специальных составов WALOPACK (ф. 3D Plus [1]) и. RAD-PAK® (ф. Maxwell Technologies [2]). По данным. разработчиков [2], технология RAD-PAK обеспечивает.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
МЭС
-
2012. Россия, Москва, октябрь 2012. © ИППМ РАН


УДК

621.382

Особенности оценки радиационной стойкости

микросхем в специализированных защитных корпусах

А.В. Уланова
1,2
, А.В. Согоян
2
, А.И. Чумаков
1
, А.Ю. Никифоров
1,2
, А.Г. Петров
1

1
Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ,
avulan
@
spels
.
ru


2
ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы"


Аннотация



Проведены расчетно
-
экспериментальные
исследования эффективности защитных покрытий
WALOPACK и RAD
-
PAK® по степени о
слабления
интенсивности электронного и гамма излучения.
Рассмотрены особенности проведения испытаний
микросхем в корпусах с локальной радиационной
защитой.

Ключевые слова



радиационная стойкость,
ионизирующее излучение, доза, коэффициент
ослабления, ИС, с
ертификация.

I.

В
ВЕДЕНИЕ

В настоящее время для локальной защиты
кристаллов интегральных микросхем (ИС) в составе
космической аппаратуры (КА) от воздействия
ионизирующего излучения (преимущественно
электронного) космического пространства (КП)
предложен ряд кон
структивных решений корпусов на
основе использования в качестве материалов корпусов
специальных составов
WALOPACK

(ф.

3
D

Plus

[1]) и
RAD
-
PAK
® (ф.

Maxwell

Technologies

[2]). По данным
разработчиков [2], технология RAD
-
PAK обеспечивает
уровень стойкости не н
иже 100

крад по отношению к
эффектам поглощенной дозы в условиях КП. При этом
принципиально важно, что эффективность такой
защиты существенно зависит от параметров орбиты,
сроков эксплуатации и компоновки КА [2], без учета
которых декларируемые в документа
ции на ИС уровни
дозовой стойкости не следует воспринимать как
окончательные. В общем случае необходимо
проведение дополнительных расчетно
-
экспериментальных оценок, уточняющих уровни
стойкости к поглощенной дозе, с учетом состава и
спектральных характерист
ик излучения на конкретно
заданной орбите. Важно отметить, что применение
локальной радиационной защиты не является
эффективной мерой обеспечения радиационной
стойкости микросхем по эффектам структурных
повреждений и одиночным эффектам (сбоям и
отказам) от

отдельных ядерных частиц.

Необходимо подчеркнуть, что при сертификации
ИС в рассматриваемых корпусах не применим
стандартный подход к оценке дозовой стойкости путем
проведения испытаний на гамма источниках с
применением типовой процедуры дозиметрии без
с
оответствующего учета защитных свойств
материалов корпусов по отношению к воздействию
электронов. Анализу данных вопросов посвящена
настоящая статья.

II.

О
ЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА О
СЛАБЛЕНИЯ КОРПУСОВ
НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛА
WALOPAC
K

Покрытие корпусов
WALOPACK

представля
ет
собой структуру с чередующимися слоями с
преимущественным содержанием керамики (
Al
2
O
3
) и
порошкообразного вольфрама (
W
).

В работе исследован фрагмент защитного
покрытия толщиной 2

мм. Средняя плотность
материала составила 4,42±0,03

г/см
3
. Исследования
коэффициента ослабления электронного излучения
проводились на ускорителе «У
-
31/33» (НИЯУ МИФИ)
при энергии электронов 2,1±0,1

МэВ. На рис.

1
показаны значения коэффициента ослабления
электронного излучения (по поглощенной дозе) при
различных углах падения
пучка. Расчет проводился с
помощью пакета
GEANT

в рамках системы моделей
PENELOPE
. Наблюдается удовлетворительное
согласие расчета с экспериментом, особенно в области
углов падения до 60
0
.


Рис. 1. Значения коэффициента

ослабления электронного
излучения (по поглощенной дозе) при различных углах
падения пучка материалом WALOPACK


III.

