Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Исследование релаксационной поляризации, элсктретного состояния и переноса.заряда является в настоящее время одним из основных направлении развития теории и практики диэлектриков и входит составной частью в фундаментальные исследования физики твердого тола, которые решают ее главную задачу - установление взаимосвязи Физических свойств, процессов и явлений со структурой материалов, ее особенностями и дефектами.
Широкое использование диэлектриков в электронной промышленности, радио- и СВЧ-технике в качестве активных я пассивных элементов, потребность в создании новых материалов с конкретными заранее заданными, электрофизическими свойствами, необходимость прогнозирования и контроля этих свойств в процессе изготовления и эксплуатации'требуют определения общих закономерностей поведения диэлектриков при воздействии на них электрического ПОЛЯ.
Медленная релаксационная поляризация и элекі ротное состояние характерны для всех диэлектрических материалов, что позволяет сравнительно простыми экспериментальными методами, включающими в себя обычно измерения электрических полей и токов выявить электрически активные элементы структуры материалов, ответственные за тот или иной релаксационный процесс, определить параметры этих процессов и разработать физические подели, с помощью которых можно описать основные электрофизические свойства диэлектриков.
В настоящее время достигнут такой уровень разработки методов исследования электрофизических свойств диэлектриков, что становнт- . ся возможным применять их не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных целей, связанных с определением состояния и качества диэлектрических материалов, используемых в' промышленности. Развитие этого направления предопределяет создание новых материалов и технологий и изготовление ' высококачественных изделий, в которых применяются диэлектрики. В связи с тем, что широкое применение в различных отраслях производства находят полимерные диэлектрики, важнейшим условием повышения их. качества является разработка методов, позволяющих осуществлять контроль за процессами полимеризации, отверждения и состояния поверхности в условиях про* изподства. Применение электрофизических методов особенно перспективно
, из-за того, что в ряде случаев они оказываются более чувствительными к структурным изменениям полимера, чем известные химические методы. Важным аспектом практического применения электрофизических методов является возможность непрерывного измерения того или иного параметра диэлектрика, , по которому производится контроль его состояния и качества, что позволяет организовать экспресс-контроль в процессе изготовления.
В работе были исследованы разные по своей структуре материалы (монокристаллы, керамика, полимеры), которые, с одной стороны, являются модельными, а с другой - широко используются в практических целях во многих отраслях техники и производства.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - экспериментальное определение взаимосвязи процессов медленной . релаксационной поляризации и электретного эффекта со структурой модельных и композиционных диэлектрических материалов электронной техники, разработка, на базе феноменологической теории, физических моделей этих процессов, научное обоснование методов контроля электрофизических и электретных свойств диэлектриков в процессе их изготовления и практического использования и создание автоматизированной системы управления процессом отверждения диэлектриков, применяемых в электронной промышленности. Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
1.- Разработать физические модели и решить общие интегро-дифференциальные уравнения феноменологической теории электретов, описывающие элоктретное состояние в разных по своей природе диэлектриках.
-
Провести экспериментальные исследования процессов медленной релаксационной поляризации и электретного состояния в неорганических и композиционных полимерных диэлектриках при разных условиях их поляризации. Определить физическую природу релаксационных процессов, возможные электрически активные элементы структуры диэлектриков, ответственные за эти процессы, и основные параметры процессов и релаксаторов.
-
Определить возможность использования электрофизических методог исследования для контроля состояния и качества диэлектриков. Научнс обосновать применение этих методов для определения оптимальных режими изготовления диэлектрических материалов электронной техники.
4. Разработать и создать типовые конструкции и устройства для ор-
Ч' ганиэации автоматизированной системы управления режимом изготовления і
контроля электрофизических свойств диэлектрических материалов полупг., водниковых приборов в производственных условиях Сформулировать прак тические рекомендации по созданию электретного состояния в полимерны
электрических материалах с целью повышения их гидрофильное и адге-юнной способности и разработать устройство для оперативного непрочного контроля степени их электризации.
Решению этих задач, имеющих научное, техническое и практическое начение, посвящена настоящая работа. Тона диссертации совпадает с осбюджетными НИР по фундаментальным исследованиям в области матерна-ов электронной техники и микроэлектроники, а также с хоздоговорными аботами с предприятием ПО "Тор" и ГОС1ШХИМФ0Т0ПР0ЕКТ. .
