Применение радиационно-защитных корпусов и экранов для электронных компонентов
Грабчиков Сергей Степанович, д.т.н.
главный научный сотрудник ГО "НПЦ НАН Беларуси по материаловедению"
В современной электронной и радиоэлектронной технике вопрос обеспечения высоких показателей эксплуатационной надежности приборов и аппаратуры в условиях радиационных воздействий (электроны, протоны, тяжелые заряженные частицы, рентгеновские и гамма-излучения) весьма актуален.
Эта проблема решается несколькими путями. И один из наиболее эффективных и экономичных подходов — создание новых типов специализированных корпусов с экранами радиационной защиты, интегрированными в конструкцию корпуса.
О современных решениях и разработках в данной области рассказывают главный научный сотрудник ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению», доктор физико-математических наук Сергей Степанович Грабчиков и технический директор АО «ТЕСТПРИБОР» Николай Алексеевич Василенков.
— Как давно длится сотрудничество компании АО «ТЕСТПРИБОР» с учеными Республики Беларусь? Как оно возникло?
Сергей Грабчиков (С. Г.): Мы познакомились в 2013 году на одной научно-технический конференции в Нижнем Новгороде. Там я сделал доклад на тему материалов радиационной защиты, который заинтересовал руководство «ТЕСТПРИБОР». Эта встреча стала отправной точкой нашего сотрудничества. Далее, с 2014 года мы плотно и скоординированно сотрудничаем по различным тематикам, таким как электромагнитная защита, электромагнитная совместимость, радиационная защита, методики расчетов и испытаний стойкости электронной компонентной базы, материалы и технологии для изготовления металлокерамических корпусов, печатных плат, и другим.
— Какие важные практические задачи решались и решаются в рамках данного сотрудничества?
С. Г.: В ГО «НПЦ НАН Белоруссии по материаловедению» и АО «ТЕСТПРИБОР» выполнен комплекс работ по разработке и созданию материалов электромагнитной защиты на основе многослойных пленочных структур, материалов и технологии локальной радиационной защиты (ЛРЗ), ее интегрирования в специализированные корпуса и электронные модули типа «система в корпусе». Выполнен полный цикл испытаний этих изделий.
— Какая работа проводится в сфере создания материалов и технологий с радиационной защитой для изделий микроэлектроники космического назначения?
Николай Василенков (Н. В.): в настоящее время проблема повышения радиационной стойкости решается несколькими путями — технологическим, конструктивным, схемотехническим методами, а также путем моделирования радиационных дефектов на стадии проектирования и расчетов локальных дозовых нагрузок. Одно из перспективных направлений — создание ЛРЗ, которая позволяет снизить радиационные нагрузки на электронные компоненты и представляет собой дополнительный экран, предназначенный для защиты только критичных узлов и элементов изделия, не влечет за собой серьезного увеличения массы или габаритов блоков космических аппаратов (КА), является одним из наиболее эффективных и экономичных подходов для обеспечения радиационной защиты ЭКБ. На наш взгляд, это решение имеет важное практическое значение для нашей микроэлектронной отрасли.
— Расскажите более подробно о проблеме радиационной защиты изделий микроэлектроники, эксплуатируемых в условиях космического пространства (КП).
С Г.: Проблема радиационной защиты связана с обеспечением эксплуатационной надежности ЭКБ и сроков активного существования радиоэлектронной аппаратуры в условиях повышенного уровня радиационных воздействий, состоящих из потоков первичных ядерных частиц (электроны, протоны и тяжелые заряженные частицы, или ТЗЧ), а также вторичных ядерных частиц — продуктов ядерных превращений. Радиационные воздействия являются одними из основных дестабилизирующих факторов, воздействующих на ЭКБ, блоки и чувствительные элементы радиоэлектронной аппаратуры, информационной и телекоммуникационной техники.
