Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния проблемы обеспечения стойкости устройств спутниковых телекоммуникаций к воздействию низкоинтенсивных из лучений космического пространства 15
1.1 .Тенденции развития спутниковых телекоммуникационных систем... 15
1.2. Характеристика параметров ионизирующих излучений космического пространства 18
1.3. Особенности воздействия ИИ КП на элементы спутниковых телекоммуникационных систем 24
1.4. Анализ существующих методов обеспечения стойкости элементов спутниковых телекоммуникационных систем к воздействию ИИ КП 34
1.5. Выводы по главе 47
Глава 2. Разработка методов оценки стойкости элементов телекоммуникационных систем к воздействию ИИ КП 48
2.1. Разработка расчетных методов оценки стойкости элементов телекоммуникаций к воздействию ИИ КП 48
2.1.1. Метод оценки уровней воздействующих ИИ КП 48
2.1.2. Методы оценки стойкости элементов спутниковых телекоммуни кационных систем к воздействию ИИ КП 55
2.2. Разработка методов экспериментальной оценки стойкости элементов телекоммуникационных систем к воздействию ИИ КП 59
2.2.1. Выбор и обоснование экспериментальной базы для оценки стойкости элементов телекоммуникационных систем к воздействию ИИ КП 59
2.2.2. Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований 71
2.2.3 Разработка методов экспериментального исследования элементов телекоммуникационных систем на воздействие ИИ КП 72
2.2.3.1. Методика определения ПНД при низкоинтенсивном облучении 72
2.2.3.2. Методика пересчета результатов испытаний в пассивном режиме на активный режим 76
2.3. Выводы по главе 79
Глава 3. Экспериментальные исследования и результаты прогнозирования воздействия ИИ КП на элементы телекоммуникационных систем 80
3.1. Методика моделирования дозовых эффектов в условиях воздействия ИИКП 80
3.2. Средства измерений и вспомогательное оборудование 85
3.3. Методика проведения радиационных испытаний 87
3.4. Требования к дозиметрическому сопровождению испытаний 90
3.5. Выбор объема партии ИМС для радиационных испытаний 93
3.6.Исследование радиационной стойкости ИМС флеш-памяти типа Am28F020 94
3.7. Исследование радиационной стойкости ИМС сигнального процессора типаКФ1187ХК-1 96
3.8. Исследование радиационной стойкости ИМС контроллера типа Atmega 128-16А1 98
3.9. Выводы по главе 101
Глава 4. Разработка методов обеспечения стойкости ИМС спутниковых телекоммуникационных систем к воздействию ИИ КП 102
4.1. Предпосылки к разработке методов обеспечения стойкости устройств телекоммуникаций к воздействию ИИ КП 102
4.2. Обоснование методов обеспечения стойкости устройств спутниковых телекоммуникаций к длительному воздействию ИИ КП 103
4.2.1. Определение «безопасной» дозы 103
4.2.2. Определение уровня физического механизма отжига 105
4.2.3. Определение времени прекращения отжига 111
4.2.4. Выявление потенциально ненадежных изделий 112
4.2.5. Учет неполного восстановления характеристик 115
4.2.6. Учет невосстановления критериального параметра при последую щем облучении для определения ПНД 116
4.3. Методика радиационно-термической обработки КМОП ИМС 118
4.4. Экспериментальная проверка разработанной методики радиационно-термической обработки на КМОП ИМС типа 28F020 120
4.4.1. Описание эксперимента и его результаты 120
4.4.2.Проверка методики по результатам прогноза радиационной стой кости ИМС после РТО 123
4.5.Технология обеспечения радиационной стойкости устройств телекоммуникаций к воздействию ИИ КП на основе прямого отбора ИМС с учетом особенностей их функционирования в условиях ИИ КП 124
4.6.Выводы по главе 128
Заключение 129
Литература
- Особенности воздействия ИИ КП на элементы спутниковых телекоммуникационных систем
- Методы оценки стойкости элементов спутниковых телекоммуни кационных систем к воздействию ИИ КП
- Требования к дозиметрическому сопровождению испытаний
- Обоснование методов обеспечения стойкости устройств спутниковых телекоммуникаций к длительному воздействию ИИ КП
Введение к работе
Системы спутниковой связи занимают сегодня особое место в информационных и телекоммуникационных инфраструктурах промышленно развитых государств. Для огромной территории России системы спутниковой связи и телевизионного вещания являются основным средством увеличения объема и качества получаемой и передаваемой информации в интересах всех отраслей экономики и повышения информатизации общества. Именно эти обстоятельства определили приоритетность развития спутниковых систем связи среди других важнейших направлений развития современного общества.
