Одной из актуальных задач, стоящих перед разработчиками радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), создателями авиационной и ракетно-космической техники является повышение уровня эксплуатационной надежности техники в условиях повышенного уровня радиации.

Особенно это важно учитывать при создании новых поколений космических аппаратов (КА), т.к. повышение уровня их эксплуатационной надежности в условиях длительного пребывания во внеземных условиях является едва ли не самым существенным фактором.

Еще на заре космической эры было установлено, что различные электронные устройства выходят из строя в космосе значительно раньше и чаще, чем их аналоги в обычных земных условиях. Это обусловлено тем, что на орбите эти устройства находятся под интенсивным воздействием на них различных видов ионизирующего излучения, основными источниками которого являются галактические космические лучи, солнечный ветер и пояса Ван Аллена.

В настоящее время проблема уменьшения влияния радиационно-индуцированных эффектов на функциональные характеристики бортовой электроники решаются несколькими путями или их сочетанием:

• технологический – применение специализированных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем (ИМС)
• схемотехнический - методы мажоритирования и др.
• конструктивный – в русле которого находятся предложения компании «ТЕСТПРИБОР», это применение специализированных корпусов и методов локальной защиты.

Данный подход не является альтернативой первым двум, является более общим, так как позволяет снизить радиационные нагрузки, как на электронные устройства, так и на биологические и др. объекты на борту КА.

Как известно, основными поражающими факторами радиационного пояса Земли являются солнечные вспышки (потоки протонов) и мощные магнитные бури (потоки электронов). Основной диапазон энергетического спектра протонов находится в интервале от 1 до 10 МэВ, электронов от 0,1 до 1,4 МэВ.

Соотношение между проникающими способностями протонов с энергиями Е_р =10÷50 МэВ и электронов с энергиями Е_е = 1÷5 МэВ для Z = 3÷80 можно описать выражением:

Е_р = 15хЕ_е^0,75

Для прохождения необратимых изменений в полупроводниковых приборах поглощенные дозы радиации должны составлять 105÷106 рад и более.

Одним из перспективных решений при создании радиационно-стойкой элементной базы является создание специальных корпусов с интегрированными в них радиационно-защитными экранами. Интегрированная радиационная защита (ИРЗ) позволяет значительно повысить предельную дозу ионизирующего излучения кристаллов путем экранирования.

Эффективность такой защиты кристалла от воздействия радиации зависит от параметров орбиты на которой он будет использоваться и может отличаться в сотни раз. Зона электронных ловушек GEO - высота 36 000 км, зона протонных ловушек МEO - высота 2000 ÷ 10 000 км, зона протонных ловушек высота LEO - высота 500 ÷ 800 км.

Так, на спутниковой орбите GEO корпуса с ИРЗ позволяют в 600 раз повысить накопленную дозу, обеспечивая компонентам возможность выдерживать излучение более 100 Крад.

При использовании электронного устройства на орбите МЕО, где преобладающими частицами являются протоны, корпуса с ИРЗ позволяют усилить защиту кристалла от жесткого космического излучения до 4-х раз.

Так же использование корпусов с РЗЭ позволяет обеспечить защиту от рентгеновского излучения в пределах 1,3÷1,5 раз.

Применение комбинаций технических решений с использованием радиационно-защищающих корпусов позволяет разработчикам интегральных микросхем с большей долей вероятности достичь необходимых результатов.

В качестве экранов, с целью повышения их защитных свойств, используются материалы, созданные в виде пространственных структур, состоящих из отдельных слоев двух (или более) гомогенных металлов с различным атомным номером Z.

Объединение в одной гетерогенной структуре веществ с малым и большим Z создает условия для многократного отражения частиц и – γ-квантов от поверхностей контакта слоев этих веществ и возвращение фотонов в слои, заполненные высокопоглощающим веществом, не выходя за внешние пределы структуры. Благодаря своему специфичному строению, такая структура является своеобразной ловушкой для фотонов.

ЗАО «ТЕСТПРИБОР» в 2014 г. планирует выпуск двух типов корпусов снабженных радиационно-защищающими экранами: 100-выводной CQFP и 144-выводной CQFP.

Конструкция корпусов изображена на рис. 1, рис 2, основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Рис. 1. Cпециализированный 100-выводной планарный металлокерамический корпус с интегрированными радиационно-защитными экранами. Корпус герметизируется шовно-роликовой сваркой крышкой на основе сплава 29НК

Рис. 2. Специализированный 144-выводной планарный металлокерамический корпус с интегрированными радиационно-защитными экранами. Корпус герметизируется методом пайки верхним защитным экраном припоем на основе сплава золота при температуре 280-320 °С

Табл.1. Основные технические характеристики

Принципиальной разницей в конструкции корпусов является способ герметизации. Конструкция корпуса 100-выводного предусматривает герметизацию методом шовно-роликовой сварки. Конструкция корпуса 144-выводного предусматривает герметизацию методом пайки верхним защитным экраном с применением припоя на основе сплава золота при температуре 280-320 °С. В обоих вариантах исполнения корпусов нижний защитный экран выполняет роль монтажной площадки для установки кристалла, что позволяет в значительной степени понизить тепловое сопротивление корпуса.

Кстати, ряд зарубежных компаний при производстве радиационно-стойкой элементной базы активно использует корпуса с интегрированными в них защитными экранами собственной оригинальной конструкции: Actel (США) (рис. 3), 3D Plus (Франция) (рис. 4), Maxwell (США) (рис. 5).

Рис.3. Конструкция корпуса с РЗЭ ф. Actel

Рис. 4. Конструкция корпуса с РЗЭ ф. 3D Plus

Рис. 5. Конструкция корпуса с РЗЭ ф. Maxwell

При этом, например, перечень производимой фирмой Maxwell продукции составляют радиационно-стойкие микропроцессоры, микросхемы памяти, логические устройства, ЦАП, АЦП, одноплатные компьютеры для космического применения. Вся продукция производится по принципу COTS (Сommercial-Оff-The-Shelf), основанному на применении коммерческих технологий в сферу систем специального назначения. Такой подход позволяет использовать доступные на рынке коммерческие компоненты, значительно снижая затраты на стадии разработки военных и космических систем. Радиационная стойкость коммерчески доступных кристаллов обеспечивается путем применения специальных экранов.

Следует отметить тот факт, что корпуса с интегрированными в них защитными экранами производства Actel, 3D Plus и Maxwell предназначены для герметизации внутреннего объема методом пайки.

Компания «ТЕСТПРИБОР» предлагает своим потребителям два варианта конструкции корпуса, позволяющих осуществлять герметизацию методом пайки и герметизацию методом шовно-роликовой сварки, таким образом существенно расширяя область применения данных корпусов.

Н.А. Василенков
Генеральный директор
ЗАО «ТЕСТПРИБОР»
А.Ю. Максимов
Начальник конструкторского бюро
ЗАО «ТЕСТПРИБОР»
www.test-expert.ru

Автор документа: ЗАО «Тестприбор» , http://www.test-expert.ru"	Дата публикации: 23.10.2014 Дата редактирования: 23.10.2014
Кол-во просмотров 3960
Все новости одной лентой