CC BY
526
НИКИФОРОВ1 Александр Юрьевич, д.т.н.; ТЕЛЕЦ2 Виталий Арсеньевич, д.т.н.
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СВЯЗИ
Проанализированы, проблемы, и особенности обеспечения, и контроля радиационной стойкости современной электронной компонентной базы, как наиболее уязвимого звена систем, специальной техники и связи. Представлены, основные положения. базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники.
Problems and features of provision and the control of radiating hardness of modern electronic componental base as most vulnerable link of special technics and communication systems are analysed. Substantive provisions of base technology of forecasting, an estimation and the control of microelectronics items radiating hardness are presented.
Современные системы специальной техники и связи (ССТиС) в составе космических, авиационных, военных, ядерных комплексов работают в жестких условиях эксплуатации, подвергаясь радиационным воздействиям естественного и искусственного происхождения. Во многих случаях отказы бортовых систем управления, навигации, телеметрии, связи и обработки информации в реальных условиях определяются радиационными эффектами в комплектующей электронной компонентной базе (ЭКБ). Наиболее слабым звеном, определяющим отказы ССТиС является современная ЭКБ микро-, опто-, полупроводниковой и твердотельной СВЧ-электрони-ки. Безотказная работа информационных систем в условиях радиационных воздействий обеспечивается применением ЭКБ с эксплуатационными характеристиками, соответствующими заданным требованиям и моделям эксплуатации, выбором безопасных режимов работы и применением общесистемных методов защиты и парирования отказов.
Номенклатура ЭКБ, применяемая в современных ССТиС, разнообразна и включает в себя несколько тысяч активных и пассивных компонентов — цифровых и аналоговых микросхем и электронных модулей, преобразователей вида и формы информации (аналого-цифровых, цифро-аналоговых, угол-код, физических величин и компонентов датчиков), источников питания, оптико-электронных устройств, изделий твердотельной СВЧ-электроники,
транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.
Наиболее критичными компонентами с максимальной чувствительностью к радиационным воздействиям являются высокоинтегрированные сверхбольшие интегральные схемы (микропроцессоры, микроконтроллеры, программируемые логические интегральные схемы — ПЛИС, запоминающие устройства — ЗУ), прецизионные интегральные устройства (преобразователи, усилители, коммутаторы, стабилизаторы напряжения) и оптико-электронные системы (например, на приборах с зарядовой связью — ПЗС), поэтому вопросам радиационной стойкости этих устройств необходимо уделять наибольшее внимание при создании ССТиС на их основе. Пассивные компоненты, дискретные приборы (диоды, транзисторы, за исключением мощных и высоковольтных) — напротив, считаются относительно радиационно стойкими и не требуют специальных мер по обеспечению их работоспособности. Особенностью современного этапа создания ССТиС является то обстоятельство, что около 80% ЭКБ являются изделиями иностранного производства (ИП) коммерческого или индустриального исполнения, к которым требования по радиационной стойкости изначально не предъявляются, а характеристики радиационной стойкости (РС) не контролируются и не регламентируются изготовителями в эксплуатационной документации.
Большинство типов применяемой отечественной ЭКБ в этом плане имеют
неоспоримые преимущества, так как их уровни РС указаны в технических условиях и соответственно гарантируются изготовителями. Однако в настоящее время отечественные изделия уступают иностранным аналогам на рынке ЭКБ для ССТиС по индексу применяемости, доступности, цене и в целом по техническому уровню. Представленный на рынке номенклатурный ряд микросхем ИП много шире аналогичного ряда отечественных изделий, а их усредненный технический уровень на одно-два поколения превышает уровень отечественных схем. Потребителям доступны сложно-функциональные отечественные микросхемы, созданные, например, в НИИСИ РАН, ЗАО ПКК «Миландр», ЗАО НТЦ «Модуль», ГУП НПЦ «ЭЛВИС», ОАО «НИИМЭ и Микрон», которые во многом формируют передовой уровень отечественной микроэлектроники. Многие из изделий, хотя и являются отечественными разработками, изготовлены на зарубежных кремниевых фабриках, технологический процесс которых, как правило, не обеспечивает для продукции требуемой РС.
Хотя справедливо отметить, что определенное исключение из этого ряда составляет ЭКБ НИИСИ РАН и ФГУП ФНПЦ НИИИС, элементно-технологический базис которой на структурах с диэлектрической изоляцией элементов изначально (т.е. на ранних этапах разработки и производства) ориентирован на обеспечение требований РС.
При создании современных ССТиС, предназначенных для работы в полях
1 — профессор НИЯУ «МИФИ», генеральный директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
2 - директор ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ».