Основным элементом системы спутниковой связи является ее космический сегмент — спутник связи (СС), от характеристик которого зависит эффективность функционирования всей системы. К числу основных требований, предъявляемых к характеристикам бортовых СС, относятся требования высокой безотказности и долговечности.
Наибольшие трудности в обеспечении указанных требований практически на всех этапах развития космонавтики возникали при создании радиоэлектронных, включая телекоммуникационных систем (ТКС), так как именно для них характерны наиболее высокие темпы роста функциональной и аппаратной сложности, а темпы роста требований к надежному их функционированию существенно превышают темпы роста надежности их элементной базы.
В период до конца 60-х годов прошлого столетия основная направленность исследований состояла в повышении безотказности спутниковых систем в течение достаточно ограниченных сроков активного существования (САС), не выше 3-5 лет, достигаемой в первую очередь за счет введения различных форм избыточности (аппаратной, функциональной, временной и др.). Эти исследования и полученные результаты базировались в основном на математических методах (методы теории вероятностей и математической статистики, случайных процессов, теории графов, исследования операций и др.), разработанных и развитых отечественными учеными: Б.В. Гнеденко, П.П. Пархоменко, Б.С. Сот-сковым, В.И. Сифоровым, Ю.К. Беляевым, А.Д. Соловьевым, И.А. Ушаковым,
А.Н. Северцевым, Б.А. Козловым и др.
В области радиационной стойкости научными коллективами «22 ЦНИ-ИИ» МО (Чепиженко А.З.), «ЦНИИМаш» (Ужегов В.М), ИАЭ им. Курчатова (Ухин Н.А.), «НИИП» ( Тутуров Ю.Ф.), МИФИ ( Агаханян Т.М., Першенков B.C., Попов В.Д.) , «РНИИЭС» (Кулаков В.М., Малинин В.Г.) , «МНИРТИ» (Мырова Л.О.) «РНИИ КП» (Горин Б.М.) и другими организациями промышленности, РАН и высших учебных заведений были разработаны методические подходы к заданию требований по радиационной стойкости и оценке соответствия этим требованиям ЭРИ и аппаратуры. Начаты исследования дозовых и временных эффектов в комплектующих элементах и аппаратуре при воздействии ионизирующих излучений (в первую очередь, высокоинтенсивных воздействий искусственных источников).
В области космофизики к тому времени усилиями ученых «НИИЯФ» МГУ (Вернов С.Н., Кузнецов И.В), «ИКИ» РАН (Застенкер Г.Н., Зеленый Л.М.) «ИЗМИ» РАН (Ораевский В.Н., Кузнецов В.Д.) и др. были сформулированы представления и получены исходные экспериментальные данные о характеристиках радиационных поясов Земли, космических лучей и т.д.
Исследования указанных авторов и научных коллективов, в организации выполнении которых активное участие принимал и автор диссертации, создали условия для осознания сложной и- важной проблемы необходимости учета влияния ионизирующих излучений космического пространства на надежность комплектующих элементов, устройств и аппаратуры в целом.
С возникшей сегодня потребностью увеличения сроков активного существования космических аппаратов (КА) эта проблема приобрела особую актуальность и значимость и стимулировала проведение исследований и разработку адекватной поставленным в работе цели и задачам. Так в современных условиях конкурентоспособность и рентабельность проектов предоставления услуг космической связи определяют необходимость создания КА с САС 12 и более лет.
Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что прогресс в создании КА с такими САС невозможен без коренного изменения традиционной методологии работ в области разработки, испытаний и обеспечения надежности их электронных систем, в том числе и телекоммуникационных. Существующие методы не полностью обеспечивали требуемые характеристики надежности уникальных систем КА, как правило, единичными экземплярами. Кроме того, указанные методы не позволяли в необходимой мере учитывать влияние на надежность специфических воздействий внешней среды космического пространства, прежде всего воздействий низкоинтенсивных ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП), так как в центре внимания указанных исследований были вопросы стойкости электронных систем к высокоинтенсивным ионизирующим полям искусственного происхождения, возникающих, например, во время ядерного взрыва.
Также, согласно действующим в указанный период нормативным документам, влияние действия ИИ КП на надежность фактически не учитывалось.
В то же время при длительных САС радиационный ресурс комплектующих элементов расходуется на протяжении всего срока их службы. Поэтому процессы радиационной деградации и физико-химические процессы старения элементов и устройств имеют один временной масштаб. Кроме того, развитие и совершенствование современных ТКС идет по пути широкого использования в них больших интегральных микросхем высокой степени интеграции (БИС и СБИС) и в последнее время такие элементы и устройства находят все большее применение в космической технике.
Элементы этих систем на борту КА подвергаются воздействию космических лучей, представляющих собой поток заряженных частиц высоких энергий. Высокоэнергетичные заряженные частицы, проходя через конструктивные материалы КА, теряют часть своей энергии на тормозное электромагнитное излучение (ТЭМИ), дающее значительный вклад в поглощенную дозу. Недостаточная изученность факторов КП и их влияния на физические процессы, протекающие в элементах, отсутствие моделей расходования и прогнозирования ре-
сурса в условиях воздействия излучений сдерживало развитие КА с длительными С АС. Поэтому для обеспечения работоспособности элементов ТКС на борту космических аппаратов необходимо также знание дозовой стойкости этих элементов. Причем, следует отметить, что такие данные сегодня практически отсутствуют. Следовательно, получение данных по дозовой стойкости больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) ИМС является важной и актуальной задачей.
Решение этой проблемы осложняется также и процессом «сворачивания» производства радиационно-стойких интегральных микросхем с одной стороны и отсутствием методов прогнозирования отказов при таком длительном воздействии низкоинтенсивного ИИ КП с другой стороны. Значительное сокращение и даже полное прекращение производства радиационно-стойких ИМС обусловлено выходом на первое место применения микросхем в компьютерной технике и снижением объема заказов для военной и космической техники. Поэтому разработчики бортовых устройств вынуждены часто применять коммерческие изделия, что повышает важность развития и совершенствования методов обеспечения их стойкости при воздействии ИИ КП.
Необходимость преодоления отмеченных трудностей потребовала постановки комплексных работ, объединенных в Межведомственные программы. Именно все это и определило важность и актуальность решаемой в диссертации научно-технической задачи — разработка методов обеспечения эффективного функционирования, существующих и перспективных ИМС устройств спутниковых телекоммуникаций в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП для решения задачи увеличения САС КА до уровней, определяемых требованиями экономической эффективности спутниковых систем связи.
Объектом исследования в работе выбраны микросхемы высокой степени интеграции (БИС и СБИС), которые сегодня вообще не исследованы и являются наиболее перспективными для использования при решении задач по созда-
нию устройств спутниковых телекоммуникаций, функционирующих в условиях длительного воздействия ИИ КП.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование, разработка и совершенствование методов оценки воздействия ИИ КП на элементы и устройства ТК для создания методов и средств обеспечения их стойкости в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП.
Поставленная цель достигается решением следующих, задач:
исследование особенностей длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП на ИМС спутниковых ТК;
выбор и обоснование перспективных ИМС для проведения исследований по оценке их стойкости к воздействию ИИ КП;
- обобщение существующих методов оценки воздействия ИИ КП на
БИС, уточнение и разработка методов оценки, основанных на новых подходах к
прогнозированию и испытаниям элементов, используемых в бортовых устрой
ствах КА, к длительному воздействию низкоинтенсивных ИИ КП;
прогнозирование критериальных параметров радиационной стойкости выбранных изделий к воздействию низкоинтенсивных ИИ КП;
разработка методик испытаний выбранных элементов на воздействие низкоинтенсивных ИИ КП;
экспериментальные исследования выбранных элементов на воздействие низкоинтенсивных ИИ КП на основе разработанных методик и программ испытаний;
- разработка методов обеспечения функционирования устройств телеком
муникаций в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП.