Известно, что для наступления необратимых изменений в полупроводниковых приборах поглощенные дозы радиации должны составлять или превышать 105–106 рад, в ИМС — 104–105 рад. При этом некоторые ИМС категорий commercial и industrial могут характеризоваться уровнями 103 рад и ниже. Данные уровни радиационной стойкости элементной базы не обеспечивают требуемого временного ресурса КА даже при работе на ряде околоземных орбит, не говоря уже о полетах на другие планеты Солнечной системы. Радиационная защита КА, предназначенных для межпланетных полетов, возможна при использовании активных и пассивных систем защиты. Действие первых основано на применении мощных магнитных полей (сверхпроводящие системы), способных отклонять заряженные частицы. Это очень сложное, массогабаритное и дорогостоящее техническое решение. Действие вторых основано на поглощении и отражении заряженных частиц. В связи с этим ясна актуальность направления, связанного с разработкой новых материалов и технологий для эффективной радиационной защиты.
— Как обстоят дела с применением технологий и материалов радиационной защиты ЭКБ за рубежом?
Н. В.: Начиная с 80-х годов прошлого столетия в США, ЕС и других странах проблема повышения радиационной стойкости ЭКБ космического назначения успешно решается путем использования материалов на основе тяжелых элементов в виде защитных покрытий, компаундов, различных конструкций специализированных корпусов. Практическая реализация данного решения стала возможной после того, как зарубежными учеными была экспериментально показана эффективность экранирования с применением защитных материалов. Основные производители изделий микроэлектроники с радиационной защитой — Maxwell Technologies USA; 3D Plus France, Space Electronics USA, Actel Inc. USA, Bae Systems, USA. Наиболее широкое распространение получила технология RAD-PAK, разработанная компанией Maxwell Technologies. Защитные элементы экранов RAD-PAK представляют собой пластины на основе вольфрама, которые выполняют функцию крышки корпуса и составляют часть основания специализированного корпуса. Данная технология обеспечивает уровень стойкости не ниже 100 крад по отношению к эффектам поглощенной дозы в условиях КП или в 3–10 раз снижает уровень воздействия космического излучения на ЭКБ. При этом важно, что эффективность такой защиты существенно зависит от параметров орбиты, сроков эксплуатации и компоновки КА. Отметим, что стоимость изделий с применением технологий RAD-РАК очень высока. Например, стоимость материнской платы компьютеров компании Bаe Systems, изготовленных с применением данной технологии, достигает $100 000.
Другой вариант технологии ЛРЗ — покрытия типа WALOPACK фирмы 3D Plus, Francе. Эти покрытия представляют собой структуру с чередующимися слоями керамики (Al2O3) и порошкообразного W. Толщина слоев Al2O3 порядка 185 мкм, слоев W — 25 мкм. Покрытия предназначены для защиты от жесткого ионизирующего излучения и обеспечивают коэффициент ослабления по гамма-квантам — 1,5.
Еще один тип технологии ЛРЗ — RAD-COAT, одним из разработчиков которой является компания Space Electronics Inc., USA. Технология RAD-COAT более универсальна, чем технологии RAD-PAK и WALOPACK, поскольку жестко не привязана к конструкциям стандартных корпусов. Радиационная защита формируется в виде покрытий, мастик на основе эластичной матрицы с наполнителем из порошка вольфрама.
— Как обстоят дела с применением технологий и материалов ЛРЗ защиты в РФ?
Н. В.: До санкционного периода предприятия России и стран СНГ за огромные деньги приобретали продукцию зарубежных про-изводителей — это изделия категории space с применением технологии RAD-PAK. В настоящее время это стало практически невозможным, да и стоит значительно дороже.
Есть отечественные разработки материалов ЛРЗ. В России они получили условное название ЛОЗА (Локальная Защита). Материалы ЛОЗА производят ФГУП «НПО машиностроения» (г. Реутов), «НПО машиностроения-ИМЕТ» (г. Москва), ОАО «ВНИИАЭС» (г. Москва), «ВНИИНМ им. акад. А. А. Бочвара» (г. Москва), ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров) и другие предприятия.
В АО «ЭНПО СПЭЛС» (г. Москва) экспериментальными и расчетными методами проведены оценки степени ослабления поглощения энергии электронов, протонов и гамма-квантов защитными элементами корпусов, изготовленных по технологии RAD-PAK. Установлена сильная зависимость коэффициента ослабления дозовой нагрузки от энергии излучения электронов и протонов. Значения коэффициентов ослабления гамма-квантов защитой RAD-PAK не превышали 1,6–2 раз.
