eng
Выпуск #4/2015
Н.Василенков, А. Максимов, С. Грабчиков, С. Ластовский
Специализированные радиационно-защитные корпуса для изделий микроэлектроники
Специализированные радиационно-защитные корпуса для изделий микроэлектроники
Просмотры: 4899
Рассмотрено перспективное направление разработки радиационно-стойкой аппаратуры – применение специальных корпусов с интегрированными радиационно-защитными экранами, позволяющих использовать микросхемы коммерческого и индустриального классов вместо радиационно-стойких чипов и тем самым снизить себестоимость бортового оборудования и расширить номенклатуру применяемых компонентов.
Теги: local protection radiation-hardened chips radiation protective ceramic-and-metal package локальная защита металлокерамический корпус с радиационной защитой радиационно-стойкие чипы
Д
ля повышения радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры используют несколько подходов:
технологический (применение специализированных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем (ИМС) и других компонентов бортовой аппаратуры) [1, 2];
конструктивный (специализированные корпуса ИМС, методы локальной защиты) [1–7];
схемотехнический (методы мажоритирования и др.) [1];
моделирование радиационных эффектов (на стадии проектирования ИМС) [1].
Конструкционная защита не является альтернативой перечисленным методам, а служит дополнительным способом снижения радиа-
ционной нагрузки на все объекты, находящиеся на борту космических аппаратов (КА). Однако при использовании стандартных материалов конструкционной защиты (алюминия и его сплавов) сохраняется достаточно высокий уровень радиационного воздействия, поэтому для наиболее уязвимых элементов рекомендуется локальная защита.
Локальная защита представляет собой дополнительный экран, предназначенный для защиты критичных узлов и элементов аппаратуры. Применение такого экрана не влечет за собой серьезного увеличения массы или габаритов блоков КА, является одним из наиболее эффективных и экономичных подходов к обеспечению радиационной защиты ИМС. Перспективное направление развития методов локальной защиты ИМС – создание новых типов корпусов с интегрированными в них экранами радиационной защиты (ЭРЗ).
Применение коммерческих кристаллов ИМС и полупроводниковых приборов в военных и гражданских космических системах стало возможным после того, как экспериментальным путем была доказана эффективность экранирования с использованием защитных материалов [8]. Локальное экранирование ИМС было предложено в 1979 году, а исследования, подтверждающие его эффективность, проведены в 80-х годах в США [8–10].
Эффект воздействия радиации на элементы и аппаратуру КА определяется типом излучения, энергией, интенсивностью и проникающей способностью первичных и вторичных частиц в объеме вещества. ЭРЗ эффективны для защиты электронной аппаратуры от воздействия мягкой компоненты космического излучения (электронов, протонов), неспособной глубоко проникать в вещество.
Что касается ионизирующих излучений с более высокой проникающей способностью (рентгеновское излучение, гамма-излучение, мюоны, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) и др.), то защита электронных систем посредством экранов менее эффективна. Следует отметить, что с помощью одного метода невозможно обеспечить достаточный уровень защиты оборудования КА от всего спектра космических воздействий. При этом ЭРЗ предохраняют элементы космических аппаратов от накопительной (дозовой) составляющей радиационной нагрузки, в то время как высокоэнергетические частицы, в том числе ТЗЧ, создающие одиночные радиационные эффекты, имеют вероятностный характер воздействия и требуют других способов повышения радиационной стойкости.
Современные материалы и конструкции экранов радиационной защиты
Материалы и технологии для ЭРЗ разрабатывают как российские, так и зарубежные производители [2–7]. Известны такие технологии создания защитных покрытий, как RAD-COAT (Space Electronics Inc., США), RAD-PAК (Maxwell Technologies, США), WАLOPACK (3D-Plus, Франция), X-Ray (Actel, США) [4–6]. Для защиты ИМС в составе космического аппарата от воздействия ионизирующего излучения зарубежные компании предлагают ряд конструкций корпусов (рис.1).
По данным компании Maxwell Technologies, технология RAD-PAК обеспечивает уровень стойкости не менее 100 Крад по отношению к эффекту поглощенной дозы [5]. Принципиально важно, что эффективность такой защиты существенно зависит от параметров орбиты, сроков эксплуатации и компоновки КА.
