eng
Выпуск #1/2009
А.Галеев, С.Малкин, В.Семенов.
Отбор электронных изделий для аппаратуры, работающей в космосе
Отбор электронных изделий для аппаратуры, работающей в космосе
Просмотры: 2550
В настоящее время при исследовании космического пространства научная аппаратура все чаще выносится на внешнюю поверхность искусственного спутника Земли или межпланетного космического аппарата. Чтобы аппаратура на орбите работала без сбоев в течение длительного времени, необходим специальный отбор элементной базы, на которой она будет построена. Применение методов радиационной отбраковки полупроводниковых приборов (ПП) и ИС позволяет отобрать однородную по радиационной стойкости партию изделий и обеспечить их долговременную стабильность работы в условиях космического пространства.
Исследования надежности электорадиоизделий (ЭРИ), применяемых при конструировании космической аппаратуры (блоков ПК82), проводились в условиях космического пространства на ИСЗ "Метеор-3". Для испытаний ЭРИ тщательно отбирались по следующим критериям:
* перспективности использования ЭРИ в штатной аппаратуре;
* чувствительности к воздействиям факторов космического пространства (ФКП);
* возможности распространения полученных результатов испытаний на широкую номенклатуру изделий данного класса;
* наличию данных по реакциям ЭРИ на раздельное воздействие ФКП;
* возможности измерения основных параметров исследуемых ЭРИ и их преобразования в телеметрическую информацию.
Для исследования были выбраны следующие изделия:
* интегральные схемы I64ЛПI, выполненные на КМДП-структурах, изготовленных по планарно-эпитаксиальной технологии;
* кремниевые планарные полевые транзисторы 2П30I с изолированным затвором и индуцированным каналом p-типа;
* кремниевые диффузионно-планарные полевые транзисторы 2П305 с изолированным затвором и каналом n-типа;
* оптопары ЗОДI0I, состоящие из излучающего диода на основе твердого раствора галлий-мышьяк-алюминий и кремниевого фотодиода;
* интегральные стабилизаторы напряжения 142ЕНI, выполненные по планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией диэлектриком.
Для чистоты эксперимента, с целью обеспечения однородной по электрическим характеристикам выборки и оценки ее радиационной стойкости, перед испытаниями все электронные приборы проходили радиационную отбраковку. Она заключалась в обработке всех испытуемых изделий небольшой дозой гамма-, электронного или рентгеновского излучения (тестовое облучение), отбраковке приборов с аномальными изменениями информативных параметров и последующей выдержки приборов при повышенной температуре (отжиг), которая восстанавливает первоначальные значения их параметров.
При воздействии ионизирующих излучений в ИС и ПП, изготовленных по планарной технологии, происходят следующие процессы: генерация и накопление заряда в защитном диэлектрике; изменение заряда поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик; радиационно стимулированная адсорбция и диффузия ионов примеси на поверхности кристалла и в слоях защитного диэлектрика.
Чувствительность ИС и ПП к воздействию излучения определяется как электрическим и тепловым режимом работы приборов, так и качеством их изготовления (наличие дефектов, как правило, увеличивает его радиационную чувствительность).
Установлено, что при дозах тестового облучения 104–105 рад (Si) у ИС и ПП с физико-технологическими дефектами обнаруживаются аномальные изменения электрических параметров, а у приборов с небольшим количеством дефектов или бездефектных таких изменений значительно меньше. Так, количество накопленного при облучении в диэлектрике объемного заряда определяется дефектами роста пленки и количеством примесей в диэлектрике. Наличие указанных дефектов в МДП-транзисторах при одной и той же дозе излучения приводит к значительному сдвигу порогового напряжения по сравнению с транзисторами, не имеющими таких дефектов.
Тестовое облучение целесообразно также и для проверки временной стабильности параметров ИС и ПП, применяемых в бортовой научно-исследовательской РЭА с длительными сроками эксплуатации. Дефекты поверхности полупроводниковой структуры, обусловливающие повышенную радиационную чувствительность ИС и ПП, могут стать и основной причиной их долговременной нестабильности при электрической и тепловой нагрузках.
На полупроводниковые изделия в составе блоков и узлов бортовой научно-исследовательской РЭА с длительными сроками эксплуатации действует ионизирующее излучение небольшой мощности – 104–105 рад, (Si ), но доза накапливается в течение нескольких лет. Мощность дозы тестового гамма- или рентгеновского облучения была выбрана на два-три порядка выше реальной, так как повышение мощности позволяет сократить время, затрачиваемое на испытания.
При отбраковочных испытаниях микросхемы 164ЛПI (она представляет собой три комплементарных ключа на КМОП-структурах) исследовалось напряжение включения комплементарного ключа. В полевых транзисторах с p-каналом 2П30I контролировалось пороговое напряжение, а в транзисторах с n-каналом 2П305 – напряжение отсечки. Критерий отбраковки для транзисторов 2П30I: Iпор < 0,5 мА и Uпор < -6 В, а для 2П305 Uзи.отс < -2,7. В оптопарах З0ДI0I контролировали коэффициент передачи тока, критерий отбраковки Кi>=1,5% при Iпр=10 мА/, а в ИС ВИП 142ЕНI – минимальное выходное напряжение (фактически – напряжение опорного источника).
