Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности проявления и исследования радиационных отказов электронных модулей 10
1.1. Применение электронных модулей в бортовой аппаратуре космических аппаратов 11
1.2. Радиационные эффекты в электронных модулях при воздействии ионизирующего излучения космического пространства 14
1.3. Методики проведения функционального контроля электронных модулей 16
Выводы 18
ГЛАВА 2. Развитие экспериментальных методов и средств для исследования радиационных эффектов в электронных модулях 19
2.1 Методика испытаний электронных модулей на стойкость к воздействию ионизи рующего излучения космического пространства по одиночным эффектам 22
2.2 Методика выявления отдельных видов одиночных эффектов (тиристорный эффект, одиночный сбой, функциональный сбой) при воздействии тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов 26
2.3 Методика проведения функционального контроля электронных модулей при испы таниях на дозовые и одиночные эффекты 34
Выводы 38
ГЛАВА 3. Локальные дозовые нагрузки в электронных модулях 40
3.1 Обзор программного обеспечения для расчетов локальных дозовых нагрузок 44
3.2 Сравнение методов расчета локальных дозовых нагрузок 57
3.3 Экспериментальная верификация расчетных моделей в ПО Fastrad 65
3.4 Распределение локальных дозовых нагрузок в электронных модулях 71
3.5 Моделирование ослабления поглощенной дозы специализированными корпусами... 76
3.6 Применение обратного метода Монте-Карло для расчета локальных дозовых на грузок в электронных модулях 81
Выводы 85
ГЛАВА 4. Экспериментальная апробация методов и средств испытаний электронных модулей к воздейсвию ионизирующего излучения космического пространства 87
4.1 Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний 88
4.2 Апробация методик проведения испытаний электронных модулей по одиночным эффектам 95
4.3 Апробация методик проведения испытаний электронных модулей по дозовым эффектам 102
4.4 Статистика результатов испытаний 103
Выводы 106
Заключение 107
Список литературы 109
- Радиационные эффекты в электронных модулях при воздействии ионизирующего излучения космического пространства
- Методика выявления отдельных видов одиночных эффектов (тиристорный эффект, одиночный сбой, функциональный сбой) при воздействии тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов
- Распределение локальных дозовых нагрузок в электронных модулях
- Апробация методик проведения испытаний электронных модулей по одиночным эффектам
Радиационные эффекты в электронных модулях при воздействии ионизирующего излучения космического пространства
Радиационные эффекты в ЭМ при воздействии ИИ КП делятся на две группы: дозовые эффекты и одиночные эффекты при воздействии тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) и высоко-энергетичных протонов (ВЭП) КП [21,22]. Дозовая деградация ЭМ в КП в основном связана с потоками электронов и протонов и характеризуется низкой интенсивностью накопления дозы [47].
Одиночные и дозовые эффекты, которые могут проявляться в ЭМ, аналогичны эффектам в ИС (тиристорный эффект (ТЭ), одиночный сбой (ОС), функциональный сбой (ФС) и т.д.), но их регистрация в ЭМ может быть затруднена. Во-первых, это связано с тем, что токи потребления большинства ЭМ в динамическом режиме работы близки к значениям порядка 1 А и регистрация ТЭ с токами менее 100 мА затруднена, во-вторых, функциональный контроль ЭМ может не обеспечивать выявления одиночных эффектов в ЭМ вследствие особенностей функционирования ИС в составе ЭМ. На рисунке 1.2.1 показан график зависимости тока потребления ЭМ в зависимости от флюенса частиц при облучении протонами с энергией 1 ГэВ.
Рисунок 1.2.1 – Зависимость тока потребления ЭМ CME136686LX от флюенса частиц при локальном облучении протонами с энергией 1 ГэВ Видно, что средний уровень тока потребления ЭМ составляет порядка 0,8 А; броски тока, вызванные ТЭ, составляют от 50 мА до 1 А; также наблюдается кратковременное уменьшение тока потребления, вызванное функциональными сбоями и последующей перезагрузкой модуля. Неоднозначное проявление одиночных эффектов в ЭМ, наличие разнородных по своему функционалу ИС, требует разработки методики классификации эффектов для повышения достоверности результатов испытаний [12].
