Данное исследование было просмотрен 358 раз

Функциональные наноструктурированные материалы для электроники последнего поколения

Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).

Срок реализации: 2020-2025 гг.

Исполнитель: Научно-технологический центр «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НМиТЭП)

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Создана проектная (тестовая) часть программной оболочки для интерактивной модели СВС процессов, протекающих в многослойных металлических наноструктурах.

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

Направление научных исследований «Функциональные наноструктурированные материалы для электроники последнего поколения»:

В ходе реализации проекта была разработана концепция программной оболочки (первая ее часть) для интерактивной модели СВС процессов, протекающих в многослойных металлических наноструктурах.

Основой работы оболочки станет анализ, оптимизация процессов, протекающих в СВС-наноструктурах, а также прогнозирование теплофизических параметров самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Первым важнейшим этапом реализации проекта стал сбор и структуризация экспериментальных данных, и их унификация и подготовка для дальнейшего анализа.

Для реализации проекта были отработаны 102 различных режима вакуумного магнетронного напыления, использующегося для создания СВС-наноструктур. На каждом из режимов созданы по 10 различных образцов. Общее количество созданных образцов 1020. Основные параметры образцов для режима напыления №1 представлены в таблице ниже.

№ образца

Качествен-ный состав реакционной фольги

Кол-во слоев, шт

Диапазоны толщин чередую-щихся слоев, min – max

нм

Диапазоны общей толщины фольги, min – max мкм

Темп. 
плавления верхнего слоя Tпл, °С

Темп. фронта СВС-реакции, Tад, °С

Скорость реакцион-ного фронта, м/с

Удельное кол-во выделяемой энергии при реакции, Дж/гр

1

Ni+Al

4000

7-20

28-80

182

1450

12

1050 - 1250

2

Cu+Al

4500

4-15

18-68

170

1340

9

1000 - 1240

3

Nb+C

6000

5-12

30-72

180

1015

15

970 - 1000

4

Co+Al

5000

3-10

15-50

170

1350

24

975 - 1245

5

Ti+Si

3000

9-18

27-54

185

1820

26

980 - 1540

6

Ti+Al

3000

8-20

24-60

179

1780

18

990 - 1400

7

Mo+2Si

2500

10-20

25-50

182

1610

13

950 - 1450

8

Mo+B

6000

4-10

24-60

171

1220

20

980 - 1230

9

Ti+С

5000

5-8

25-40

170

1310

21

1010 - 1200

10

2Ta+C

1500

12-20

18-30

186

1112

19

800 - 1100

 
Исследован качественный состав и внутренняя структура каждого образца. Все исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе FEG SEM с катодом с полевой эмиссией MIRA3 LM (фирма-производитель TESCAN).С помощью микроскопа получены следующие параметры: количество слоев, диапазоны толщин чередующихся слоев, диапазоны общей толщины фольги. Примеры результатов приведены в таблице 1.

Исследованы следующие параметры теплофизических и динамических параметров самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в полученных образцах: удельная теплоемкость образца, температура плавления верхнего слоя, температура фронта СВС-реакции, скорость реакционного фронта, удельное количество выделяемой энергии при реакции (см. таблицу 1).

Кроме того, для каждого из 1020 образцов СВС-наноматериалов размер 350Х350 мм каждый), созданных на предыдущем этапе работ, были получены по 10 образцов систем типа металл 1 – СВС материал – металл2 (далее Система). Образцы материала раскраивались (лазерным воздействием) на 305 одинаковых частей (размером 20Х20 мм каждый), каждая из которых входила составляющей «СВС-материал» в Систему. Для каждого образца СВС-наноматериала металл 1 и металл 2 подбирались согласно основным производственным запросам (полученным в результате взаимодействия с промышленными предприятиями РФ). Кроме того, для получения данных на основании которых необходимо было провести оптимизацию режимов использования СВС-материалов, для каждого типа Системы подбирались режимы внешнего воздействия: давление (оказываемое оснасткой на сборку Системы до запуска), температура, пусковой ток. Подборка режимов осуществлялась автоматически, путем сочетания регулирования трех перечисленных параметров. Шаги и диапазоны авторегулирования параметров:

  1. Температура исходной сборки до запуска СВС реакции Tисх: шаг 2 оС в диапазоне от 20 оС до 100 оС.
  2. Давление оснастки в сборке до запуска СВС реакции Pосн: шаг 1 кгс/см2 в диапазоне от 11 кгс/см2 до 125 кгс/см2.
  3. Пусковой ток Iпуск: шаг 0,5А в диапазоне от 1,5 А до 5А.

Подборка режимов осуществлялась для каждого из 10 вариантов сборки отдельно. Таким образом для каждого из 10 вариантов Систем были изучены более 30 000 режимов сборки этих систем. За все время работы над проектом было проведено более 305000 экспериментов.

Подбор оптимума для технологии использования СВС-наноматериалов осуществлялся стандартными методами оптимизации исходных данных о следующих итоговых параметрах Систем (для каждой из 305000 Систем определялся полны набор): прочностные параметры (сдвиг, разрыв, кручение, единичный удар, вибростойкость); электропроводность, теплопроводность, КТР, пористость, химическая стойкость (щелочи и кислоты).