Научная новизна работы заключается: - в разработке нового подхода к прогнозированию и испытаниям элементов ТКС на основе использования методов неразрушающего контроля индивидуальной радиационной стойкости элементов телекоммуникаций, используемых в бортовых устройствах космических аппаратов;
в разработке впервые методик прогнозирования функциональных радиационных отказов элементов ТКС и прогнозирование предельной накопительной дозы (ПНД) в активном режиме по результатам радиационных испытаний в пассивном режиме;
в разработке и совершенствовании методов экспериментальной оценки воздействия ИИ КП на элементы ТКС;
в новых теоретических и экспериментальных данных по стойкости БИС и СБИС к длительному воздействию ИИ КП;
в результатах оценки эффективности существующих и перспективных методов и средств повышения стойкости элементов ТКС к воздействию ИИ КП и разработке методов по обеспечению функционирования устройств спутниковых телекоммуникационных систем в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных излучений космического пространства.
На защиту выносятся:
Метод прогнозирования функциональных отказов ИМС на основе применения минимального напряжения их питания, при котором сохраняется функционирование в условиях низкоинтенсивного воздействия ИИ КП.
Метод прогнозирования индивидуальной дозы отказа ИМС и восстановления их характеристик, основанный на применении низкоинтенсивного облучения «безопасной» дозой ИМС с последующим низкотемпературным отжигом, позволяющий использовать его при проектировании спутниковых ТКС.
Методика выявления образцов ИМС с аномально низкой радиационной стойкостью.
Методы экспериментальной оценки стойкости элементов телекоммуникаций к воздействию ИИ КП и результаты экспериментальных исследований.
Методы обеспечения стойкости элементов ТКС к дозовым эффектам, вызванных длительным воздействием ИИ КП.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов.
В работе использованы экспериментально-физические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на методах теории вероятностей и математической статистики, асимптотических методах теории форсированных испытаний. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и ограничений, адекватностью принятых математических моделей исследуемых процессов; большим объемом статистических данных по экспериментальным исследованиям; сравнением теоретических результатов с результатами экспериментов и апробацией принципиальных положений и разработанных методов в практике создания устройств телекоммуникаций для ряда КА.
Практическая значимость результатов работы состоит:
в разработке метода прогнозирования радиационной стойкости элементов ТКС при низкоинтенсивном облучении по результатам измерения их критериальных параметров на начальном этапе испытаний, что позволяет существенно сократить время облучения;
в разработке метода определения радиационной стойкости; позволяющего производить выбор образцов ИМС с заданным значением ПНД для установки их в бортовые устройства ТКС;
в разработке метода выявления и отбраковки «аномальных» образцов ИМС, позволяющего обеспечить необходимый уровень радиационной стойкости бортовых устройств ТКС;
в новых результатах экспериментальных исследований стойкости БИС и СБИС, на основе которых определены уровни воздействия ИИ КП, при которых наступают отказы входных устройств и элементов ТКС. Это позволяет создать базу данных по пороговым уровням уязвимости элементов ТКС, используемых в бортовых устройствах космических аппаратов;
в разработке рекомендаций по повышению стойкости функционирования элементов ТКС в условиях воздействия ИИ КП, что позволяет обеспечить
условия для успешного создания негерметичных КА нового поколения, соответствующих лучшим мировым аналогам по характеристикам назначения и технико-эксплуатационным показателям.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОКР «Коррускант» и ОКР «Акцент, выполненные при непосредственном участии автора. Они нашли практическое применение на ряде предприятий при проектировании перспективных систем связи, устойчивых к воздействию ИИ КП (ФГУП «МНИРТИ», ФГУП «НИИКП», ФГУП «НПО ПМ)), а также реализованы при разработке мероприятий по защите элементов спутниковых ТКС и в ТЗ на разработку новых перспективных видов аппаратуры, устойчивой к воздействию низкоинтенсивных ИИ КП (ООО «НИИИСТ»). Результаты внедрены в отраслевые нормативные документы «Роскосмоса» (РД 134-0143-2005) и нормативные документы ФГУП «НИИКП» (ЦДКТ.430104. 006- 018). Результаты также внедрены в учебный процесс МИ-ЭМ на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и МИФИ на кафедре «Микроэлектроники».