Одновременно с параметрами исследуемых ЭРИ контролировались все напряжения питания, радиационная обстановка, давление и температура блока с исследуемыми элементами.
Испытания в космосе
Исследуемые приборы размещались на платах внутри измерительного блока вертикально к его основанию. Всего было три блока: блок с контролируемыми ЭРИ, спектрометрический блок с датчиками радиации и температуры и блок электропитания, который находился внутри аппарата с массовой толщиной защиты 1 г/см2, что обеспечивает надежность экранирования от электромагнитных наводок и электромагнитную совместимость аппаратуры (рис.1). Габаритные размеры платы 160×164×102 мм. Кроме плат с исследуемыми элементами в блоке находилась измерительная аппаратура, предназначенная для измерения температуры в диапазоне от -50 до 50°С, давления газа от 10-1 до 10-5 мм рт.ст., параметров исследуемых интегральных микросхем, транзисторов и оптронов.
Структурные схемы измерения температуры приведены на рис.2а, параметров микросхем I64ЛПI – на рис.2б, напряжения отсечки полевого транзистора 2П305 – на рис.2в. Структурные схемы измерения параметров интегральных стабилизаторов 142ЕНI и оптронов 3ОДI0I аналогичны показанным на рис.2.
Экспериментальная зависимость температуры в блоке от времени функционирования и реализации по выборке абсолютных величин параметров исследуемых изделий показана на рис.3. Анализ данных, представленных на рис.4, показывает, что выходное напряжение микросхем 164ЛПI в измерительной схеме изменилось от 3,2 до 2,6 В, после чего его величина оставалась постоянной. То же самое можно сказать о выходном напряжении интегральных стабилизаторов напряжения 142ЕНI, пороговом напряжении транзисторов 2П30I, напряжении отсечки транзисторов 2П305, коэффициенте передачи тока оптрона ЗОДI0I (рис.4–5). Некоторое изменение параметров в течение 18–23 суток полета связано с изменением напряжения питания аппаратуры.
Результаты эксперимента позволяют сделать следующие выводы:
* работа на полярной орбите научно-исследовательской аппаратуры ПК82, изготовленной на электронных приборах, прошедших радиационную отбраковку, возможна в течение длительного времени, так как при небольших изменениях температуры в блоке воздействие проникающих излучений не приводит к существенному изменению параметров элементной базы;
* применение метода радиационной отбраковки для ИС и ПП, комплектующих бортовую научно-исследовательскую РЭА, позволяет повысить срок ее эксплуатации в радиационных поясах Земли путем исключения "слабых" изделий с нестабильными параметрами.
* перспективности использования ЭРИ в штатной аппаратуре;
* чувствительности к воздействиям факторов космического пространства (ФКП);
* возможности распространения полученных результатов испытаний на широкую номенклатуру изделий данного класса;
* наличию данных по реакциям ЭРИ на раздельное воздействие ФКП;
* возможности измерения основных параметров исследуемых ЭРИ и их преобразования в телеметрическую информацию.
Для исследования были выбраны следующие изделия:
* интегральные схемы I64ЛПI, выполненные на КМДП-структурах, изготовленных по планарно-эпитаксиальной технологии;
* кремниевые планарные полевые транзисторы 2П30I с изолированным затвором и индуцированным каналом p-типа;
* кремниевые диффузионно-планарные полевые транзисторы 2П305 с изолированным затвором и каналом n-типа;
* оптопары ЗОДI0I, состоящие из излучающего диода на основе твердого раствора галлий-мышьяк-алюминий и кремниевого фотодиода;
* интегральные стабилизаторы напряжения 142ЕНI, выполненные по планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией диэлектриком.
Для чистоты эксперимента, с целью обеспечения однородной по электрическим характеристикам выборки и оценки ее радиационной стойкости, перед испытаниями все электронные приборы проходили радиационную отбраковку. Она заключалась в обработке всех испытуемых изделий небольшой дозой гамма-, электронного или рентгеновского излучения (тестовое облучение), отбраковке приборов с аномальными изменениями информативных параметров и последующей выдержки приборов при повышенной температуре (отжиг), которая восстанавливает первоначальные значения их параметров.
При воздействии ионизирующих излучений в ИС и ПП, изготовленных по планарной технологии, происходят следующие процессы: генерация и накопление заряда в защитном диэлектрике; изменение заряда поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик; радиационно стимулированная адсорбция и диффузия ионов примеси на поверхности кристалла и в слоях защитного диэлектрика.
