Е.С. Пашковская, к.т.н. М.Е. Пашковский, д.т.н. В.Ф. Барабанов

Воронежский государственный технический университет, Россия

Методическое обеспечение оценки стойкости радиоэлектронной аппаратуры, эксплуатируемой в условиях космического пространства

В последние десятилетия освоение космического пространства является одним из приоритетных направлений развития науки и техники. Применение последних наработок в данной области и собственно необходимость проведения исследований, связано с достаточно жесткими условиями эксплуатации бортовой аппаратуры космических аппаратов. К данной аппаратуре предъявляются особые требования по надежности и резервированию, учитывающие дополнительные ограничения, связанные с их массой. Подобные требования и ограничения приводят к необходимости расчета предварительной оценки стойкости компонентов бортовой аппаратуры к воздействию заряженных частиц космического пространства. В данной работе будет рассмотрена оценка стойкости отдельного типа компонент – оценка стойкости радиоэлектронной аппаратуры, эксплуатируемой в условиях космического пространства.

В составе радиоэлектронной аппаратуры наиболее чувствительными к воздействию заряженных частиц является полупроводниковая элементная база, при этом с повышением степени интеграции микросхемы и уменьшением производственных проектных норм опасность сбоев резко возрастает.

Сбои, вызванные воздействием на полупроводниковую элементную базу отдельными заряженными частицами космического пространства могут приводить к сбоям в обработке данных, искажению информации в обрабатывающей аппаратуре. Рассматриваемая методика позволяет дать оценку характеристикам стойкости полупроводниковой аппаратуры к такого рода воздействием.

Данная методика оценки стойкости лежит в основе работы программного обеспечения [1 – 3] с использованием математического аппарата. Основными соотношениями при оценке стойкости полупроводниковой элементной базы является (1, 2). Они получены на основе функции Вейбулла и их рассмотрение выходит за рамки данной работы.

В общем случае для произвольных δ и λL_п возможны три варианта:

1) L_max<L_п, ;

2) L_max>L_п, , МэВ∙см²∙мг^-1;

, эффект∙t^-1 (1)

3) L_max>L_п, , МэВ∙см²∙мг^-1;

, (2)

где

L_max – максимальное значение линейных потерь энергии (ЛПЭ) в заданном спектре тяжелых заряженных частиц, МэВ×см²×мг^-1;

L_п – пороговое значение ЛПЭ заряженной частицы в веществе, достаточное доя образования неравновесного заряда, приводящего к единичному эффекту, МэВ×см²×мг^-1;

– интенсивность (частота) локальных радиационных эффектов от тяжелых заряженных частиц, эффект×t^-1;

– значение насыщения ЛПЭ в заданном спектре тяжелых заряженных частиц, МэВ×см²×мг^-1;

, – коэффициенты аппроксимации, определяемые экспериментально;

– сечение насыщения эффекта: для ИС значение сечения эффекта, которое остается практически постоянным при увеличении ЛПЭ ТЗЧ, см²;

– поток частиц с ЛПЭ, большей чем L_п для тяжелых заряженных частиц;

– поток частиц с ЛПЭ, большей чем для тяжелых заряженных частиц.

Необходимо отметить, что для расчета используются интегральные спектры ЛПЭ плотности потока заряженных частиц (для дифференциальных спектров ЛПЭ плотности потока заряженных частиц рассмотренные методы требуют доработки).

В связи с тем, что наиболее чувствительными элементами к воздействию заряженных частиц являются изделия полупроводниковой электроники, при этом влиянием других схемотехнических элементов можно пренебречь. Таким образом, оценка стойкости сводится к оценке стойкости отдельных полупроводниковых изделий (интегральных микросхем).

В качестве примера использования предлагаемого методического обеспечения проведем оценку стойкости отдельного изделия полупроводниковой электроники (ИПЭ).

В качестве наиболее чувствительного полупроводникового изделия выступает ПЛИС фирмы Aeroflex UT1750A. Для проведения расчёта обязательным условием является наличие данных по сечению сбоев и ЛПЭ (определяются в результате испытаний или расчётным путём), для рассматриваемого ИПЭ в справочке уже имеется необходимая информация, при её отсутствии данные поля должны быть заполнены.

