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

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).

Рис. 98 Результаты обработки экспериментальных данных по изменению коэффициента усиления транзисторов 2Т3117А при Iэ=10 мкА, Uк=5 В

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