Способ устранения электрически слабых мест в тонкослойной электрической изоляции и устройство для его реализации

 

1. Способ устранения электрически слабых мест в тонкослойной электрической изоляции, основанньш на пропускании электрического тока через дефектные места в изоляции путем наложения на изоляционный слой с двух сторон электродов, к которым подводят напряжение, о т л и ч . а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения производительности труда и упрощения процесса устранения дефектов изоляционного слоя, величину напряжения увеличивают до возникновения первого пробоя в месте дефекта , без изменения величины приложенного напрялсения через место пробоя, пропускается ток пробоя в течение времени 1 , после чего напряжение с электродов полностью снимают, а затем на электроды;вновь подают напряжениеi которое увеличивают до возникновения нового пробоя, вновь повторяют этот процесс до достижения напряжением на электродах величины на дО меньшей среднестатической величины пробивного напряжения Uj.p (bU- разница между максимальным напряжением и Оср обеспечивающая безопасность изоляции. В), причем скорость подъема напряжения должна удовлетворять условию: и . р 3t к € -мэ а время протекания тока пробоя через (Л дефект Б с пл-Тр) tnp где и среднестатическое пробивное ср напряжение для данного ди- . электрика, кВ; iL скорость подъема напряжеdi сд ния. В/с; ср Vвеличина токоограйичительОд ного резистора. Ом; о межэлектродная емкость, Ф; время протекания тока через с дефект, с; S толщина диэлектрика изоля ции, м; р - объемная плотность диэлектрика , кг/м ; теплоемкость диэлектрика, .град; fpA «То температуры соответственно плавления и рабочая

06 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН ()9) (1) ) 4(51) G 01 R 31/12; G 01 R 31/20 3".

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4ФЮЬю :ъ - э

I й3 рс(Тпл-Тр)

4 1 11,р 1„р где 1)ср

Смэ/\

Т Тр

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3620188/24-21 (22) 13.07.83 (46) 30.04.85. Бюл. 1("- 16 (?2) Н. И. Фальковский, А. В. Примак и Л. И. Фролова (71) Институт электродинамики АН УССР (53) 621. 317. 333. б.(088. 8) (56) 1. Всесоюзная конференция.

Красильщиков. Б. P. и др. Многократный пробой как метод исследования случайных неоднородностей тонкопленочных МДП структур. Баку, 1982.

Секция "Пробой и электрическое старение",с. 39-41.

2. "физика". Матошкин В. В. н др.

Механизм "залечивания" дефектов тонких диэлектрических пленок. Изв-я вузов, 1979, 1(- б, с. 96-98 — прототип. (54) СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ

СЛАБЫХ МЕСТ В ТОНКОСЛОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57) l . Способ устранения электрически слабых мест в тонкослойной электрической изоляции, основанный на пропускании электрического тока через дефектные места в изоляции путем наложения на изоляционный слой с двух сторон электродов, к которым подводят напряжение, о т л и— ч. а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности труда и упрощения процесса устранения дефектов изоляционного слоя, величину напряжения увеличивают до возникновения первого пробоя в месте дефек-, та, без изменения величины приложенного напряжения через место пробоя, пропускается ток пробоя в течение времени «,, после чего напряжение с электродов полностью снимают, а затем на электроды. вновь подают напряжение; которое увеличивают до возникновения нового пробоя, вновь повторяют этот процесс до достижения напряжением на электродах величины на А0 меньшей среднестатической величины пробивного напряжения U (И вЂ” разница между максимальным напряжением и асср, обеспечивающая безопасность изоляции, В), причем скорость подъема напряжения должна удовлетворять условию:

du U, 1(, й, с., а время протекания тока пробоя через дефект среднестатическое пробивное напряжение для данного ди-, электрика, кВ; скорость 1«одъема напряжения, В/с; величина токоограничительного резистора, Ом; межэлектродная емкость, Ф; время протекания тока через дефект, с; толщина диэлектрика изоляции, м; объемная плотность диэлектрика, кг /м

9. теплоемкость диэлектрика, кДж/кгпв град; температуры соответственно плавления и рабочая

i )53306

JU О,р (при которой ведется устранение дефектов), К; о

"пр- ток пробоя, А.

