Специализированные радиационно-защитные корпуса для изделий микроэлектронной техники

В современных радиоэлектронных системах вопрос обеспечения высоких показателей эксплуатационной надежности приборов и аппаратуры в условиях радиационных воздействий (электронов, протонов, тяжелых заряженных частиц, рентгеновского и гамма-излучения) является весьма актуальным. Проблема повышения их радиационной стойкости решается следующими путями:

• технологический (применение специализированных технологических процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем (ИМС) и других компонентов бортовой аппаратуры) [1, 2];
• конструктивный (специализированные корпуса ИМС — методы локальной защиты) [1–4, 5, 6, 7];
• схемотехнический (методы мажоритирования и др.) [1];
• методика с помощью моделирования радиационных эффектов (на стадии проектирования ИМС) [1].

При использовании стандартных материалов (алюминий и его сплавы) конструкцион-ной защиты космических аппаратов (КА) уровни радиационных воздействий оказываются все еще достаточно высокими, поэтому для наиболее уязвимых элементов следует использовать локальную защиту.

Локальная защита представляет собой дополнительный экран, предназначенный для предохранения только критичных узлов и элементов аппаратуры, не приводит к серьезному увеличению массы или габаритов блоков КА, является одним из наиболее эффективных и экономичных подходов для обеспечения радиационной защиты ИМС. Именно поэтому весьма перспективно направление, связанное с созданием новых типов корпусов с интегрированными в конструкцию корпуса экранами радиационной защиты (ЭРЗ).

Использование коммерческих кристаллов ИМС и полупроводниковых приборов в военных и гражданских космических системах стало возможным после того, как экспериментальным путем была показана эффективность экранирования с применением защитных материалов [8]. Локальное экранирование ИМС впервые было предложено в 1979 году, а исследования, доказывающие преимущества данного подхода, были проведены в 1980‑х годах в США [8–10].

Основные эффекты воздействия радиации на элементы и аппаратуру КА определяются типом излучения, энергией, интенсивностью и проникающей способностью первичных и вторичных частиц в объеме вещества. ЭРЗ эффективны для защиты электронной аппаратуры от воздействия мягкой компоненты космического излучения (электронов, протонов), не обладающей способностью глубокого проникновения в вещество.

Для ионизирующих излучений с более высокой проникающей способностью (рентгеновское, гамма-излучение, мюоны, тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) и др.) защита электронных систем с помощью экранов менее эффективна. Также необходимо отметить, что, используя лишь один метод, невозможно обеспечить достаточную защиту КА от всего спектра космических воздействий. При этом ЭРЗ предохраняют элементы космических аппаратов от накопительной (дозовой) составляющей радиационной нагрузки, в то время как высокоэнергетические частицы, в том числе и ТЗЧ, создающие одиночные радиационные эффекты, имеют вероятностный характер воздействия и требуют других способов повышения радиационной стойкости (см. выше).

В настоящее время разработкой материалов для ЭРЗ занимаются как российские, так и зарубежные производители [2–6, 7]. За рубежом эти материалы носят условные названия: RAD-COAT (Space Electronics Inc., США), RAD-PAК (Maxwell Technologies Inc., США), WАLOPACK (3D-Plus, Франция), X‑Ray (Actel Inc., США) [4, 5, 6]. Для защиты ИМС в составе КА от воздействия ионизирующего излучения зарубежными компаниями разработан ряд конструкций корпусов (рис. 1).

Рис. 1. Конструкции корпусов для защиты ИМС

По данным разработчиков фирмы Maxwell Technologies Inc. (США), технология RAD-PAК обеспечивает уровень стойкости не менее 100 крад по отношению к эффектам поглощенной дозы [5]. При этом принципиально важно, что эффективность такой защиты существенно зависит от параметров орбиты, сроков эксплуатации и компоновки КА.

В последние годы формируется точка зрения, согласно которой наиболее эффективными защитными свойствами от радиационных воздействий обладают многослойные структуры и композиционные материалы, позволяющие в несколько раз снизить дозовые нагрузки на элементы аппаратуры КА при сокращении массо-габаритных характеристик [6, 7]. К таким ЭРЗ относятся материалы WАLOPACK, представляющие собой структуры с чередующимися слоями керамики Al₂O₃ и порошкообразного вольфрама. В работах [11, 12] показано, что для геостационарной орбиты (ГСО) наиболее эффективна трехслойная композиция защиты, в которой материал с высоким атомным номером Z располагается между слоями материала с низким Z, в частности композиция A1‑W‑A1.

По своей конфигурации и размерам ЭРЗ должны соответствовать конфигурации и размерам стандартных корпусов ИМС. С этой точки зрения более универсальной является технология нанесения защитных покрытий RAD-COAT, которая в отличие от технологий RAD-PAК и WАLOPACК не привязана к конструкции стандартного корпуса ИМС. Покрытия типа RAD-COAT изготавливают на основе пластичной матрицы с наполнителем в виде порошка вольфрама.

