eng
Выпуск #1/2023
А. Алонцев, С. Грабчиков
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОРПУСА С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ И ЛОКАЛЬНЫМИ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫМИ ЭКРАНАМИ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОРПУСА С ИНТЕГРИРОВАННЫМИ И ЛОКАЛЬНЫМИ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫМИ ЭКРАНАМИ
Просмотры: 518
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.222.1.104.108
Компания «ТЕСТПРИБОР» разработала материалы и технологию, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения ЭКБ, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.
Компания «ТЕСТПРИБОР» разработала материалы и технологию, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения ЭКБ, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.
Теги: ionizing radiation metal-ceramic packages radiation resistance radiation shields ионизирующее излучение металлокерамические корпуса радиационная стойкость радиационно-защитные экраны
Специализированные металлокерамические корпуса
с интегрированными и локальными радиационно-защитными экранами
А. Алонцев 1, С. Грабчиков, д. ф-м. н.2
В настоящее время актуальность обеспечения и повышения радиационной стойкости электронной компонентной базы (ЭКБ) очевидна и реализуется в основном технологическим (применением специальных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем), схемотехническим и конструкционным способами. В АО «ТЕСТПРИБОР» разработаны материалы и технология, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения ЭКБ, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.
Конструкционная защита (обшивка) космических аппаратов (КА), выполненная на основе алюминия и его сплавов, не обеспечивает в полной мере ослабление радиационных факторов космического пространства (КП), а применение радиационно-стойких интегральных схем (ИС) не всегда возможно: например, ограничен срок проектирования КА, неприемлемо высокая стоимость и др. Поэтому для защиты наиболее уязвимых элементов следует использовать локальную защиту, которая не влечет за собой значительного увеличения массы и габаритов КА и при этом обеспечивает необходимый уровень ослабления ионизирующего излучения КП.
В настоящее время для локальной защиты кристаллов ИС в составе КА от воздействия ионизирующего излучения (ИИ) КП по дозовым эффектам существует ряд технических решений: специализированные корпуса ИС (WALOPACK, RAD-PAKTM), специализированные покрытия и локальная защита ИС в составе аппаратуры КА. Все эти решения направлены на повышение радиационной стойкости коммерческих микросхем, либо повышение стойкости микросхем с уникальными функциональными характеристиками, радиационно-стойкие аналоги которых отсутствуют.
В АО «ТЕСТПРИБОР» разработаны специализированные металлокерамические корпуса (МКК) с интегрированными и локальными радиационно-защитными экранами (РЗЭ) различных типов и способов герметизации, основное отличие которых состоит в методах герметизации подкорпусного пространства (рис. 1а, б, в):
герметизация осуществляется методом шовно-роликовой сварки металлической крышкой с Т-образным профилем (см. рис. 1 а);
герметизация осуществляется методом пайки верхним защитным экраном (см. рис. 1 б);
герметизация осуществляется методом лазерной сварки крышки с локальными экранами (см. рис. 1 в).
Оба корпуса имеют нижние защитные экраны, которые одновременно являются монтажными площадками для посадки кристаллов ИС.
Оценка эффективности ослабления локальных дозовых нагрузок корпусами МК 4247.100-2 и 4248.144-2
Для оценки ослабления локальных дозовых нагрузок (ЛДН) специализированными металлокерамическими корпусами (МКК) 4248.144-2 и 4247.100-2 использовалось численное моделирование в ПО Fastrad и GEANT4 и сравнение полученных данных с экспериментом.
Оценка ослабления ЛДН проводилась в два этапа.
Первый этап. Оценка ослабления ЛДН при перпендикулярном падении пучка частиц (протонов или электронов) на крышки МКК 4248.144-2 и 4247.100-2.
Второй этап. Оценка ослабления ЛДН для изотропного потока частиц в КП для пяти типовых орбит.
Критерием для выбора типовых орбит являлось их прохождение через естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ): через пояс протонов, через пояс электронов, а также одновременное прохождение через пояса протонов и электронов. Также учитывалось широкое распространение выбранных орбит для современных КА. Исходя из этого, выбрано пять типовых орбит:
орбита МКС – круговая орбита с высотой 400 км и наклонением 51,5°;
круговая полярная орбита с высотой 800 км и наклонением 98°;
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°;
ГСО – высота 35 784 км.