Следствием протяженных геометрических размеров ЭМ при определении их стойкости к воздействию ИИ КП является: необходимость декапсуляции ИС в составе ЭМ и последующее облучение на ускорителях ионов и/или лазерных источниках. Проведение испытаний на ускорителях ионов с большими пробегами в воздухе и материалах корпуса ИС и ЭМ не требует декапсуляции, однако таких установок, сертифицированных для испытаний ЭКБ, не существует; необходимость проведения большого количества сеансов (до нескольких десятков) на ускорителях протонов для локального облучения всех активных ИС. Также необходимо учитывать дозовую деградацию ЭМ при воздействии протонов, для предотвращения дозового отказа ЭМ до набора требуемой статистики по дозовым эффектам; Необходимость учета неоднородности поля излучения установок, при проведении испытаний ЭМ на стойкость к ИИ КП по дозовым эффектам. 1.3. Методики проведения функционального контроля электронных модулей
При испытаниях электронных модулей необходимо учитывать не только их протяженные геометрические размеры. При проведении функционального контроля (ФК) ЭМ возникает задача выбора метода ФК и его полноты. Для испытаний ИС широко применяются следующие методы ФК [5-7]: метод полного ФК, метод выборочного ФК, функциональный контроль в режиме работы реальной БА КА, тестирование СБИС по интерфейсу JTAG, ФК с помощью тестовых векторов.
Метод полного ФК позволяет выявить все ошибки функционирования и отказы ЭМ, но занимает продолжительное время (от нескольких минут до часов). При радиационном воздействии проведение полного ФК может приводить к отжигу радиационных дефектов и затруднению детектирования одиночных эффектов.
Метод выборочного ФК основан на выборе наиболее критичных блоков ИС (например, конфигурационная память в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС); кэш-память, флэш-память, регистры управления в микропроцессорах) и широко используется для испытаний СБИС, но в ЭМ программный доступ к части ИС невозможен, поэтому выборочный функциональный контроль может быть использован для тестирования только части ИС или определенных блоков СБИС, к которым в ЭМ есть доступ. Тестирование ИС в составе ЭМ по интерфейсу JTAG возможно, если все ИС объединены в цепь JTAG, но, как показано для ИС [2, 7], этот метод не всегда достоверен для ИС и может приводить к завышению радиационной стойкости ЭМ.
ФК с помощью тестовых векторов можно применять для ограниченного набора ЭМ и создание таких тестовых векторов является нетривиальной задачей, не всегда выполнимой в рамках ограниченного времени подготовки к испытаниям. Тестовые векторы в основном могут использоваться для тестирования ЭМ цифрового ввода/вывода, но для процессорных ЭМ, модулей, содержащих АЦП/ЦАП и др. применение тестовых векторов для проведения функционального контроля ЭМ затруднительно.
Тестирование ЭМ в реальном режиме работы в БА КА применимо для радиационных испытаний, однако не всегда позволяет выявить одиночные эффекты при воздействии ТЗЧ и ВЭП. Также испытание ЭМ в реальном режиме работы приводит к тому, что стойкость ЭМ определяется для конкретного применения в БА КА и в дальнейшем распространение результатов испытаний на другие режимы работы (функциональные и электрические) невозможно.
Методика выявления отдельных видов одиночных эффектов (тиристорный эффект, одиночный сбой, функциональный сбой) при воздействии тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов
В ходе радиационных испытаний ЭМ на стойкость к воздействию ИИ КП по одиночным эффектам необходимо определить параметры чувствительности ЭМ к основным одиночным эффектам (ТЭ, КО, ОС и ФС). Специфика современных сложно-функциональных ИС, входящих в состав ЭМ, заключается в том, что традиционные методики функционального и параметрического контроля не позволяют однозначно определить, какой именно одиночный эффект был зарегистрирован – ОС, ФС или ТЭ.