Апробация работы. Работа в целом и отдельные ее результаты опубликованы в виде статей в научно-технических журналах по проблеме, докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях «Стойкость-2003», «Стой-кость-2004», «Стойкость-2005»; «Элементная база космических систем 2006»; 9-ой Российской НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», С.-Петербург, 2006г.; НТК «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», Сочи, 2006г; на 3-ей международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование», 2005г.; на 4-й Международной конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах» (ITT IS/05, июнь-02-09, 2007. Испания), а также на конференциях «Научная сессия МИФИ» 2006 г. и 2007 г. и на научно-технических семинарах кафедры
«Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ с 2005г. по 2007г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено 2 патента по теме диссертации: № 2254587, 2005 г.; № 2311654, 2007 г.
Личный вклад автора состоит в том, что все результаты, составившее основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Подробный анализ вклада автора диссертации в печатные труды, выполненные в соавторстве, изложены в Заключении.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 85 наименований. Основной текст диссертации изложен на 141 страницах, в том числе 47 рисунков и 17 таблиц.
Особенности воздействия ИИ КП на элементы спутниковых телекоммуникационных систем
Виды радиационных эффектов, возникающих в элементах спутниковых ТКС при воздействии ИИ КП.
Продолжительность активного функционирования устройств спутниковых ТКС в значительной степени определяется радиационной стойкостью ее составляющих компонентов. Стойкость пассивных электронных компонентов, как правило, достаточно велика и не ограничивает уровень стойкости всей аппаратуры. Активные компоненты ИМС, такие как биполярные и МОП - транзисторы, гораздо более уязвимы к воздействию ИИ КП. Например, МОП- тран зисторы могут отказывать при дозе 10 крад, что, как правило, недостаточно для обеспечения экономически оправданного срока службы спутника - 10 лет и более. Достоверная оценка работоспособности таких компонентов в условиях ИИ КП должна быть основана на знании возможных видов радиационных аффектов, их зависимости от временного масштаба процесса, разновидности и энергии ионизирующего излучения.
Характерной чертой радиационных условий в космосе, как указано выше, является низкая интенсивность ионизирующего излучения. Это приводит к специфическим особенностям деградации изделий электронной техники и, делает актуальной проблему обеспечения их надежности и стойкости в условиях ИИ КП, которые и рассмотрим ниже.
Эффекты полной дозы в приборах МОП - технологии.
Эффекты полной дозы, вызванные действием ИИ КП, обуславливают постепенный дрейф характеристик ИМС, способный вызвать параметрический или функциональный отказ. Основными механизмами отказов являются сдвиг порогового напряжения, увеличение токов утечки и ухудшение быстродействия.
Процессы деградации при разных мощностях доз определяются соотношением между процессами накопления заряда и процессами их отжига. Основными механизмами деградации являются накопление положительного заряда в окисле и генерация поверхностных состояний. Положительный заряд в окисле обуславливает сдвиг порогового напряжения в отрицательную сторону и проявление токов утечки транзисторов в закрытом состоянии. Поверхностные состояния приводят к уменьшению крутизны, увеличению времени переключения и соответственно, к деградации быстродействия [7], показанные на рис. 1.4.
Накопление заряда в объеме окисла.