Результаты исследований по оценке ослабления дозовой нагрузки специализированными металлокерамическими корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 электронного излучения представлены в табл. 1 и на рис. 2.
Результаты по ослаблению дозовой нагрузки специализированными металлокерамическими корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 протонного излучения представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Для выбранных типовых орбит (орбита МКС, круговая полярная орбита 800 км, высокоэллиптическая орбита (ВЭО), орбита ГЛОНАСС, геостационарная орбита (ГСО)) и значений внешней защиты (0,1 г / см2, 0,5 г / см2, 1,0 г / см2) были рассчитаны суммарные коэффициенты ослабления (отношение дозы в корпусе к дозе без корпуса) электронного и протонного излучений. В табл. 3 и 4 приведены результаты проведенных расчетов для двух типов специализированных корпусов.
Оценка эффективности ослабления локальных дозовых нагрузок
корпусом МК 41Ф.12-3
Для оценки ослабления ЛДН электронного и протонного излучения космического пространства специализированным металлокерамическим корпусом МК 41Ф.12-3 с локальными радиационно-защитными экранами использовалось численное моделирование в ПО Fastrad и GEANT4.
Коэффициенты ослабления К накопленной дозы в металлическом корпусе защитными экранами толщиной d2 с учетом конструкционной защиты d1 от суммарного потока протонов и электронов радиационного пояса Земли (ЕРПЗ) на разных орбитах при максимуме и минимуме солнечной активности (СА) представлены в табл. 5.
Коэффициенты уменьшения частоты одиночных сбоев Кос для ЭКБ в корпусе с учетом конструкционной защиты d1 = 1 г/см2 с защитным экраном толщиной d2 = 2 г/см2 без учета конструкционной защиты космического аппарата при воздействии высокоэнергетических протонов (ВЭП) ЕРПЗ при средней и максимальной плотности потока частиц согласно
РД 134-0139-2005 представлены в табл. 6.
* * *
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 и локальной радиационной защитой позволит:
обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС, источников вторичного электропитания
и силовых интегральных схем электронных компонентов и аппаратуры;
• использовать электронные компоненты коммерческого и индустриального классов для космических приложений;
• расширить номенклатуру применяемых интегральных микросхем, источников вторичного электропитания и силовых интегральных схем и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры;
• обеспечить снижение весовых и габаритных параметров аппаратуры по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты. ●
с интегрированными и локальными радиационно-защитными экранами
А. Алонцев 1, С. Грабчиков, д. ф-м. н.2
В настоящее время актуальность обеспечения и повышения радиационной стойкости электронной компонентной базы (ЭКБ) очевидна и реализуется в основном технологическим (применением специальных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем), схемотехническим и конструкционным способами. В АО «ТЕСТПРИБОР» разработаны материалы и технология, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения ЭКБ, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.
Конструкционная защита (обшивка) космических аппаратов (КА), выполненная на основе алюминия и его сплавов, не обеспечивает в полной мере ослабление радиационных факторов космического пространства (КП), а применение радиационно-стойких интегральных схем (ИС) не всегда возможно: например, ограничен срок проектирования КА, неприемлемо высокая стоимость и др. Поэтому для защиты наиболее уязвимых элементов следует использовать локальную защиту, которая не влечет за собой значительного увеличения массы и габаритов КА и при этом обеспечивает необходимый уровень ослабления ионизирующего излучения КП.
В настоящее время для локальной защиты кристаллов ИС в составе КА от воздействия ионизирующего излучения (ИИ) КП по дозовым эффектам существует ряд технических решений: специализированные корпуса ИС (WALOPACK, RAD-PAKTM), специализированные покрытия и локальная защита ИС в составе аппаратуры КА. Все эти решения направлены на повышение радиационной стойкости коммерческих микросхем, либо повышение стойкости микросхем с уникальными функциональными характеристиками, радиационно-стойкие аналоги которых отсутствуют.