О
ЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА О
СЛАБЛЕНИЯ КОРПУСОВ
НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛА
RAD
-
PAK
®

Продукция

фирмы

ф
.

Maxwell Technologies [2]
производится

по

принципу

COTS (C
ommercial
-
Off
-
The
-
Shelf).
При этом радиационная стойкость готовых
микросхем на коммерчески доступных кристаллах
обеспечивается путем использования
специализированных корпусов по технологиям
RAD
-
PAK
®, X
RAY
-
P
AK
®, R
AD
-
S
TAK
® и т.д. Согласно
данным официального

дистрибьютора ф.

Maxwell

Technologies

в России [3], эффективность защиты
RAD
-
PAK
® может варьироваться в сотни раз в
зависимости от параметров орбиты КА. На рис.

2
показаны дифференциальные спектры электронного
излучения для трех типовых орбит КА, полученн
ые с
помощью программы
SPENVIS

[4], которые
использовались в данной работе для расчетной оценки
коэффициента ослабления электронного излучения
материалом
RAD
-
PAK
®.



Рис. 2. Дифференциальные спектры электронного
излуч
ения для трех типовых орбит космических
аппаратов: 1
-

эллиптическая 36000/400 км,

наклонение 63

; 2
-

круговая 700 км, 85°;

3


геостационарная 36000 км, 85°

Исследованные в данной работе защитные
элементы
RAD
-
PAK
® представляли собой крышки
корпусов ИС тол
щиной 0,93

мм. Элементный
микроанализ, проведенный на каф.

78 НИЯУ МИФИ,
указывает на доминирование в составе вещества
корпусов вольфрама (85

% по массе) и меди, что
согласуется с результатами измерения средней
плотности объектов (16,4


г/см
3
).

Исследовани
я коэффициента ослабления
электронного излучения с энергией 2…4

МэВ
проводились на ускорителях «У
-
31/33» и «РЕЛУС»
(НИЯУ МИФИ). Энергия электронов на ускорителе
«У
-
31/33» определялась методом магнитной сепарации
и составила 2,2±0,05

МэВ. Оценка энергии пуч
ка
ускорителя «РЕЛУС» проводилась путем анализа
профиля поглощенной дозы в термолюминесцентных
детекторах (ТЛД). Наилучшее согласие с расчетом
было получено при энергии 3,6

МэВ (рис.

3) в первой
серии экспериментов и 3,2

МэВ во второй серии.

Рис. 3. Профиль поглощенной дозы в ТЛД.

Расчет соответствует энергии электроно
в

3,6 МэВ с дисперсией 0,1 МэВ

Сопоставление экспериментальных и расчетных
зависимостей коэффициента ослабления (по
поглощенной дозе) излучения от эне
ргии электронов
представлены на рис.

4. В качестве абсцисс точек,
соответствующих рассматриваемым орбитам, приняты
средние значения энергий спектров. При расчете
учитывался вклад электронов с энергией выше 1 МэВ.
Расчет проводился с помощью системы GEANT в

рамках модели индивидуального рассеяния.


Рис. 4. Экспериментальные и расчетные значения
коэффициента ослабления дозы электронного излучения
материалом RAD
-
PAK®

Анализ результатов показывает сильную
зависимость коэфф
ициента ослабления от энергии
излучения. При энергии электрона до 1,5…2

МэВ доза
за экраном определяется тормозным излучением, при
энергиях выше 4…5

МэВ


непосредственным
прохождением электронов за защиту. В
промежуточной области энергий доза за экраном
ф
ормируется в значительной степени за счет разброса
проективного пробега, т.е. определяется страгглингом,
что требует при проведении моделирования

детального описания процессов рассеяния электронов
в веществе.

Как и следовало ожидать, в общем случае,
коэффи
циент ослабления (по поглощенной дозе) для
излучения сложного спектра не совпадает со
значением коэффициента для средней энергии этого
спектра. Данное обстоятельство затрудняет
применение ускорителей электронов с
моноэнергетическим пучком для корректных
ис
пытаний микросхем со специализированными
защитными покрытиями на радиационную стойкость.