Значения сечения сбоев и порогового ЛПЭ для выбранных ИПЭ:

- Aeroflex UT1750A: ЛПЭ пороговое = 35, сечение сбоя = 0,01;

При проведении оценки стойкости ИПЭ от воздействующих тяжелых заряженных частиц космического пространства необходимо задание дополнительных параметров, в роли которых выступают: диапазон Lп…Lmax и интегральный спектр ЛПЭ плотности потока ТЗЧ (см²сут^-1) за реальной защитой F (>Lп). Данные спектры приводятся в технических условиях (ТУ) на разрабатываемую аппаратуру.

Выбор дополнительных параметров рассматривается на примере Aeroflex UT1750A и выдержек из таблицы 1, приведенных для Российского сегмента «Международной Космической Станции», демонстрирующих работу со спектром, заданном в табличном виде. Для микросхемы Aeroflex UT1750A в приведённом спектре выделено значение ЛПЭп = 35 МэВ∙см²/мг и соответствующее ему значение потока F(>Lп) за защитой 1 г∙см^-2.

Максимальное значение ЛПЭ будет соответствовать последней строке таблицы (выделено курсивом).

Итоги расчёта для тестовой конфигурации от воздействующих тяжелых заряженных частиц галактических лучей:

- выбранный диапазон ЛПЭ: Lmax>Lп;

- значение потока F(>Lп), соответствующее Lп - 9,1E-5;

- частота сбоев для Aeroflex UT1750A = 1,448E-7;

- количество микросхем Aeroflex UT1750A = 1;

- частота сбоев для всех микросхем типа Aeroflex UT1750A = 1,4448E-7.

Таблица 1. Характеристика ЛПЭ в зависимости от защиты F(>L)

ЛПЭ, МэВ∙см^2/мг	Интегральный спектр ЛПЭ за различной защитой F(>L), (см^2/сут)^-1
	0.3 г∙см^-2	1.0 г∙см^-2	3.0 г∙см^-2
1.0E+00	4.0E+01	3.8E+01	3.4E+01
2.0E+00	2.9E+00	2.7E+00	2.2E+00
. . .	. . .	. . .	. . .
3.0E+01	1.7E-05	2.1E-05	3.6E-05
4.0E+01	9.8E-07	1.2E-06	1.9E-06
5.0E+01	4.1E-07	4.9E-07	8.4E-07
. . .	. . .	. . .	. . .
9.0E+01	6.0E-09	7.5E-09	1.4E-08

Аналогично представляются результаты расчёта от воздействующих тяжелых заряженных частиц солнечных лучей.

Частота единичных эффектов в одной ИС от ВЭП определяется выражением:

, эффект∙t^-1

или в развёрнутом виде:

эффект∙t^-1 (3)

где: E_p0 = 29(E_п-0,69) – пороговая энергия протонов, МэВ: значение энергии протонов, начиная с которой наблюдаются единичные эффекты в ИПЭ от ВЭП;

E_п ≈ ЛПЭ_п∙l_ak∙ρ_si – пороговая поглощённая энергия, МэВ: энергия, выделенная ЗЧ в чувствительном объёме V_эф на длине собирания заряда l_ak(см) и достаточная для образования неравновесного заряда Q_п приводящего к эффекту;

ρ_si – плотность вещества поглотителя, мг∙см^-3 (для кремния ρ_si = 2330 мг∙см^-3);

ЛПЭ_п – пороговое значение линейной потери энергии вторичной ТЗЧ в веществе, приводящее к эффекту, МэВ∙см²∙мг^-1.

Угловое распределение ВЭП в расчёте не учитывается. Принимаются во внимание все прототипы с энергией >E_p0 в телесном угле облучения 4π стер, т.е в центре сферы за реальной защитой.

и Е_п – справочные данные на ИПЭ, E_max (МэВ) и F(>E_p0) –характеристики данного спектра ВЭП  КП.

Оценивая стойкость ИПЭ от воздействующих высокоэнергетичных протонов (ВЭП) космического пространства. Для выбранных изделий из списка расчёта, необходимо задание следующих параметров: диапазон Lп…Lmax и интегральные спектры средней плотности потока (см²∙сут)^-1 ВЭП, максимальную энергию протонов Emax и пробег частицы. Необходимые данные приводятся в ТУ на разрабатываемую аппаратуру.

