CC BY
194
типов СВЧ ИС и БИС, разработанных зарубежными фирмами и российскими предприятиями и организациями: Peregrine, Analog Devices, MiniCircuits, Hittite, Agilent, ФГУП «НПЦ «НИИИС», ФГУП «НИИМА «Про-
гресс», ЗАО «ПКК «Миландр», ФГУП «НПП «Пульсар», ОАО «НИИМЭ и Микрон» и др.
Авторы выражают признательность Громову Д.В., Назаровой Г.Н., Кузнецову А.Г. (ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» и
ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»), Прилепско-му С.А. (Российское представительство компании «Аджилент Текнолод-жиз») и Васильеву В.И. (ФГУП «НПП «Исток») за помощь, ценные замечания и интерес к работе
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. — М.: Радио и связь, 2004. — 320 с.
2. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В, Кабальнов Ю.А., Титаренко А.А. Исследование СВЧ характеристик отечественной КНИ КМОП технологии с нормами 0,35 мкм./ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. науч. тр. — М: МИФИ, 2011. — С. 90 — 101.
3. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В. Маршрут, исследований ИС многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов для АФАР СВЧ диапазона./ Известия вузов. Электроника, 2011. — № 4 (90). — С. 78 — 85.
4. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Учет, влияния температуры, на адекватность лазерного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в ПП и ИС./Микроэлектроника, 2008. — Том. 37. — № 1. — С. 18 — 27.
5. Чуков Г.В., Назарова Г.Н., Елесин В.В. Исследование СВЧ характеристик отечественного металлостеклянного корпуса 401.14-5 производства ОКБ «МАРС». / Научная сессия МИФИ-2009: Аннотации докладов./ В 3 т. - Т.1. - М.: МИФИ, 2009. - С. 181.
6. Техническое описание на смеситель ИМС798ЬС4./ http://www.hittite.com/products/view.html/view/HMC798LC4.
7. Елесин В.В., Чуков Г.В. Сравнительный анализ методик измерения Б-параметров некоаксиальных СВЧ устройств./ Научная сессия МИФИ-2008: Сб. научных трудов./ В 15 т. — М.:МИФИ, 2008.
8. Методические рекомендации по измерению коэффициента шума./ http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-8255E.pdf.
КАЛАШНИКОВ1 Олег Арсеньевич, к.т.н., доцент; НИКИФОРОВ2 Александр Юрьевич, д.т.н.
МЕТОДИКА СЕРТИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ БОРТОВОЙ КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ПО СТОЙКОСТИ К ДОЗОВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
Предложена методика сертификации электронной компонентной базы, бортовой космической аппаратуры по стойкости к дозовому воздействию, основанная на выборе рационального состава испытаний с учетом предварительного анализа уровней стойкости компонентов. Применение методики позволяет существенно уменьшить трудоемкость сертификации без снижения, достоверности оценки.
Ключевые слова: космическое излучение, интегральные схемы., дозовые эффекты..
Total dose certification, technique of electronic components for space applications is proposed. It is based, on the components total dose hardness preliminary analysis and on following selection of the reasonable tests set. This technique allows to reduce dramatically the certification, cost without estimations reliability reduction.
Keywords: space irradiation, integrated, circuits, total dose effects.
Специфика современной космической аппаратуры (КА) заключается в том, что в ней широко применяется электронная компонентная база (ЭКБ) иностранного производства (ИП). И хотя в последние годы ситуация несколько меняется, в целом доля ЭКБ ИП в КА превышает 90% и в ближай-
шее время вряд ли существенно снизится. При этом компоненты классов Space, Military и RadHard закупаются редко, большая часть закупаемых и устанавливаемых в КА компонентов — класса Industrial. Это означает, что информация по радиационной стойкости ЭКБ у разработчика аппаратуры отсут-
ствует и возникает необходимость соответствующей сертификации используемых компонентов.