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. В работе ично автором получены следующие научные и практические результаты.
-
Проведен анализ феноменологической теории электретного эффек-а, решены интегро-дифференциальные уравнения, получены выражения для ременных зависимостей эффективной поверхностной плотности заряда ЭППЗ) электретов, которые используются для описания электретного сос-ояния исследованных диэлектриков. Разработана методика вычисления ха-актерных времен ("узловых точек"), определяющих особенности релаксант ЗППЗ электретов. Предложены обобщенная и частные модели, описываю-[ие медленные релаксационные процессы как в органических, так и в неорганических диэлектриках, с помощью которых, зная структурные особен-юсти материалов, можно прогнозировать их электретные свойства.
-
В результате комплексных исследований электретного СОСТОЯНИЯ И; ілектрической проводимости подробно изучены процессы медленной релак-:ационной поляризации в диэлектрических материалах разной физической іриродн. Установлены общие закономерности возникновения и релаксации электретного состояния, которые состоят в том, что длительно сохраняются компонента электретного эффекта обусловлена дипольными комллек-;ами, а также неоднородносгямн структуры диэлектриков. Границы этих іеоднородностей представляют собой ловушки, накапливающие заряды, что , [риводит к возникновению поляризации Максвелла-Вагнера во всем объеме.'. Жэлектрика. Исследован электретный эффект в кремнийорганическом- и -шоксидном диэлектрических материалах электронной техники, причем, о юследнем обнаружена высокая стабильность ЗППЗ, вызванная гетероген-юстью его структуры. Значения параметров релаксационных процессов и юответствующих им релаксаторов, вычисленные по результатам измерений различными методам^, дают хорошее совпадение. Установлены виды релак-гаторов для каждого из исследованных материалов и определены' их» пара-летры. Предложены феноменологические модели электретного эффекта D ісследованннх диэлектриках, учитывающие особенности их структуры, при-
чем, во всех моделях учитывается влияние свободного заряда материалов
-
Научно обоснована возможность и показана перспективность применения методов измерения -электропроводности и спектра тока термости-мулированной деполяризации для контроля процесса отверждения полимерных диэлектрических материалов электронной техники.
-
Установлена корреляция между степенью гидрофильности поверхности и величиной эффективной поверхностной плотности заряда полимерных пленок после обработки их плазмой коронного разряда, что позволило разработать методику бесконтактного контроля степени гидрофильности.
-
Разработаны практические рекомендации по режимам изготовления электретов из исследованных в работе диэлектриков, обеспечивающие максимальную для этих материалов величину и стабильность эффективной поверхностной плотности заряда.
-
В работе развиваются методики применения электрофизических методов исследования для определения механизмов процессов электрической релаксации в диэлектриках и для оценки состояния и качества диэлектрических материалов.
-
Созданы автоматизированная.система управления режимом и система контроля процесса отверждения полимерых диэлектрических материалов, применяемых в электронной промышленности для защиты и герметизации проводниковых приборов, включающие в себя программируемый терморегулятор, измерительный блок и необходимую технологическую оснастку, В осново этих систем лежит измерение спектров тока ТСД (входной контроль качества материалов и определение режима отверждения) и измерение тока проводимости образца-спутника (текущий контроль при изготовлении приборові . Указанные системы внедрены на предприятии ПО "ТОР" при производстве полупроводниковых диодов . Экономический эффект составил 800 тыс. рублей в ценах 1991 года. Предложенный в работе метод контроля процесса отверждения полимерных диэлектриков с помощью измерения спектров тока ТСД защищен авторским свидетельством.
-
Разработана система непрерывного контроля степени гидрофильности поверхности полимерных диэлектрических пленок при обработке их коронным разрядом, которая рекомендована к использованию при производстве кинофотоматериалов на предприятиях. ГОСНИИХИМФОТОПРОЕКТа. В ос-мор> этом системы лежит зависимость степени гидрофильности от величины э^с:ктивной поверхностной плотности заряда, ' возникающего-на пленке с
результате указанной обработки. Для этого разработана новая конструкция датчика, обеспечивающего бесконтактное измерение ЭППЗ и прибор, которые перспективны также и для определения и контроля уровня электризации диэлектрических материалов в различных технологических процессах. Датчик защищен авторским свидетельством. НА ЗАЩИТУ ВШОСЯТСЯ:
-
Обобщенная и частные модели, описывающие медленные релаксационные процессы как в органических, так и в неорганических диэлектриках. Физические основы применения феноменологической теории электретов и электрофизических методов исследования для определения механизмов процессов электрической релаксации в диэлектриках и для оценки состояния диэлектрических материалов. Методика вычисления времен , определяющих особенности релаксации ЗППЗ электретов.
