14.11.2016

Металлокерамические корпуса АО «ТЕСТПРИБОР»: эффективная защита от ионизирующего излучения

Н.Василенков,генеральный директор, АО «ТЕСТПРИБОР»,
А.Максимов, начальник КБ,  АО «ТЕСТПРИБОР»,

Сегодня радиационная стойкость электронной компонентной базы (ЭКБ) обеспечивается преимущественно двумя способами: технологическим (применением специальных процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем – ИМС) и конструктивным. Конструктивная защита (обшивка) космических аппаратов (КА), выполненная на основе алюминия и его сплавов, не в полной мере ослабляет радиационные факторы космического пространства (КП). Применение радиационно-стойких ИМС не всегда возможно: например, ограничен срок проектирования КА, неприемлемо высока 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.

Для 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, радиационностойкие аналоги которых отсутствуют.

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 и сравнение полученных данных с экспериментом.

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 51,5º;

· круговая полярная орбита с высотой 800 км и наклонением 98º;

· высокая эллиптическая орбита (ВЭО) – апогей 40000 км, перигей 500 км, наклонение 63º, аргумент перигея 270º;

· ГЛОНАСС – круговая орбита с высотой 19100 км и наклонением 64,8º;

· геостационарная орбита (ГСО) – высота 35786 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/см2) 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/см2.

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 Со60, Cs137 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/см2 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.

Таблица 1. Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 при воздействии потоков электронов

Наименование корпуса

Электроны с энергией 2,2 МэВ

Электроны с энергией 3,6 МэВ

Эксперимент

Расчет 1)

Эксперимент

Расчет 1)

4248.144-2

2124

1800

90

130

4247.100-2

859

700

34

50

1) расчет проводился в ПО Fastrad (версия 3.4.3.0) прямым методом Монте-Карло.

Таблица 2. Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки для корпуса МКК 4248.144-2

Внешняя защита

Орбита

Суммарная доза

Доза от электронов

Доза от протонов

KминСА1)

KмаксСА1)

KминСА

KмаксСА

KминСА

KмаксСА

0,1

г/см2

МКС

46

612

3586

4946

9

4

Полярная

89

74

9958

3242

6

5

ВЭО

879

1345

6120

9564

552

552

ГЛОНАСС

4151

5509

4151

5509

2)

ГСО

27320

27328

27320

27328

0,5

г/см2

МКС

5

43

941

1149

2

2

Полярная

4

9

1022

1175

2

2

ВЭО

30

40

996

1143

14

14

ГЛОНАСС

1085

1361

1085

1361

ГСО

2034

2034

2034

2034

1,0

г/см2

МКС

2,0

7,7

649

717

1,6

1,4

Полярная

1,9

2,5

606

673

1,5

1,5

ВЭО

7,2

8,9

521

599

4,7

4,7

ГЛОНАСС

609,2

692,7

609

693

ГСО

732,4

705,4

732

705

1) минСА и максСА – минимальный и максимальный уровень солнечной активности, соответственно;

2) протоны ЕРПЗ для орбит ГЛОНАСС и ГСО не вносят вклад в поглощенную дозу.

Таблица 3. Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки для корпуса МКК 4247.100-2

Внешняя защита

Орбита

Суммарная доза

Доза от электронов

Доза от протонов

KминСА1)

KмаксСА1)

KминСА

KмаксСА

KминСА

KмаксСА

0,1

г/см2

МКС

36

436

1586

2093

7,0

3,0

полярная

71

59

4316

1362

4,8

4,1

ВЭО

484

733

2752

4172

308,2

308,2

ГЛОНАСС

1798

2273

1798

2273

2)

ГСО

10989

10992

10989

10992

0,5

г/см2

МКС

4,8

42,3

436

523

2,0

1,7

полярная

4,5

9,5

491

553

1,9

1,9

ВЭО

30,7

41,4

493

553

14,7

14,7

ГЛОНАСС

516,4

644,2

516

644

ГСО

1038,5

1038,5

1039

1039

1,0

г/см2

МКС

2,0

7,9

377

438

1,6

1,4

полярная

1,9

2,6

343

394

1,5

1,5

ВЭО

7,6

9,3

293

346

4,9

4,9

ГЛОНАСС

357,7

411,2

358

411

ГСО

434,0

434,0

434

434

1) минСА и максСА – минимальный и максимальный уровень солнечной активности, соответственно;

2) протоны ЕРПЗ для орбит ГЛОНАСС и ГСО не вносят вклад в поглощенную дозу.

Таблица 4. САС кристаллов с уровнем стойкости 10 крад, установленных в МКК 4248.144-2 и серийный корпус без РЗЭ

Орбита

Доза внутри специализированного корпуса за 1 год, рад

САС, лет

Доза внутри серийного аналога (крышка из ковара) за 1 год, рад

САС, лет

Круговая полярная 800 км

3,6×102

28

5,1×102

20

Геостационарная

1,2×101

83

1,1×103

9

Орбита ГЛОНАСС

8,6×101

116

7,7×103

1

Высокоэллиптическая орбита

1,6×103

6

5,3×103

2

Орбита МКС

4,2×101

238

6,2×101

161

Подписи к рисункам:

Рис.1. Специализированные планарные металлокерамические корпуса с интегрированными радиационно-защитными экранами:

а) 100-выводной 4247.100-2,


Специализированные планарные металлокерамические корпуса с интегрированными радиационно-защитными экранами 100-выводной 4247.100-2

б) 144-выводной 4248.144-2

Специализированные планарные металлокерамические корпуса 144-выводной 4248.144-2


Рис.2. Ослабление дозовой нагрузки корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 при воздействии потока протонов


VI всероссийская научно-техническая конференция
"Импортозамещение. Вопросы обеспечения предприятий промышленности электронной компонентной базой"