При эксплуатации в космосе основными радиационными факторами, воздействующими на аппаратуру, являются:
1) накопление дозы, главным образом от воздействующих на аппаратуру
1 - начальник НТК-2 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
2 - профессор НИЯУ МИФИ, генеральный директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»
электронов и протонов космического пространства;
2) одиночные эффекты (в том числе и катастрофические) от ядерных частиц и протонов космического пространства.
Хотя эти эффекты действуют на аппаратуру совместно, оценку их влияния методически и технически целесообразно проводить раздельно, так как значимого взаимного влияния данных эффектов не выявлено. В статье будут рассмотрены методические аспекты сертификации ЭКБ КА по стойкости только к дозовому воздействию. Методические подходы к сертификации ЭКБ по одиночным эффектам проанализированы в [1 — 3].
Сертификация КА на соответствие модели эксплуатации по дозовой стойкости может проводиться либо по результатам радиационных испытаний образцов КА, либо по наличию данных о стойкости всех входящих в нее комплектующих изделий ЭКБ, каждое из которых должно обеспечивать заданный уровень стойкости КА с некоторым коэффициентом запаса (на практике — трехкратным).
Дозовые испытания КА вполне реализуемы на практике, однако данный подход сопряжен с потенциальными проблемами.
Во-первых, имеются технические сложности: необходимо в ходе радиационных воздействий обеспечить равномерность облучения всего прибора, реализовать полноценный контроль его работоспособности, обеспечить статистическую достоверность результатов в условиях испытаний малого числа образцов (на практике — одного). Во-вторых, относительно информативным является только положительный результат таких испытаний. Действительно, если после набора заданной дозы образец КА полностью работоспособен, можно говорить о том, что сертификация прошла успешно. А если результат отрицательный? Как определить, какой именно компонент отказал? Выбрасывать весь прибор и начинать проектирование заново? В-третьих, объем полезной информации, полученной в результате радиационных испытаний аппарата в целом, ничтожен даже в случае их успешного завершения. Мы не знаем ничего о стойкости узлов и компонентов, об их
влиянии на работу или отказ прибора, о запасах по стойкости. Поэтому невозможно дать рекомендации разработчикам по применению этих же компонентов в других приборах, где будут не только другие требования по радиационной стойкости, но и другие условия применения, режимы работы компонентов.
Поэтому существенно более эффективным является предварительный анализ дозовой стойкости всех типов ЭКБ в составе КА — в дальнейшем речь пойдет о сертификации именно компонентов, а не КА в целом.
В ходе решения собственно задачи сертификации ЭКБ — оценки соответствия заданным требованиям по радиационной стойкости — решаются следующие сопутствующие задачи:
1) определение фактических уровней стойкости ЭКБ;
2) оценка запасов по стойкости относительно заданных требований;
3) исследование влияния режимов и условий работы компонентов на их дозовую стойкость.
Основной проблемой здесь является большой объем радиационных испытаний, которые необходимо провести. Действительно, типичная спецификация КА содержит сотни, а иногда — и тысячи компонентов. Все их испытать в рамках разумных сроков и ресурсов обычно нереально.
Следует отметить, что объектом сертификации является не тип, а закупочная партия ЭКБ ИП, что не позволяет априорно распространить результаты сертификации образцов ЭКБ одного и того же типа, но применяемых в составе различных образцов КА.
Для того чтобы уйти от абсурдной ситуации с необходимостью испытаний тысяч компонентов (причем для каждого нового образца КА), следует на начальном этапе сертификации провести предварительный анализ номенклатуры и определить рациональный объем испытаний.
Прежде всего, проводятся предварительные оценка и прогнозирование уровней стойкости всей номенклатуры ЭКБ. Оценка проводится по результатам ранее проведенных испытаний, причем здесь основным вопросом является доверие к этим результатам. Вопрос снимается, если оценка проводится квалифицированным испыта-
тельным центром, имеющим солидную базу собственных испытаний. Для каждого типа ЭКБ определяется предварительное (прогнозное) значение уровня стойкости DПpЕДВ. Вопрос о необходимости испытаний каждого компонента решается на основе соотношения между заданным уровнем требований DТpЕБ и предварительной оценкой DПpЕДВ с учетом коэффициента запаса:
при D
ПРЕДВ
> КзАП Х Dт
испытания можно не проводить,
(1)
при D
ПРЕДВ
< Кзап Х Dт
испытания необходимы.