Радиационная стойкость активных элементов в составе современных ИМС определяется, главным образом, процессами в окислах, где под действием ИИ происходит генерация электронно-дырочных пар. Электроны и дырки частично рекомбинируют и доля пар, избежавших рекомбинации, зависит как от величины электрического поля, так и от вида излучения [8] частности, при ионизации тяжелыми частицами, когда образуется трек с большой концентрацией электронов и дырок, доля носителей, избежавших рекомбинации, существенно ниже, чем при ионизации вторичными комптоновскими электронами. По этой причине при равной дозе, накопление заряда в окисле при облучении протонами и альфа частицами ниже, чем при облучении гамма фотонами (рис. 1.5). Положительный заряд в окисле в п - канальных приборах приводит к резкому увеличению токов утечки в закрытом состоянии, а в р - канальных, напротив, -к уменьшению тока в номинально открытом состоянии.
Методы оценки стойкости элементов спутниковых телекоммуни кационных систем к воздействию ИИ КП
В настоящее время радиационные испытания устройств в реальных (натурных) условиях эксплуатации практически не проводят. Это связано со сложностью и дороговизной облучения объектов, особенно больших размеров и невозможностью набора приемлемой статистики для обеспечения достоверности результата. Поэтому оценку стойкости элементов ТКС к воздействию ИИ КП проводят либо расчетным путем, либо расчетно-эксперименталь-ным с использованием результатов полученных в ходе радиационных испытания партий отдельных элементов (ИМС, транзисторов и т.п.) на моделирующих установках. При этом сразу необходимо отметить, что существует большой разброс элементов по ПНД. Примером неоднородности партии элементов может служить распределение КМОП ИМС типа 564ЛН2, взятое из [37] и показанное на рис.2.3. Представленные на этом рисунке данные показывают значительную зависимость ПНД от электрического режима и температуры. Большой разброс по радиационной стойкости имеют и зарубежные ИМС. В качестве примера можно привести разброс ПНД микросхем памяти типа CDP1821 при разных мощностях дозы гамма-излучения, представленный на рис.2.4, взятом из [38]. Данные на рис.2.4 показывают значительную зависимость ПНД от мощности доАналоговые ИМС, изготовленные по биполярной технологии так же весьма чувствительны к мощности ионизирующего излучения. В качестве примера можно привести результаты радиационных испытаний операционного усилителя OP LM328, взятые из [39] и показанные на рис.2.5. Представленные на рис.2.4 и рис.2.5 данные иллюстрируют значительную зависимость от мощности дозы ИИ как у МОП ИМС, так и у биполярных ИМС. зы ионизирующего излуВо втором случае предлагается «вероятностный» подход к определению ПНД. Для оценки и прогнозирования вероятности безотказной работы интегральных микросхем (ИМС) на борту космического аппарата в «НИИ ЯФ» МГУ создан информационный комплекс SEREIS [30,41], который включает современные версии российских моделей потоков заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. Метод состоит в следующем: все ИМС разбиваются на 10 групп по коэффициенту радиационного повреждения Кро в функции распределения вероятности радиационных отказов: qp(D) = ey р -1, (2.3) где: D - поглощенная доза ионизирующего излучения; Р = 2 — параметр формы; qp(D) 0,5 - вероятность радиационного отказа. При таком подходе вероятность безотказной работы (ВБР) определяется: Р=РРРО, (2.4) где: рр и ро - вероятности отсутствия радиационно-стимулированных и случайных (определяющих надежность) отказов ИМС.
Используя (2.3), вероятность отсутствия радиационных отказов можно выразить следующим: pP=i-qP=2- eiKpDr (2-5)
Величина коэффициента радиационного повреждения определяется по результатам радиационных испытаний партии ИМС, состоящей из N0 штук. При отказе NomK образцов ИМС производится верхняя оценка числа отказавших ИМС a(NomK) при дозе облучения D0 для принятой доверительной вероятности р . В этом случае получают верхнюю оценку вероятности радиационного отказа [42,43]: q0(D0) = a(NomK)IN0. (2.6) Значение q0(D0) позволяет определить коэффициент радиационного повреждения: _Vln[l + gQ(PQ)]
Необходимо отметить, что выражение (1) справедливо при до 0,5. При больших значениях q0 необходимо использовать распределение Вейбулла или нормальный закон распределения, как это сделано в [37] ив [38] соответственно (рис.2.3 и рис.2.4).