— Какие результаты получены в АО «ТЕСТПРИБОР» и ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» при разработке и ис-пытаниях специализированных корпусов с ЛРЗ?
С. Г.: Компания «ТЕСТПРИБОР» совместно с ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» разработала и изготовила специализированные металлокерамические корпуса с интегрированными радиационно-защитными экранами — 100- и 144-выводной корпуса, а также гибридный корпус для многокристального электронного модуля («система в корпусе»). Проведен полный цикл испытаний.
Методами математического моделирования проведена оценка коэффициентов ослабления данными корпусами локальных дозовых нагрузок при облучении потоками электронов и протонов для различных околоземных орбит, полученные результаты сопоставлены со значениями дозовых нагрузок для серийных корпусов без ЛРЗ. Показано, что ИМС с типовым для коммерческих кристаллов значением уровня стойкости 1–2 крад, установленные в специализированных корпусах с ЛРЗ, обеспечивают срок активного существования (САС) КА до пяти и более лет в зависимости от условий эксплуатации на околоземных орбитах.
В гибридных металлических корпусах блоков радиоэлектронных средств определены способы снижения уровня поглощенной дозы кристаллами ИМС с использованием ЛРЗ на основе композита W–Cu. Так, на круговой орбите с углом наклонения i = 30° высотой H = 8000 км применение ЛРЗ с толщиной основания и крышки корпусов 1,67 г/см2 позволяет снизить дозовую нагрузку в 3,5–3,7 раза при минимуме и 3,9–4,1 раза при максимуме солнечной активности, по сравнению с корпусом без ЛРЗ.
Совместно с ОИЯИ (г. Дубна) выполнена экспериментальная и расчетная оценка эффективности локальной радиационной защиты при воздействии высокоэнергетических частиц. Определены линейные пробеги высокоэнергетических ионов при прохождении экранов, изготовленных из композиционных материалов и многослойных структур.
Совместно с АО «ИНТЕГРАЛ» проведены испытания на стойкость ИМС, размещенных в серийных и специализированных корпусах с ЛРЗ, к излучению электронов с энергиями 1,6–1,8 МэВ. Стойкость ИМС, размещенных в специализированных корпусах, к данному типу излучения повышена более чем в 100 раз.
Более детальную информацию о наших результатах можно получить из публикаций в научных журналах, ссылки на которые мы можем предоставить.
— Каковы преимущества разработанной вами технологии?
С. Г.: Как и все технологии ЛРЗ, наши разработки позволяют обеспечить повышенную радиационную стойкость электронных компонентов и аппаратуры к воздействию потоков электронов, протонов и высокоэнергетических заряженных частиц КП. К преимуществам метода ЛРЗ можно отнести
- возможность использовать серийную номенклатуру ЭКБ с низкой стойкостью к эффектам накопленной дозы (категории commercial и industrial) при производстве приборов и аппаратуры ракетно-космического и авиационного назначения;
- снижение весовых и габаритных параметров по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты;
- расширение номенклатуры применяемых ИМС и п/п приборов и тем самым снижение затрат на комплектацию при производстве радиоэлектронной аппаратуры КА.
— Насколько сегодня актуальна проблема защиты космической аппаратуры от радиационных воздействий?
Н. В.: Сейчас в мире наблюдаются все возрастающий интерес к широкому коммерческому использованию околоземного космического пространства. Но для успешной реализации коммерческих проектов необходимо наличие высокой рентабельности, которая служит стимулирующим фактором для инвесторов. Высокая рентабельность обеспечивается путем снижения издержек при проектировании и изготовления бортовой радиоаппаратуры в том числе и за счет снижения затрат на комплектующие при сохранении приемлемых показателей надежности. Для решения этой проблемы космическая индустрия ставит перед производителями радиоэлектронных комплектующих ряд очень сложных и важных задач. Например, существенное удешевление продукции стойкой к воздействию космических излучений, созданию быстрых способов адаптации общедоступных (серийных) электронных компонентов к продолжительному использованию в КП.