Коэффициент запаса КЗАП характеризует степень риска предварительной оценки и определяется источником информации о ранее проведенных испытаниях и уровне стойкости. Выше было отмечено, что, в первую очередь, следует опираться на собственные результаты, однако это не всегда возможно
— информационных ресурсов испытательного центра (ИЦ) может оказаться недостаточно, и не следует игнорировать другие информационные источники. В первую очередь, это указанные в сопроводительной документации справочные данные изготовителя, но информация о радиационной стойкости дается только для компонентов классов Space, Military и RadHard, а их доля, как уже говорилось, невелика. Поэтому имеет смысл привлекать информацию из научно-технических публикаций, отчетов по результатам испытаний, справочников, бюллетеней и т.д.
Но и на этом возможности информационного поиска не исчерпываются. Номенклатура современной ЭКБ настолько широка, а микроэлектроника так динамично развивается, что вероятность обнаружения данных о радиационной стойкости конкретного компонента может быть крайне мала, зато есть данные о результатах испытаний ближайшего аналога. Аналог — это компонент того же производителя, что и исходный, близкий по функциональным и конструктивно-технологическим параметрам.
Вопрос корректного выбора аналога для распространения результатов его испытаний достаточно деликатный, творческий, с трудом формализуется и требует привлечения экспертных методов. Действительно, утверждение о
SPEC_2011_SPT-1.indd 33
10
8 -
3 ± 4
□
3,4 ±3 ▼
1,9 ±0,4
1,3 ±0,2
: 8
9 о
▼
▼
2,1 ± 0,7 2,8 ± 1
Д ■
А +
□
1 2 3 4 5)
Информационный источник
Рис. 1. Распределения значений коэффициентов достоверности предварительной оценки дозовой стойкости ЭКБ
Таблица 1. Значения коэффициентов запаса предварительной оценки дозовой стойкости ЭКБ
Информационный источник 1 2 3 4 5 6
Значение КЗАП 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 7,0
возможности переноса данных о стойкости одного компонента на другой, пусть и похожий, должно быть обосновано. Вот несколько примеров удачно выбранных аналогов: ПЛИС XC95144 и XC95288 (Xilinx) различаются числом функциональных блоков, микросхемы флэш-памяти AM29F016 и AM29F032 (AMD) — информационной емкостью, сигнальные процессоры ADSP-2181 и ADSP-2185 (Analog Devices) — предельной тактовой частотой, стабилизаторы напряжения LT1763CS8-3.3 и LT1763CS8-5 (Linear Technology) — выходным напряжением.
Наименьшие сомнения относительно возможности распространения результатов радиационных испытаний аналогов возникают в случае пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, дроссели и т.п. Здесь имеется огромный потенциал по радикальному сокращению объема испытаний. Действительно, специфи-
кации приборов содержат, как правило, десятки, а то и сотни однотипных компонентов, различающихся только номиналом (например, в составе только одного из блоков современного КА имеется более 170 типономиналов резисторов CR 0603 фирмы Bourns). Для оценки их стойкости достаточно иметь данные об одном-двух типономиналах. Таким образом, предварительная оценка дозовой стойкости ЭКБ производится по различным данным — от собственных результатов ранее проведенных испытаний до информации о стойкости аналога из научных публикаций. Разумеется, степень доверия к этим данным совершенно разная, и именно достоверность предварительной оценки должен отражать коэффициент запаса КЗАП из соотношения (1). На практике мы выделяем шесть видов информационных источников, используемых для предварительного анализа радиационной стойкости ЭКБ КА:
1) результаты собственных испытаний данного компонента (база данных ИЦ);
2) информация производителя данного компонента (спецификация);
3) результаты собственных испытаний аналога (база данных ИЦ);
4) информация производителя аналога (спецификация);
5) информация о стойкости данного компонента из статей, отчетов, справочников;
6) информация о стойкости аналога из статей, отчетов, справочников.
