330
11.2.4Обеспечение радиационной стойкости критически стойких ЭРИ
Низкая стойкость наиболее широко применяемых ИС на основе КМОПструктур создает проблемы с обеспечением радиационной стойкости БА практически для любого КА с САС пять и более лет в зависимости от используемой орбиты, например, для КА 14Ф132 с САС 5 лет [107].
Обеспечение радиационной стойкости ЭРИ охватывает контроль и отбраковочные испытания, проводимые для того, чтобы каждая партия ЭРИ для КА отвечала требованиям по РС.
Основные предположения следующие:
•БА и ЭРИ в достаточной степени отработаны;
•существует база данных по радиационным эффектам;
•механизмы отказов вследствие облучения понятны. Структурная схема подхода приведена на рис.97.
ПереченьЭРИ
|
|
|
|
Банкрадиационных |
|
|
Электрическаясхема |
|
Радиационнаясреда |
|
|||||||
|
|
данных |
|
|
РЭА |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НадежностьРЭА |
|
|
Классификация |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НестойкиеЭРИ |
|
|
Критическистойкие |
|
|
СтойкиеЭРИ |
|
1. |
Замена |
|
ЭРИ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
2. |
Экранирование |
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Повышениестойкости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Обеспечение |
|
|
|
|
|
|
|
|
стойкостиЭРИ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.Контроль
2.Выборочныеиспытания
3.Отбраковка
Рис. 97 Схема обеспечения радиационной стойкости ЭРИ
331
Первым этапом процесса отбора является классификация. На этом этапе используются следующие данные:
•характеристики радиационной обстановки в месте расположения ЭРИ;
•критерии работоспособности ЭРИ при применении в конкретной схеме;
•показатели радиационной стойкости ЭРИ.
На этой основе определяется уровень отказа по критерию работоспособности. По результатам сравнения уровней воздействующих излучений и уровней отказа ЭРИ проводиться классификация. ЭРИ делятся на нестойкие, стойкие и требующие подтверждения стойкости (критически стойкие ЭРИ).
Классификация проводиться по величине проектного радиационного допуска, который определяется как отношение уровня отказа ЭРИ к уровню излучения, воздействующего на ЭРИ.
ЭРИ с ПРД <1 считаются негодными. Часто ПРД, разделяющие категории "годные" - "негодные", лежит между 1,5 и 2 в зависимости от достоверности базы данных и знания характеристик среды.
Годные ЭРИ делятся на критически стойкие и стойкие. Граница между ними устанавливается на основе анализа статистики. Статистически представительная база данных должна включать в себя вариации между различными технологическими партиями и ЭРИ различных изготовителей. Если база данных не позволяет применить статистический подход, граница между ними устанавлива-
ется при ПРД 10÷100 .
Стойкие ЭРИ могут применяться без дополнительной проверки. Есть ряд технологий и типов ЭРИ, которые сразу классифицируются как стойкие, исходя из общих представлений о радиационных эффектах. Например, цифровые биполярные микросхемы с изоляцией переходами не деградируют существенно при воздействии дозы излучения [108].
Для критически стойких ЭРИ существует несколько методов обеспечения гарантии стойкости. Наиболее распространена методика выборочных испытаний. Испытания на подтверждение стойкости выполняются до требуемых уровней облучения с учетом условий эксплуатации.
332
Хотя выборочная проверка партии - это наиболее принятая и используемая методика обеспечения РС, в определенных случаях привлекаются и другие методики. Это отбраковка и контроль технологии. Отбраковка - это 100%-ные испытания в смоделированной радиационной среде, или электрические испытания параметров, которые коррелируют с уровнем радиационных отказов. Одно из требований к отбраковке состоит в том, что она не должна ухудшать характеристики ЭРИ, поскольку ЭРИ будут установлены в БА. Сложность радиационных испытаний и экстраполяция результатов на космические условия делают задачу обеспечения РС КА чрезвычайно сложной.
Типовой алгоритм отбора и обеспечения РС ЭРИ для КА заключается в следующем:
•предварительное проектирование КА с целью обеспечения нужных рабочих параметров в пределах ограничений по мощности и объему, утверждение предварительного перечня ЭРИ;
•анализ соответствия ЭРИ требованиям по стойкости, определение непригодных ЭРИ, замена их на аналоги, утверждение окончательного перечня ЭРИ;
•детальный анализ конструкции, уточнение рабочих условий;
•закупка ЭРИ, проверка части ЭРИ на соответствие требованиям по стойкости.
