Моделирование напряжений в многослойных полупроводниковых структурах автомобильных регуляторов и прогнозирование надежности их работы

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.

1. Bai 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: 10.1109/60.986434

2. Zhang 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.2010.5446832

3. 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.

4. 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.2012.6422712

5. Scacchioli 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/IMECE2006-14504

6. Абгарян К. К., Харченко В. В. Типовая модель гетероструктуры для СВЧ-устройств. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19, № 1. С. 43—49. DOI: 10.17073/1609-3577-2016-1-43-49

7. Абгарян 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.

8. Харченко В. А. Проблемы надежности электронных компонентов. Известия вузов. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18, № 1. С. 52—57. DOI: 10.17073/1609-3577-2015-1-52-57

9. Петухов Б. В. Влияние динамического старения дислокаций на деформационное поведение примесных полупроводников // Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 36, Вып. 2. С. 129—133.

10. Власов 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/38691

11. Петухов Б. В. Статистическая теория движения дислокаций при наличии спонтанных процессов блокирования — деблокирования // Физика твердого тела. 2001. Т. 43, Вып. 5. С. 813—817.

12. Глотова 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Кравченко Н. И. Математическая модель образования погрешностей обработки плоских поверхностей, вызываемых упругими деформациями технологической системы // Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 9. С. 1—14.

19. Шестеркин А. Н. Система моделирования и исследования радиоэлектронных устройств Multisim 10. М.: ДМК Пресс, 2012. 360 с.

20. Горохов Д. А. Моделирование регулятора напряжения автомобильной генераторной установки // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2017. № 3. С. 57—62.