Если информационный поиск по всем этим источникам не дает возможности оценить радиационную стойкость компонента, его необходимо испытывать. Ясно, что коэффициент запаса для первого случая должен быть меньше, чем для шестого, но необходима обоснованная количественная оценка значений коэффициентов запаса. Для ее получения были проведены исследования по определению достоверности предварительных оценок дозовой стойкости, полученных из всех шести информационных источников. Предварительные оценки, сделанные до испытаний, сравнивались с реальными результатами испытаний (уровнями стойкости). Всего проанализированы данные по 41 типу ЭКБ.
Введем коэффициент достоверности предварительной оценки КДОСТ, который определим как отношение реального уровня стойкости DОТК к значению предварительной оценки DПРЕДВ (или наоборот, в целях нормировки):
max (Dotk DnPEAB) min (DOTK , Е-ПРЕДВ--
(2)
Коэффициент достоверности по размерности и смыслу совпадает с коэффициентом запаса из (1), что позволяет использовать его для количественных оценок значений КЗАП. Значению КДОСТ = 1 соответствует абсолютная достоверность предварительной оценки. Ясно, что даже при использовании собственных результатов предыдущих радиационных испытаний данного компонента абсолютная достоверность невозможна (из-за разброса показателей стойкости между производственными партиями).
На рис. 1 приведены распределения значений КДОСТ для всех шести информационных источников. Указаны
Рис. 2. Снижение относительного числа испытываемых активных
компонентов
б
Рис. 3. Процедура идентификации образцов: а) - сравнение внешнего вида; б) - сравнение рентгеновских фотографий кристаллов; в) - декапсуляция корпусов; г) - сравнение кристаллов и
маркировок
средние значения коэффициентов достоверности и значения дисперсий. Хотя статистический материал совсем невелик, но четко прослеживается тенденция уменьшения достоверности при снижении «надежности» источника информации, а также при переходе к оценке по аналогу.
Значения коэффициентов запаса КЗАП, определенные на основе этих данных, приведены в табл. 1. Заключение о необходимости радиацион-
ных испытаний делается с учетом коэффициентов запаса по соотношению (1).
Отказ от полного и переход к рациональному объему испытаний позволяет существенно (иногда в десятки раз) сократить затраты на радиационные испытания ЭКБ. Эффективность такого перехода напрямую зависит от информационной обеспеченности ИЦ, причем, в первую очередь, — результатами собственных испытаний. Непре-
8РЕС_2011_8РТ-1ЛшИ 35
рывный процесс пополнения информационной базы ИЦ по мере проведения все новых и новых радиационных испытаний приводит к возможностям постепенного сокращения рационального объема испытаний без потери достоверности сертификации в целом, особенно для единой кооперации разработчиков и изготовителей КА. На рис. 2 отмечены значения относительного числа испытываемых активных компонентов (микросхем и транзисторов) при сертификациях ЭКБ различных КА, проведенных в ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» за последние годы. Видно, что эта доля постепенно снижается по мере наполнения базы данных ИЦ. Очевидно, что рациональный состав испытаний зависит от заданных требований по поглощенной дозе DТpЕБ. При сертификации ЭКБ на уровень 50 крад приходится испытывать практически всю номенклатуру. Наоборот, при низких требованиях (на рис. 2 точка с уровнем требований 1 крад) обычно достаточно испытать лишь несколько потенциально наименее стойких компонентов. Линия тренда на рис. 2 проведена для средних требований по поглощенной дозе — 5...10 крад. Условием распространения результатов ранее проведенных испытаний на образцы новой партии является идентичность компонентов. Поэтому обязательной составной частью предварительного анализа является процедура идентификации образцов, которая включает в себя (рис. 3):
1) сравнение внешнего вида (маркировок корпуса),
2) рентгеновское фотографирование образцов и сравнение рентгеновских фотографий кристаллов,
3) декапсуляция корпусов (удаление крышек) и сравнение кристаллов,
4) сравнение маркировок кристаллов. Предложенная методика позволяет существенно сократить объем радиационных испытаний до рационального
— минимально необходимого и достаточного, — но не предполагает совсем отказаться от них. Основным способом сертификации ЭКБ по-прежнему остаются радиационные испытания, причем выбор из всей номенклатуры только потенциально наиболее чувствительных компонентов дает возможность полностью сосредоточить ресурсы на тщательной подготовке и прове-
дении их испытаний в целях получения максимально возможной информации об особенностях дозового радиационного поведения.