КО характеризуется необратимым нарушением функционирования ЭМ и может быть зарегистрирован как ошибки при проведении ФК, или как необратимое изменение тока потребления в ЭМ после воздействия.
Одиночный ТЭ в цифровых КМОП ИС связан с включением паразитной ти-ристорной структуры [22] и, как правило, проявляется в виде скачкообразного увеличения тока потребления ИС. Добавочный ток потребления, связанный с ТЭ, может иметь значения от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер, что может из-за больших плотностей тока или локального разогрева приводить к катастрофическому отказу [23]. Тиристорная структура имеет S-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ), поэтому для её выключения требуется снижение напряжения питания ИС, нередко, вплоть до нуля. На этом свойстве основана методика парирования ТЭ. Т.к. в большинстве ЭМ невозможно парировать ТЭ в отдельной ИС, необходимо проводить сброс питания всего ЭМ.
ОС при воздействии ОЯЧ проявляются в виде инверсии логического состояния элемента памяти [24], приводящей к потере информации, нарушению работы микропрограммы, перехода ИС в запрещенное состояние, выход из которого возможен только выключением питания или аппаратным сбросом. В таких нештатных режимах работы, токи потребления ИС и, как следствие, ЭМ в целом, могут существенно отличаться от типовых рабочих значений, как правило, в большую сторону. Таким образом, ОС в ЭМ могут иметь внешнее проявление, сходное с ТЭ.
ОС в некоторых типах ИС могут иметь специфическое проявление. Например, в микропроцессорах (МП) и микроконтроллерах (МК) ОС в памяти и регистрах специального назначения могут приводить к «зависанию» или непредсказуемому поведению МП / МК. ОС в таких ИС могут сопровождаться скачками тока потребления, вызванными изменениями в работе микропроцессорного ядра и/или изменениями режима работы внутренних периферийных блоков. Такие одиночные события классифицируются как функциональный сбой [25]. В то же время, резкое изменение токов потребления может быть связано со штатным изменением режима работы ЭМ или возникшим ТЭ.
Еще один пример – специфическое проявление ОС в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), которые широко распространены в ЭМ. По типу ячейки конфигурационной памяти ПЛИС делятся на три класса: FPGA, CPLD и Antifuse [26]. ОС в конфигурационной памяти наблюдаются в ПЛИС класса FPGA и могут приводить к функциональному отказу устройства (ФС), реализованного в ПЛИС (если «прошивка» устройства находится в сбившейся области памяти). Сбои в конфигурационной памяти ПЛИС класса CPLD маловероятны из-за высоких пороговых линейных потерь энергий сбоев во флэш-памяти, а в ПЛИС класса Antifuse ОС невозможны.
ОС в ПЛИС класса FPGA могут вызывать приращения тока потребления (порядка 20 мА) [27], вызванные включением дополнительных блоков в структуре ПЛИС, не задействованных в первоначальной конфигурации. В процессе облучения ПЛИС по мере накопления ОС в конфигурационной памяти зависимость тока потребления от времени представляет собой последовательность ступенчатых приращений (рисунок 2.2.1). ОС в области конфигурационной памяти могут также приводить к встречному включению буферов и, как следствие, резкому росту тока потребления. В других типах ИС, таких как преобразователи интерфейсов, ЦАП/АЦП и т.д., возможны ОС во внутренней регистровой памяти, которые могут приводить к неконтролируемым переходам в другие режимы работы, некорректному функционированию и как следствие – к резким изменениям тока потребления.
Ограничение полноты ФК ЭМ не позволяет контролировать состояние всех ячеек памяти в сложно функциональных ИС, входящих в его состав, поэтому для многих типов цифровых КМОП ИС (МК, МП, ПЛИС и др.) существующие подходы не позволяют однозначно определить тип события (ОС или ТЭ) по контролю тока потребления и функциональному контролю [26].
Данные получены Бобровским Д.В. Особенности поведения сложно функциональных цифровых КМОП ИС, входящих в состав ЭМ, при воздействии ОЯЧ нашли свое отражение в предлагаемой методике проведения испытаний ЭМ на стойкость к воздействию ОЯЧ.
