eng
Выпуск #6/2016
Н.Василенков, А.Максимов
Металлокерамические корпуса АО "ТЕСТПРИБОР": эффективная защита от ионизирующего излучения
Металлокерамические корпуса АО "ТЕСТПРИБОР": эффективная защита от ионизирующего излучения
Просмотры: 2639
Рассмотрены металлокерамические корпуса с интегрированными радиационно-защитными экранами, разработанные в АО "ТЕСТПРИБОР". Определены эффективность ослабления локальных дозовых нагрузок такими корпусами и срок активного существования размещаемых в них кристаллов интегральных микросхем.
Теги: ceramic-and-metal package ionizing radiation radiation hardness ионизирующее излучение металлокерамический корпус радиационная стойкость
Д ля локальной защиты кристаллов ИМС в составе КА от воздействия ионизирующего излучения (ИИ) КП по дозовым эффектам существует ряд технических решений: специализированные корпуса ИМС (WALOPACK, RAD-PAK), покрытия и локальная защита ИМС в составе аппаратуры КА. Все эти решения направлены на повышение радиационной стойкости коммерческих микросхем либо микросхем с уникальными функциональными характеристиками, радиационно-стойкие аналоги которых отсутствуют.[1] В АО "ТЕСТПРИБОР" разработаны два варианта специализированных металлокерамических корпусов (МК) с интегрированными радиационно-защитными экранами (РЗЭ): 4247.100-2 и 4248.144-2 (рис.1). Их основное различие состоит в способе герметизации подкорпусного пространства. В первом корпусе металлическая крышка с Т-образным профилем соединяется с корпусом методом шовно-роликовой сварки, а защитный экран размещается под ней (рис.1а); во втором - защитный экран припаивается к корпусу и служит также крышкой (рис.1б). Оба корпуса имеют нижние защитные экраны, которые одновременно являются монтажными площадками для посадки кристаллов ИМС. Рассмотрим эффективность ослабления локальных дозовых нагрузок этими корпусами и сроки активного существования размещенных в них микросхем в различных условиях. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОСЛАБЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ДОЗОВЫХ НАГРУЗОК Для оценки ослабления локальных дозовых нагрузок (ЛДН) специализированными металлокерамическими корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 использовалось численное моделирование в ПО Fastrad и GEANT4; полученные результаты сравнивались с экспериментальными данными. Оценка ослабления ЛДН проводилась в два этапа: при перпендикулярном падении пучка частиц (протонов или электронов) на крышки МКК 4248.144-2 и 4247.100-2; для изотропного потока частиц в КП на пяти типовых орбитах. Критерий выбора типовых орбит - их прохождение через естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ): протонов, электронов, а также одновременно через оба этих пояса. Кроме того, учитывалась распространенность тех или иных орбит для современных КА. Было выбрано пять орбит: • МКС - круговая орбита с высотой 400 км и наклонением 51,5°; • круговая полярная орбита с высотой 800 км и наклонением 98°; • высокая эллиптическая орбита (ВЭО) - апогей 40 000 км, перигей 500 км, наклонение 63°, аргумент перигея 270°; • ГЛОНАСС - круговая орбита с высотой 19 100 км и наклонением 64,8°; • геостационарная орбита (ГСО) - высота 35 786 км. В результате исследований были получены коэффициенты ослабления дозовой нагрузки специализированными МК 4248.144-2 и 4247.100-2 при воздействии потоков электронов (табл. 1) и протонов (рис.2) Для выбранных типовых орбит и внешней защиты (обшивка КА, корпуса аппаратуры и др.) различных уровней (0,1; 0,5 и 1,0 г/см 2) были рассчитаны коэффициенты ослабления дозовой нагрузки (отношение дозы в корпусе к дозе без корпуса) при воздействии отдельно электронов и протонов, а также при их суммарном воздействии (табл.2, 3). Расчеты проводились для всего спектра энергий электронов и протонов, имеющихся на соответствующих орбитах. Полученные результаты показывают, что специализированные МК наиболее эффективны для орбит ГСО и ГЛОНАСС. Для низких орбит (МКС, круговая полярная) и орбиты ВЭО коэффициент ослабления ЛДН находится в диапазоне от 2,0 до 9 при эффективной внешней защите не более 1,0 г/см 2. СРОК АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИМС В КОРПУСАХ При определении срока активного существования (САС) ИМС в составе бортовой аппаратуры КА разработчики ориентируются на уровень стойкости кристалла ИМС, определенный расчетно-экспериментальным способом по результатам испытаний на гамма и/или рентгеновских установках (источниках). Однако при применении корпусов со специализированными РЗЭ этот подход неприменим, поскольку не учитывается дополнительное ослабление корпусом потоков электронов и протонов. Поэтому была разработана и использована специальная методика оценки САС кристаллов ИМС, включающая несколько основных этапов. 1. Расчет внешних радиационных условий с учетом спектров электронов и протонов ЕРПЗ и протонов солнечных космических лучей (СКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ). 2. Расчет (методом Монте-Карло) суммарной мощности ионизирующего излучения внутри специализированного МК с РЗЭ с учетом ослабления дозовых нагрузок обшивкой КА и корпусом прибора; при этом важно учитывать реальный химический состав материалов, из которых они изготовлены. 3. Определение уровня стойкости кристалла ИМС расчетно-экспериментальным методом с предварительным проведением испытаний на источниках гамма-излучения (ускорители электронов, работающие в режиме тормозного излучения, изотропные источники Со 60, Cs 137 и др.) или рентгеновских источниках. Стойкость ИМС к воздействию электронов и протонов, в соответствии с действующей в РФ нормативной документацией, принимается равной стойкости к воздействию гамма-излучения. 4. Расчет САС как отношения уровня стойкости кристалла ИМС к мощности излучения внутри корпуса МК с РЗЭ. В качестве примера были рассчитаны САС для кристаллов с типовым для коммерческих ИМС значением уровня стойкости 10 крад, установленных в специализированный МК 4248.144-2 и серийный корпус без РЗЭ (табл.4). Расчеты выполнены для минимума солнечной активности при значении эффективной внешней защиты 1 г/см 2 и с учетом только электронов и протонов ЕРПЗ. Как видно из полученных результатов, САС ИМС, установленных в специализированные корпуса, значительно превышает САС тех же кристаллов, размещенных в серийных корпусах без РЗЭ. Таким образом, компания АО "ТЕСТПРИБОР" разработала корпуса с интегрированной радиационной защитой для ЭКБ, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники. Такие корпуса позволят решить ряд задач: обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС; использовать электронные компоненты коммерческого и промышленного классов для космических приложений; расширить номенклатуру применяемых ИМС и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры; обеспечить снижение массы и габаритов КА по сравнению с использованием стандартных методов конструктивной защиты.
Отзывы читателей
