельных контактных узлов металлопленочных конденсаторов
Исследование электромиграционного механизма деградации электродных систем металлопленочных конденсаторов
Расчет плотности тока и температуры вблизи трещин

Введение к работе

Актуальность темы исследования
Технические условия на серийно выпускаемые электрические конденсаторы определяют допустимые параметры режимов работы, при которых гарантируется надежная работа изделий в течении всего срока длительной эксплуатации. Основными параметрами, определяющими работоспособность конденсатора, являются: величина рабочего напряжения, действующее значение тока через конденсатор или амплитуда импульсного тока, частота приложенного напряжения или частота следования импульсов и максимальная рабочая температура.
Кроме номинальных режимов работы (режимов длительной эксплуатации), когда срок службы конденсаторов составляет единицы десятки тысяч часов (импульсов), существуют форсированные режимы работы. В указанных режимах требуемый срок службы может составлять единицы десятки минут (сотни тысячи импульсов), при этом за счет форсирования предельно допустимых нагрузок можно существенно увеличить энергоэффективность используемых конденсаторов.
Среди возможных форсированных эксплуатационных характеристик: частота приложенного напряжения, температура, уровень приложенного напряжения и величина рабочего тока, две последние представляют наибольший практический интерес. В первом случае рабочее напряжение конденсатора значительно выше его номинального значения, при этом рабочие токи не превышают или незначительно превышают допустимые значения. Во втором случае режим работы характеризуется большими разрядными токами, которые могут существенно превышать предельно допустимые значения, при этом напряжение не превышает установленного номинального значения, соответствующего режиму длительной эксплуатации.
Наиболее подходящим типом конденсаторов для работы в форсированных режимах для первого случая являются металлопленочные конденсаторы. Данный тип конденсаторов обладает способностью к самовосстановлению (СВ), то есть восстановлению своей работоспособности при пробое диэлектрика. В случае локального пробоя диэлектрика в местах с пониженной электрической прочностью возникает значительная величина плотности тока пробоя. В зоне пробоя диэлектрика выделяется энергия, достаточная для частичного уничтожения некоторой области тонкого металлизированного электрода (толщиной 10 20 нм) вблизи канала пробоя за счет локального электрического взрыва электрода с последующим развитием радиального микродугового разряда. Совокупное время возникновения, развития и погасания разряда конечно и составляет, как правило, единицы десятки микросекунд. Образуемая таким образом зона деметаллизации изолирует место пробоя от остальной части электрода и конденсатор восстанавливает свою работоспособность.
Рассматривая второй случай форсирования нагрузок, следует отметить, что в последнее время одной из областей применения металлопленочных конденсаторов становятся высокоэнергетические импульсные устройства, которые используются в плазменных и лазерных установках, ускорителях частиц, импульсных устройствах военной
техники, где данный тип конденсаторов в ряде случаев пришел на смену традиционным фольговым конденсаторам. Режимы работы в данной области характеризуются высокой амплитудой импульсов тока (единицы десятки килоампер) и малой длительностью (сотни микросекунд и меньше), при этом срок службы конденсаторов не превышает нескольких тысяч импульсов, а в некоторых случаях ресурс составляет менее тысячи импульсов. Особенности работы импульсных конденсаторов, а также устройств на основе емкостных накопителей энергии рассмотрены в работах Г.С. Кучинского, Г.А. Шнеерсона, Б.Е. Фридмана, Б.М.Ковальчука, С.И. Кривошеева, Р.Ш. Еникеева, Б.Л. Алиевского, С.И. Шкуратова, А.В. Пономарева, В.А. Коликова, А.В. Будина и других. Следует отметить публикации и зарубежных ученых: W.J. Sarjeant, J. Zirnheld, F.W. MacDougall, J.B. Ennis, G. Picci, M. Rabuffi, F. Lin, H. Li и других.
На сегодняшний день существующие технические условия не позволяют оценить работоспособность металлопленочных конденсаторов в форсированных режимах. Механизмы деградации данных конденсаторов и особенности их отказа в режимах с повышенной электрической и токовой нагрузкой являются относительно слабоизученными. Тем не менее, спрос на энергоемкие конденсаторы непрерывно возрастает, что связано с широкой областью их применения. Информация о предельно возможных нагрузках, которые способны выдержать металлопленочные конденсаторы, позволит эффективно использовать их в форсированных режимах, а также покажет наиболее эффективные пути улучшения конструкции конденсаторов данного типа. В силу обсуждаемой специфики малых сроков службы в литературе по существу отсутствуют данные для прогнозирования работоспособности МПК в форсированных режимах, поэтому проведение соответствующих экспериментальных и теоретических исследований представляется актуальным, а ожидаемые результаты отличающимися научной новизной.
Степень разработанности темы исследования
Процессы самовосстановления в металлопленочных конденсаторах активно изучаются на протяжении последних десятилетий. В настоящее время разработано несколько моделей процесса самовосстановления, каждая их которых основана на своём подходе к определению энергетических характеристик процесса. Наиболее значимые исследования процесса самовосстановления изложены в работах Б.П. Беленького, Н.В. Северюхиной, Ю.С. Чатиняна, Э.В. Кургиняна, H. Heywang, J. Kammermaier, J-H. Tortai, T. Christen, M. Carlen, C.W. Reed, S.W. Cichanowski и других. Разработанные модели процесса самовосстановления, в основном, сопоставлялись с экспериментальными данными, полученными на модельных образцах металлопленочных конденсаторов. Тем не менее, использование модельных образцов при исследовании столь сложного процесса не позволяет воспроизвести всех особенностей реальной конструкции конденсатора. Поэтому расчеты, выполнение на основе теоретических моделей, часто не согласовываются с данными экспериментов.