Как показали недавние исследования, наибольшими защитными свойствами от радиационного воздействия обладают многослойные структуры и композиционные материалы, которые позволяют снизить дозовые нагрузки на элементы аппаратуры КА в несколько раз при сокращении массогабаритных характеристик [6, 7]. К таким ЭРЗ относятся материалы WАLOPACK, представляющие собой структуры с чередующимися слоями керамики Al2O3 и порошкообразного вольфрама. В работах [11, 12] показано, что для геостационарной орбиты (ГСО) наиболее эффективна трехслойная композиция защиты, в которой материал с высоким атомным номером Z располагается между слоями материала с низким Z, в частности, композиция A1-W-A1.
По конфигурации и размерам ЭРЗ должны соответствовать стандартным корпусам ИМС. С этой точки зрения, универсальной является технология нанесения защитных покрытий RAD-COAT, которая, в отличие от технологий RAD-PAК и WАLOPACК, не привязана к конструкции стандартного корпуса ИМС. Покрытия типа RAD-COAT изготавливают на основе пластичной матрицы с наполнителем в виде порошка вольфрама. Однако с учетом плотности этих покрытий (13 г/см3) можно предположить, что по эффективности они уступают защите типа RAD-PAК и WALOPACK.
Исследования образцов ЭРЗ
на основе различных материалов
В 2014 году компанией "ТЕСТПРИБОР" (Москва) начаты работы по созданию собственной оригинальной конструкции корпусов с интегрированными в них радиационно-защитными экранами. На первом этапе были проведены исследования перспективных материалов для ЭРЗ, обеспечивающих максимальную эффективность защиты при оптимальных массогабаритных характеристиках и согласованных по температурному коэффициенту расширения (ТКР) с материалами, используемыми для изготовления металлокерамических корпусов ИМС (сплав 29НК и керамика Al2O3). Результаты выполненных компьютерных расчетов коэффициентов ослабления потоков протонов и электронов ЭРЗ для ряда космических орбит были сопоставлены с данными эксперимента.
Для исследований изготовили образцы ЭРЗ в виде пластин разной толщины на основе чистых металлов (вольфрама, тантала, меди и алюминия), композитов системы W-Cu, а также покрытий сплавов Bi-Al, керамики Al2O3 и сплава системы Fe-Ni-Co (29НК). Образцы экранов тестировались для электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ) на моделирующих установках. Облучение электронами осуществлялось на ускорителях электронов ЭЛУ-4 (энергия электронов 4 МэВ) (НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, г. Минск), а также У-31/33 (2,2 МэВ) и "РЭЛУС" (3,6 МэВ) (АО "ЭНПО СПЭЛС", г. Москва). Для уменьшения энергии электронов до 1,6–1,8 МэВ на ускорителе ЭЛУ-4 между мишенью и окном вывода электронов устанавливалась алюминиевая пластина толщиной 5 мм. Облучение протонами проводилось на ускорителе протонов с перестраиваемой энергией (г. Протвино). Использовались следующие значения энергии протонов: 50, 70, 100, 150 и 200 МэВ.
Поглощенная доза определялась как детекторами ИС-7, так и по изменению вольт-амперных характеристик (ВАХ) р-канальных МОП-транзисторов. Детекторы ИС-7 – стандартные средства дозиметрии в АО "ЭНПО СПЭЛС" при проведении испытаний на радиационную стойкость. Их погрешность не превышает 15%. В качестве тестовых образцов использовались транзисторные МОП-структуры (элементы логических КМОП ИМС IN74AC04N), изготовленные в ОАО "Интеграл" по стандартной эпитаксиально-планарной технологии с индуцированными каналами р-типа (длина канала L = 2,0 мкм, ширина W = 50,0 мкм).
Параметры тестовых МОП-структур измерялись до и после каждой дозы облучения с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП-1/6. Погрешность измерений составляла ±5%. Эффективность экранирования определялась по изменению ВАХ, в частности, порогового напряжения Uпор МОП-структур, расположенных за экраном и без экрана. Значения коэффициента экранирования Кэ тестовых структур рассчитывали из соотношения:
Кэ = Dп/Dп0,
где Dп – доза параметрического отказа тестовой приборной структуры за защитным экраном, Dп0 – доза параметрического отказа тестовой приборной структуры без экрана. Параметрический отказ фиксировался при изменении порогового напряжения ΔUпор = 0,1 B.
При использовании дозиметров ИС-7 эффективность экранирования также определялась по отношению поглощенной дозы, измеренной без экрана, к поглощенной дозе за экраном.