Для каждой ИС, входящей в состав ЭМ и потенциально чувствительной к ОЯЧ по одиночным эффектам, в ходе подготовки к испытаниям на основе предварительного анализа ИС необходимо определить наиболее чувствительные блоки, в которых могут возникать локальные радиационные эффекты, для разработки алгоритмов наиболее эффективного ФК. Исходя из типовых значений рабочих токов потребления, с учетом циклического изменения этих значений в ходе выполнения ФК также определяются:
IПОР – пороговый ток потребления для регистрации одиночного эффекта – значение тока ЭМ в процессе функционирования, скачкообразное превышение которого интерпретируется как ОС или ТЭ; значение порогового тока потребления устанавливается на уровне 110-120% от максимального тока потребления ЭМ в процессе ФК.
IОГР – ограничение на ток потребления ЭМ, задаваемое источником питания для предотвращения выхода ЭМ из строя при частых ТЭ; значение ограничения на ток потребления устанавливается на уровне 200-300% от максимального тока потребления ЭМ при проведении ФК. При определении значений токов тиристорных структур, ограничение источника питания IОГР устанавливается на уровне, превышающем максимальный ток тиристорных структур.
Распределение локальных дозовых нагрузок в электронных модулях
ИИ КП характеризуется низкой интенсивностью излучения [47]. В работе [62] показано, что для КМОП ИС уровень стойкости при интенсивностях порядка 1-10 рад/с (здесь и далее для кремния) ниже чем при меньших интенсив-ностях, но для биполярных ИС ситуация противоположная и могут наблюдаться эффекты низкой интенсивности [47]. ЭМ в основном содержат КМОП ИС. При наличии биполярных ИС / кристаллов в составе ЭМ рекомендуется проводить испытания при уровнях мощности излучения порядка 1 рад/с, а испытания на эффекты низкой интенсивности проводить в зависимости от результата испытаний при повышенной интенсивности (инженерный подход описан в работе [63]). Также следует отметить, что рентгеновские источники практически неприменимы для испытаний ЭМ в целом, в связи с тем что, при требуемой неоднородности излучения, интенсивность составляет порядка 0.001…0.01 рад/с и облучение ЭМ до типовых уровней стойкости (порядка 10 крад) занимает несколько суток.
При проведении сертификации ЭМ стойкость к воздействию ИИ КП по до-зовым эффектам, в связи с большими протяженными размерами ЭМ, наряду со сложностью подготовки и проведения испытаний ЭМ, возникает задача задания достоверных требований к необходимому уровню стойкости. Эти требования определяются условиями эксплуатации БА КА и задаются [64] в виде энергетических спектров потоков частиц (электронов, протонов и ТЗЧ), по которым рассчитывается поглощенная доза внутри КА.
Исходя из того, что конструкция БА КА является сложной и неоднородной структурой, очевидно, что распределение ЛДН, внутри БА КА будет неоднородным. Следствием этого, а также применения в ЭМ ИС в специализированных корпусах, ослабляющих ИИ КП, является неоднородность ЛДН в ЭМ [16]. Использование методик испытаний ЭМ к воздействию ИИ КП по дозовым эффектам, рассмотренные в предыдущей главе, позволяют повысить достоверность и снизить трудозатраты на проведение испытаний, но для повышения достоверности оценки радиационной стойкости ЭМ к воздействию ИИ КП по дозовым эффектам, необходимо повысить достоверность оценки ЛДН в ЭМ. Во-первых, это позволяет повысить точность задания требований по радиационной стойкости на этапе проектирования БА КА и подготовки к проведению испытаний. Во-вторых, при отрицательных результатах испытаний по дозовым эффектам, более точный анализ ЛДН, позволяет уточнить дозовую нагрузку на ИС, отвечающую за уровень стойкости ЭМ и, по возможности, допустить применение ЭМ в БА КА, при удовлетворении уточненным требованиям ЛДН.
Распределение ЛДН в ЭМ зависит от многих факторов: исходные спектры электронов и протонов КП, внешняя защита КА и внутренняя компоновка БА, локальная защита отдельных ИС в составе ЭМ (радиаторы, специализированные корпуса).
