mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-2-134-141mateltech-382Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSМоделирование напряжений в многослойных полупроводниковых структурах автомобильных регуляторов и прогнозирование надежности их работыStresses modeling in multilayer semiconductor structures of automobile regulators and predicting the reliability of their operationАдарчинС. А.AdarchinS. A.

ул. Баженова, д. 2, Калуга, 248000

Адарчин Сергей Александрович — канд. техн. наук, доцент

2 Bazhenov Str., Kaluga 248035

Sergey A. Adarchin: Associate Professor

adarchin@rambler.ruКосушкинВ. Г.KosushkiV. G.

ул. Баженова, д. 2, Калуга, 248000

Косушкин Виктор Григорьевич — доктор техн. наук, профессор,

зав. кафедрой "Материаловедение"

2 Bazhenov Str., Kaluga 248035

Victor G. Kosushkin: Professor

kosushkin@gmail.comГуринВ. М.GurinV. M.

Грабцевское ш., д. 73, Калуга, 248035

Гурин Виталий Михайлович — инженер-технолог

73 Grabtsevskoye shosse, Kaluga 24803

Vitaly M. Gurin: Engineer-Technologist

vitaly.gurin918@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4973-1328КожитовЛ. В.KozhitovL. V.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Lev V. Kozhitov: Dr. Sci. (Eng.), Professor

kozitov@rambler.ruВасютинМ. С.VasyutinM. S.

Грабцевское ш., д. 73, Калуга, 248035

Васютин Максим Сергеевич — генеральный директор

73 Grabtsevskoye shosse, Kaluga 24803

Maxim S. Vasyutin: General Director

maksim.vasiutin@gmail.comБебенинВ. Г.BybeninV. G.

ул. Б. Семеновская, д. 38, Москва, 107023

Бебенин Вячеслав Геннадьевич — профессор

38 Bolshaya Semyonovskaya Str., Moscow 107023

 Vyacheslav G. Bybenin: Professor

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет) (калужский филиал)РоссияFederal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Bauman Moscow State Technical University» (Kaluga Branch)Russian FederationООО «Фокон»РоссияFokon LLCRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian FederationООО «Фокон»РоссияFokon LLC Russian FederationМосковский политехнический университетРоссияMoscow Polytechnic UniversityRussian Federation202008082020232134141Copyright © Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Гурин В.М., Кожитов Л.В., Васютин М.С., Бебенин В.Г., 20202020Адарчин С.А., Косушкин В.Г., Гурин В.М., Кожитов Л.В., Васютин М.С., Бебенин В.Г.Adarchin S.A., Kosushki V.G., Gurin V.M., Kozhitov L.V., Vasyutin M.S., Bybenin V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/382

Автомобильная и силовая электроника — это одна из самых инновационных и динамичных областей современного производства электронных компонентов. К наиболее важным элементам автомобильных систем относится регулятор напряжения — часть генераторной установки, предназначенная для стабилизации напряжения, как важнейшего фактора отказоустойчивости и безопасности автомобиля. Рассмотрены проблемы повышения надежности микроэлектромеханических систем на примере автомобильного регулятора напряжения. Предложена модель процесса и проведено исследование влияния температуры на формирование полей напряжений в полупроводниковых структурах активных элементов регулятора. Исследования построены на основе предположения о возможной причине изменения параметров регулятора из-за возникновения дефектов кристаллической структуры полупроводникового материала, используемого в  структурах интегральных регуляторов напряжения. Для исследования была предложена математическая модель, описывающая поведение полупроводникового элемента реального регулятора напряжения автомобиля. В результате моделирования в системе Comsol Multiphysics установлено, что распределение напряжений в структурах неравномерно и максимума значение напряжений достигает у краев. Увеличение градиентов температуры в структурах регуляторов приводит к формированию дислокаций, которые изменяют электрические характеристики приборов. В результате моделирования установлено, что возникающие в процессе изготовления и функционирования полупроводниковых структур регулятора термоупругие напряжения в регуляторах данного типа могут вызывать изменение структуры полупроводникового прибора за счет релаксаций упругих напряжений на дислокациях. Результаты расчетов получили экспериментальное подтверждение при металлографических исследованиях структур реальных регуляторов напряжения, проработавших разное время в автомобилях. Предложены меры, включающие термостатирование чувствительных элементов микроэлектромеханических структур, что позволит увеличить ресурс их работы.