радиационных воздействий, необходимо обеспечить оценку и контроль РС применяемой ЭКБ в процессе ее радиационных испытаний. Уровень радиационной стойкости ЭКБ зависит не только от конструктивно-технологических и схемно-топологических особенностей реализации изделия, но и от множества объективных и субъективных условий, таких как:
♦ выбора информативных параметров и критериев работоспособности (годности) изделий, методик и технических средств испытаний;
♦ режимов (электрических и функциональных) работы изделия в процессе испытаний (в сопоставлении с эксплуатационными);
♦ условий испытаний (климатических, сопутствующих) — в сопоставлении с эксплуатационными.
Достаточно острой стала проблема стабильности (разбросов) показателей РС в различных партиях однотипной ЭКБ: производственных — для отечественных микросхем и закупочных — для изделий ИП, и даже в пределах одной производственной (закупочной) партии. Необходимость выполнения значительных объемов испытаний разнообразных, функционально и конструктивно сложных изделий на всех этапах их жизненного цикла (в процессе разработки, производства и эксплуатации) обусловили создание и реализацию отечественной интеллектуально защищенной базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля РС ЭКБ (далее
— Базовая технология).
Базовая технология стала результатом более 20 лет теоретических и экспериментальных исследований по созданию и отработке моделей, методов, комплексов испытательного и контрольно-измерительного оборудования, программных средств, системы стандартов, которые обеспечили:
♦ достоверную оценку РС микросхем в условиях запрета натурных полигонных испытаний на основе сочетания типовых моделирующих установок и впервые созданных энергосберегающих и экологичных имитаторов;
♦ прогнозирование и контроль РС изделий в процессе их разработки и производства для повышения выхода годных, достижения требуемого технического уровня и эксплуатационных характеристик;
♦ кардинальное повышение информативности результатов оценки РС изделий за счет увеличения количества контролируемых параметров, внедрения компьютерных технологий, обеспечения комплексного воздействия радиационных и климатических факторов.
В целом Базовая технология являет собой единство научно-технических знаний, моделей, методов, методик, аппаратно-программных средств, технологических операций, конструктивно-технологических и схемно-топологических решений, испытательного и контрольно-измерительного оборудования, государственных и отраслевых стандартов и нормативных документов:
♦ образующая комплексную систему радиационных испытаний ЭКБ на моделирующих установках (МУ) и имитаторах на всех этапах активного жизненного цикла;
♦ имеющая лучшее из известных систем сочетание достоверности и технико-экономической эффективности испытаний в условиях запрета натурных облучательных опытов и ограниченных возможностей современных испытательных установок;
♦ открывающая принципиально новые возможности проведения испытаний на РС современной и перспективной ЭКБ с контролем всех информативных параметров непосредственно в условиях испытательных воздействий.
Базовая технология представима в совокупности следующих компонентов.
Г1 Научная база — комплекс научных знаний, моделей и программных средств моделирования радиационных эффектов и доминирующих механизмов отказов изделий микроэлектроники с учетом радиационных воздействий, в том числе с предельными уровнями. При ее формировании научно обоснован и определен состав доминирующих радиационных эффектов в полупроводниковых и других структурах ЭКБ, разработаны методы их имитационного экспериментального моделирования, основанные на эквивалентности реакций ЭКБ в условиях реальных радиационных воздействий и лазерных, рентгеновских и других испытательных воздействий.
Г2 Нормативная база — комплекс основополагающих нормативно-мето-
дических и директивных документов по заданию технических требований РС, методам прогнозирования и оценки соответствия ЭКБ требованиям РС, методам их радиационных испытаний. При ее формировании разработаны и внедрены комплексы военных отечественных государственных и отраслевых стандартов по обеспечению и контролю РС ЭКБ (ГОСТ РВ 20 57.415, ГОСТ РВ 20 39.414.2, ОСТ В 11 073.013, ч.10 и др.).
Экспериментальная база — комплекс научно обоснованных, разработанных и внедренных высокоэффективных методов радиационных испытаний ЭКБ, функционально полного ряда моделирующих и имитирующих испытательных установок, методик метрологической аттестации и дозиметрического обеспечения испытаний, методик и технических средств контроля работоспособности и диагностики отказов ЭКБ в ходе испытаний, обеспечивающих контроль информативных параметров (точностных, динамических, шумовых, др.), ранее не контролируемых. При ее формировании создан, аттестован и использован при испытаниях ЭКБ ряд лазерных (серия «РАДОН») и рентгеновских (серия «РЕИМ») имитаторов. Впервые созданы, аттестованы и внедрены в практику испытаний комплексы на основе малых МУ, которые сочетают в себе высокие проникающую способность излучений типовых МУ и производительность имитаторов.