Радиационные испытания современной ЭКБ в ходе их сертификации для применения в КА имеют ряд специфических особенностей, которые непосредственно вытекают из приведенных в начале статьи задач сертификации. Во-первых, для определения фактических уровней стойкости и запасов относительно заданных требований испытания следует проводить не до уровня DJРЕБ, а до функционального отказа компонента. Кроме того, необходимо реализовать контроль работоспособности компонента в процессе облучения в промежуточных точках, т.е. должны определяться зависимости всех информативных контролируемых параметров от накопленной дозы. Во-вторых, в ходе испытаний необходимо, насколько это возможно, исследовать влияние функциональных и электрических режимов работы компонента на его радиационную стойкость. Этим достигается не только определение фактической стойкости компонента в наиболее критичном режиме («наихудший случай»), но и оценка стойкости для условий конкретного применения в аппаратуре.
Вообще, проблема эффективного контроля работоспособности современных функционально сложных микросхем при их радиационных испытаниях постепенно выходит на первый план и становится определяющей как в обеспечении достоверности, так и в трудоемкости испытаний в целом. Связано это с огромным функциональным разнообразием современной ЭКБ, широким спектром проявлений радиационных отказов, необходимостью сочетать функциональный контроль с параметрическим, а также такой специфической проблемой радиационных испытаний, как жестко ограниченное время, выделяемое на контроль работоспособности в процессе облучения. Свои ограничения накладывают и используемые для облучения компонентов радиационные установки (радиационная опасность, дистанционный характер измерений, высокий уровень электромагнитных помех).
Приведем несколько характерных примеров для иллюстрации особенностей и
Входное напряжение, В
Рис. 4. Дозовая деградация характеристики преобразования АЦП ADS2807Y (Texas Instr.)
Поглощенная доза, крад(81)
Рис. 5. Зависимости скорости чтения трех образцов микромодулей флэш-памяти SLCF128MM1 (STEC) от поглощенной дозы
о
ё
с
к
&
Поглощенная доза, pafl(Si)
Рис. 6. Зависимости тока потребления и числа ошибок кэш-памяти двух образцов процессора IDT79R3081E (IDT) от поглощенной дозы
б
Поглощенная доза, pafl(Si)
Рис. 7. Зависимости тока потребления (а) и выходного напряжения логического «0» (б) ПЛИС EPM570T100 (Altera) от поглощенной дозы
разнообразия дозовых отказов различных функциональных групп современных микросхем [4, 5]. На рис. 4 показаны статические характеристики преобразования аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADS2807Y (Texas Instr.) при двух значениях поглощенной дозы. Искажение характеристики преобразования АЦП приводит к ухудшению его точностных параметров. Дозовые зависимости скорости чтения микромодулей флэш-памяти SLCF128MM1 (STEC) показаны на рис. 5. Даже при снижении скорости чтения в пять раз функционирование микромодулей сохраняется в полном объеме, поэтому без динамического контроля работоспособности на предельных частотах оценка уровня стойкости этих микромодулей оказалась бы неверной.