Общепринятым критерием параметрического отказа металлопленочных
конденсаторов при деградации под действием самовосстановления принято считать снижение емкости на 5 10 %. Вместе с тем, процесс самовосстановления характеризуется
увеличением диэлектрических потерь, однако, этому обстоятельству уделяется значительно меньше внимания.
При работе металлопленочных конденсаторов в импульсном режиме, где характерны высокие плотности тока, существенной деградации подвержены контактные узлы (области контактирования металлизированного электрода с выводами конденсатора) за счет электротеплового механизма разрушения. Данный механизм связан с джоулевым нагревом локальных участков контактных узлов под действием протекающего тока, что приводит к отгоранию части электродов и в конечном счете к обрыву цепи. На этот факт указывают авторы Б.П. Беленький, Н.В. Северюхина, M. Makdessi, A. Sari, P. Venet, S.A. Boggs и S. Qin. Некоторые исследования деградации контактных узлов представлены в работах G. Picci, M. Rabuffi, F. Lin, H. Li и J. Sivakumar. Однако, в имеющихся работах отсутствует всесторонняя информация о механизмах деградации, а также о предельных токовых нагрузках, допустимых в металлопленочных конденсаторах.
Кроме электротеплового механизма разрушения металлизированных электродов возможен процесс их деградации за счет электромиграции атомов металла под действием тока высокой плотности. Данный процесс хорошо известен в микроэлектронике, где является одной из причин отказа проводящих элементов интегральных микросхем, характерные толщины которых составляют доли микрометров, а времена разрушения исчисляются тысячами-десятками тысяч часов. Физические аспекты электромиграции, а также особенности разрушения элементов микроэлектроники изложены в работах К.А. Валиева, Р.В. Гольдштейна, М.Е. Сарычева, В.М. Сухарева, А.А. Скворцова, K.N. Tu, J.R. Lloyd, H. Ceric, J.R. Black, I.A Blech и других. Однако, электромиграционный механизм деградации ранее никогда не рассматривался применительно к металлопленочным конденсаторам, в которых толщина электродов составляет единицы десятки нанометров.
На основании изложенных рассуждений была определенацель работы:
Исследовать основные механизмы деградации металлопленочных конденсаторов в форсированных режимах работы.
В рамках исследовательской работы были поставлены следующиезадачи:
1. Разработать необходимые методики и аппаратуру для исследования работоспособности металлопленочных конденсаторов и механизмов их деградации;
2. Экспериментально исследовать механизмы деградации металлопленочных конденсаторов вследствие развития процессов самовосстановления;
3. Экспериментально исследовать процессы деградации контактных узлов под действием тока высокой плотности;
4. Выявить роль электромиграционного механизма деградации в электродах металлопленочных конденсаторов.
Научная новизна
1. В зависимости от уровня рабочего напряжения относительно номинального значенияUн выявлены три возможных типа развития процессов самовосстановления конденсаторов:
I тип единичные акты СВ (до 3 4Uн);
II тип - СВ с повторными актами (4 - 6 /н);
III тип - многократные акты СВ (более 6 С/н).
2. Установлено, что величина энергии, затрачиваемой на процесс самовосстановления, характеризуется степенной зависимостью от напряжения пробоя с показателем 2.2 - 2.6 и не зависит от материала диэлектрика (ПТЭФ, ПП). Вместе с тем, длительность самовосстановления практически не зависит от его энергии и лежит в пределах 5 - 25 мкс в зависимости от конкретного типа конденсатора.
3. Экспериментально и теоретически доказан электромиграционный механизм деградации электродных систем металлопленочных конденсаторов на масштабах субмикросекундных времён. Введено понятие «быстрой» электромиграции и определены условия ее возникновения. Установлено, что в зависимости от типа металлизированного электрода, данный процесс имеет пороговую плотность тока ~ 1011- 1012А/м2, ниже которой его развитие затруднено. Определена средняя скорость переноса атомов в процессе «быстрой» электромиграции, которая составляет 0.8 - 1 м/с.
1. Обнаружен полярный эффект разрушения контактных узлов металлопленочных конденсаторов. Данный феномен подтвержден как на модельных образцах контактных узлов, так и на реальных серийно выпускаемых конденсаторах. Установлено, что скорость разрушения контактного узла отрицательной полярности выше, чем положительной. Показано, что полярный эффект разрушения контактных узлов связан с электромиграционным механизмом деградации.
2. Установлено, что в форсированных режимах при высокой токовой нагрузке деградация контактных узлов металлопленочных конденсаторов приводит к появлению частотной дисперсии емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот 1 кГц - 1 МГц. Дисперсия указанных параметров связана с неравномерностью пространственного распределения потенциала в конденсаторной системе электродов и характеризуется значительным снижением эффективной емкости при частотах выше 1 кГц (в 10 и более раз), при этом для частотной зависимостиtg