Розробка методів оцінки та зниження залишкових напружень в датчиках тиску - Автореферат

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИЗа допомогою розробленої методики розрахунку напружено-деформованого стану багатокомпонентних вузлів датчиків тиску проведено моделювання напружено-деформованого стану у зварно-паяних конструкціях різної конфігурації на етапі виготовлення та експлуатації та встановлено, що зниження рівня максимальних напружень розтягу в кремнієвій мембрані та ізоляторі досягається варіюванням геометрії кремній-скло-коварових зєднань. Установлено, що для забезпечення заданих метрологічних характеристик перетворювачів вузол датчика необхідно проектувати таким чином, щоб товщина чутливого елементу та товщина та висота скляного ізолятора були мінімальними, а товщини проміжного скляного елемента та металевого корпусу максимальними. Характер прикладеного навантаження та геометрична неоднорідність в зоні зварних зєднань у вигляді дефектів тріщиноподібного вигляду має вплив на виникаючий напружений стан під час експлуатації та може виявитися небезпечною з точки зору міцності зварних скло-кремнієвих зєднань при роботі кремнієвої мембрани на відрив. На основі досліджень напружено-деформованого стану зварно-паяних зєднань запропоновано основні принципи раціонального конструктивного оформлення вузлів датчиків тиску С помощью разработанной на основе метода конечных элементов методики расчета напряженно-деформированного состояния многокомпонентных узлов датчиков давления, которая позволяет моделировать напряженно-деформированное состояние в сварно-паянных конструкциях разной конфигурации на этапе изготовления и эксплуатации проведены численные эксперименты и установлены основные закономерности распределение напряжений в сварно-паянных многокомпонентных узлах датчиков давления в зависимости от геометрических параметров соединений, физико-механических свойств и технологии изготовления узлов.До теперішнього часу процес виготовлення являє собою найбільш вразливе місце в технології створення напівпровідникових приладів - більше 50% відмов пояснюється наявністю залишкових внутрішніх напружень, що виникають та накопичуються у вузлі датчика під час технологічного циклу виготовлення і спричиняють відхилення електричних параметрів та утворення тріщин у кристалі під час експлуатації вузла. Зокрема, існує обмежена кількість робіт, повязаних із дослідженнями впливу фізико-механічних параметрів матеріалів та геометричних характеристик елементів вузлів на розподіл власних напружень і деформацій у вузлах датчиків тиску. Дисертаційна робота виконувалась в рамках держбюджетної теми 56/00 „Дослідження, розробка конструкцій та технології виготовлення вузлів датчиків неелектричних величин” Міністерства освіти і науки України (2000-2002 рр.), держбюджетної теми 66/06 „Створення новітніх технологій зварювання виробів електронної техніки із різнорідних матеріалів” (2006-2008 рр.) та теми № Ф25.4/155 „Дослідження та розробка засобів модифікації поверхонь при зварюванні в твердій фазі”(2007 р.). визначити вплив конструктивних параметрів вузла, фізико-механічних властивостей матеріалів та параметрів технологічного процесу на величину і характер внутрішніх напружень та деформацій метало-скло-кремнієвих вузлів датчиків; розробити методику розрахунку полів внутрішніх напружень у зварно-паяних конструкціях з різнорідних матеріалів з урахуванням фізико-механічних, геометричних характеристик вузлів і технологічного процесу виготовлення та експлуатації вузлів датчиків тиску;Під час виготовлення та експлуатації багатокомпонентних вузлів датчиків тиску внаслідок термомеханічної дії і дії навантаження в різнорідних елементах датчика виникають власні напруження та деформації, що зменшують вихід придатних вузлів та метрологічні характеристики напівпровідникових приладів. Серед основних факторів, що впливають на величину та характер розподілу власних напружень і деформацій в літературі найбільшого поширення дістали такі: коефіцієнт температурного розширення (КТР), модулі пружності матеріалів, що зєднуються, геометрично-конструктивне оформлення вузла. Матеріалами для досліджень були обрані мембрани з кремнію марки КЭФ-4,5/0,1, вирізаного в кристалографічній площині (100) діаметром 6 мм та різної товщини, а також трубчасті деталі із скла “Пірекс”, скла С48-1 та ковару 29НК, які мали різні висоти, зовнішні та внутрішні діаметри. З іншого боку, скло, являє собою переохолоджену рідину досить високої вязкості, причому суттєвою виявляється залежність вязкості скла від температури. При цьому при проведенні числового експерименту прийнято, що всі напруження, які зявляються при підвищенні температури вище за температуру релаксації, знімаються, а ті напруження, що утворюються при температурах нижчих за вказану, залишаються у вузлі.За допомогою МСЕ розроблена методика розрахунку НДС багатокомпонентних вузлів датчиків тиску, яка дозволяє моделювати НДС у зварно-паяних конструкціях різної конфігурації на етапі виготовлення та експлуатації.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