Специфика радиационных воздействий на современные БИС

 

Действие ионизирующих излучений ЯЭУ проявляется в виде следующих эффектов:

- плавное изменение с дозой параметров всех приборов примерно одновременно;

- изменение структуры полупроводника;

- накопление заряда на границах раздела.

Показатели стойкости БИС к ЭОС:

- основной показатель ν - максимально возможная частота сбоев при заданном составе и спектрально-энергетических характеристиках ЗЧ КП;

- дополнительный показатель Р - вероятность сбоев при заданном составе и спектрально-энергетических характеристиках ТЗЧ и времени активного функционирования КА.

Радиационные эффекты, наблюдаемые в полупроводниковых приборах и интегральных схемах при воздействии ИИ КП, приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Классификация радиационных эффектов в полупроводниковых приборах при воздействии ИИ КП

 

Эффект	Признаки	Элементы РЭА
Одиночные, мягкие cбои (SEU)	Потеря информации в ячейках памяти	ОЗУ
Множественные сбои (MBU)	Потеря информации в нескольких ячейках	ОЗУ
Переходные процессы (SET)	Импульсный отклик определенной амплитуды и длительности	Аналоговые ИС
Катастрофические, жесткие ошибки (SHE)	Необратимые изменения в ячейках памяти	ОЗУ
Защелка (SEL), прокол (SESB)	Условия генерации высоких токов в структуре ИС	КМОП ИС
Пробой подзатворного окисла (SEGR), вторичный пробой (SEB)	Необратимые повреждения в структуре ИС	Мощные МОПТ

 

Основные подходы к прогнозированию эффектов одиночных событий (ЭОС) в ИЭТ при длительной эксплуатации в условиях КП:

1. Оценить потенциальную устойчивость ИЭТ к ЭОС

2. Получить консервативную оценку вероятности возникновения ЭОС.

3. Выдать уточненный прогноз вероятности возникновения ЭОС в реальных условиях КП (энергетические характеристики протонов, ЛПЭ-спектры ТЗЧ, плотность потока частиц).

Пути повышения радиационной стойкости:

- разработка приборов на материалах слабо меняющихся под облучением (халькогенидные стекла, сегнетоэлектрики);

- применение элементов, параметры которых слабо меняются под воздействием радиации (барьеры Шоттки, туннельные диоды, стабилитроны);

- применение конструкций, устойчивых к радиации (кремний на изоляторе, кремний «ни на чём»)

- разработка приборов на новых физических принципах (спинтроника - перенос спина).

Резервирование в микроэлектронике не дает увеличения стойкости, поскольку аналогично повреждаются и резервирующий блок.

Для повышения радиационной стойкости СБИС к воздействию одиночных частиц с высокой энергией возможно применение дублирования функций. Основные принципы дублирования могут быть сформулированы в следующем виде:

1. Для построения логической системы из дублированных элементов, необходимо чтобы выходы обоих элементов были объединены.

2. Возможно дублирование элементов не имеющих памяти. Тогда память (триггеры, регистры) строятся из этих элементов.

3. Учитывается в этих примерах только разрыв. Неисправности типа К.З. встречаются реже, но и они могут быть учтены.

4. Дублируемые элементы должны быть специально построены для обеспечения правильной работы всего устройства с дублированием.

5. Удовлетворить этим условиям можно с помощью небольшой модификации существующих элементов.

6. Известно, что на основе элемента «НЕ-И» возможно построение любого логического устройства, в том числе устройств с памятью. Это относится к дублированному элементу «НЕ-И».

Наличие существенной зависимости дозовой стойкости КМОП-БИС от электрического режима позволяет использовать холодный резерв как один из способов повышения стойкости аппаратуры, разрабатываемой с применением КМОП-БИС.

Анализ особенностей функционирования аппаратуры КА в условиях воздействия ИИ КП показывает, что для обеспечения необходимых сроков активного существования необходимо проблемы радиационной стойкости решать совместно с проблемами надежности. Так, например, для обеспечения сроков активного существования КА 10 лет необходимо иметь запас по радиационной стойкости элементной базы не менее одного порядка, т.е. стойкость ЭКБ при требованиях 10⁶ рад должна быть не менее 10⁷ рад.

Анализ современного состояния и перспектив развития микроэлетроники показывает, что появление БИС, выполненных по КМОП-технологии, со стойкостью до 10⁷ рад в ближайшие 10 лет маловероятно.