Требования к дозиметрическому сопровождению испытаний
Методы лабораторных испытаний элементов. ТКС на радиационную стойкость в соответствии с требованиями комплексов стандартов основаны на двух положениях: - моделируется не воздействие, а радиационный эффект (структурные повреждения, ионизационные эффекты поглощенной дозы и мощности дозы); - адекватность моделирования обеспечена, если равны энергии.ИИ, поглощенные в процессах структурных повреждений и ионизации конструкционных материалов чувствительного объема элементов ТКС.
Такой подход, наряду с необходимостью моделирования одновременного (комплексного) воздействия нескольких видов ИИ путем облучения элементов ТКС на одной-двух МУ, диктует более жесткие требования к организации и проведению испытаний. Прежде всего, это относится к точности определения поглощенной энергии в чувствительном объеме изделия (ниже АО - активной области). При этом даже если детекторы сопровождения про-градуированы в единицах энергии, поглощенной в материале, аналогичном материалу чувствительной области, перенос показаний детекторов на изделия не всегда правомерен. В первую очередь это относится к фотонному и электронному видам ИИ.
При определении поглощенной энергии фотонного излучения в DnorjI по показаниям детекторов сопровождения используют простое соотношение Опогл (ИЭТ) = [Цеп(ИЭТ) / Неодет.)] Dnoni {дет.), (3:1) где: (ien (E,Z);- массовый коэффициент поглощения энергии фотонного излучения. При воздействии спектра фотонов вместо (3.1) используют интеграл по спектру. Выражение (3.1) определяет дозу, которую принято называть равновесной.
Строго говоря, выражение (3.1) справедливо в предположении локального поглощения энергии ИИ и при выполнении следующих условий: 1. Как прибор, так и детектор достаточно тонкие. 2. Отношение цеп(ИЭТ) / juen(dem.) const в диапазоне Еу. 3. Падающий спектр фотонов одинаков как в приборе, так и в детекторе. 4. Эффекты усиления дозы на границе раздела сред с разным Z малы. 5. В приборе и в детекторе выполняются условия электронного равновесия. Эти условия непосредственно следуют из самых фундаментальных физических принципов дозиметрии фотонного излучения.
Условие (5) практически никогда не выполняется в реальных современных изделиях электронной техники (ИЭТ). Причина - массовые толщины элементов структуры ИЭТ в направлении падающего ИИ таковы, что уже при энергиях квантов выше 1.0 МэВ не обеспечивают выполнение критерия УЭР: пробег вторичных электронов с максимальный энергией (около 0.40 г/см алюминия или кремния) меньше этой толщины.
Структура ИЭТ как правило содержит слои с существенно отличающимися значениями атомного номера Z, что приводит к появлению эффектов усиления дозы на границах раздела этих слоев. Это показано на рис.3.7 (рисунок является схематическим изображением эффектов и не дает представления об их действительной, величине, характеризуемой зависящим от энергии излучения и используемого материала коэффициентом усиления дозы КДУ).
Качественно эти зависимости подчиняются следующим закономерностям: - при низких Еу (10 - 200 кэВ) неоднородности поглощенной дозы вызваны различиями в коэффициентах фотоэлектрического поглощения излучения в соседних слоях и в большей степени зависят от энергия излучения и различия в атомных номерах (Z) слоев. Эффект характерен прежде всего для СЖРИ и мягкого тормозного излучения и заметен на расстояниях среднего пробега фотоэлектронов, составляющих сотни нанометров от поверхности раздела. Zi 2,»22 22 t-»x :\2 -х І \ 2 \г " """--—-_ Е?=1МэВ \; расстояние расстояние Рис.3.7. Эффекты усиления дозы на границе раздела сред с различными Z
В случае гамма облучения с энергией Еу более 1 МэВ эффект определяет комптоновское рассеяние квантов с более сильным влиянием направления облучения. В этом случае расстояния в структуре, на которых эффект заметен, определяется пробегами комптоновских электронов и составляет сотни микрометров.
