Моделирование напряжений в многослойных полупроводниковых структурах автомобильных регуляторов и прогнозирование надежности 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.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