Снижение дозовых нагрузок на порядок с помощью теневой дополнительной защиты из свинца или вольфрама массой 300-400 кг.

Альтернативным решением задачи обеспечения радиационной стойкости аппаратуры КА является использование элементной базы, выполненной по биполярной технологии. Современные БИС, выполненные по биполярной технологии могут иметь потенциальную стойкость на уровне 10¹⁴ нейтр./см² и 10⁶-10⁷ рад.

Дополнительным аргументом в пользу использования элементной базы, выполненной по биполярной технологии, является отсутствие ограничений на потребляемую мощность и возможность обеспечения комфортного теплового режима, обеспечивающего отжиг дефектов, инициированных гамма-нейтронным излучением ЯЭУ.

Пути обеспечения стойкости радиоэлектронной аппаратуры КА

- применение радиационно-стойкой ЭКБ (серии ОС, «space»);

- оптимизация компоновки, увеличение толщины корпусов отсеков КА и приборов, введение локальной защиты критичной ЭКБ;

- применение в аппаратуре устойчивой к отказам и сбоям элементной компонентной базы;

- парирование сбоев и отказов на схемотехническом и программно-алгоритмическом уровне РЭА и ПМО КА.

При необходимости применения электронной компонентной базы иностранного производства для аппаратуры КА предусматривается реализация следующего алгоритма:

1. Выбор электронной компонентной базы иностранного производства (ЭКБ ИП) осуществляют разработчики РЭА предпочтительно из перечней QML (США) и PPL (ЕКА)

2. Закупка ЭКБ ИП осуществляется по контрактам с фирмой Trident Space&Defense (США), аттестованной по ISO 9000 на проведение работ по поставке предприятиям-изготовителям РЭА электрических, электронных и электромеханических изделий, через ОАО «ВО «Радиоэкспорт» и вторых поставщиков, аттестованных в системе «Военэлектронсерт».

3. Перед установкой в аппаратуру ЭКБ ИП проходит сертификацию в системе ФСС КТ или «Военэлектронсерт» на соответствие модели внешних воздействующих факторов (в том числе и на радиационную стойкость

Порядок выбора и комплектования электронной компонентой
базы отечественного производства аппаратуры КА с ЯЭУ должен быть следующим:

1. Выбор ЭКБ ОП осуществляется из действующей редакции «Перечня ЭРИ, разрешенных к применению при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения» МОП 44 001.

2. Комплектование ЭКБ ОП проводится в соответствии с «Положением о порядке комплектования электронной компонентной базой аппаратуры изделий ракетно-космической техники» (Положение ЭКБ -РКТ).

3. Перед установкой в аппаратуру вся ЭКБ ОП проходит квалификацию на соответствие модели внешних воздействующих факторов, в том числе на радиационную стойкость, в испытательных технических центрах, аккредитованных в установленном порядке.

 

Выводы.

1. Значения показателей стойкости большинства конструкционных материалов, полупроводниковых приборов и интегральных схем получены при условиях, существенно отличающихся по интенсивности, составу, температурному и электрическому режимам. Вследствие этого значения показателей стойкости могут быть использованы только в качестве ориентировочных значений, позволяющих оценить перспективность использования тех или технологий для обеспечения требуемой стойкости и надежности аппаратуры КА с ЯЭУ.

2. В связи с отсутствием проверенных данных по стойкости конструкционных материалов для уровней воздействия ИИ ЯЭУ 10⁹ рад, 10¹⁶ нейтр./см² необходимо проведение цикла экспериментальных исследований по подтверждению стойкости материалов при экстремальных нагрузках, включая повышенную температуру.

3. Принципиальным ограничением КМОП-технологии является достижение стойкости ЭКБ на уровне 0,5 – 1,0 Мрад. Дополнительная защита от гамма-излучения ЯЭУ может быть обеспечена экранами из свинца или вольфрама массой порядка 300-400 кг.

4. Существует потенциальная возможность создания необходимой элементной базы аппаратуры систем управления КА с использованием преимуществ биполярной технологии:

- стойкость к дозе гамма-излучения 10⁶-10⁷ рад;

- стойкость к воздействию флюенса нейтронов 10¹⁴ нейтр./см²;

- отжиг дефектов при повышенной температуре в приборном отсеке КА;

- отсутствие ограничений на потребляемую мощность.

5. При разработке аппаратуры систем управления КА необходимо совместное решение проблем обеспечения требуемой радиационной стойкости и надежности элементной базы.