Выбор дополнительных параметров также рассматривается на примере Aeroflex UT1750A и выдержек из таблицы 2, приведенных для изделий «ЦСКБ-Прогресс». Для микросхемы Aeroflex UT1750A  в приведённом спектре выделено значение пороговой энергии протонов E_p0 = 1162 МэВ∙и соответствующее ему значение потока F(>E_p0) за защитой 1 г∙см^-2 .

Таблица 2. Характеристики энергии в зависимости от защиты F(E_p>)

Ep0, МэВ	Интегральный спектр ВЭП солнечных лучей F(Ep>) (см^2∙сут)^-1за защитой г∙см^-2.
	1	3	10
50	3,76E+05	2,76E+05	1,41E+05
100	1,63E+05	1,43E+05	9,61E+04
200	6,16E+04	5,80E+04	4,87E+04
500	1,55E+04	1,51E+04	1,38E+04
800	7,39E+03	7,21E+03	6,66E+03
1000	4,99E+03	4,87E+03	4,50E+03
2000	1,38E+03	1,35E+03	1,25E+03
8000	3,53E+01	3,44E+01	3,16E+01

Максимальное значение Emax будет соответствовать последней строке таблицы (выделено курсивом).

Расчёт E_p0 для каждого выбираемого ИПЭ может быть проведен отдельно.

Пробег частицы обычно берётся равным 100 мкм, т.е. 1E-2 см.

Итоги расчёта для тестовой конфигурации от воздействующих ВЭП галактических лучей:

- расчёт чувствительности к сбоям от воздействующих ВЭП галактических лучей для Aeroflex UT1750A;

- рассчитанная пороговая энергия протонов для Aeroflex UT1750A – 1162,465;

- выбранный диапазон ЛПЭ: Lmax>Lп;

- значение потока F(>Eп) соответствующее Eп – 4,4E+3;

- пороговая энергия протонов для Aeroflex UT1750A – 1162,465;

- сечение сбоя Aeroflex UT1750A = 1,9E-12;

- частота сбоев для Aeroflex UT1750A = 3,368E-10;

- количество микросхем Aeroflex UT1750A = 1;

- частота для всех микросхем типа Aeroflex UT1750A = 3,368E-10.

Расчёт от воздействующих ВЭП солнечных лучей и ВЭП естественных радиационных поясов земли аналогичен проведенному расчёту для ВЭП галактических лучей.

В рассматриваемом случае в расчёте принимает участие только Aeroflex UT1750A, она и будет иметь максимальную частоту сбоев для данной конфигурации блока.

Рассмотренное методическое обеспечение оценки стойкости радиоэлектронной аппаратуры, эксплуатируемой в условиях космического пространства, позволяет решать ряд актуальных задач, в том числе:

- прогнозировать устойчивость ИПЭ к сбоям от отдельных тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов;

- определять устойчивость отдельно взятых ИПЭ к сбоям от отдельных тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов;

- проводить сравнительный анализ между аналогами ИПЭ и выбирать лучший с точки зрения решаемых задач и по признаку сбоеустойчивости элементов.

Стоит отметить, что рассмотренная модель предназначена для проведения оценочного расчета стойкости. Уточненный расчет должен строиться на топологии рассматриваемого полупроводникового изделия с выделением отдельных функциональных блоков (таких как АЛУ, ПЗУ, ОЗУ и др.), каждый из которых имеет различные характеристики стойкости к воздействию заряженных частиц

Предлагаемое в данной работе методическое обеспечение будет использовано при проведении дальнейших исследований по оценке стойкости радиоэлектронной аппаратуры, эксплуатируемой в условиях космического пространства.

Литература:

1. Пашковский М.Е. Модель оценки стойкости полупроводниковых изделий к воздействию высокоэнергетичных протонов космического пространства / М.Е. Пашковский, Е.С. Пашковская, В.Ф. Барабанов // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2013. Том 9. № 4. С. 18-21.

2. Пашковский М.Е. Оперативная оценка стойкости полупроводниковых изделий к локальным радиационным эффектам / Барабанов В.Ф., Пашковский М.Е., Подвальный С.Л. // Воронеж: Издательство «Научная книга», 2012. – 128 с.

3. Агаханян Т.М. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах / Т.М. Агаханян, Е.Р. Аствацатурьян, П.К. Скоробогатов. М.: Энергоатомиздат, 1989. – 256 с.