Теоретические значения КДУ могут достигать десятков единиц; значения, полученные на реальных установках с изотопным источником Со-60 используемых в испытаниях, достигали 8.0 и были подтверждены экспериментально с помощью специальных ионизационных камер [61,62].
Обоснование методов обеспечения стойкости устройств спутниковых телекоммуникаций к длительному воздействию ИИ КП
Для проверки разработанной методики после РТО образцы ИМС были подвергнуты повторному облучению. На начальном этапе облучения использовалась методика поэтапного облучения малыми дозами при мощности дозы 0,1 рад/с и прогнозирования ПНД по изменению Цшн. После расчета ПНД образцы облучались большими дозами для проверки расчетных значений дозы отказа. Результаты измерений и расчета доз облучения представлены в табл.4.4.
Как можно видеть, аномальный образец (№3) характеризуется более низкой радиационной стойкостью после РТО, а образцы без макродефектов более высокой радиационной стойкостью. Образцы ИМС сохранили в пределах погрешности значение ПНД после применения РТО. Прогноз достаточно хорошо совпадает с результатами экспериментальной проверки.
Образец № 3 с макродефектом и аномальным поведением при РТО при повторном облучении проявил низкую радиационную стойкость, что подтверждает необходимость отбраковки КМОП ИМС с макродефектами. Некоторое повышение радиационной стойкости у образцов №1, №5 и № 8 объясняется частичным отжигом поверхностных состояний, а именно эти дефекты дают основной вклад в радиационно-стимулируемое изменение параметров МОП транзисторов при низкоинтенсивном воздействии ионизирующих излучений. Остальные образцы, несмотря на пониженное значение ПНД при прогнозе, после РТО показали при облучении дозу отказа не хуже первоначального значения.
Таким образом, РТО микросхем не ухудшает их радиационной стойкости и позволяет отбраковать образцы с аномально низкой радиационной стойкостью.
Проведенный выше анализ расчетных и экспериментальных данных по обеспечению функционирования устройств ТКС, показал, что их надежность в условиях воздействия низкоинтенсивных излучений космического пространства в основном определяется стойкостью используемых в них ИМС (БИС и СБИС) с повышенной степенью интеграции. При этом установлено, что условия КП характеризуются высокой равномерностью излучения во времени при низкой его интенсивности. В связи с этим эффективность защиты аппаратуры введением временной и структурной избыточности примерно одинаковы. При этом катастрофические отказы устраняются структурными методами, а сбои временными.
Если реализуется условие ф, тах\фjior, Т Т , то данное условие означает полное исчерпывание резерва надежности за счет деградации элементов из-за остаточных аффектов (интенсивность переходных эффектов,по определению невелика). Поэтому в отличие от импульсного воздействия здесь во всех возможных случаях, наиболее эффективный метод повышения стойкости устройств спутниковых телекоммуникаций, это увеличение радиационной стойкости их элементной базы, за счет оптимальной технологии прямого отбора.
Предлагаемая технология прямого отбора образцов по пороговому значению радиационной стойкости при использовании ИМС с заранее неизвестным (негарантированным) ее уровнем (рис.4.10) базируется на методе экстраполяции изменения критериального параметра, при низкоинтенсивном (менее 0,1 рад/с) облучении малого уровня ("безопасная доза", при которой не происходит невосстановимых изменений) и включает в себя несколько этапов:
Аналитическое определение характеристик (размер выборки, величина "безопасной" дозы, параметры радиационных испытаний до и после "безопасной" дозы, критериальные характеристики сохранения работоспособности (на базе электрических и функциональных), параметры отжига, критериальные параметры восстановления после отжига, параметры метода экстраполяции предельно накопленной дозы по малодозовым изменениям критериального параметра, критериальный порог отбора и коэффициент запаса).
Экспериментально-аналитическое определение радиационной стойкости БИС в пассивном режиме (экспериментальное определение критериальных характеристик всей партии БИС в нормальных условиях и при малодозовом (до "безопасной" дозы), диапазоне облучения, расчетное определение (экстраполяция по малодозовому воздействию) радиационной стойкости всей партии БИС,