[4 Проектно-производственная база
— комплекс конструктивно-технологических и схемно-топологических методов и решений, контрольных технологических операций, обеспечивающих заданный уровень РС изделий на этапах разработки и его гарантированную стабильность в процессе производства и эксплуатации в аппаратуре. При ее формировании радиационные испытания, ранее используемые лишь для финишного контроля микросхем, стали инструментом создания более широкой номенклатуры ЭКБ, обеспечивая оперативность принятия и апробации технических решений, выявления наиболее уязвимых элементов, параметров и режимов работы изделий. Разработанная и внедренная система 100% (сплошного) и/или выборочного (приемка партий пластин) контроля радиационной стойкости ЭКБ гарантирует обеспечение
воспроизводимости показателей РС. Внедрение Базовой технологии позволило более чем на порядок сократить время испытаний и энергопотребление при увеличении достоверности результатов, существенно увеличить количество выборок испытательной информации без увеличения затрат; повысить производительность труда за счет автоматизации процесса испытаний ЭКБ и размещения испытательного оборудования непосредственно на рабочих местах; обеспечить высокую санитарную и экологическую безопасность.
Базовая технология прогнозирования,
оценки и контроля радиационной стойкости ЭКБ для ССТиС продолжает интенсивно развиваться, что, безусловно, отражает данный тематический выпуск журнала, сформированный по результатам исследований ученых и специалистов научно-образовательного центра (НОЦ) «Стойкость», объединяющего в рамках инновационного сотрудничества и частно-государственного партнерства Институт экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ) Национального исследовательского университета (НИЯУ) «МИФИ» и ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
Испытательный центр НОЦ «Стойкость» обеспечивает значительную часть радиационных испытаний ЭКБ для отечественных потребителей. В качестве основного приоритета и критерия эффективности развития центра принята задача обеспечения рационального и наилучшего для потребителя соотношения информативности, оперативности, полноты, достоверности результатов и качества испытаний при достижении эффективных техникоэкономических показателей оценки РС ЭКБ при создании СТСиС нового поколения
ЯНЕНКО1 Андрей Викторович, к.т.н.; ЧУМАКОВ2 Александр Иннокентьевич, д.т.н.; ПЕЧЕНКИН3 Александр Александрович; САВЧЕНКОВ4 Дмитрий Владимирович; ТАРАРАКСИН5 Александр Сергеевич; ВАСИЛЬЕВ6 Алексей Леонидович
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА ЛАЗЕРНЫХ ИМИТАТОРАХ И УСКОРИТЕЛЯХ ИОНОВ
Рассмотрены, основные современные подходы для. расчетно-экспериментальной оценки параметров чувствительности электрорадиоизделий к воздействию отдельных ядерных частиц с использованием, испытаний на моделирующих установках и лазерных имитаторах. В работе показано, что полный комплекс исследований стойкости изделий к воздействию отдельных ядерных частиц следует, проводить с использованием, как моделирующих установок, так и лазерных имитаторов. Ключевые слова: одиночные эффекты, тяжелые заряженные частицы, локальное лазерное излучение.
Modern test approaches for microelectronic devices single event effects sensitivity parameters evaluation, utilizing laser simulators and ion accelerators are discussed. For the peculiarities of each approach the most complete SEE tests one can perform, using both laser simulators and. ion accelerators.
Keywords: single event effects, heavy ions, local laser irradiation.
Широкое применение современных изделий микроэлектроники в электронной аппаратуре космических аппаратов делает крайне актуальной задачу по оценке их параметров чувствительности к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) — потоков тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) и высокоэнергетичных протонов (ВЭП) космического пространства (КП) [1 - 5]. Возникающие локальные радиационные эффекты типа сбоев, тиристорных эффектов (ТЭ) или катастрофических отказов, несмотря на
относительно невысокую вероятность их появления в реальных условиях эксплуатации, тем не менее, в ряде случаев приводят к функциональным отказам в работе всего космического аппарата. Как правило, параметры чувствительности для каждого типа локального радиационного эффекта в интегральной схеме (ИС) включает в себя зависимости сечений эффектов от линейных потерь энергии (ЛПЭ) ТЗЧ или от энергии ВЭП, которые определяются расчетно-экспериментальными методами. Расчетные методы для большинства
1 - доцент НИЯУ «МИФИ»;2 - профессор НИЯУ «МИФИ»;
3 - н.с. ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;4 - м.н.с. ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
5 - аспирант НИЯУ «МИФИ»;6 - м. н.с. ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
эффектов дают большую погрешность (например, по тиристорным эффектам практически не пригодны), однако при оценке параметров по эффектам одиночных сбоев в ИС с регулярными структурами (ОЗУ, ПЛИС и т.п.) могут давать приемлемую точность оценок. Очень часто оказывается невозможным подыскать эквивалентную замену ИС, имеющую высокую чувствительность, на ее радиационно стойкий аналог. В этом случае в электронной аппаратуре космических аппаратов необходимо предусмотреть комплекс мер, направ-