Для перевода флюенса (интегральной плотности потока) электронов в накопленную дозу применялись следующие соотношения: 1 крад = 3 × 1010 эл/см2; 1 × 1012 эл/см2 = 33 крад.
С помощью программы GEANT4 были выполнены расчеты поглощенной дозы радиации в расположенном за защитными экранами и без экрана кристалле кремния, облученном протонами с энергией от 0,04 до 500 МэВ. Как показали результаты исследования ЭРЗ на основе различных материалов, по габаритным и стоимостным параметрам наиболее подходящим материалом является вольфрам [13]. Для изменения ТКР к нему добавляют примеси других металлов, в частности, меди. Получаемый таким образом композит W-Cu имеет нужные технологические качества для изготовления ЭРЗ, интегрированных в металлокерамические корпуса ИМС.
Исследования защитных свойств образцов ЭРЗ на основе композиционного материала W-Cu, керамики Al2O3 и сплава системы Fe-Ni-Co (29НК) при облучении потоками электронов с энергией 1,6–1,8 МэВ тестовых структур р-канальных МОП-транзисторов показали, что по мере увеличения толщины элементов металлокерамических корпусов ИМС повышается коэффициент эффективности экранирования (табл.1). Экраны на основе керамики Al2O3 могут обеспечить требуемый уровень защиты ИЭТ при толщине более 3 мм, экраны из сплава 29НК – более 1,5 мм. Однако увеличение толщины керамического корпуса в большинстве случаев не представляется возможным как с точки зрения габаритов, так и требуемого уровня теплоотвода.
Более эффективно интегрировать в корпуса микросхем дополнительные экраны на основе композиционного материала W-Cu (см. табл.1). Уже при толщине ЭРЗ d = 0,6 мм достигаются значительно более высокие радиационно-защитные свойства, чем у экранов, изготовленных на основе сплава 29НК или керамики Al2O3. Тем не менее чрезмерное наращивание толщины пластин W-Cu также не дает существенного выигрыша в радиационно-защитных свойствах ЭРЗ как от электронного, так и протонного облучения. Вероятнее всего, это обусловлено увеличением тормозного излучения, которое обладает высокой проникающей способностью. Установлено, что для защиты от электронов и протонов РПЗ оптимальная толщина экранов на основе W-Cu в диапазоне 0,9–1,2 мм.
Результаты испытаний для ЭРЗ на основе W-Cu были подтверждены в АО "ЭНПО СПЭЛС".
Результаты компьютерного моделирования коэффициента эффективности экранирования ЭРЗ на основе W-Cu толщиной 1,2 мм от электронов и протонов с разной энергией показали, что данный тип ЭРЗ весьма эффективно ослабляет излучение электронов РПЗ во всем диапазоне энергии – порядок величины Кэ изменяется в диапазоне от 10 до 104 (табл.2). Для протонов космического пространства (КП) с энергией менее 30 МэВ защитный экран обеспечивает ослабление поглощенной дозы в 103...106 раз, для протонов с энергией в диапазоне 30–100 МэВ наблюдается усиление поглощенной дозы за защитным экраном в два-три раза. Использовать защитный экран для протонного излучения с энергией более 100 МэВ неэффективно. Удельные потери энергии протонов возрастают по мере уменьшения энергии частиц, причем особенно резко перед остановкой в веществе [1]. Этим обусловлено наблюдаемое уменьшение значения Кэ ниже единицы для протонов с энергией в диапазоне 30...100 МэВ (см. табл.2).
Из результатов расчета значений коэффициента эффективности экранирования Кэ для ЭРЗ на основе композита W-Cu толщиной 1,2 мм для потоков электронов и протонов КП на различных типах орбит видно, что защитный экран ослабляет суммарную поглощенную дозу от заряженных частиц как минимум на порядок (табл.3, 4). При этом ЭРЗ являются наиболее эффективными для орбит ГСО, ГЛОНАСС и ВЭО (высокоэллиптическая орбита) с большим вкладом электронов. Применение ЭРЗ для орбит с большим вкладом протонов (орбита МКС и круговая полярная орбита) менее эффективно.
Корпуса для ИМС с ЭРЗ
на основе композитного материала W-Cu
С учетом результатов проведенных исследований были спроектированы и изготовлены корпуса для ИМС с интегрированными в них радиационно-защитными экранами, выполненными на основе композитного материала W-Cu.