The problems of increasing the reliability of microelectromechanical systems are considered on the example of an automobile voltage regulator. A model of the process is proposed and a study of the effect of temperature on the formation of stress fields in semiconductor structures of active elements of the controller is carried out. The studies assumed of a possible reason for the change in the parameters of the regulator due to the appearance of defects in the crystal structure of the semiconductor material in the structures of integrated voltage regulators. For the study, a mathematical model was proposed that describes the behavior of a semiconductor element of a real car voltage regulator. It was found that the distribution of stresses in the structures is uneven and the maximum value of stresses reaches the edges., An increase in temperature gradients in the structures of regulators leads to the formation of dislocations that change the electrical characteristics of devices. As a result of modeling, it has been established that thermoelastic stresses arising in the process of manufacturing and functioning of semiconductor structures of a regulator in regulators of this type can cause a change in the structure of a semiconductor device due to relaxation of elastic stresses at dislocations. in cars. Measures are proposed, including thermostating of the sensitive elements of microelectromechanical structures, which will increase their service life.

надежностьэлектронные регуляторымоделированиеreliabilityelectronic regulatorsmodelingReferencesBai H., Pekarek S., Tichenor J., Eversman W., Buening D., Holbrook G., Hull M., Krefta R., Shields S. Analytical derivation of a coupledcircuit model of a claw-pole alternator with concentrated stator windings // IEEE Trans. Energ. Convers. 2002. V. 17, Iss. 1. P. 32—38. DOI: 10.1109/60.986434Bai H., Pekarek S., Tichenor J., Eversman W., Buening D., Holbrook G., Hull M., Krefta R., Shields S. Analytical derivation of a coupledcircuit model of a claw-pole alternator with concentrated stator windings. IEEE Trans. Energ. Convers., 2002, vol. 17, no. 1, pp. 32—38. DOI: 10.1109/60.986434Zhang Y., Rajagopalan S., Salman M. A practical approach for beltslip detection in automotive electric power generation and storage system // Aerosp. Conf. Big Sky (MT, USA): IEEE, 2010. DOI: 10.1109/AERO.2010.5446832Zhang Y., Rajagopalan S., Salman M. A practical approach for beltslip detection in automotive electric power generation and storage system. Aerosp. Conf. Big Sky (MT, USA): IEEE, 2010. DOI: 10.1109/AERO.2010.5446832Caliskan V. Modeling and simulation of a claw-pole alternator: Detailed and average models. Tech. Rep. 00-009. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems, 2000.Caliskan V. Modeling and simulation of a claw-pole alternator: Detailed and average models. Tech. Rep. 00-009. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems, 2000.Ruf F., Barthels A., Walla G., Winter M., Kohler T. P., Michel H.-U., Froeschl J., Herzog H.-G. Autonomous load shutdown mechanism as a voltage stabilization method in automotive power nets // Vehicle Power and Propulsion Conference. Seoul: IEEE, 2012. P. 1261—1265. DOI: 10.1109/VPPC.2012.6422712Ruf F., Barthels A., Walla G., Winter M., Kohler T. P., Michel H.-U., Froeschl J., Herzog H.-G. Autonomous load shutdown mechanism as a voltage stabilization method in automotive power nets. Vehicle Power and Propulsion Conference. Seoul: IEEE, 2012, pp. 1261—1265. DOI: 10.1109/VPPC.2012.6422712Scacchioli A., Rizzoni G., Pisu P. Model-based fault diagnosis design for an electrical automotive system // Proc. Int. Mech. Eng. Congr. Expo (ASME 2006). Chicago (IL, USA), 2006. P. 315—324. DOI: 10.1115/IMECE2006-14504Scacchioli A., Rizzoni G., Pisu P. Model-based fault diagnosis design for an electrical automotive system. Proc. Int. Mech. Eng. Congr. Expo (ASME 2006). Chicago (IL, USA), 2006, pp. 315—324. DOI: 10.1115/IMECE2006-14504Абгарян К. К., Харченко В. В. Типовая модель гетероструктуры для СВЧ-устройств. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19, № 1. С. 43—49. DOI: 10.17073/1609-3577-2016-1-43-49Abgaryan K. K., Kharchenko V. A. standard model heterostructures for microwave devices. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2016, vol. 19, no. 1, pp. 43–49. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2016-1-43-49Абгарян К. К. Применение оптимизационных методов для проектирования многослойных полупроводниковых наносистем // Труды Института системного анализа Российской академии наук. Динамика неоднородных систем. 2010. Т. 53, № 3. С. 6—9.Abgaryan K. K. Application of optimization methods for modelling of semiconductor film nanosystems. Trudy Instituta sistemnogo analiza Rossiiskoi akademii nauk. Dinamika neodnorodnykh system, 2010, vol. 53, no. 3, pp. 6—9.Харченко В. А. Проблемы надежности электронных компонентов. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18, № 1. С. 52—57. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-52-57Kharchenko V. A. Problems of reliability of electronic components. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2015, vol. 18, no. 1, pp. 52—57. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-52-57Петухов Б. В. Влияние динамического старения дислокаций на деформационное поведение примесных полупроводников // Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36, Вып. 2. С. 129—133.Petukhov B. V. Effect of dynamic aging of dislocations on the deformation behavior of extrinsic semiconductors. Semiconductors, 2002, vol. 36, no. 2, pp. 121—125. DOI: 10.1134/1.1453422Власов Н. М., Зазноба В. А. Влияние атомов примеси на процесс размножения краевых дислокаций // Журнал технической физики. 2001. Т. 71, Вып. 1. С. 53—56. URL: journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/38691Vlasov N. M., Zaznoba V. A. Influence of impurity atoms on the process of multiplication of edge dislocations. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Journal of technical physics, 2001, vol. 71, no. 1, pp. 53—56. (In Russ.). URL: journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/38691Петухов Б. В. Статистическая теория движения дислокаций при наличии спонтанных процессов блокирования — деблокирования // Физика твердого тела. 2001. Т. 43, Вып. 5. С. 813—817.Petukhov B. V. The statistical theory of dislocation motion in spontaneous locking-unlocking processes. Physics of the Solid State, 2001, vol. 43, no. 5, pp. 845—849. DOI: 10.1134/1.1371363Глотова О. Н., Адарчин С. А. Влияние качества тонких пленок на надежность интегральных микросхем // Электромагнитные волны и электронные системы. 2016. Т. 21, № 5. С. 3—7.Glotova O. N., Adarchin S. A. Influence of quality thin dielectric films on the reliability of integrated circuits. Elektromagnitnye volny i elektronnye sistemy, 2016, vol. 21, no. 5, pp. 3—7. (In Russ.)Адарчин С. А., Бережанский B. Р., Косушкин В. Г., Кожитов Л. В., Червяков Л. М. Дислокации, как один из факторов, определяющих параметрическую надежность полупроводниковых датчиков физических величин // Труды XIII Международной конференции «Технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Курск, 2016. С. 106—114.Adarchin S. A., Berezhansky B. R., Kosushkin V. G., Kozhitov L. V., Chervyakov L. M. Dislocations as one of the factors determining the parametric reliability of semiconductor sensors of physical quantities. Trudy XIII Mezhdunarodnoi konferentsii «Tekhnologii, oborudovanie i analiticheskie sistemy dlya materialovedeniya i nanomaterialov» = Proc. XIII International conference “Technologies, equipment and analytical systems for materials science and nanomaterials”. Kursk, 2016, pp. 106—114. (In Russ.)