2. Устройство для устранения электрически слабых мест в тонкаслой» иай электрической изоляции, содержа-, щее электроды для подачи напряжения на диэлектрик, о т л и ч а ю щ е—

Изобретение относится к электротехнике и может быть предназначено для улучшения злектроизоляциоиных свойств тонких диэлектрических слоев и готовой тонкослойной изоляции. 5

Известен способ устранения дефек-, тов в системах металл — диэлектрик— металл (ИДИ) или металл — диэлектрик — полупроводник (РДП) заключающийся в том, что на диэлектрик напы-.. ляют тонкие слои металла-электроды и производят пробой в дефектном месте. При пробое тонкий металлический слой вокруг диэлектрика выгорает, к этому месту напряжение t5 больше не подводится и следующий про" бай происходит в новом месте (i$ .

Однако при известном способе про исходит фактически не устранение дефекта в диэлектрическом слое, а изо- 20 ляция его от остальной части системы

Nfl или МДП в целом.

Йаиболее близким к предлагаемому является способ залечивания дефектов тонких диэлектрических пленок, нанесенных катодным распылением на подложку из металла, способного аксидироваться, заключающийся в том, чта диэлектрическую пленку помещают в раствор электролита, через электролит и сквозь пленку. длительно пропускают оксидируюций ток. Электролит . выполняет функции одного из электродов, наложенных на диэлектрическую пленку, к которым подводится напря35 жение. В процессе анадиравания, при протекании ионного тока преимущественна по дефектам, оксид металла подложки образовывается в канале дефекта и под ним,изалируя электрически сла— бый участок f2) ° е с я тем, что форма поверхности электродов, обращенных к диэлектрику, повторяет форму диэлектрического слоя, площадь каждого электрода или меньшего из них не меньше величины (108), а края электродов или меньшего из них имеют радиус закругления не менее 5 0 .

Однако, известный способ характеризуется сложностью процесса устранения дефектов и низкой производительностью труда.

Цель изобретения — повышение производительности труда и упрощение процесса устранения дефектов изоляционного слоя

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу устранения электрически слабых мест в тонкослайной электрической изоляции, основанному на пропускании электрического тока через дефектные. места в изоляции путем наложения на изоляционный слой с двух сторон электродов, к которым подводят напряжение, величину напряжения увеличивают до возникновения первого пробоя в месте дефекта, без измене-. ния величины приложенного напряжения через место пробоя, пропускают ток пробоя в течение времени Г, после чего напряжение с электродов полностью снимают, а затеи на электроды вновь подают напряжение, которое увеличивают да возникновения нового пробоя, вновь повторяют этот процесс .до достижения напряжением на электродах величины на Ь U меньше среднестатистической величины пробивНого Напряжения Uqp, гдеаУ " разница между максимальным напряжением и å обесЯ печивающая безопасность изоляции, причем скорость подьема напряжения должна удовлетворять условию а время протекания тока пробоя через дефект определяется:

1153306 3 рс Лпл - T >

/ 7

""ср ьД где tl< — среднестатистическое пробивное напряжение для данного диэлектрика, В;

Ь ь — разница между максимальным напряжением и 11, обеспечивающая безопасность изо- 10 ь ляции, В; — скорость подъема напряжения, В/с.; й, Р— величина токоограничительного резистора, Ом; 15

C > — межэлектродная емкость, Ф; о — время протекания тока через

5 дефект, с; толщина диэлектрика изоляции мм 20 объемная плотность диэлектрика, кг/м

9. — теплоемкость диэлектрика, кДж/кг град;

+jp Tp температуры соОтветcTBpH 25 но плавления и рабочая (при которой ведется устранение дефектов) К;

3 n — ток. пробоя, А.