Анализ результатов расчета показывает также, что
при экспериментальной оценке коэффициентов
ослабления необходимо учитывать пространственное
распределение поглощенной дозы в кристалле за
защитным покрытием.

На рис.

5 показан расчетный профиль
(распределен
ие по глубине) поглощенной дозы в
системе
RAD
-
PAK
®/кристалл для спектра орбиты 2 и
установки «РЕЛУС» (3,6 МэВ).


Рис. 5. Расчетный профиль поглощенной дозы

в системе RAD
-
PAK®/кристалл

для спектра орбиты 2 и установк
и «РЕЛУС»

Видно, что величина поглощенной дозы у
поверхности кристалла, определяющая степень
деградации структур ИС, может заметно превосходить
среднее значение, экспериментально получаемое с
помощью сравнительно толстых (около 1

мм)
детекторов типа ТЛД, о
бычно применяемых при
дозиметрическом сопровождении испытаний.
Результаты расчета коэффициентов ослабления
электронного излучения различного энергетического
состава для толстых и тонких (100

мкм) детекторов
представлены в табл.

1.

Оценка коэффициента осла
бления гамма
-

излучения корпусов, изготовленных по технологии
RAD
-
PAK
®, проводилась на ускорителе «У
-
31/33»,
работающем в режиме генерации тормозного
излучения. Полученные значения коэффициента
ослабления гамма
-
излучения для корпусов
RAD
-
PAK
® не превышали
1,6…2 раз.

Таблица 1

Расчетные коэффициенты ослабления электронного
излучения экраном
RAD
-
PAK® толщиной 0,93

мм


толстый детектор
(1

мм)

тонкий детектор
(100 мкм)

орбита 1

1900

1000

орбита 2

840

560

орбита 3

2600

1600

3,2

МэВ

43


3,6

МэВ

18

12

6

Мэ
В

1,8

1,8


Таким образом, для получения адекватной оценки
уровня дозовой стойкости аппаратуры, содержащей
корпуса ИС с локальной защитой, радиационные
испытания должны проводиться с учетом условий
эксплуатации, в первую очередь


состава и
спектральных ха
рактеристик излучения. Проведение
испытаний на гамма
-
установках может приводить к
существенному (на несколько порядков) занижению
уровней стойкости изделий, предназначенных для
работы в условиях конкретной орбиты.

С другой стороны, распространение результа
тов
оценок стойкости, полученных для орбиты с малым
вкладом протонной компоненты излучения, на случай
орбиты с большим уровнем флюенса протонов может
приводить к завышению стойкости изделий.

Трудность экспериментальной оценки
экранирующих свойств покрытия
на
моноэнергетических электронных пучках делает
актуальным развитие установок, позволяющих
воспроизводить заданный спектр электронного
излучения КП. При этом необходимо учитывать
неоднородность распределения поглощенной дозы в
чувствительном объеме ИС.

IV.

Р
ЕЗ
УЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

РАДИАЦИОННОЙ
СТОЙКОСТИ КРИСТАЛЛОВ

ИС,

ПРИМЕНЯЕМЫХ В
КОРПУСАХ
RAD
-
PAK
®

Согласно данным представителей ф.

Maxwell
Technologies [2], оценка радиационной стойкости
изделий с защитой RAD
-
PAK® включает проведение
испытаний кристаллов ИС с п
рименением источника
гамма
-
излучения
Co
-
60 по стандарту MIL
-
STD
-
883H и
пересчет стойкости с учетом параметров орбиты.

В работе проводилось экспериментальное
определение уровней стойкости кристаллов микросхем
ф.

Mxwell Technologies. В качестве объектов
ис
следований были выбраны образцы флэш
-
памяти
29F0408RPFI и перепрограммируемого постоянного
запоминающего устройства (ППЗУ, EEPROM)
28C010TRPFS.