Как уже говорилось, специфика дозо-вого поведения большинства функционально сложных микросхем проявляется в том, что функциональные отказы сопровождаются параметрическими. На рис. 6 показан одновременный рост тока потребления и числа ошибок в кэш-памяти процессора IDT79R3081E (IDT) при облучении.
На рис. 7 приведены зависимости тока потребления и выходного напряжения логического «0» ПЛИС EPM570T100 (Altera) от поглощенной дозы. Видно, что моменты функциональных отказов совпадают с резким изменением значений параметров микросхем. С одной стороны, это свидетельствует о необходимости обязательного сочетания функционального и параметрического контроля сложных микросхем при радиационных испытаниях. С другой, — дает некоторую возможность использовать дозовые зависимости электрических параметров в качестве индикатора функционального отказа. Требования к техническим средствам контроля работоспособности ЭКБ в ходе радиационных испытаний вытекают как из параметров и характеристик испытываемых компонентов, так и из специфики радиационного эксперимента. В настоящее время задачи функционального и параметрического контроля ЭКБ при радиационных испытаниях в ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» решаются с помощью системы на основе аппаратных блоков фирмы National Instruments и среды
SPEC_2011_SPT-1.indd 37
Рис. 8. Система контроля работоспособности ЭКБ при радиационных испытаниях на основе аппаратных блоков фирмы National Instruments и среды программирования LabView
программирования LabView (рис. 8). Система обеспечивает следующие характеристики:
♦ частота тактирования — до 150 МГц;
♦ количество выводов — до 200 (без учета возможностей наращивания);
♦ согласование уровней логических сигналов в диапазоне от 1,0 до 5,0 В;
♦ наличие внутренней памяти;
♦ возможность управления радиационными установками;
♦ сопряжение с персональным компьютером.
В состав системы входят блоки аналогового и цифрового ввода-вывода, высокоскоростного цифрового ввода-
вывода, цифровой мультиметр, осциллограф, программируемый источник питания. Виртуальные приборы для реализации функционального и параметрического контроля ЭКБ, создаваемые в среде LabView, позволяют задавать режимы контроля, осуществлять математическую обработку полученных результатов, формировать наглядные отчеты с графиками и статистической информацией.
Таким образом, предложенная методика сертификации ЭКБ КА по стойкости к дозовому воздействию включает следующие этапы:
1) анализ заданных требований по стойкости и предварительная оценка уровней стойкости компонентов;
2) выбор рационального объема и условий испытаний;
3) подготовка и проведение испытаний выбранных компонентов;
4) обработка результатов испытаний и подготовка сводного заключения о соответствии ЭКБ заданным требованиям.
Применение предложенного методического подхода позволяет гарантировать достоверность сертификации в условиях рациональных технико-экономических показателей, т.е. обеспечения минимально необходимых и достаточных объема и соответственно трудоемкости работ, при акценте на информативные испытания наиболее чувствительных компонентов во всех существенных режимах и условиях их работы
Литература
1. Беляков В.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю. и др. Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования эффектов одиночных сбоев в элементах современной микроэлектроники./ Микроэлектроника, 2003. - Т. 32. - № 2. - С. 134 - 151.
2. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н. и др. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./Микроэлектроника, 2008. - Т. 37. - № 1. - С. 45 - 51.
3. Чумаков А.И., Васильев А.Л., Козлов А.А. и др. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии факторов космического пространства./ Микроэлектроника, 2010. - Т. 39. - № 2. - С. 85 - 90.
4. Калашников О.А., Некрасов П.В., Соколов М.Н. и др. Экспериментальные исследования радиационного поведения микросхем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем — Стойкость-2006». - М.: МИФИ, 2006. - С. 259 - 260.
5. Ершова Е.В., Калашников О.А. Обзор сравнительных результатов радиационных испытаний интегральных схем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем - Стойкость-2009». - М.: МИФИ, 2009. - С. 236 - 239.