База данных, содержащая сведения об изученных итоговых параметрах Систем представляет собой многомерную информационную матрицу с 5 измерениями и более чем 305000 информационными векторами размерностью 12 элементов каждый. Таким образом матрица включает в себя более 18 млн. элементов.

Анализ данных осуществлялся на основании разработанной в ходе проекта физической модели СВС процессов, протекающих в наноструктурах. На основании анализа данной базы удалось составить систему прогнозирования теплофизических параметров самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в многослойных металлических наноструктурах. В дальнейшем развитии данного проекта предполагается создание и внедрение нейросетевого анализа получаемых данных и совершенствование системы прогнозирования. В результате работ были получены оптимизированые параметры исходных режимов сборки Систем (представлены в Таблице №24.2).

Таблица: Оптимальные параметры режимов сборки Систем типа металл 1 – СВС материал – металл2

Системы

Металл 1

Металл 2

Tисх oC

Pосн кгс/см2

Iпуск, А

1

Cu

Al (безокисленная поверхность)

23

45

4

2

Au

Al (безокисленная поверхность)

23

45

4

3

Ni

Al (безокисленная поверхность)

23

60

4

4

Арсенид галлия GaAs (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

Al (безокисленная поверхность)

86

14

3

5

Антимонид индия InSb (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

 

Al (безокисленная поверхность)

86

11

3

6

Арсенид галлия GaAs (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

Ni (безокисленная поверхность)

86

14

3

7

Антимонид индия InSb (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

 

Ni (безокисленная поверхность)

86

11

3

8

Арсенид галлия GaAs (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

Ковар

86

14

3

9

Антимонид индия InSb (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

Ковар

86

11

3

10

Германий (поверхность покрыта слоем Au – толщиной 12 нм)

 

Ковар

92

120

4

 

Результаты работы:

1. В результате работы над проектом «Функциональные наноструктурированные материалы для электроники последнего поколения» были получены следующие результаты:

  • Созданы не менее 1000 различных типов многослойных металлических наноструктур (далее образцы) с возможностью протекания СВС реакции.
  • Проведены исследования более чем 305000 работ типа металл 1 – СВС материал – металл2.
  • Сформировано в первом приближении физическая модель протекания реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в многослойных наноструктур.
  • Сформированы и частично наполнены содержанием база данных, содержащая не менее 18 млн. элементов,  в которых находится разнообразные сведения об объектах исследования, и представляющая собой совокупность 5 групп данных, описывающих различные стороны этих объектов.
  • Сформирован комплекс метрик, согласованных с выходными параметрами реакционных наноструктур, используемых для разрабатываемой системы прогнозирования. Публикация результата в научных журналах;
  • Подготовлено описание расширенной топологии нейронной сети на основе многослойных перцептронов, создаваемой для прогнозирования теплофизических свойств реакционных наноструктур. Подготовлены первичные элементы кода.

Исходе из вышеизложенного материала отчета можно заключить, что основной результат 1 этапа проект, а именно создание первой части программной оболочки для интерактивной модели СВС процессов, протекающих в многослойных металлических наноструктурах достигнут.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

В результате работы получены уникальные не только для России, но и на мировом уровне, показатели:

  • Впервые в мире отработана технология крепления термочувствительных элементов электроники А33И5 типа посредством материалов с СВС, выращенных на этих элементом в едином непрерывном технологическом цикле.
  • Впервые разработана концепция прогнозирования параметров крепления элементов, которая стала первой частью программной оболочки для интерактивной модели СВС процессов, протекающих в многослойных металлических наноструктурах. В настоящий момент такой программы не существует нигде в мире

3. Ссылки на статьи, публикации, мероприятия и РИД, представленные в соответствующих приложениях к отчёту о реализации программы создания и развития центра.

  • Научно-практическая конференция «Функциональные наноструктурированные материалы для электроники нового поколения: прогнозирование параметров с применением методов машинного обучения и превышение мирового технологического уровня» в рамках Второго Международного форума «Новые производственные технологии» (02.12.2020, СПбПУ, г. Санкт-Петербург), https://npt-forum.ru/, https://npt-forum.ru/track24

В 2021 году
  • Создание первой части программной оболочки для интерактивной модели СВС процессов, протекающих в многослойных металлических наноструктурах: оформлена первая часть программной оболочки для интерактивной модели СВС процессов, протекающих в многослойных металлических наноструктурах
  • Создание и перевод в интерактивный вид математической модели, отражающей корреляцию параметров роста многослойных наноструктур и теплофизических параметров самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в них.
В 2022 году
  • Совершенствование и расширение интерактивной модели, использующей созданную на предыдущих двух этапах физическую модель СВС-процессов в создаваемых наноструктурах с компьютерной реализацией в виде приложения.
В 2023 году
  • Формирование комплексной модели физических процессов протекающих при создании многослойных СВС-наноструктур, включающей алгоритмы прогнозирования технического результата применения этих наноструктур в электронном производстве.
В 2024 году
  • Апробация интерактивного приложения, использующего модель СВС-процессов в создаваемых наноструктурах на экспериментальном производстве в применении к современной электронике.
  • Создание комплексной технологии неповреждающего крепления чувствительных к большим градиентам температур элементов электроники при помощи многослойных металлических СВС-наноструктур.
В 2025 году
  • Валидация полученных на предыдущем этапе результатов, апробация приложения использующего модель СВС-процессов в создаваемых наноструктурах на потоковом электронном производстве