— Какие новые перспективные направления вы видите в сфере практического применения полученных вами результатов?
С. Г.: В последнее время в технологии сборки электронных компонентов наблюдается тенденция повышения функциональности изделий за счет размещения в одном корпусе ряда отдельных ИМС и п/п приборов, изготовленных по технологиям корпусной и бес-корпусной сборки. Поскольку часто комплектация происходит путем применения ИМС с недостаточными и различными уровнями радиационной стойкости, то наиболее оптимальным решением возникающей проблемы является применение экранов ЛРЗ.
В последнее 10–15 лет большой практический успех достигнут при использовании малых космических аппаратов (МКА), в том числе стандарта CubeSat. Коммерческий успех обеспечен за счет унификации основных габаритных и весовых параметров комплектующих элементов, применения недорогих доступных материалов, комплектующих и электронных компонентов, в основном категории commercial. Рабочие орбиты МКА расположены на расстоянии 500–600 км от Земли и с точки зрения радиационной нагрузки являются весьма сложными, поскольку содержат большие потоки высокоэнергетических электронов, протонов и ТЗЧ. В связи с этим при разработке и создании МКА актуальным становится обеспечение эксплуатационной надежности приборов и аппаратуры в условиях повышенного уровня радиационной нагрузки. Один из путей решения — применение ЛРЗ.
— Что необходимо для практического внедрения ваших результатов?
Н. В.: Раньше для комплектования космической аппаратуры широко использовалась иностранная ЭКБ. Это вызвано рядом объективных причин, поскольку отечественная промышленность не всегда могла обеспечить разработчиков необходимой ЭКБ, механизм применения иностранной компонентной базы более простой и гибкий. Поэтому разработчикам легче использовать иностранную ЭКБ. Имеются серьезные основания считать, что массовое применение в аппаратуре зарубежной ЭКБ частично неподконтрольного качества отражается на надежности произведенной радиоэлектронной аппаратуры.
В настоящее время, когда доступность иностранной ЭКБ сильно ограничена, значительно возросли риски ее применения, связанные с качеством, стоимостью, сроками поставок, рисками непоставок и т. д. Решением проблемы могло стать использование имеющихся технологических заделов разработанной ЭКБ в рамках проведенных ОКР. Для применения их в аппаратуре космического назначения определенные характеристики можно повысить до необходимого уровня с помощью технологии ЛРЗ, а также радиационно-защитных корпусов.
Для практического внедрения данных работ необходимо принятие решения госкорпорации «Роскосмос», которое определяло бы порядок применения радиационно-защитных корпусов при сборке электронных компонентов российских и белорусских производителей.
Для конкретного производителя радиоэлектронной аппаратуры КА согласование вопроса применения технологии ЛРЗ с ее разработчиком следует проводить после определения исходных данных по спектрам космических излучений на заданной орбите (электронов, протонов и ТЗЧ); габаритам защищаемой ЭКБ и их расположении в КА; имеющимся и требуемым уровням стойкости применяемой ЭКБ; требуемым САС создаваемой КА.
— Какие еще задачи вы ставите перед собой? Какие проблемы помогут решать ваши разработки на следующих этапах освоения космического пространства?
С. Г.: Космическое пространство характеризуется огромными по диапазонам энергиями и широкими по видам излучений спектрами. Радиационные условия в разных зонах космического пространства и во времени различаются. Решить задачу защиты по всему энергетическому спектру и видам космических излучений очень сложная проблема. Одним или несколькими материалами решить ее невозможно, поэтому необходимо иметь широкий набор материалов и технологий. Это задача на многие годы и для многих разработчиков, технологов и материаловедов.
Как известно, следующий этап освоения КП связан с изучением Луны, планет Солнечной системы, дальнего космоса. Перед разработчиками космических аппаратов встают задачи, связанные со сложными радиационными условиями, длительностью полетов, необходимостью защиты человека и аппаратуры, что, в свою очередь, возвращает нас к вопросам радиационной защиты и радиационной безопасности.