Устройство для устранения электрически слабых мест в тонкослойной электрической изоляции,.содержащее электроды для подачи напряжения на диэлектрик, выполняется так, что форма поверхностей электрода, обращенных к диэлектрику, .повторяет форму диэлектрического слоя, площадь каждого электрода или меньшего из них ие меньше величины 10о п2 а края электродов или меньшего из

40 них имеют радиус закругления не менее 5 ь .

На фиг. 1 представлена электрическая схема для осуществления . предлагаемого способа.; на фиг. 2— диаграммы изменения напряжения; на

45 фиг. 3 " схема устройства для реали" зации способа.

Схема содержит электроды 1 и 2, упрочняемый слой 3 диэлектрика, со- 50 держащий дефекты в виде трещин 4, скозных трещин или пор 5 и раковин

6, устройство 7 для осуществления способа. Позициями S обозначено параэитная емкость Сцз между элек- . 55 тродами 1 и 3 устройства 7, регулятор)

9 напряжения, источник 10 напряжения, ll — демпферное сопротивление я, ограничивающее величину тока

:после пробоя (через дефект), коммУтатор 12, электронное реле 13 времени, управляющее коммутатором 12.

На фиг. 2 показаны диаграммы изменения напряжения на устройство 7, кривая 1 или 1, изменение тока leap

/ в месте дефекта после пробоя, кривая 2 в процессе осуществления способа. Кривая 2 показывает изме,нение тока, когда источник напряжения )0 не удовлетворяет условию бесконечности мощности по отношению к цепи разряда.

Конструктивная схема устройства

7 для осуществления способа с одновременным обнаружением и устранением дефектов содержит электроды 1 и 2, слой 3 диэлектрика, нанесенный на подложку или деталь произвольной формы (второй электрод), O — длина электрода, t" — радиус закругления его кромки.

Способ осуществляется следующим образом.

На дефектное место в слое 3 диэлектрика (фиг. 1 и 3) накладывается электрод . К электроду 1 и электроду 2, явля.ощемуся в данном случае подложкой слоя. 3 диэлектрика, подводится п6стоянное напряжение It от источника )О напряжения. Регулятором

9 напряжение повышается до пробоя в момент времени 4 (фиг. 2), при этом напряжение О достигает величины пробивного напряжения "np в дефекте ц= Unp . При этом через место пробоя между электродами 1 и 2 скачкообразно (кривая 2, фиг. 2) протекает ток пробоя п, а напряжение " скачком (,кривая 1, фиг. 1) падает, так как в момент пробоя прекращают повышение напряжения 11 регулятором 9.

Току . п дают возможность в течение

1 времени протекать через место пробоя, а затем с помощью реле 13 времени и коммутатора 12 в момент времени 1 отключают ток от изделия, а

I регулятор 9 напряжения возвращают в ,исходное положение.

Напряжение после пробоя в момент, времени 1, может изменяться не только

1скачком, но и плавно по экспоненте

{кривая 1, фиг. 2), однако это не ! накладывает никаких ограничений на реализацию способа, так как термический эффект и месте пробоя опреде

l ляется протекаемым током 3 ð .

1153306

Под воздействием тока !„материал слоя диэлектрика 3 в зоне дефекта расплавляется и заполняет канал пробоя. После остывания расплава дефект устраняется. Поскольку переплавленный 5 диэлектрик (неорганический) всегда имеет прочность выше, чем пористый, прессованный и т.д,, то в месте, залеченном с помощью пробоя, пробивное напряжение !)пр становится даже вышее, чем среднестатическое пробивное напряжение 0<р данного изоляционного слоя без дефектов.