В 2014 году компанией ЗАО «ТЕСТ-ПРИБОР» (г. Москва) начаты работы по созданию собственной оригинальной конструкции корпусов с интегрированными в них радиационно-защитными экранами. В ходе первого этапа работ были выполнены исследования перспективных материалов для ЭРЗ, обеспечивающих максимальную эффективность защиты при оптимальных массо-габаритных характеристиках и согласованных по температурному коэффициенту расширения (ТКР) с материалами, применяемыми для изготовления металлокерамических корпусов ИМС (сплав 29НК и керамика Al₂O₃). Проведены компьютерные расчеты коэффициентов ослабления потоков протонов и электронов ЭРЗ для ряда космических орбит, результаты сопоставлены с экспериментом.

Образцы ЭРЗ в виде пластин разной толщины были изготовлены на основе чистых металлов (вольфрама, тантала, меди и алюминия), композитов системы W‑Cu, а также покрытий сплавов Bi-Al, керамики Al₂O₃ и сплава системы Fe-Ni-Co (29НК). Тестирование образцов экранов проводилось для электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ) на моделирующих установках и расчетными методами. Облучение электронами осуществлялось на ускорителях электронов ЭЛУ‑4 (энергия электронов 4 МэВ) (НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, г. Минск), а также «У‑31/33» (2,2 МэВ) и «РЭЛУС» (3,6 МэВ) (ОАО «ЭНПО СПЭЛС», г. Москва). Для уменьшения энергии электронов до 1,6–1,8 МэВ на ускорителе ЭЛУ‑4 между мишенью и окном вывода электронов устанавливалась алюминиевая пластина толщиной 5 мм. Облучение протонами проводилось на ускорителе протонов с перестраиваемой энергией (г. Протвино). Использовались следующие значения энергий протонов: 50, 70, 100, 150 и 200 МэВ.

Поглощенная доза определялась как детекторами ИС‑7, так и по изменению вольт-амперных характеристик (ВАХ) р‑канальных МОП-транзисторов. Детекторы ИС‑7 являются стандартными средствами дозиметрии в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении испытаний на радиационную стойкость. Их погрешность не превышает 15%. В качестве тестовых образцов использовались транзисторные МОП-структуры (элементы логических КМОП ИМС IN74AC04N), изготовленные в ОАО «Интеграл» по стандартной эпитаксиально-планарной технологии с индуцированными каналами р‑типа (длина канала L = 2 мкм и ширина W = 50 мкм).

Измерения параметров тестовых МОП-структур проводились до и после каждой дозы облучения с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП‑1/6. Погрешность измерений составляла ±5%. Эффективность экранирования определялась по изменению ВАХ, а именно порогового напряжения U_пор МОП-структур, расположенных за экраном и без экрана. Значения коэффициента экранирования К_э тестовых структур определяли из соотношения:

К_э = D_п/D_п0,

где D_п — доза параметрического отказа тестовой приборной структуры за защитным экраном; D_п0 — доза параметрического отказа тестовой приборной структуры без экрана. Параметрический отказ фиксировался при изменении порогового напряжения ΔU_пор = 0,1 B.

При использовании дозиметров ИС‑7 эффективность экранирования также определялась по отношению поглощенной дозы, измеренной без экрана, к поглощенной дозе за экраном.

Для перевода флюенса электронов в накопленную дозу использовались следующие соотношения:

1 крад = 3×10¹⁰ эл/см²;

1×10¹² эл/см² = 33 крад.

С помощью программы GEANT4 проводились расчеты поглощенной дозы радиации в кристалле кремния, облученном протонами с энергиями от 0,04 до 500 МэВ, расположенном за защитными экранами и без экрана.

Результаты исследования ЭРЗ на основе различных материалов позволили заключить, что по габаритным свойствам и стоимостным качествам наиболее подходящим материалом является вольфрам [13]. При этом для изменения его ТКР к нему следует добавить примеси других металлов, в частности меди. Получаемый таким образом композит W‑Cu обладает нужными технологическими качествами для изготовления ЭРЗ, интегрированных в металлокерамические корпуса ИМС.

Результаты исследований защитных свойств испытанных образцов ЭРЗ на основе композиционного материала W‑Cu, керамики Al₂O₃ и сплава системы Fe-Ni-Co (29НК), облученных потоками электронов с Е = 1,6–1,8 МэВ, на тестовых структурах р‑канальных МОП-транзисторов представлены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что увеличение толщины элементов металлокерамических корпусов ИМС, изготовленных из различных материалов, приводит к росту значений коэффициентов эффективности экранирования. Экраны на основе керамики Al₂O₃ могут обеспечить требуемый уровень защиты ИЭТ при толщинах больше 3 мм, экраны из сплава 29НК — более 1,5 мм. Однако увеличение толщины керамического корпуса в большинстве случаев не представляется возможным как по габаритным свойствам, так и по требуемому уровню теплоотвода.