Исходные спектры электронов и протонов задаются исходя из требований ОСТ 134–1044–2007 [64] для конкретной орбиты КА, с учетом солнечной активности в период срока активного существования КА.
Внешняя защита КА и внутренняя компоновка БА для ЭМ может быть задана в виде постоянной толщины сферической защиты (например, 1 г/см2) или в виде защиты в шести направлениях – в качестве модели защиты используется параллелепипед, каждая из шести сторон которого, представляет эквивалентную алюминиевую защиту в заданном направлении. Для более точных расчетов ЛДН, может быть задана трехмерная модель КА с БА, однако такие модели требуют выбора «быстрых» методов расчета или значительных машинных ресурсов ПК.
Для локальной защиты кристаллов ИС в составе ЭМ и БА КА от воздействия ИИ КП по дозовым эффектам существует ряд технических решений: специализированные корпуса ИС (WALOPACK [28], RAD-PAK[29]), специализи 42
рованные покрытия) и локальная защита ИС в составе аппаратуры КА. Все решения направлены на возможность применения коммерческих микросхем, либо применение микросхем с уникальными функциональными характеристиками, радиационно-стойкие аналоги которых отсутствуют. Также данный подход может быть востребован для применения ранее разработанной аппаратуры на орбитах с более жесткими радиационными условиями. Альтернативой локальной защиты является применение радиационно-стойких ИС, но это не всегда возможно: отсутствуют или неприемлемо дороги радиационно-стойкие аналоги, срок проектирования КА ограничен и т.д.
Для моделирования ЛДН в ЭМ и защитных свойств специализированных корпусов по дозовым эффектам в КП необходимо проанализировать существующее ПО и методы расчётов.
Для определения защитных свойств специализированных корпусов вводят понятие коэффициента ослабления дозовой нагрузки, т.е. коэффициента показывающего во сколько раз специализированный корпус ослабляет дозу, полученную от электронов и протонов КП внутри корпуса.
Важным фактором при расчёте коэффициента ослабления дозовой нагрузки является наличие и состав обшивки КА, которая является дополнительной защитой от потоков протонов и электронов и изменяет спектр исходного излучения. Даже при расположении ЭМ на внешней поверхности КА, часть телесного угла при воздействии частиц закрыта корпусом КА. Однако, для современных микро спутников, ослабление протонов и электронов корпусом КА будет вносить меньший вклад, по сравнению с массивными КА (например, спутники связи или КА ГЛОНАСС [65]).
Апробация методик проведения испытаний электронных модулей по одиночным эффектам
При подготовке к проведению испытаний процессорных и периферийных ЭМ, выполненных в стандарте PC/104, был использован АПК, описанный в разделе 4.1, учитывающий методики, представленные в разделе 2.
Апробация методик проводилась на ЭМ CPB906 и CME136686LX333HR-256. В ходе испытаний ЭМ CME136686LX333HR-256 на ускорителе протонов с энергией 1 ГэВ при продольном облучении выявлены ТЭ при воздействии протонов. Локализация чувствительных областей показала, что наиболее критичным является флэш-диск ADCII. Дальнейшее испытание флэш-диска после де-капсуляции проводилось на лазерной установке «Радон-9Ф», которое позволило определить что ТЭ в ИС не приводит к КО.
Испытания ЭМ CPB906 проводились на ускорителе протонов с энергией 1 ГэВ, которые позволили выявить ИС наиболее чувствительные к воздействию протонов по ТЭ: флэш память SST55LD019B-45-C-BWE и процессор Vx86DX-9121D. Дальнейшие испытания критичных ИС на ускорителе протонов с перестраиваемой энергией позволили определить пороговую энергию возникновения ТЭ: 70 МэВ и 90 МэВ для флэш диска и процессора, соответственно.
При подготовке к проведению испытаний процессорных и периферийных ЭМ, выполненных в стандарте PC/104, и многокристальных ЭМ работающих по стандарту MIL-STD-1553, был использован АПК, описанный в разделе 4.1, учитывающий методики, представленные в разделе 2.