Затраты на обеспечение радиационной стойкости можно снизить благода-
ря проектированию с запасом, тщательному выбору места размещения чувствительных ЭРИ на КА и экранированию их другими узлами КА, что уменьшает уровень облучения, и применению ЭРИ с известным уровнем стойкости.
В нашей реальной жизни воздействовать на технологию изготовления ЭРИ или рассчитывать на контроль каких-то параметров в процессе производства невозможно, поэтому необходимо развитие методов отбраковки на готовых образцах.
Обеспечение радиационной стойкости ЭРИ в аппаратуре КА может развиваться в двух направлениях:
• оптимальная компоновка аппаратуры и ЭРИ на КА;
333
• отбраковка ЭРИ по уровню радиационной стойкости.
Отбраковка по уровню радиационной стойкости может быть проведена, например, с использованием радиационно-термической отбраковки включающей
всебя следующие этапы:
•начальное измерение электрических параметров элементов при нормальных условиях и запись измеренных значений параметров с привязкой результатов замеров к индивидуальным номерам элементов в партии;
•проведение радиационной обработки элементов;
•промежуточное измерение электрических параметров элементов при нормальных условиях и запись измеренных значений параметров с привязкой результатов замеров к индивидуальным номерам элементов в партии ( измерение проводится для оценки воздействия радиации на параметры элементов, определения начального ухода параметров и отбраковки элементов с пониженной стойкостью к воздействию радиации);
•проведение термической обработки элементов для восстановление пара-
метров после воздействия радиации (например, 30÷50 часов );
•окончательное измерение электрических параметров элементов при нормальных условиях и запись измеренных значений параметров с привязкой результатов замеров к индивидуальным номерам ЭРИ в партии;
•загрузка начальных, промежуточных и окончательных результатов измерений в базу данных, расчет ухода параметров (дрейф параметров), оценка достаточности термической обработки (восстановление параметров до на-
чального значения ± (5÷10)% для 80%÷90% элементов в партии), отбраковка элементов с повышенным дрейфом параметров и отбраковка элементов с пониженной стойкостью к ИИ;
•проведение (при необходимости) дополнительной термической обработки элементов для окончательного восстановление параметров после воздействия радиации ( 30…50 часов );
•дополнительное измерение электрических параметров элементов при нормальных условиях и запись измеренных значений параметров с при-
334
вязкой результатов замеров к индивидуальным номерам элементов в партии;
• загрузка дополнительных результатов измерений в базу данных, расчет ухода параметров (дрейф параметров) и отбраковка элементов с повышенным дрейфом параметров.
Ниже приведены результаты обработки данных для партии транзисторов 2Т3117А (413 штук) после облучения дозой 105 рад и последующим отжигом при температуре 125°С в течении 30 часов (отжиг 1) и еще 30 часов (отжиг 2).