*Примечание. D_п0 = 2,6×10¹² см^–2; d_м = ρ×d [г/см²]; где d — толщина образца, d_м — массовая толщина; ρ — плотность материала

Больший эффект удается получить, интегрируя в корпуса микросхем дополнительные экраны на основе композиционного материала W‑Cu (таблица 1). Здесь уже при толщине ЭРЗ d = 0,6 мм достигаются радиационно-защитные свойства значительно более высокие, чем у экранов, изготовленных на основе сплава 29НК или керамики Al₂O₃. Однако следует отметить, что чрезмерное наращивание толщины пластин W‑Cu также не дает существенного выигрыша в радиационно-защитных свойствах ЭРЗ как от электронного, так и от протонного облучения. Вероятнее всего, это вызвано увеличением тормозного излучения, которое обладает высокой проникающей способностью. Нами установлено, что для защиты от электронов и протонов РПЗ оптимальными толщинами экранов на основе W‑Cu являются значения 0,9÷1,2 мм.

Приведенные выше результаты по ЭРЗ на основе W‑Cu были подтверждены в испытательном центре ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (табл. 2–4). В таблице 2 приведены результаты компьютерного моделирования коэффициента эффективности экранирования ЭРЗ на основе W‑Cu толщиной 1,2 мм от электронов и протонов разных энергий.

Примечание. * — протоны РПЗ для данных орбит полностью ослабляются защитным экраном, а также защитой 0,1 г/см² Al, K_э min — коэффициент ослабления для минимума солнечной активности (СА), K_э max — для максимума СА.

Из полученных данных следует, что ЭРЗ на основе W‑Cu весьма эффективно ослабляют излучение электронов РПЗ во всем диапазоне энергий (К_э изменяется в диапазоне от 10 до 10⁴ по порядку величины). Для протонов космического пространства (КП) с энергией менее 30 МэВ защитный экран обеспечивает ослабление поглощенной дозы на величину от 10³ до 10⁶ раз, для протонов с энергией в диапазоне 30–100 МэВ наблюдается усиление поглощенной дозы за защитным экраном от 1 до 3 раз. Использовать защитный экран для протонного излучения с энергией более 100 МэВ неэффективно. Удельные потери энергии протонов возрастают с уменьшением энергии частиц и особенно резко перед остановкой в веществе [1]. Этим обусловлено наблюдаемое уменьшение значения К_э ниже единицы для протонов с энергией в диапазоне 30–100 МэВ (табл. 2).

В таблице 3 приведены результаты расчета значений К_э для ЭРЗ на основе композита W‑Cu толщиной 1,2 мм для потоков электронов и протонов РПЗ на различных типах орбит. В таблице 4 для этих же экранов представлены суммарные (протоны и электроны) значения коэффициентов эффективности экранирования. Выбранные орбиты (орбита МКС, круговая полярная орбита, ВЭО, орбита ГЛОНАСС, ГСО) являются актуальными для современных КА, поскольку проходят через радиационные пояса протонов и электронов.

Из результатов численного моделирования коэффициентов ослабления электронов и протонов КП видно, что защитный экран ослабляет суммарную поглощенную дозу от заряженных частиц как минимум на порядок. При этом ЭРЗ являются наиболее эффективными для орбит ГСО, ГЛОНАСС и ВЭО с большим вкладом электронов. Применение их для орбит с большим вкладом протонов (МКС и круговой полярной) менее эффективно.

На основании результатов проведенных исследований были спроектированы и изготовлены корпуса для ИМС с интегрированными в них радиационно-защитными экранами, изготовленными на основе композитного материала W‑Cu.

Рис. 2. Варианты МКК:
а) специализированный 100 выводной планарный металлокерамический корпус с интегрированными радиационно-защитными экранами;
б) специализированный 144 выводной планарный металлокерамический корпус с интегрированными радиационно-защитными экранами

Нами предложено два варианта металлокерамического корпуса (МКК), основное различие которых в методах герметизации подкорпусного пространства (рис. 2):

• герметизация осуществляется методом шовно-роликовой сварки (рис. 2а);
• герметизация осуществляется методом пайки (рис. 2б).

Выводы

Компания ЗАО «ТЕСТПРИБОР» разработала материалы и технологию, которые могут быть использованы для изготовления корпусов нового поколения электронной компонентной базы, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники для обеспечения повышенных требований к радиационной устойчивости.

Применение корпусов с интегрированной радиационной защитой позволит:

• обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС, электронных компонентов и аппаратуры;
• использовать электронные компоненты коммерческого и индустриального классов для космических приложений и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры;
• расширить номенклатуру применяемых ИМС;
• обеспечить снижение весовых и габаритных параметров по сравнению со стандартными методами конструктивной защиты.

Авторы выражают благодарность компании «АО «ЭНПО СПЭЛС» за проведенные исследования.