Чувствительность ИС и ПП к воздействию излучения определяется как электрическим и тепловым режимом работы приборов, так и качеством их изготовления (наличие дефектов, как правило, увеличивает его радиационную чувствительность).
Установлено, что при дозах тестового облучения 104–105 рад (Si) у ИС и ПП с физико-технологическими дефектами обнаруживаются аномальные изменения электрических параметров, а у приборов с небольшим количеством дефектов или бездефектных таких изменений значительно меньше. Так, количество накопленного при облучении в диэлектрике объемного заряда определяется дефектами роста пленки и количеством примесей в диэлектрике. Наличие указанных дефектов в МДП-транзисторах при одной и той же дозе излучения приводит к значительному сдвигу порогового напряжения по сравнению с транзисторами, не имеющими таких дефектов.
Тестовое облучение целесообразно также и для проверки временной стабильности параметров ИС и ПП, применяемых в бортовой научно-исследовательской РЭА с длительными сроками эксплуатации. Дефекты поверхности полупроводниковой структуры, обусловливающие повышенную радиационную чувствительность ИС и ПП, могут стать и основной причиной их долговременной нестабильности при электрической и тепловой нагрузках.
На полупроводниковые изделия в составе блоков и узлов бортовой научно-исследовательской РЭА с длительными сроками эксплуатации действует ионизирующее излучение небольшой мощности – 104–105 рад, (Si ), но доза накапливается в течение нескольких лет. Мощность дозы тестового гамма- или рентгеновского облучения была выбрана на два-три порядка выше реальной, так как повышение мощности позволяет сократить время, затрачиваемое на испытания.
При отбраковочных испытаниях микросхемы 164ЛПI (она представляет собой три комплементарных ключа на КМОП-структурах) исследовалось напряжение включения комплементарного ключа. В полевых транзисторах с p-каналом 2П30I контролировалось пороговое напряжение, а в транзисторах с n-каналом 2П305 – напряжение отсечки. Критерий отбраковки для транзисторов 2П30I: Iпор < 0,5 мА и Uпор < -6 В, а для 2П305 Uзи.отс < -2,7. В оптопарах З0ДI0I контролировали коэффициент передачи тока, критерий отбраковки Кi>=1,5% при Iпр=10 мА/, а в ИС ВИП 142ЕНI – минимальное выходное напряжение (фактически – напряжение опорного источника).
Одновременно с параметрами исследуемых ЭРИ контролировались все напряжения питания, радиационная обстановка, давление и температура блока с исследуемыми элементами.
Испытания в космосе
Исследуемые приборы размещались на платах внутри измерительного блока вертикально к его основанию. Всего было три блока: блок с контролируемыми ЭРИ, спектрометрический блок с датчиками радиации и температуры и блок электропитания, который находился внутри аппарата с массовой толщиной защиты 1 г/см2, что обеспечивает надежность экранирования от электромагнитных наводок и электромагнитную совместимость аппаратуры (рис.1). Габаритные размеры платы 160×164×102 мм. Кроме плат с исследуемыми элементами в блоке находилась измерительная аппаратура, предназначенная для измерения температуры в диапазоне от -50 до 50°С, давления газа от 10-1 до 10-5 мм рт.ст., параметров исследуемых интегральных микросхем, транзисторов и оптронов.
Структурные схемы измерения температуры приведены на рис.2а, параметров микросхем I64ЛПI – на рис.2б, напряжения отсечки полевого транзистора 2П305 – на рис.2в. Структурные схемы измерения параметров интегральных стабилизаторов 142ЕНI и оптронов 3ОДI0I аналогичны показанным на рис.2.
Экспериментальная зависимость температуры в блоке от времени функционирования и реализации по выборке абсолютных величин параметров исследуемых изделий показана на рис.3. Анализ данных, представленных на рис.4, показывает, что выходное напряжение микросхем 164ЛПI в измерительной схеме изменилось от 3,2 до 2,6 В, после чего его величина оставалась постоянной. То же самое можно сказать о выходном напряжении интегральных стабилизаторов напряжения 142ЕНI, пороговом напряжении транзисторов 2П30I, напряжении отсечки транзисторов 2П305, коэффициенте передачи тока оптрона ЗОДI0I (рис.4–5). Некоторое изменение параметров в течение 18–23 суток полета связано с изменением напряжения питания аппаратуры.
Результаты эксперимента позволяют сделать следующие выводы:
* работа на полярной орбите научно-исследовательской аппаратуры ПК82, изготовленной на электронных приборах, прошедших радиационную отбраковку, возможна в течение длительного времени, так как при небольших изменениях температуры в блоке воздействие проникающих излучений не приводит к существенному изменению параметров элементной базы;
* применение метода радиационной отбраковки для ИС и ПП, комплектующих бортовую научно-исследовательскую РЭА, позволяет повысить срок ее эксплуатации в радиационных поясах Земли путем исключения "слабых" изделий с нестабильными параметрами.
Отзывы читателей