Авторами предложены два варианта металлокерамического корпуса, которые различаются методами герметизации подкорпусного пространства (рис.2). В первом случае герметизация осуществляется методом пайки (рис.2а), а во втором – методом шовно-роликовой сварки (рис.2б).
* * *
Компания "ТЕСТПРИБОР" разработала материалы и технологию, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения электроннoй компонентной базы, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.
Применение корпусов с интегрированной радиационной защитой позволит:
обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС, электронных компонентов и аппаратуры;
использовать электронные компоненты коммерческого и индустриального классов для космических приложений;
расширить номенклатуру применяемых ИМС и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры;
обеспечить снижение весовых и габаритных параметров по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты.
Авторы выражают благодарность АО "ЭНПО СПЭЛС" за проведенные исследования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов / Под ред. Г. Г.Райкунова . – М.: Физматлит, 2013, 256 с.
2. Ефремов Г., Епифановский И., Ширяев А. и др. Новые материалы для локальной радиационной защиты // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 1.
3. Заболотный В., Старостин Е., Кочетков А. Оптимальные составы для локальной защиты бортовой электроники от космической радиации. – Физика и химия обработки материалов, 2008, № 5.
4. www.spaceelectronics.com.
5. www.maxwelltechnologies.com.
6. www.3d-plus.com/radiation-assurance.php.
7. Гульбин В. Разработка композиционных материалов, модифицированных нанопорошками, для радиационной защиты в атомной энергетике. – IX Всероссийская конф. "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем – 2010", г. Ижевск.
8. Spratt J., Passenheim B., Leadon R. Effectiveness of IС Shielded Packages Against Space Radiation // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1997. Vol. 44. P. 2018–2025.
9. Adams L., Nickson R., Kelleher A. A Dosimetric Evaluation of the RAD-PAK™ Using Mono-Energetic Electrons and Protons // RADECS, 1995, IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. Vol. 43. P. 449–452.
10. Millward D., Strobel D. The Effectiveness of RAD-PAK™ ICs for Space Radiation Hardering. – Proc. of 40-th ECTEC conference, Las Vegas, May 1990.
11. Fan W., Drumm C., Boeske S. Shielding Considerations for Satellite Microelectronics // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. Vol. 43. № 6. P. 2790–2796.
12. Mangeret R., Carriere Т., Beacour J. Effects of Material and/or Structure on Shielding of Electronic Devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. Vol. 43. № 6. P. 2665–2670.
13. Богатырев Ю., Василенков Н., Грабчиков С. и др. Экраны локальной радиационной защиты изделий микроэлектронной техники // Вопросы атомной науки и техники. 2014. Вып. 4. С. 53–56. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).
ля повышения радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры используют несколько подходов:
технологический (применение специализированных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем (ИМС) и других компонентов бортовой аппаратуры) [1, 2];
конструктивный (специализированные корпуса ИМС, методы локальной защиты) [1–7];
схемотехнический (методы мажоритирования и др.) [1];
моделирование радиационных эффектов (на стадии проектирования ИМС) [1].
Конструкционная защита не является альтернативой перечисленным методам, а служит дополнительным способом снижения радиа-
ционной нагрузки на все объекты, находящиеся на борту космических аппаратов (КА). Однако при использовании стандартных материалов конструкционной защиты (алюминия и его сплавов) сохраняется достаточно высокий уровень радиационного воздействия, поэтому для наиболее уязвимых элементов рекомендуется локальная защита.
Локальная защита представляет собой дополнительный экран, предназначенный для защиты критичных узлов и элементов аппаратуры. Применение такого экрана не влечет за собой серьезного увеличения массы или габаритов блоков КА, является одним из наиболее эффективных и экономичных подходов к обеспечению радиационной защиты ИМС. Перспективное направление развития методов локальной защиты ИМС – создание новых типов корпусов с интегрированными в них экранами радиационной защиты (ЭРЗ).
Применение коммерческих кристаллов ИМС и полупроводниковых приборов в военных и гражданских космических системах стало возможным после того, как экспериментальным путем была доказана эффективность экранирования с использованием защитных материалов [8]. Локальное экранирование ИМС было предложено в 1979 году, а исследования, подтверждающие его эффективность, проведены в 80-х годах в США [8–10].
Эффект воздействия радиации на элементы и аппаратуру КА определяется типом излучения, энергией, интенсивностью и проникающей способностью первичных и вторичных частиц в объеме вещества. ЭРЗ эффективны для защиты электронной аппаратуры от воздействия мягкой компоненты космического излучения (электронов, протонов), неспособной глубоко проникать в вещество.