-
Результаты комплексного исследования медленной релаксационной поляризации в диэлектрических материалах различной физической природы. Общие закономерности установления и релаксации электретного. состояния, которые состоят в том, что длительно сохраняющаяся компонента электретного эффекта в твердых диэлектриках обусловлена обусловлена неодно-родностями их структуры, границы которых представляют собой ловушки, накапливающие заряды, что приводит к возникновению поляризации Максвелла-Вагнера во всем объеме диэлектрика. Такими ловушками в монокристаллическом фтористом литии являются границы блоков мозаичности, в .керамике - границы раздела кристаллической и аморфной фаз, з иремнийор-ганическсм компаунде - границы между основной матрицей (каучук) и включениями гемололимера, в эпоксидном компаунде - границы "лак-смола". Практические рекомендации по режимам изготовления электретов из исследованных в работе диэлектриков, обеспечивающие максимальную для этих материалов величину и стабильность эффективной поверхностной плотности заряда.. Феноменологические модели электретного эффекта в исследованных диэлектриках, учитывающие особенности их структуры.
-
Обоснование и перспективность применения методов измерения электропроводности и спектра тока термостимулированной деполяризации для контроля процесса отверждения полимерных диэлектрических материа-* лов электронной техники. Автоматизированная система управления и контроля процесса отверждения, включающая в себя программируемый терморегулятор, измерительный блок и необходимую технологическую оснастку.
-
Система контроля степени гидрофильности поверхности полимерных диэлектрических пленок о процессе активации их коронным разрядом, ос-
нованная на корреляции между степенью гидрофильности и величиной эффективной поверхностной плотности заряда. Устройство для контроля степени электризации изделий в различных технологических процессах.
Комплекс физических исследований и методических разработок позволил решить важную научно-техническую проблему: установление общих закономерностей медленной релаксационной поляризации и электрстного эффекта в диэлектрических материалах электронной техники, имеющих разную физическую природу, обоснование практического применения экспериментальных методов исследования электрофизических свойств материалов и создание на этой основе системы управления и контроля процесса отверждения полимерных диэлектриков и системы определения уровня электризации материалов, объектов и изделий в различных технологических процессах.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы доложены на Всесоюзных конференциях по физике диэлектриков (Караганда, 1978 г.; Баку, 1983 г.; Томск, 1988 г.. С-Петербург, 1993 г.), на шести Всесоюзных совещаниях по электрической релаксации и электретному эффекту в твердых диэлектриках (Москва, МИЭМ, 1980-88 гг.), на 13-м Межвузовском семинаре "Органические полупроводниковые материалы" (Пермь, 1989 г.), на Всесоюзном семинаре "Пути повышения стабильности и надежности микроэлементов и микросхем" (Рязань, 1987 г.),на 4-й Всесоюзной конференции "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных и вычислительных систем СВЧ и КВЧ на объемных интегральных схемах" (Волгоград, 1991 г.), на Всесоюзных совещаниях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1990-94 гг.), Всесоюзных совещаниях "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1991-94 гг.), на Всесоюзном совещании-семинаре "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах интегральных схем" (Гурзуф, 1983 г.), на 2-м Всесоюзном семинаре "Полимерные и композиционные сегнето-, пьезо-, пироматериалы и электреты в ускорении научно-технического прогресса" (Москва, 1989 г.); на Международной научно-технической конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах" (Санкт-Петербург, 1994 г.), международной конференции "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники" (Москва, 1995 г.). Российской научной конференции "Системные методы теории чувствительности, надежности, качества и математического моделирования в информационных технологиях проектирования и производства" (Сочи, 1996 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты, положенные в основу диссертации, отражены
в 40 научных работах, в том числе - 21 статья в научных журналах и сборниках и 2 авторских свидетельства на изобретение.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 281 страницу, содержит 21 таблицу и 109 рисунков. Список литературы содержит 225 наименований.