Адарчин С. А., Бережанский B. Р., Косушкин В. Г., Кожитов Л. В., Червяков Л. М. Влияние механических напряжений на электрофизические свойства микроэлектромеханических датчиков давления // Труды XIII Международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». Курск, 2016. С. 127—132.Adarchin S. A., Berezhansky B. R., Kosushkin V. G., Kozhitov L. V., Chervyakov L. M. Effect of mechanical stresses on the electrophysical properties of microelectromechanical pressure sensors. Trudy XIII Mezhdunarodnoi konferentsii “Perspektivnye tekhnologii, oborudovanie i analiticheskie sistemy dlya materialovedeniya i nanomaterialov” = Proc. XIII International Conference “Advanced Technologies, equipment and analytical systems for materials science and nanomaterials ”. Kursk, 2016, pp. 127—132. (In Russ.)Адарчин С. А., Бережанский B. Р., Косушкин В. Г. Особенности деградации чувствительных элементов датчиков // Сб. трудов XXXV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». Ч. 6. Серпухов: Военная акад. РВСН им. Петра Великого (фил. в г. Серпухове Московской обл.), 2016. C. 125—129.Adarchin S. A., Berezhansky B. R., Kosushkin V. G. Features of degradation of sensitive elements of sensors. Sb. trudov XXXV Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Problemy effektivnosti i bezopasnosti funktsionirovaniya slozhnykh tekhnicheskikh i informatsionnykh sistem» = Proceedings of the XXXV All-Russian Scientific and Technical Conference “Problems of the efficiency and safety of functioning of complex technical and information systems”. Pt 6. Serpukhov: Voennaya akad. RVSN im. Petra Velikogo, 2016, pp. 125—129. (In Russ.)Адарчин С. А., Косушкин В. Г., Бережанский И. Р., Кулагина Н. С., Емельянов С. Г., Кожитов Л. В. Формирование наноразмерных дефектов в упругих элементах полупроводниковых датчиков давления // Сб. научн. статей 3-й Международной научно-практической конференции «Физика и технология наноматериалов и структур». В 2-х т. Курск: ЗАО “Университетская книга”, 2017. С. 170—174.Adarchin S. A., Kosushkin V. G., Berezhansky B. R., Kulagina N. S., Emelyanov S. G., Kozhitov L. V. Formation of nanoscale defects in elastic elements of semiconductor pressure sensors. Sb. nauchn. statei 3-i Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Fizika i tekhnologiya nanomaterialov i struktur» = Sci. Art. 3rd International Scientific and Practical Conference “Physics and Technology of Nanomaterials and Structures”. Kursk: ZAO “Universitetskaya kniga”, 2017, pp. 170—174. (In Russ.)Шиляев И. А., Белоножкин П. А., Алешин А. Е. Моделирование механических напряжений в структурах Ge/Si // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2014. № 1–2. С. 116—121.Shilyaev P. A., Belonozhkin P. A., Aleshin A. E. Simulation of mechanical strains in Ge/Si heterostructures. Vestnik of Lobachevsky University of Nizhni Novgorod, 2014, no. 1–2, pp. 116—121. (In Russ.)Кравченко Н. И. Математическая модель образования погрешностей обработки плоских поверхностей, вызываемых упругими деформациями технологической системы // Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 9. С. 1—14.Kravchenko I. I. Mathematical model of flat surface machining inaccuracies due to elastic strains of technological system. Mashinostroenie i kompyuternye tekhnologii, 2018, no. 9, pp. 1—14. (In Russ.)Шестеркин А. Н. Система моделирования и исследования радиоэлектронных устройств Multisim 10. М.: ДМК Пресс, 2012. 360 с.Shesterkin A. N. Sistema modelirovaniya i issledovaniya radioelektronnykh ustroistv Multisim 10 [System of modeling and research of radioelectronic devices Multisim 10. Moscow: DMK Press, 2012. 360 p. (In Russ.)Горохов Д. А. Моделирование регулятора напряжения автомобильной генераторной установки // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2017. № 3. С. 57—62.Gorokhov D. A. Modeling of the voltage regulator of automobile generator set. Scientific works of the Kuban State Technological University, 2017, no. 3, pp. 57—62. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.