Что касается ионизирующих излучений с более высокой проникающей способностью (рентгеновское излучение, гамма-излучение, мюоны, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) и др.), то защита электронных систем посредством экранов менее эффективна. Следует отметить, что с помощью одного метода невозможно обеспечить достаточный уровень защиты оборудования КА от всего спектра космических воздействий. При этом ЭРЗ предохраняют элементы космических аппаратов от накопительной (дозовой) составляющей радиационной нагрузки, в то время как высокоэнергетические частицы, в том числе ТЗЧ, создающие одиночные радиационные эффекты, имеют вероятностный характер воздействия и требуют других способов повышения радиационной стойкости.
Современные материалы и конструкции экранов радиационной защиты
Материалы и технологии для ЭРЗ разрабатывают как российские, так и зарубежные производители [2–7]. Известны такие технологии создания защитных покрытий, как RAD-COAT (Space Electronics Inc., США), RAD-PAК (Maxwell Technologies, США), WАLOPACK (3D-Plus, Франция), X-Ray (Actel, США) [4–6]. Для защиты ИМС в составе космического аппарата от воздействия ионизирующего излучения зарубежные компании предлагают ряд конструкций корпусов (рис.1).
По данным компании Maxwell Technologies, технология RAD-PAК обеспечивает уровень стойкости не менее 100 Крад по отношению к эффекту поглощенной дозы [5]. Принципиально важно, что эффективность такой защиты существенно зависит от параметров орбиты, сроков эксплуатации и компоновки КА.
Как показали недавние исследования, наибольшими защитными свойствами от радиационного воздействия обладают многослойные структуры и композиционные материалы, которые позволяют снизить дозовые нагрузки на элементы аппаратуры КА в несколько раз при сокращении массогабаритных характеристик [6, 7]. К таким ЭРЗ относятся материалы WАLOPACK, представляющие собой структуры с чередующимися слоями керамики Al2O3 и порошкообразного вольфрама. В работах [11, 12] показано, что для геостационарной орбиты (ГСО) наиболее эффективна трехслойная композиция защиты, в которой материал с высоким атомным номером Z располагается между слоями материала с низким Z, в частности, композиция A1-W-A1.
По конфигурации и размерам ЭРЗ должны соответствовать стандартным корпусам ИМС. С этой точки зрения, универсальной является технология нанесения защитных покрытий RAD-COAT, которая, в отличие от технологий RAD-PAК и WАLOPACК, не привязана к конструкции стандартного корпуса ИМС. Покрытия типа RAD-COAT изготавливают на основе пластичной матрицы с наполнителем в виде порошка вольфрама. Однако с учетом плотности этих покрытий (13 г/см3) можно предположить, что по эффективности они уступают защите типа RAD-PAК и WALOPACK.
Исследования образцов ЭРЗ
на основе различных материалов
В 2014 году компанией "ТЕСТПРИБОР" (Москва) начаты работы по созданию собственной оригинальной конструкции корпусов с интегрированными в них радиационно-защитными экранами. На первом этапе были проведены исследования перспективных материалов для ЭРЗ, обеспечивающих максимальную эффективность защиты при оптимальных массогабаритных характеристиках и согласованных по температурному коэффициенту расширения (ТКР) с материалами, используемыми для изготовления металлокерамических корпусов ИМС (сплав 29НК и керамика Al2O3). Результаты выполненных компьютерных расчетов коэффициентов ослабления потоков протонов и электронов ЭРЗ для ряда космических орбит были сопоставлены с данными эксперимента.
Для исследований изготовили образцы ЭРЗ в виде пластин разной толщины на основе чистых металлов (вольфрама, тантала, меди и алюминия), композитов системы W-Cu, а также покрытий сплавов Bi-Al, керамики Al2O3 и сплава системы Fe-Ni-Co (29НК). Образцы экранов тестировались для электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ) на моделирующих установках. Облучение электронами осуществлялось на ускорителях электронов ЭЛУ-4 (энергия электронов 4 МэВ) (НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, г. Минск), а также У-31/33 (2,2 МэВ) и "РЭЛУС" (3,6 МэВ) (АО "ЭНПО СПЭЛС", г. Москва). Для уменьшения энергии электронов до 1,6–1,8 МэВ на ускорителе ЭЛУ-4 между мишенью и окном вывода электронов устанавливалась алюминиевая пластина толщиной 5 мм. Облучение протонами проводилось на ускорителе протонов с перестраиваемой энергией (г. Протвино). Использовались следующие значения энергии протонов: 50, 70, 100, 150 и 200 МэВ.