|
|
|
|
Тест 1 7 |
|
h 2 1 e (Iэ= 1 0 М КА, U К= 5 В) |
||||||||||
|
2 0 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 8 ,1 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
усиления |
1 8 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 6 ,0 |
|
|
|
1 |
5 ,1 6 |
1 5 ,1 0 |
|
|
1 |
5 ,9 9 |
||||||
1 4 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Среднее значение |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 2 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стандартное отклонение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Коэффициент |
1 0 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сред-3 СТО |
|
8 ,4 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Норма ТУ |
||
8 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
6 ,5 |
|
6 |
,5 |
6 ,5 |
|
|
|
|
|
||||||
6 ,0 |
|
|
|
|
6 |
,5 |
||||||||||
|
|
|
5 |
,9 9 |
6 ,3 4 |
|
|
6 |
,5 2 |
|||||||
4 ,0 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3 ,2 2 |
|
3 |
,0 6 |
|
|
2 ,9 2 |
|
|
|
3 |
,1 6 |
||||
2 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 ,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Начальное |
Облучение |
Отжиг |
Отжиг 2 |
||||||||||||
|
значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 98 Результаты обработки экспериментальных данных по изменению коэффициента усиления транзисторов 2Т3117А при Iэ=10 мкА, Uк=5 В
|
|
|
Т ест 1 8 |
h 2 1 e |
|
|
9 0 ,0 |
|
|
|
|
|
8 0 ,0 |
7 9 ,1 5 |
7 8 ,3 5 |
7 3 ,6 1 |
7 5 ,2 8 |
усиления |
7 0 ,0 |
|
|
||
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
6 0 ,0 |
|
|
|
Среднее значение |
|
5 0 ,0 |
|
|
|
||
Коэффициент |
|
|
|
Стандартное отклонение |
|
4 0 ,0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
3 0 ,0 |
|
|
|
|
|
2 0 ,0 |
1 4 ,3 0 |
1 4 ,2 1 |
1 2 ,8 9 |
1 3 ,3 3 |
|
|
|||||
|
1 0 ,0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
0 ,0 |
|
|
|
|
|
Н ачальное |
О блучение |
О тж иг |
О тж иг 2 |
|
|
значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
336 |
|
|
|
|
|
Тест 4 |
Ток утечки по ТУ, Iкбо |
||||
|
5,0E-05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4,5E-05 |
|
|
|
|
|
|
4,33E-05 |
|
4,0E-05 |
4,10E-05 |
4,19E-05 |
4,20E-05 |
|
Среднее значение |
||
mA |
|
Стандартное отклонение |
||||||
3,5E-05 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Сред-3СТО |
||
, |
3,0E-05 |
|
|
|
|
|
|
|
утечки |
|
|
|
|
|
|
|
|
2,5E-05 |
2,07826E-05 |
|
|
|
|
|
||
2,0E-05 |
|
|
|
|
|
|||
Ток |
1,5E-05 |
|
|
1,55273E-05 1,47654E-05 |
1,26E-05 |
|||
|
1,0E-05 |
|
|
8,78E-06 |
9,09E-06 |
|
||
|
6,75E-06 |
|
5,55876E-06 |
|||||
|
5,0E-06 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
0,0E+00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Начальное |
Облучение |
|
Отжиг |
Отжиг 2 |
|||
|
значение |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 102 Результаты обработки экспериментальных данных по изменению тока утечки |
||||||||
Iкбо транзисторов 2Т3117А при Uкб=60В |
|
|
||||||
|
|
|
Тест 5 Ток утечки по ТУ, Iэбо |
|||
|
5 ,0 E -0 5 |
|
|
|
|
|
|
4 ,5 E -0 5 |
4 ,1 8 E -0 5 |
4 ,2 7 E -0 5 |
4 ,1 8 E -0 5 |
4 ,4 5 E -0 5 |
|
|
4 ,0 E -0 5 |
|
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
A |
3 ,5 E -0 5 |
|
|
|
|
Среднее значение |
|
|
|
|
|
||
, m |
|
|
|
|
|
|
3 ,0 E -0 5 |
|
|
|
|
Стандартное отклонение |
|
утечки |
|
|
|
|
|
|
2 ,5 E -0 5 |
|
|
|
|
|
|
2 ,0 E -0 5 |
|
|
|
|
|
|
Ток |
|
|
|
|
|
|
1 ,5 E -0 5 |
|
|
|
|
1 ,2 7 E -0 5 |
|
|
|
|
|
|
||
|
1 ,0 E -0 5 |
|
|
9 ,9 7 E -0 6 |
|
|
|
8 ,1 3 E -0 6 |
7 ,9 1 E -0 6 |
|
|||
|
5 ,0 E -0 6 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 ,0 E +0 0 |
|
|
|
|
|
|
Начальное |
Облучение |
Отжиг 1 |
Отжиг 2 |
||
|
значение |
|
|
|
|
|
Рис. 103 Результаты обработки экспериментальных данных по изменению тока утечки Iэбо транзисторов 2Т3117А при Uэб=4В
Подобные данные получены и на другие типы транзисторов, стабилитро-
нов, микросхем. Анализ результатов показывает, что:
•стандартное отклонение параметров ЭРИ при всех видах испытаний не возрастает - это говорит о том, что своими действиями мы не вносим существенных изменений в структуру, то есть, не вредим ЭРИ;
•некоторое увеличение стандартного отклонения для токов утечки может
быть связано, например, с различной температурой окружающей среды