В АО «ТЕСТПРИБОР» разработаны специализированные металлокерамические корпуса (МКК) с интегрированными и локальными радиационно-защитными экранами (РЗЭ) различных типов и способов герметизации, основное отличие которых состоит в методах герметизации подкорпусного пространства (рис. 1а, б, в):
герметизация осуществляется методом шовно-роликовой сварки металлической крышкой с Т-образным профилем (см. рис. 1 а);
герметизация осуществляется методом пайки верхним защитным экраном (см. рис. 1 б);
герметизация осуществляется методом лазерной сварки крышки с локальными экранами (см. рис. 1 в).
Оба корпуса имеют нижние защитные экраны, которые одновременно являются монтажными площадками для посадки кристаллов ИС.
Оценка эффективности ослабления локальных дозовых нагрузок корпусами МК 4247.100-2 и 4248.144-2
Для оценки ослабления локальных дозовых нагрузок (ЛДН) специализированными металлокерамическими корпусами (МКК) 4248.144-2 и 4247.100-2 использовалось численное моделирование в ПО Fastrad и GEANT4 и сравнение полученных данных с экспериментом.
Оценка ослабления ЛДН проводилась в два этапа.
Первый этап. Оценка ослабления ЛДН при перпендикулярном падении пучка частиц (протонов или электронов) на крышки МКК 4248.144-2 и 4247.100-2.
Второй этап. Оценка ослабления ЛДН для изотропного потока частиц в КП для пяти типовых орбит.
Критерием для выбора типовых орбит являлось их прохождение через естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ): через пояс протонов, через пояс электронов, а также одновременное прохождение через пояса протонов и электронов. Также учитывалось широкое распространение выбранных орбит для современных КА. Исходя из этого, выбрано пять типовых орбит:
орбита МКС – круговая орбита с высотой 400 км и наклонением 51,5°;
круговая полярная орбита с высотой 800 км и наклонением 98°;
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°;
ГСО – высота 35 784 км.
Результаты исследований по оценке ослабления дозовой нагрузки специализированными металлокерамическими корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 электронного излучения представлены в табл. 1 и на рис. 2.
Результаты по ослаблению дозовой нагрузки специализированными металлокерамическими корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 протонного излучения представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Для выбранных типовых орбит (орбита МКС, круговая полярная орбита 800 км, высокоэллиптическая орбита (ВЭО), орбита ГЛОНАСС, геостационарная орбита (ГСО)) и значений внешней защиты (0,1 г / см2, 0,5 г / см2, 1,0 г / см2) были рассчитаны суммарные коэффициенты ослабления (отношение дозы в корпусе к дозе без корпуса) электронного и протонного излучений. В табл. 3 и 4 приведены результаты проведенных расчетов для двух типов специализированных корпусов.
Оценка эффективности ослабления локальных дозовых нагрузок
корпусом МК 41Ф.12-3
Для оценки ослабления ЛДН электронного и протонного излучения космического пространства специализированным металлокерамическим корпусом МК 41Ф.12-3 с локальными радиационно-защитными экранами использовалось численное моделирование в ПО Fastrad и GEANT4.
Коэффициенты ослабления К накопленной дозы в металлическом корпусе защитными экранами толщиной d2 с учетом конструкционной защиты d1 от суммарного потока протонов и электронов радиационного пояса Земли (ЕРПЗ) на разных орбитах при максимуме и минимуме солнечной активности (СА) представлены в табл. 5.
Коэффициенты уменьшения частоты одиночных сбоев Кос для ЭКБ в корпусе с учетом конструкционной защиты d1 = 1 г/см2 с защитным экраном толщиной d2 = 2 г/см2 без учета конструкционной защиты космического аппарата при воздействии высокоэнергетических протонов (ВЭП) ЕРПЗ при средней и максимальной плотности потока частиц согласно
РД 134-0139-2005 представлены в табл. 6.
* * *
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 и локальной радиационной защитой позволит:
обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС, источников вторичного электропитания
и силовых интегральных схем электронных компонентов и аппаратуры;
• использовать электронные компоненты коммерческого и индустриального классов для космических приложений;
• расширить номенклатуру применяемых интегральных микросхем, источников вторичного электропитания и силовых интегральных схем и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры;
• обеспечить снижение весовых и габаритных параметров аппаратуры по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты. ●
Отзывы читателей