Поглощенная доза определялась как детекторами ИС-7, так и по изменению вольт-амперных характеристик (ВАХ) р-канальных МОП-транзисторов. Детекторы ИС-7 – стандартные средства дозиметрии в АО "ЭНПО СПЭЛС" при проведении испытаний на радиационную стойкость. Их погрешность не превышает 15%. В качестве тестовых образцов использовались транзисторные МОП-структуры (элементы логических КМОП ИМС IN74AC04N), изготовленные в ОАО "Интеграл" по стандартной эпитаксиально-планарной технологии с индуцированными каналами р-типа (длина канала L = 2,0 мкм, ширина W = 50,0 мкм).
Параметры тестовых МОП-структур измерялись до и после каждой дозы облучения с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП-1/6. Погрешность измерений составляла ±5%. Эффективность экранирования определялась по изменению ВАХ, в частности, порогового напряжения Uпор МОП-структур, расположенных за экраном и без экрана. Значения коэффициента экранирования Кэ тестовых структур рассчитывали из соотношения:
Кэ = Dп/Dп0,
где Dп – доза параметрического отказа тестовой приборной структуры за защитным экраном, Dп0 – доза параметрического отказа тестовой приборной структуры без экрана. Параметрический отказ фиксировался при изменении порогового напряжения ΔUпор = 0,1 B.
При использовании дозиметров ИС-7 эффективность экранирования также определялась по отношению поглощенной дозы, измеренной без экрана, к поглощенной дозе за экраном.
Для перевода флюенса (интегральной плотности потока) электронов в накопленную дозу применялись следующие соотношения: 1 крад = 3 × 1010 эл/см2; 1 × 1012 эл/см2 = 33 крад.
С помощью программы GEANT4 были выполнены расчеты поглощенной дозы радиации в расположенном за защитными экранами и без экрана кристалле кремния, облученном протонами с энергией от 0,04 до 500 МэВ. Как показали результаты исследования ЭРЗ на основе различных материалов, по габаритным и стоимостным параметрам наиболее подходящим материалом является вольфрам [13]. Для изменения ТКР к нему добавляют примеси других металлов, в частности, меди. Получаемый таким образом композит W-Cu имеет нужные технологические качества для изготовления ЭРЗ, интегрированных в металлокерамические корпуса ИМС.
Исследования защитных свойств образцов ЭРЗ на основе композиционного материала W-Cu, керамики Al2O3 и сплава системы Fe-Ni-Co (29НК) при облучении потоками электронов с энергией 1,6–1,8 МэВ тестовых структур р-канальных МОП-транзисторов показали, что по мере увеличения толщины элементов металлокерамических корпусов ИМС повышается коэффициент эффективности экранирования (табл.1). Экраны на основе керамики Al2O3 могут обеспечить требуемый уровень защиты ИЭТ при толщине более 3 мм, экраны из сплава 29НК – более 1,5 мм. Однако увеличение толщины керамического корпуса в большинстве случаев не представляется возможным как с точки зрения габаритов, так и требуемого уровня теплоотвода.
Более эффективно интегрировать в корпуса микросхем дополнительные экраны на основе композиционного материала W-Cu (см. табл.1). Уже при толщине ЭРЗ d = 0,6 мм достигаются значительно более высокие радиационно-защитные свойства, чем у экранов, изготовленных на основе сплава 29НК или керамики Al2O3. Тем не менее чрезмерное наращивание толщины пластин W-Cu также не дает существенного выигрыша в радиационно-защитных свойствах ЭРЗ как от электронного, так и протонного облучения. Вероятнее всего, это обусловлено увеличением тормозного излучения, которое обладает высокой проникающей способностью. Установлено, что для защиты от электронов и протонов РПЗ оптимальная толщина экранов на основе W-Cu в диапазоне 0,9–1,2 мм.
Результаты испытаний для ЭРЗ на основе W-Cu были подтверждены в АО "ЭНПО СПЭЛС".