Для подтверждения тезиса о более высокой стойкости ЭМ по сравнению с отдельными ИС, входящими в его состав, был проведен анализ состава 12 ЭМ, выполненных в формате PC/104 и содержащих порядка 10-100 различных ИС. Результаты анализа представлены в таблице 4.3.1. Видно, что для 4 из 5 ЭМ уровень стойкости отдельных ИС примерно в 2 раза ниже чем уровень стойкости ЭМ. Для одного ЭМ уровни стойкости с учетом погрешности испытаний одинаковые. Это может быть связано с тем, что уровень стойкости отдельных ИС во многих случаях определяется параметрическим отказом, который не может быть зарегистрирован в ЭМ. Данные, полученные автором, подтверждаются литературными данными: например, в [68] уровень стойкости ИС испытанной отдельно и в составе ЭМ отличается в несколько раз (уровень стойкости в составе ЭМ выше).
Анализ экспериментальных данных показывает что ЭМ контроллеров МКПД имеют довольно низкий уровень стойкости по дозовым эффектам (порядка 10 крад(Si)) и уровень стойкости в основном отпределяется параметрическим отказом. ЭМ, выполненные в формате PC/104 имеют уровень стойкости от 10 крад до 30 крад и уровень стойкости в большинстве случаев определяется функциональным отказом.
Анализ результатов испытаний ЭМ по одиночным эффектам показывает что большинство (более 80%) ЭМ имеют низкий уровень стойкости при воздействии ВЭП и ТЗЧ – пороговые ЛПЭ возникновения ТЭ меньше 14 МэВсм2/мг, т.е. возникают ТЭ как при воздействии ВЭП, так и при воздействии ТЗЧ.
Результаты испытаний коммерческих ЭМ по дозовым и одиночным эффектам показывают уровни стойкости близкие к коммерческим ИС.
Применение методик, предложенных автором, позволило сократить время проведения испытаний примерно в 1,5-2,0 раза.
Достоверность проведения испытаний значительно увеличилась, как при проведении испытаний ЭМ по дозовым эффектам, так и по одиночным эффектам. Одним из критериев повышения достоверности служит более точное определение уровня функционального отказа при дозовых испытаниях, а также более полное определение одиночных эффектов при проведении испытаний на стойкость к воздействию ВЭП и ТЗЧ.
При повышении достоверности проведения испытаний ЭМ повышается и достоверность оценки частоты отказов при эксплуатации КА. На рисунках 4.4.1 и 4.4.2 представлены графики зависимости средней и максимальной частоты одиночного эффекта при воздействии ВЭП. Видно что в зависимости от пороговой энергии эффекта, частота может изменяться до 2-3 раз, а точное определение пороговой энергии с использованием методик из раздела 2, позволяет снизить погрешность определения частоты одиночных эффектов при эксплуатации КА
Апробация методик, предложенных в главе 2, а также оптимизированный аппаратно-программный комплекс, описанный в главе 3, показали свою эффективность при проведении испытаний различных ЭМ: многокристальных ЭМ приемопередатчиков стандарта MIL-STD-1553, процессорных ЭМ, интерфейсных ЭМ и ЭМ цифроаналогового ввода/вывода как отечественного, так и зарубежного производства. Предложенные методики опробованы более чем на 20 различных типах ЭМ.
Анализ проведенных испытаний показывает повышение достоверности и снижение трудозатрат на подготовку и проведение испытаний. В соответствии с разделом 4.4 расчет частоты одиночных эффектов в КП сильно зависит от пороговой энергии протонов: в зависимости от энергии протонов частота может отличаться в 1,5…2,0 раза. Определение этой энергии для ЭМ в соответствии с методиками предложенными автором позволяет повысить достоверность не менее чем в 1,5 раза.
Снижение трудозатрат при подготовке и проведении испытаний достигается путем уменьшения числа сеансов облучений на ускорителях протонов, облучении только наиболее критичных ИС, входящих в ЭМ, на ускорителях ионов и лазерных установках.