После первого пробоя повторно прикладывают напряжение к электродам 15 и повышают его до величины 0 =Lt,р или меньше на g 0: U = k 0 < (К > «с 1 — коэффициент запаса по напряжению), а

ЬО=О О-О, чтобы избежать пробоя в бездефектной части диэлектрика, ко в 20 торый может наступить при 0с . Если дефект оказался не устраненным с первого пробоя, то он устраняется при повторных подъемах напряжения.

Критерием устраненности дефекта яв- 25 ляется отсутствие пробоя при наперед заданном напряжении И = Ки0ср.

Скорость подъема напряжения до (Ш пробоя ---- определяется параметри30 ческой величиной данного изоляционного слоя — напряжением и постоянной времени разрядной цепи !

1< C„„„

35 и составляет величину

3U "cp

У 1! С„ (1)

40 так как в этом случае емкостныи ток между электродами 1 и 2 (фиг. 1 и

3) всегда меньше, чем ток пробоя

3п и поэтому реле 13 времени срабатывает только при пробое. .Время ь протекания тока через деA 45 фект определяется из баланса энергий, вводимой в канал разряда g и требующейся для расплавления тонкослойной изоляции в зоне дефекта О„„

50 . Qy= on (2)

Величина О =Оqp 3qp(, где 11qp(В)— среднепробивное напряжение данного слоя изоляции, т.е.- является паспорт-55 ной величиной изоляции; "!!p, (А) ток в месте пробоя; ь (с) — время и .протекания тока пробоя.

Количество энергии, требующейся для расплавления материала B месте дефекта Д щ -щс(T, 1р), где масса материала составляет величину ю = n d 3/4, при объемной плотности диэлектрического слоя jêã/ì ), диаметре канала о (м) и толщине слоя (и). Нецелесообразно расплавление материала пятном по диаметру большим, чем его толщина, поэтому J составляет

J h Величина с — теплоемкость диэлектрика, кДж/кг град; Тqq и Тр температуры плавления и рабочая (та, при которой испытывается диэлектрик).

Таким образом, исходя из равенства (2) получим

Е,(т„„,1

Ь

nu„ где константой N fl c) обобщены паспортные величины упрочняемого изоляционного слоя, входящие в формулу.

Устранение протяженных дефектов типа трещин происходит автоматически при самопроизвольном последовательном перемещении места пробоя при повторных подъемах напряжения по электрически слабым местам вдоль трещины. Для устранения таких дефектов принципиально важным является промежуток времени между последовательными пробоями. Он должен быть таким, чтобы расплав предыдущего пробоя успевал отвердеть, чтобы последующий пробой происходил не по жидкой фазе.

В устройстве для осуществления способа (фиг. 3) дефектный слой помещается в однородное электрическое поле, создаваемое электродами 1 и 2.

Только в однородном поле и при плавном подъеме напряжения пробой между электродами 1 и 2 наступит сначала в электрически самом слабом месте, т. е. в дефекте, независимо от места его расположения между электродами, чем и обнаружится место нахождения дефекта.

Способ предпочтителен для неорганических диэлектрических слоев, таких как окислы металлов, различные керамики, стекла, минералы и т.п., так как органические и полимерные материалы слишком низкотемпературны и не всегда поддаются переплавке, а могут выгорать или разлагаться.

Для примера отметим, что для плазмонапыленных слоев окиси алюминия

1153306 толщиной 0,1-2, О мм, пробивные напряжения находятся в пределах 14 кВ. При времени протекания тока в месте дефекта примерно 1 мс требуется величина тока пробоя 3„ в пределах 5

40-100 мА. И наоборот, при Дпр 20 мА время должно находиться в пределах

4-10 мс. Отсюда следует, что требуе- . мая мощность источника 10 напряжения для залечивания дефектов в тонких слоях составляет около 500 Вт.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить производительность труда, упростить процесс восстановления дефектных участков и заменить отбраковку деталей их ремонтом.

1153306

Составитель А. Смирнов

Техред Л.Микеш Корректор P., Рошко

Редактор Н. Воловик

Заказ 2502/39 Тираж 748 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4