Результаты компьютерного моделирования коэффициента эффективности экранирования ЭРЗ на основе W-Cu толщиной 1,2 мм от электронов и протонов с разной энергией показали, что данный тип ЭРЗ весьма эффективно ослабляет излучение электронов РПЗ во всем диапазоне энергии – порядок величины Кэ изменяется в диапазоне от 10 до 104 (табл.2). Для протонов космического пространства (КП) с энергией менее 30 МэВ защитный экран обеспечивает ослабление поглощенной дозы в 103...106 раз, для протонов с энергией в диапазоне 30–100 МэВ наблюдается усиление поглощенной дозы за защитным экраном в два-три раза. Использовать защитный экран для протонного излучения с энергией более 100 МэВ неэффективно. Удельные потери энергии протонов возрастают по мере уменьшения энергии частиц, причем особенно резко перед остановкой в веществе [1]. Этим обусловлено наблюдаемое уменьшение значения Кэ ниже единицы для протонов с энергией в диапазоне 30...100 МэВ (см. табл.2).
Из результатов расчета значений коэффициента эффективности экранирования Кэ для ЭРЗ на основе композита W-Cu толщиной 1,2 мм для потоков электронов и протонов КП на различных типах орбит видно, что защитный экран ослабляет суммарную поглощенную дозу от заряженных частиц как минимум на порядок (табл.3, 4). При этом ЭРЗ являются наиболее эффективными для орбит ГСО, ГЛОНАСС и ВЭО (высокоэллиптическая орбита) с большим вкладом электронов. Применение ЭРЗ для орбит с большим вкладом протонов (орбита МКС и круговая полярная орбита) менее эффективно.
Корпуса для ИМС с ЭРЗ
на основе композитного материала W-Cu
С учетом результатов проведенных исследований были спроектированы и изготовлены корпуса для ИМС с интегрированными в них радиационно-защитными экранами, выполненными на основе композитного материала W-Cu.
Авторами предложены два варианта металлокерамического корпуса, которые различаются методами герметизации подкорпусного пространства (рис.2). В первом случае герметизация осуществляется методом пайки (рис.2а), а во втором – методом шовно-роликовой сварки (рис.2б).
* * *
Компания "ТЕСТПРИБОР" разработала материалы и технологию, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения электроннoй компонентной базы, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.
Применение корпусов с интегрированной радиационной защитой позволит:
обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС, электронных компонентов и аппаратуры;
использовать электронные компоненты коммерческого и индустриального классов для космических приложений;
расширить номенклатуру применяемых ИМС и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры;
обеспечить снижение весовых и габаритных параметров по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты.
Авторы выражают благодарность АО "ЭНПО СПЭЛС" за проведенные исследования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов / Под ред. Г. Г.Райкунова . – М.: Физматлит, 2013, 256 с.
2. Ефремов Г., Епифановский И., Ширяев А. и др. Новые материалы для локальной радиационной защиты // Физика и химия обработки материалов. 2003. № 1.
3. Заболотный В., Старостин Е., Кочетков А. Оптимальные составы для локальной защиты бортовой электроники от космической радиации. – Физика и химия обработки материалов, 2008, № 5.
4. www.spaceelectronics.com.
5. www.maxwelltechnologies.com.
6. www.3d-plus.com/radiation-assurance.php.
7. Гульбин В. Разработка композиционных материалов, модифицированных нанопорошками, для радиационной защиты в атомной энергетике. – IX Всероссийская конф. "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем – 2010", г. Ижевск.
8. Spratt J., Passenheim B., Leadon R. Effectiveness of IС Shielded Packages Against Space Radiation // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1997. Vol. 44. P. 2018–2025.
9. Adams L., Nickson R., Kelleher A. A Dosimetric Evaluation of the RAD-PAK™ Using Mono-Energetic Electrons and Protons // RADECS, 1995, IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. Vol. 43. P. 449–452.
10. Millward D., Strobel D. The Effectiveness of RAD-PAK™ ICs for Space Radiation Hardering. – Proc. of 40-th ECTEC conference, Las Vegas, May 1990.
11. Fan W., Drumm C., Boeske S. Shielding Considerations for Satellite Microelectronics // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. Vol. 43. № 6. P. 2790–2796.
12. Mangeret R., Carriere Т., Beacour J. Effects of Material and/or Structure on Shielding of Electronic Devices // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1996. Vol. 43. № 6. P. 2665–2670.
13. Богатырев Ю., Василенков Н., Грабчиков С. и др. Экраны локальной радиационной защиты изделий микроэлектронной техники // Вопросы атомной науки и техники. 2014. Вып. 4. С. 53–56. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).
Отзывы читателей