ИС 29F0408RPFI представляет собой флэш
-
память
NAND
-
типа информационной емкостью 32

Мбит
,
уровень дозовой стойко
сти производителем не

регламентируется
. В данной микросхеме применяется
кристалл KM29V32000 ф.

Samsung Electronics.

ИС 28C010TRPFS представляет собой ППЗУ
инфо
р
мационной емкостью 1

Мбит с декларируемым
уровнем дозовой стойкости по спецификации более
100

к
рад [5]. В данной микросхеме используется
кристалл с меткой «58C1001» производства ф.

Hitachi.

Эффекты накопленной дозы исследовались на
ускорителе электронов «У
-
31/33», работающем в
режиме генерации гамма
-
излучения. Испытания
проводились по методу 1000
-
5

ОСТ 11 073.013 (ч.10).
Крышка корпуса при проведении исследований
удалялась.

В результате исследований установлено:

-

дозовая стойкость кристаллов в ИС 29F0408RPFI
составляет 2,4

крад по критерию функционирования
(режим записи наиболее критичный) и 3,6

к
рад по
параметрическому отказу тока потребления в режиме
записи
I
CC
2

(критерий 30 мА);

-

дозовая стойкость кристаллов в ИС 28C010TRPFS
составляет 18

крад по функционированию (режим
программирования наиболее критичный), уровень
стойкости в режиме считывания

составляет 30

крад.
Уровень стойкости по параметрическому отказу
составляет 19

крад.

Как видно, уровень стойкости кристаллов ИС
применяемых в изделиях ф.

Maxwell Technologies
относится к типовым показателям для коммерческих
микросхем. Радиационная стойко
сть данных изделий
достигается за счет локальной защиты, выполненной
по технологии
RAD
-
PAK
®, которая потенциально
может обеспечить дозовую стойкость только к
воздействию электронного излучения при
соответствующем расчете для конкретного
спектрального соста
ва орбиты КА. При этом в
зависимости от орбиты фактические уровни стойкости
изделий в специализированных корпусах даже к
электронной компоненте радиационных полей могут
отличаться в 2 и более раз. Так, с учетом приведенных
расчетных оценок уровень стойкост
и ИС 29F0408RPFI
к воздействию электронного излучения составит
порядка 1,3 Мрад для условий орбиты 2 и 3,6 Мрад для
орбиты 3 при стойкости кристалла 2,4 крад.

V.

З
АКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, для получения достоверных
значений уровней дозовой стойкости аппаратуры
,
содержащей корпуса ИС с локальной защитой, в ходе
сертификации необходимо учитывать заданные
условия эксплуатации, в первую очередь


состав и
спектральные характеристики ионизирующего
излучения. Проведение испытаний в соответствие с
действующими стандар
тами на испытательных гамма
-
установках (по существу, являющихся имитаторами
электронного и протонного излучения КП по дозовым
эффектам) может приводить к существенному (на
несколько порядков) занижению определенных
уровней стойкости изделий (как микросхем,

так и
аппаратуры), предназначенных для работы в условиях
КП. Трудность экспериментальной оценки
экранирующих свойств покрытия на
моноэнергетических электронных пучках определяет
актуальность и перспективность развития
испытательных установок, позволяющих
воспроизводить заданный спектр электронного
излучения КП.

Б
ЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность доценту кафедры
№78 «Физико
-
технических проблем метрологии»
НИЯУ МИФИ Пушкину

М.А, а также старшему
научному сотруднику Института экстремальной
прикладно
й электроники НИЯУ МИФИ
Артамонову

А.С. за помощь в проведении работ.

Л
ИТЕРАТУРА


[1]

www.3d
-
plus.com/radiation
-
assurance.php
.

[2]

www.maxwell.com/products/microelectronics.

[3]

http://www.efo
.ru/doc/Maxwell/Maxwell.pl?1061.

[4]

http://www.spenvis.oma.be
.

[5]

http://www.maxwell.com/products/microelectronics/

docs/28C011T.PDF#search="28c0
10t".




Приложенные файлы

  • pdf 6983419
    Размер файла: 461 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий