Слайд 1 - kosrad.ru
реклама
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ СРОКОВ АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА В.С. Анашин (ФГУП НИИ космического приборостроения) ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ 1. Снижение удельной стоимости информации. 2. Увеличение функциональной сложности: •увеличение числа корпусов ЭКБ; •увеличение степени интеграции ЭКБ; •переход на СБИС,СНК и СВК. 3. Увеличение срока активного существования КА. ИИ КП – ГЛАВЕНСТВУЮЩИЙ ЕСТЕСТВЕННЫЙ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ФАКТОР, ОГРАНИЧИВАЮЩИЙ СРОК АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Дозовые эффекты (ДЭ) Протоны и электроны ЕРПЗ Параметрические и функциональные отказы Одиночные эффекты (ОЭ), 8 типов Протоны и ионы СКЛ, ГКЛ и ЕРПЗ Обратимые (сбои) и необратимые (катастрофические) отказы 45-55% 25-35% 5-15% ЭС ОЭ ДЭ 5-15% другие ИИ КП стимулируют другие виды отказов (в первую очередь, электростатические) Из-за эффектов одиночных событий зафиксированы отказы космических аппаратов: Feng Yun I (Yun 1998), S II Jan (1998), Iron 9906 (1997); из-за дозовых эффектов – Hipparkos (Aug.1993). * * H.C.Koons et al.,The impact of the space environment on space systems,Aerospace technical Report TR99 (1670) – 1, 1999) УСРЕДНЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Вид излучения Состав Энергия частиц, МэВ Плотность потока, част./м2с Радиационные пояса Земли: внутренний внешний Протоны 1–30 3·1010 30 2·108 0,05–0,5 2·1012 0,5 5·1010 Протоны 0,1 1·1012 Электроны 0,05–1,5 2·1011 1,5 2·1012 1–104 107–108 Солнечные космические лучи Галактические космические лучи Электроны Протоны Протоны 4·103 Ядра гелия 3·102 Легкие ядра (Z* = 3–5) Средние ядра (Z* = 6–9) 103–1014 (для всех групп ядер) Тяжелые ядра Z* = 10 -30 * – порядковый номер в периодической системе. 6,2 2·10 7,8 ВИДЫ ОДИНОЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ № ОРЭ Характеристика ОРЭ 1. SEU (Single Event Upset) Обратимые сбои в БИС с регулярной логикой, проявляющиеся в виде потери информации в бистабильных структурах Обратимый 2. SEL (Single Event Lаtchup Радиационное защелкивание, вызванное включением паразитных тиристорных структур при попадании в чувствительный объем БИС отдельных заряженных частиц Катастрофический 3. SEHЕ (Single Event Hard Error) Одиночный микродозовый эффект, связанный с локальным выделением энергии в чувствительном объеме активных элементов БИС при попадании ЗЧ КП с последующим "дозовым" отказом данного элемента; после термического отжига обычно наблюдается возврат в рабочее состояние Катастрофический 4. SEFI (Single Event Functional Interrupt) Одиночный эффект функционального прерывания. Обратимый 5. SEB (Single Event Burnout) Одиночный эффект выгорания в мощных МДП- транзисторах, связанный с открыванием паразитного биполярного транзистора при попадании ЗЧ КП Катастрофический 6. SEGR (Single Event Gate Rapture) Одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в МДП структурах Катастрофический 7. SESB (Single Event Snappback) Одиночный эффект транзисторах. Катастрофический 8. SET (Single Event Transient) Переходная ионизационная реакция, вызванная попаданием ЗЧ КП в чувствительную область БИС; эффект может проявляться в виде импульсов тока в выходных цепях в аналоговых ЭРИ и в ЭРИ смешанного типа, а также может привести к искажению информации в высокочастотных оптических линиях передачи информации вторичного пробоя Характер отказа в n-МДП-КНИ Обратимый Экспериментальные Нормативнометодические Системный (КА) ● ● ● ● ● ● ● Приборный (РЭА) ● ● ● ● ● ● ● Элементный (ЭКБ) ● ● ● ● ● ● ● Структурноалгоритмические Конструктивнотехнологические Расчетные УРОВНИ Информационные МЕТОДЫ Организационные УРОВНИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКИХ САС ТКС СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКТАЦИИ РЭА КА Проектирование Изготовление Испытания Дизайн- Кремниевая Корпус Финишное Испытацентр фабрика произво- тельный дство центр Закупка ЭКБ требуемых (Space) характеристик Изготовление Изготовление по ЭКБ отраслевой КД требуемых (Space) характеристик отечественный производитель Требуются ДОИ зарубежный производитель Требуется сертификация отечественный производитель зарубежный производитель Финишное изготовление зарубежный и (отраслевой «сборочный отечественный дом») производитель пластин Отраслевое производотечественный ство полного цикла производитель пластин Отбор и Отбор ЭКБ повышенных отечественные отбраковка из потребительских свойств и зарубежные потенциально (отраслевой производители годной ЭКБ испытательный центр) общего Отбраковка отечественные применения потенциально ненаи зарубежные (COTS) дежной (аномальной) производители ЭКБ (отраслевой испытательный центр) - отечественный, - зарубежный. Требуются подтверждающие испытания Требуются ДОИ Требуются ДОИ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЕ (ЭКБ) КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ (КП) И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ ● Стойкость к специфическим дестабилизирующим факторам космического пространства: – стойкость к дозовым эффектам (низкоинтенсивным) ~ 105 – 106 рад (Si); –стойкость к одиночным эффектам > 60 – 128 МэВ см2/мг (<10-7 – 10-10 ош/бит день); –термостойкость – 1500С (max, без конструктивных способов) + 1250С; –баростойкость до 10-13 мм рт.ст. ● Высокие требования к надежности и долговечности: –наработка на отказ > 1,5 – 2 105 ч; –интенсивность отказов <10-9 – 10-10. ● Широкая номенклатура (> 6000). ● Малая (10 – 1000) серийность (размер партии). ● Технологические особенности: –топологическая норма 0,5 – 0,35 мкм; –соответствие покрытий (лужение-пайка) выводов; –отсутствие массопереноса материалов корпуса. Зарубежная Отечественная * Подтверждение характеристик и отбор ** Определение характеристик и отбор QML Q,V (SPACE, MIL) зел.- высокий, жел.-средний, крас.- низкий, черн.- отсутствует Доступность Цель испытаний по стойкости к ИИ КП Возможность применения без ДОИ Возможность применения в БА финансовая временная Характеристики административная достоверность в т.ч. по стойкости рованность документи- Полнота номенклатурного набора Классы Техникотехнологический уровень ЭКБ СПЕЦИФИКА ЭКБ КП Приемка 1 Приемка 5,9 * COTS (INDUSTRI AL) ** ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКБ (Ткэ – Тио) Задачи: увеличение времени окончания эксплуатации (Tкэ) Интенсивность отказов уменьшение времени начала эксплуатации (=Tио) уменьшение крутизны кривой на участке эксплуатации maxI ТкэI > 10 – 15 лет ТкэQML > 20 – 25 лет QMLQ, V (QML) Industrial, COTS (I) Космический Индустриальный max QML д 0 0 Тио QML ТиоI Испытания/Отбраковка д - допустимая интенсивность отказов 0 - базовая интенсивность отказов max -максимальная интенсивность отказов ТкэQML ТкэI Эксплуатация Старение Тио - время окончания испытаний/отбраковки Ткэ - время окончания эксплуатации Время ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ К ИИ КП НА ЭТАПЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭКБ Использование специализированных техпроцессов изготовления СБИС и специализированных материалов («Кремний на сапфире» (КНС), «Кремний на изоляторе» (КНИ),использование гетероструктур и т.п.) Высокая цена, отсутствие необходимых материалов и оборудования Использование библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга, т.н. "усиленных" библиотек элементов, отбор библиотечных компонентов Возможность реализации на стандартных техпроцессах, относительная дешевизна конструктивные способы Использование специальных корпусов, покрытий и т.п. Необходимость применения специализированных материалов для корпусов моделирование эффектов ИИ КП на этапе проектирования ЭКБ Прогнозирование стойкости элементов и аппаратуры на этапе проектирования с использованием специализированных компонентов САПР и моделей компонентов Отсутствие программных продуктов технологические способы схемотехнические способы ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ЭКБ, СТОЙКОЙ К ДФКП Проектирование ЭКБ Моделирование воздействий ДФКП Результаты моделирования Задание на разработку и изготовление ЭКБ отбраковочных испытаний в части ДФКП Результаты испытаний Программы и методики испытаний Задание на обеспечение стойкости ЭКБ к ДФКП Задание на обеспечение технических характеристик ЭКБ ИД: объем дополнительных производства ИД: объем испытаний в процессе ИД: доработка технологии Особенности технологии Результаты проектирования Результаты проектирования Образцы ЭКБ испытания отбор и отбраковка Производитель ЭКБ Испытания по воздействию ДФКП (экспериментальное измерение (подтверждение) характеристик, дополнительные отбраковочные испытания) ДФКП − дестабилизирующие факторы космического пространства ИД − исходные данные АЛГОРИТМ СЕРТИФИКАЦИИ РЭА КА (В ЧАСТИ СТОЙКОСТИ К ИИ КП) Проверка требований по стойкости (этап выдачи и согласования ТЗ (ТТЗ)) Проверка специальных мероприятий (этап эскизного проекта, как правило) Определение состава, уровней воздействия и коэффициентов запаса К з (Коэ= 10, Кдэ= 3) Система мониторинга Расчет локальных условий эксплуатации аппаратуры Отраслевое ПО Выбор ЭКБ Порядок выбора ЭКБ Проверка стойкости выбранной ЭКБ ИСС , отраслевое ПО, порядок оценки стойкости Расчетная оценка стойкости аппаратуры Отраслевое ПО Выявление критических элементов Отраслевое ПО Расчет локальных условий ЭКБ и требований к методам повышения стойкости Отраслевое ПО Реализация методов повышения стойкости Методы повышения стойкости Экспериментальное подтверждение стойкости ЭКБ Проверка расчетной оценки стойкости (все этапы проектирования) Проверка экспериментальных результатов стой-кости (этап наземной экспериментальной отработки) Сертификация Соответствие методов оценки требованиям НД Соответствие результатов оценки требованиям ТЗ Испытательные стенды Отраслевое ПО Необходимость проведения экспериментальной оценки Соответствие состава и методов испытаний требованиям нормативной документации Соответствие испытательного центра требованиям ФСС КТ Подтверждение стойкости изделия космической техники Порядок выбора типовых представителей и состава испытаний ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ СТОЙКОСТИ К ИИ КП 1 2 3 Непосредственный контроль ИИ КП: бортовой сегмент: • микроминиатюрные сенсоры накопленной дозы; • микроминиатюрные сенсоры тяжелых заряженных частиц; наземный сегмент: • система наземных измерений. • система сбора и обработки информации. Методы определения характеристик стойкости ЭКБ и РЭА : • определение стойкости к ДЭ и ОЭ; • отбор повышенной стойкости; • отбраковка потенциально ненадежной; • определение базовой стойкости; • уточнение надежностных характеристик. Методы повышения стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП: • программно-переключаемый резерв; • локальное экранирование; • защита от локального тиристорного эффекта; • временное отключение аппаратуры. 4 методы обеспечения стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП: • отраслевая информационносправочная система (ИСС); • нормативные документы; • пакеты программ расчета (оценки). 5 Отраслевой центр испытаний ЭКБ с набором. технологических стендов: • • • • контроля ОЭ (8 видов); неразрушающего контроля ДЭ; отбора и отбраковки; акусто-радиографического контроля; • декорпусирование и определение состава корпусов; • дизайн-центр испытаний; • контроля стойкости к естественным нейтронным потокам. 1. ОТРАСЛЕВАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ИИ КП (ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЭА КА) КА СБИ И НИС НИС КА СБИ И Воздействие ИИ КП … НИС НС НС … КА СБИ И НС … ЦУП ● СГК … СГК ● ЛННС Центр оперативного радиационного мониторинга и моделирования КА – космический аппарат СБИИ – система бортовых измерений ИИ КП НИС – наземная измерительная станция НС – наземная станция ЦУП – центр управления полетами ● ЛНС ИСС ЦНС Центр мониторинга воздействия ИИ КП на РЭА КА СГК – стенд генерального конструктора ЛННС – локальная наземная научная станция ЛНС ИСС –локальная наземная станция отраслевой информационносправочной системы по стойкости к ИИ КП ЦНС –центральная наземная станция Бортовой сегмент- малые масса, габариты, потребление, устанавливается на всех КА. Наземный сегмент - базируется на существующем оборудовании и линиях связи . •Не альтернатива, а дополнение к научным системам контроля ИИ КП. •Изменение не характеристик ИИ КП, а результатов их воздействия на ЭКБ. •Метод контроля воздействия ИИ КП максимально приближен к специфике эффектов, протекающих в реальной ЭКБ. Назначение: • Измерение характеристик воздействия ИИ КП на РЭА КА. • Расчет и контроль остаточного ресурса КА. • Управление структурноалгоритмическими методами для повышения САС РЭА КА. • Прогнозирование изменения (в т.ч. опасного) воздействия ИИ КП на РЭА КА. • Уточнение ТТ к РЭА КА. • Уточнение норм и методов наземных испытаний РЭА(ЭКБ) КА. • Получение полетных данных по стойкости РЭА (ЭКБ) КА. • Уточнение механизмов влияния ИИ КП на РЭА КА. • Уточнение моделей космоса. • Прогноз «космической погоды». ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СБИИ 1. обеспечение возможности установки на все КА, микроминиатюрность (веса и габариты) и низкое потребление энергии; 2. адаптивность, гибкая архитектура и открытость ; 3. функциональная модульность и функциональный минимализм; 4. использование только стандартных внутренних и внешних интерфейсов; 5. использование стандартных средств разработки и отработки; 6. ограничение набора измеряемых параметров – контроль воздействия ИИ КП на РЭА КА (в области дозовых и одиночных эффектов, а также возможно, всплесков рентгеновского излучения); 7. технологическая реализуемость и доступность; 8. использование твердотельных сенсоров накопленной дозы и сигнализаторов ТЗЧ; 9. измерение интегральной накопленной дозы, а не эффективной мощности дозы; 10. контроль (1-3) уровней воздействия ТЗЧ; 11. возможность применения в виде набора ГИМС ЧЭ и сенсоровсигнализаторов для интегрирования в аппаратуру и в виде самостоятельного прибора; 12. максимальное использование отраслевого задела и передового зарубежного опыта. МИКРОМИНИАТЮРНАЯ СИСТЕМА БОРТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ИИ КП (МСБ ИИ) МСБ ИИ – малая масса, ПСО Служебные системы Полезная нагрузка БКУ БКУ ЦС … ЦС … ТМС •Внешние интерфейсы с подсистемами КА: - МКО ГОСТ Р52070-2003 (0-10м); - RS485, RS322 (0-2 м); - Space Wire (0-10 м); - последовательный синхронный (ТЛМ). МСБ ИИ СНД габариты и потребление для установки на всех КА Роскосмоса. БИД - блок интерфейсный дозовых сенсоров УИД УДИ ДЧЭ БИДС – блок интерфейсный БИД дополнительных сенсоров БИО - блок интерфейсный n сенсоров одиночных эффектов СТЗЧ БКУ- бортовой комплекс управления БО – блок обработки БО БС – блок сопряжения Б ДС – дополнительные сенсоры СТЗЧ ДЧЭ –дозовый чувствительный С 1 элемент УИО УОИ ОЧ ОЧЭ –чувствительный элемент Э одиночных эффектов БИО ПСО – подсистема сбора и обработки m СБИИ-система бортовых измерений ИИ КП ДС 1 СНД - сенсор дозовых нагрузок УОИ ОЧЭ УИО БИДС СТЗЧ – сигнализатор тяжелых температура заряженных частиц ТМС- телеметрическая система Х-RAY ЦС - целевые системы l УДИ –узел дозовых измерений УИД – узел интерфейсный для СНД •Внутренние интерфейсы : УИО –узел интерфейсный для - цифровой интерфейс (1-200 кГц) (0-5 м); СТЗЧ - аналоговый интерфейс (0,5-5,0 В) (0-2м); УОИ – узел одиночных измерений - RS485. ПСОИ 1 . . . . . . . . . ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СЕНСОРА НАКОПЛЕННОЙ ДОЗЫ 5 Типы ЧЭ дозиметров • детекторы на основе цилиндра Фарадея; • цилиндрические электростатические анализаторы; • полупроводниковые детекторы: - поверхостно-барьерные; - дифузионно-дрейфовые; • МДП-дозиметры. Преимущества МДП-дозиметров 10 6 11 12 13 4 3 14 1 2 Внешний вид МЭД-Ч-01 • наличие электрического Электрическая схема информационного сигнала ЧЭ пропорционального дозе ИИ; • возможность регистрации 0,1 В накопленной дозы в реальном R масштабе времени (а не мощности дозы); ЧЭ • наличие рабочего объема Управляющее напряжение (подзатворный диэлектрик) и его конструкционных особенностей 0,1 В аналогичных области, чувствительной к дозовым отказам в метал-оксидполупроводниковых (МОП) приборах; Схема включения ЧЭ Дозовые характеристики в СНД • малые габариты и энергопотребление. МДП ЧЭ 100 DeltaV, [V] 10 1 0.1 0.01 0.001 1e+1 МЭД-Ч-01 1e+2 1e+3 1e+4 Dose, [Rad(Si)] ðÌ Î Ï Ò 564ËÍ 2 ðÌ Í Î Ï Ò (î ï û òí û å ï àðòèè) МЭД-Ч-01 ðÌ Î Ï Ò ÊÏ 301Á 1e+5 1e+6 БАЗОВЫЙ БОРТОВОЙ СЕНСОР НАКОПЛЕННОЙ ДОЗЫ Технические характеристики: Структурная схема СНД Вторичный источник питания «Земля» +Vсс +Vсс = 30В +Vсс = 30В Управляющий модуль Преобразователь напряжение/ частота U +Vсс f~U fвых Чувствительный элемент +24 - +32В Выходной модуль Uвых Калибровочные характеристики ЭО СНД Экспериментальные зависимости изменения частоты на выходе Экспериментальные зависимости изменения напряжения на выходе Перспективные технические характеристики: • 0,5102- 5105 рад; • до 16 каналов; • потребление ≤ 1 Вт/канал; • масса ≤ 0,1 кг /канал; • питание 5 (9) В. •Нитрид - МДП - чувствительный элемент. •Диапазон измерения – 102…105 рад . •Частотный выход – 1-200 кГц. •Аналоговый выход – 0,5 В-5 В. •Напряжение питания – 27 В. •Потребление ≤ 2 В т. •Масса ≤ 0,35 кг (в защитном корпусе); ≤ 0,08 кг (без корпуса). •Управление по напряжению вместо токового управления, требующего точного поддержания электрических параметров для линеаризации выходных характеристик. •Температурная стабилизация за счет выбора рабочей точки (рабочего тока) по минимальному изменению ВАХ ЧЭ в диапазоне температур). ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ БОРТОВОЙ ДОЗИМЕТРИИ 2. Tyndall National Institute Republic of Ireland ESAPMOS4 1. REM OXFORD Ltd. England UK REM CC9.3 /TOT601B-9 RADFET CHIP TYPE TOT600 1 8 . 75 mm globule of encapsulant - black epoxy 7 Pad 7 for capacitor C SENSOR * dual MOSFET sensor * and T diode in polymeric encapsulant CHIP CARRIER and ribbon of FR4 PCB or Kapton cut line for Type CC9.3.2 drilled holes for SIL connector 1 DIMENSIONS OF SENSOR FFC connector 1 2 3 length55 mm width 8.75 mm thickness 0.3 mm 5 REM 6 FCC FFC connector 2 DOSIMETER SYSTEM: RADFET CHIP CARRIER type CC9.3.1 showing capacitor connection 7 rftcar-26.pre and tosp0602prbspec50.doc October 2006 SIL single-in-line connector 4 1 6-way FFC socket pitch 1.25 mm B/S D1 cathode 3 G1 4 5 D2 G2 6 7 T anode C Copyright REM 2006 Принцип: REM TOT600 RADFET on a 6- way chip carrier (CC) ионизация положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП структуры (МДП-дозиметр). Доза 10 – 100000 cGy (2-5000 cGy) средние REM 2006 ионизация положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП структуры (МДП-дозиметр.) Диапазон: Массо-габариты: (+9В) толстые окислы в перспективе 2 – 2000000cGy (4-200000 cGy) rftcar26.pre / p20 Nov 2006 Принцип: 10 Рад – 500000 Рад . Диапазон: Окисел 2 (0В) Массо-габариты: 0,635мм х 1,25 мм х 0,5 мм. Недостатки : • конструктивное исполнение – бескорпусное; • нестандартное напряжение питания; • низкая доступность. 14-выводной корпус. Направления развития МДП ЧЭ • Использование МНОП ЧЭ для повышения линейности. • Использование дублированных ЧЭ для повышения надежности и точности. • Использование многоотсчетных ЧЭ для расширения диапазона. • Понижение напряжения питания (с 27 В до 5 В) для упрощения применения. 0,9 V ~D V ~D VВЫХ ΔUвых ВЫХ ΔUвых~D0,9(МНОП ) 0,5 ΔUвых~D0,5ВЫХ (МОП) D Радиационная чувствительность МДП-структур пропорциональна квадрату толщины подзатворного диэлектрика , увеличивается при подаче во время облучения на затвор положительного напряжения. Разрез МНОП транзистора LSiO2 Наибольшая радиационная чувствительность МНОП-структур при фиксированной общей толщине подзатворного диэлектрика достигается при одинаковых толщинах SiO2 и Si3N4. Чувствительность МНОП-структуры LSiO, нм LSi3N4, нм Диапазон, рад VT1 300±30 150±15 50-104 VT2 70±7 70±7 5·103-105 VT3 23±2 23±2 5·104-5·105 2 Для минимизации температурной нестабильности параметров ЧЭ используется метод выбора рабочей точки МНОП транзистора по току стока. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СЕНСОРА ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Принцип Фиксация не ТЗЧ, а вызываемого эффекта SEE: - SEL,SEHE,SEB,SEGR,SESB (катастроф.); - SEU, SEFI, SET (обратимые). SEU- наиболее предпочтителен. Типы СТЗЧ • сцинцилляторы; • ионизационные камеры; • диоды: –поверхностно-барьерные детекторы, –фото диоды, –pin –диоды; • твердотельные бистабильные элементы (ТБСЭ): –динамические, –статические. Передаточная характеристика – зависимость сечения SEU от ЛПЭ ТЗЧ для КМОП СОЗУ Полупроводниковый кристалл КМОП СОЗУ AT60142F 512к8 ● Преимущества статических ТБСЭ • проявление наиболее вероятного (SEU) эффекта; • возможность исключения других (катастрофических) эффектов; • относительная простота пространственного разнесения для исключения множественных эффектов; • малые габариты; • малое потребление; • относительная простота фиксации сбоя; • возможность изменения чувствительности; • относительная простота увеличения площади чувствительной области; • относительно низкая угловая чувствительность; • возможность использования серийных элементов. Зависимость сечения одиночных сбоев в КМОП СОЗУ HM6508-RH(1k бит) от угла падения ионов при различных напряжения питания. Var (VDD) Электрическая схема ячейки КМОП СОЗУ. Var Sensitive СОЗУ: • серийного изготовления каждой партии ( отбор, калибровка по зависимостям от ЛПЭ ионов , энергии протонов, углов); • специализированные (заказные). БАЗОВЫЙ БОРТОВОЙ СЕНСОР ТЗЧ •На базе серийных СОЗУ с выраженным порогом Типы СТЗЧ •спектрометры; •твердотельные телескопы; •твердотельные фиксаторы сбоя (СОЗУ) , чувствительные: –к протонам, –к ТЗЧ. СОЗУ 1.1 ● ● ● СОЗУ 1.N СОЗУ 2.1 ● ● СОЗУ 3.1 ● СОЗУ 2.N СОЗУ 1…N для увеличения площади ЧЭ СОЗУ 1 порог ~ 1-3 МэВ (мг/см2) СОЗУ 2 ~ 10-12 МэВ (мг/см2) СОЗУ 3 ~ 20-25 МэВ (мг/см2) ● ● ● СОЗУ 3.N Byte-канал Микроконтроллер RS485 СОЗУ 1 СОЗУ N … Byte-канал Микроконтроллер RS485 Перспективные технические характеристики: •ЧЭ- СОЗУ с управляемой чувствительностью; •диапазон 1-60 МэВ (мг/см2 ) с дискретой 1-5 МэВ (мг/см2 ); •до 4-х каналов; •потребление ≤ 2,4 Вт/канал; • масса ≤ 0,15 кг /канал. •На специализированных СОЗУ управляемой чувствительности Sensitive= f (Voff) ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ФИКСАЦИИ ТЗЧ Протонный монитор (Thomson & Nielson Electronics Ltd , Канада) Назначение: регистрация протонов. Год разработки: 1999 г. Технические характеристики: масса: 350 г; габариты; 13,5х10х2,5 см; мощность 300 мВт. SREM (Contraves Spfct AG, Германия) Назначение: регистрация протонов и электронов. Год разработки: 2000 г. Технические характеристики: масса: 2,6 кг; габариты: 9,5х12х24 см; мощность 1,5 Вт. CEASE (АМРТЕК ,США) Назначение: регистрация потоков высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц. Год разработки: 2000 г. Технические характеристики: масса: 1,3 кг; габариты10х10х8 см; мощность 2 Вт. СТРУКТУРА НАЗЕМНОГО СЕГМЕНТА СМ ИИ КП СБИ • • • • • • ЦУП НСС ИИ КП •Прогноз •Предварительный алерт •Алерт •Бортовые измерения НС ВП ЦНС РНС НСС КП ЛННС ЛНСП •Наземные измерения •Адаптированные бортовые измерения РНСО ЛНС ИСС •Прогноз •Предварительный алерт ЛННС - локальная наземная научная станция ЛНС ИСС - локальная наземная станция отраслевой информационно-справочной системы ЛНСП - локальная наземная станция прогнозов ЛНС •Прогноз •Уточненный прогноз •Предварительный алерт •Алерт •Адаптированные бортовые измерения НСС КП - наземная система сбора и предобработки измерений космического пространства РНС - региональная наземная станция РНСО - региональная наземная система обмена НС ВП - наземная система выработки и выдачи прогноза СБИ – система бортовых измерений НСС ИИ КП - наземная система сбора бортовых измерений ИИ КП ЦУП - центр управления полетами ЦНС - центральная наземная станция СТРУКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ЛНС ИСС ППЭВМ ИНТЕРНЕТ Web-Сервер ОПЭВМ К ПЭВМ ЛНС АПЭВМ ППЭВМ – Пультовая ПЭВМ ОПЭВМ – Операторская ПЭВМ АПЭВМ – Архивная ПЭВМ К - концентратор ПЭВМ ЛНС – ПЭВМ Локальной наземной станции БОРТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СНД (КА ГЛОНАСС) Графики зависимости дозовых воздействий ИИ КП на КА ГЛОНАСС №25-29 от времени СНД №1 Аппроксимация прямых измерений СНД №1 СНД №2 •Изменение накопленной дозы во времени, в целом соответствует темпам накопления дозы от электронов и протонов ЕРПЗ (в соответствии с “моделью космоса”); •выделено несколько зон "дребезга" измерений (продолжительность 1-150 циклов, амплитуда 0,01- 0,02 у.е., не влияющих на достоверность измерений); •измерения СНД на КА №26-29 отличаются не более 7%; •измерения СНД на КА №25 отличаются не более 24% •СНД на КА №25-29 имеют относительную разницу измерений , не превышающую 1,7 %; • зон с аномально низкими(высокими) темпами роста дозы не обнаружено. ПРОГНОЗ ОПАСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИИ КП (СОЛНЕЧНАЯ ВСПЫШКА) P(>10MeV) P(>100MeV) January, 2005 Δ Δ> 10 мин Временная задержка относительно начала вспышки для рентгеновского, наземного и протонного возрастания на примере события 14 июля 2000г. Пример выделения алертного сигнала рентгеновской вспышки на уровне Х1 на примере событий в январе 2005 Характеристики протонного события зависят и от мощности, и от гелиодолготы солнечного источника. Прогноз резкого возрастания потока протонов возможен по резкому возрастанию интенсивности рентгеновского излучения (бортовые измерения) и резкому возрастанию нейтронных событий (наземные измерения). Пример выделения алертного сигнала протонного возрастания на примере событий в январе 2005 НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РАБОТ Бортовой сегмент Наземный сегмент • создание ряда ГИМС ЧЭ для СНД ; • создание ГИМС ЧЭ для СТЗЧ; • создание ряда ЧЭ СТЗЧ на базе выбора и испытаний серийных ИМС; • создание СНД: –микроминиатюрный прибор, –система в корпусе; • создание ПСО: –система в корпусе, –система на кристалле; • создание модификаций МСБ ИИ: –малогабаритный прибор, –микроминиатюрный прибор; • создание ЧЭ рентгеновского детектора (микроминиатюрный прибор); • создание рентгеновского детектора: –микроминиатюрный прибор, –система в корпусе. • адаптация существующих каналов связи для отраслевой системы мониторинга ИИ КП; • создание наземной системы сбора и обработки информации; • создание ЦНС; • создание ЛННС; • создание ЛНС ИСС; • организация инфраструктуры выработки сигнала предупреждения (алертного сигнала). 2 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЭКБ К ИИ КП Цель: обеспечение широкой номенклатуры ЭКБ для комплектации РЭА и сокращение затрат на ЭКБ за счет использования индустриальной . Результаты используются для: расчетов стойкости (надежности) РЭА;выбора ( в т.ч. предварительного) ЭКБ; обеспечения отбора (отбраковки) ЭКБ. ДЭ ОЭ МОП БП Неразрушающий контроль (НК) дозовой стойкости (ДС) экстраполяцией изменения критериальных параметров (КП) в процессе облучения-отжига Определение индивидуальной ДС Отбор повышенной ДС Отбраковка по аномальному поведению + ● + + ● ● НК ДС с моделированием низкоинтенсивного излучения среднеинтенсивным при оптимальной температуре Отбор повышенных потребительский свойств Отбраковка по величине дрейфа параметров ● ● ● ● НК ДС и надежности по реакции на оптимизированное совместное воздействие электромагнитного, ионизирующего и температурного полей Контроль стойкости к ОЭ Отбор повышенных потребительских свойств Отбраковка по величине дрейфа параметров ● ● ● ● ● ● Контроль стойкости к естественным нейтронным потокам Определительные и квалификационные испытания Отбор и отбраковка Определительные и квалификационные испытания Отбор и отбраковка Базовые уровни стойкости к ИИ КП типовых классов ЭКБ ● ● Уточнение надежностных характеристик ЭКБ ● ● SEU SEL SEHE SEFI SEB SEGR SET + + + + + + + ? ? ? ? ? ? ? ● ● ● ● ● ● ● ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Экспериментально-аналитический метод определения индивидуальных характеристик дозовой стойкости прогноз Пi(D) = Пiну + АDn П отбор Di ≥ Dуэ·Кз отбраковка Пном ● ● I Пij – Пij ср I ≥ δ Пк Пв ● ● Пу ● I Пiуст – Пiну I ≥ Δ ● Dк DПНД у DПНД р D ЭФФЕКТ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ Модель эффективности выхода радиационного заряда 1 4 f 1/ 2 1 eff P, T 2f f P, T , dox , Eox Дозовые зависимости сдвига порога pканального МОП-транзистора qd 2 ox 6 ox 0 p Eox2 p k T G ( Eox ) K g P exp Скорость деградации зависит от текущего значения мощности дозы Моделирование конкуренции усиления выхода заряда и отжига при повышении температуры облучения Кинетическое уравнение для описания накопления радиационно-индуцированных рекомбинационных центров на границе раздела кремний – полевой окисел над p-n переходом эмиттер-база dN rt N rt eff P, T Art d ox P dt a T Дозовые зависимости дискретных биполярных транзисторов Эффект низкой интенсивности - следствие повышенной рекомбинации при высоких интенсивностях и, вследствие этого, снижения выхода радиационного заряда Это – чисто дозиметрический эффект Возможность введения эффективности выхода заряда, зависящей от температуры, мощности дозы, электрического поля. Возможность введения эффективной дозы Возможность расчета коэффициента запаса a a 0 exp a kBT D I B D, P eff P, T d ox AJ P a T 1 exp P T a Нормированная эффективность выхода радиационного Рассчитанные эффективность выхода заряда как функция интенсивности и температуры облучения МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ СТОЙКОСТИ К ОЭ При проведении облучений ЭКБ на ускорителях протонов и ТЗЧ регистрируют количество ОРЭ определенного типа (SEU, SEL) и интегральные потоки протонов и ТЗЧ, вызвавших эти ОРЭ. Для обеспечения регистрации ОРЭ в процессе облучений ЭКБ на ускорителях протонов и ТЗЧ проводится дистанционная функциональная диагностика испытываемых изделий, обеспечивающая полноту регистрации ОРЭ во всех функциональных элементах изделия. При проведении испытаний ЭКБ на воздействие одиночных ВЭП и ТЗЧ КП на ускорителях заряженных частиц облучения изделий проводят при комнатной и предельно допустимой повышенной температуре. Для получения дополнительных параметров моделей прогнозирования частот и вероятностей возникновения ОРЭ на борту КА (с учетом изотропного потока частиц в КП) облучение испытываемых электронных компонентов проводят как при нормальном падении пучка частиц на полупроводниковый кристалл изделия, так и при угле падения пучка частиц 60 градусов между нормалью к плоскости полупроводникового кристалла изделия и осью пучка ТЗЧ. НДС Роскосмоса, включает: • требования к параметрам пучка заряженных частиц ускорителей протонов и ТЗЧ; • методы статистической обработки результатов испытаний. Результаты испытаний используются в качестве исходных данных для НДС «Методы расчета показателей стойкости элементов интегральных микросхем к одиночным радиационным эффектам космического пространства» ПОРЯДОК ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ОЭ Испытания ЭКБ на воздействие одиночных высокоэнергетических протонов (ВЭП) и тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) КП проводят раздельно методом прямого облучения испытываемых изделий на ускорителях протонов и ТЗЧ, соответственно. Определительные испытания ЭКБ на воздействие одиночных ВЭП и ТЗЧ КП Квалификационные испытания ЭКБ на воздействие одиночных ВЭП и ТЗЧ КП (проводятся только в части одиночного тиристорного эффекта) Цель: получение эксперимен- тальной зависимости сечения одиночного радиационного эффекта (ОРЭ) типа SEU, SEL от энергии протонов в диапазоне от 25 МэВ до 400 МэВ и ЛПЭ ТЗЧ в диапазоне от 0,5 МэВ×см2/мг до 60 МэВ×см2/мг. Цель: установление факта возможности возбуждения одиночного тиристорного эффекта. Квалификационные испытания проводят на ускорителях ТЗЧ при значении ЛПЭ ТЗЧ равном 60 МэВ×см2/мг или при значении, заданном в предъявляемых Заказчиком испытаний к ЭКБ требованиях. УТОЧНЕНИЕ БАЗОВОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ЭКБ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИИ КП p0 e э t ; p0 – ВБР ИМС 'э 'б К 'ст К 'корп К 'v К 'э К пр К 'ис К 'ии б – базовая интенсивность отказов; Кст, Ккорп, Кv, Кэ, Кпр, Кис коэффициенты, учитывающие температуру и сложность ИМС, тип корпуса, напряжение питания, условия эксплуатации (класс исполнения), уровень качества изготовления, освоенность технологического процесса изготовления ИМС; Кии – коэффициент, учитывающий влияние ионизирующего излучения (радиационный коэффициент) «Компонентный» подход - интенсивность отказов ИМС складывается из интенсивностей отказов «компонентов ненадежности» k * К ии ии 1 i i 1 0 i i 1 ии и 0 – интенсивности случайных отказов ИМС после и до воздействия ИИ КП; i – доля отказов i-ого «компонента ненадежности» ИМС; *i и i – интенсивности отказов i-ого «компонента ненадежности» ИМС; k – количество «компонентов ненадежности», зависящих от ИИ КП. ГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ «КОМПОНЕНТОВ НЕНАДЕЖНОСТИ» ИМС ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДОЗЫ Испытуемая выборка – не менее 7 ИМС Для «компонентов ненадежности» критичных к ИИ КП: X *i Xп Xср+ Xср Xср- ( X ) ср 1 ( Xср ) const - интенсивность отказов i-ого «компонента ненадежности» 1 x X ср 2ИМС ( 1 ( x) e 2 2 1 Dпред D Хп – предельное значение критериального параметра по ТУ Xср – среднее значение критериального параметра для предельной эксплуатационной дозы – среднее квадратичное отклонение величины Xср Кривая 1 – нормальный закон распределения величины Xср Заштрихованная область – вероятность отказа ИМС ) (X ) ср - плотность распределения вероятности нормального закона распределения x X Xп 1 ср 2 ( ) Xп X ср 1 1 2 ( x) e dx 1 erf 2 2 2 ( Xср ) - вероятность отказа - интеграл от нормального закона распределения от -∞ до Xп Интерпретация интенсивности отказов «компонентов ненадежности» ИМС. Определение функции зависимости радиационного коэффициента от накопленной дозы X *i f ( D) 3 Формируется выборока с количеством ИМС не менее 7 штук. Облучение выборок в трех точках D1=ПНД/8; D2=ПНД/4; D3=ПНД/2. Xп Xсрj+j Xсрi Xсрijj Xсрj+j Определение Xср1..Xсрi и 1..i Аппроксимация функции зависимости критериальных параметров 2 Xср1 Xсрj-j 1 D1 X ср f ( D) F ( D) Dj D Определение интенсивности отказов в точках облучения *ij Кривая 1 – нормальный закон распределения величины Xср1 Кривая 2 – нормальный закон распределения величины Xсрi Кривая 3 – дозовая зависимость средних значений критериальных параметров ( F ( D j )) 1 ( F ( D j )) Определение радиационного коэффициента в точках облучения Kииj Аппроксимация функции зависимости радиационного коэффициента от накопленной дозы K ии f (D ) ПОТОКИ НЕЙТРОНОВ В АТМОСФЕРЕ – ИСТОЧНИК ОЭ Потоки нейтронов – результат взаимодействия СКЛ и ГКЛ с конструктивными материалами КА и атмосферой Земли Максимальные потоки нейтронов от 10 до 20 км Макс. плотность потока на высоте ~ 18 км - ~ 4нейтрон /cм²с 9 км - ~1.3 ~нейтрон /cм²с Уровень моря - 0.01 нейтрон/cм²с 3 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЭКБ (РЭА) К ИИ КП 3.1 Локальное экранирование (повышение стойкости к ДРЭ до 5 раз) Задача локального экранирования – минимизация радиационно-эффективных частиц (без увеличения ГМХ). Типовая формула защитного материала: 80 – 90% вещество с высоким атомным номером; 20 – 10% вещество с низким атомным номером. 3.2 Оптимальное управление резервом в РЭА (повышение САС до 3 раз) Программно-переключаемый резерв (t / ) U (t пер ) U (tпер ) * e U (0); 3.3 Исключение катастрофического развития одиночных эффектов в РЭА Микросборка ограничения тока потребления (в т.ч. по информационным цепям) для защиты от тиристорного эффекта 3.4 Оптимальное управление (учет) режимами РЭА (повышение САС до 3 раз) САС = f (р*, е, Т) р* – вариации локальных условий ИИ КП; Т – температурный режим 3.5 Временное отключение е – электрический режим; ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЛОКАЛЬНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ Поле ИИ космического пространства Элементы конструкции КА Поле КА Локальный экран Поле ЭКБ К Р И С Т А Л Л Изменение ИИ КП : – уменьшение потоков низкоэнергетических частиц ИИ КП; – вторичное излучение высокоэнергетических частиц. Задача локального экранирования – минимизация радиационноэффективных частиц. Форма и химический состав дополнительного защитного элемента определяются для конкретных условий и оптимизируются с учетом необходимой степени защиты. Типовая формула защитного материала: 80 – 90% вещество с высоким атомным номером 20 – 10% вещество с низким атомным номером. ЛОКАЛЬНЫЕ ЭКРАНЫ Корпусирование ИМС в автономный корпус Корпусирование ИМС с удлинением контактных выводов в автономный дополнительный корпус РЕЖИМ ПРОГРАММНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ П – критериальный параметр Пu = П(0)+ Аu Dn , включенное состояние Пo = П(0)+ Аo Dn , выключенное состояние Аu, Аo - коэффициенты, определяемые экспериментально. n – параметр модели (определяет кривизну) n = 1 – прямая ПППР = ПiD exp[-(Dik-Diи)/Di] Di – постоянная времени, определяемая экспериментально ∆ППР = П ППР – Пu - выигрыш за счет ППР Цель: оптимизация параметров ППР (время переключения, кратность резервирования и т.п.) для минимизации разницы между Пo и ПППР с экспериментальным определением А и Di . ППР, КАК СИСТЕМНЫЙ МЕТОД УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БА (t / ) U (t пер ) U (t пер ) * e U (0); Режим работы системы объектов: а)доведение до отказа (холодный резерв); б)чередование пассивного и активного режимов (ППР) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ППР а) 3-горячих, 1-холодный б) 1-горячий, 1-холодный (увеличение САС 1,3 раза) (увеличение САС 2 раза) Зависимость деградации минимального напряжения функционирования от дозы при доведении до отказа и при принудительном переключении режима ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКА ПОТРЕБЛЕНИЯ Микросборка, работающая в паре с защищаемой ИМС (группой ИМС), отключает питание быстрее, чем развивается тиристорный эффект Основные параметры устройства защиты Параметры Значения параметров 1 Порог срабатывания защиты по току, А 2 Диапазон рабочих токов защищаемой микросхемы, А 0,15; 0,3; 0,9; 1,5;3 0-0,05; 0-0,1; 0-0,3; 0-0,5; 0-1 3 Задержка между срабатыванием компаратора и отключением питания, мкс 10 4 Время автоматического восстановления питания, с 1 5 Напряжение питания защищаемой микросхемы, В 3, 5, 15 Механические воздействия Воздействующие факторы Значения характеристик Синусоидальная вибрация Диапазон частот от 5 до 2500 ГЦ Амплитуда ускорения 196 м/с2 (20g) Механический удар многократного действия Пиковое ударное ускорение 1470 м/с2 (150g) Длительность действия ударного ускорения 10 мс Механический удар однократного действия Пиковое ударное ускорение 9800 м/с2 (1000g) Длительность действия ударного ускорения 2 мс Линейное ускорение Линейное ускорение 98,1 м/с2 (10g) Акустический шум Диапазон частот от 100 до 10000 Гц Уровень звукового давления 150 дБ УЧЕТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ q exp( K q D) 2 1 K q K q0 P e m ln K q ln K q 0 BU e Ea 1 1 k T T o э Ea m ln P B U k рр 1 qр 2 e ( Kq D)2 1 1 To Tэ при... p р 0,5 p ИМС р р р о p р 2 exp K q ( Pi ,U i , Ti ) Di i 1 K 2 Внутри этапа Pi,Ui,Ti = CONST •РД В 319.03.39-2000. Изделия электронной техники. Контроль и прогнозирование безотказности в условиях длительного совместного воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений и термотоковых нагрузок по результатам ускоренных испытаний. – М.: ТК по военной стандартизации №319 МО РФ, 2000. – 39 с. .РД 11 1003-2000. Изделия полупроводниковой электроники. Метод прогнозирования надежности в условиях низкоинтенсивного ионизирующего облучения. – СПб.: РНИИ «Электронстандарт», 2000. – 27 с. • • Временное отключение аппаратуры повышенной чувствительности (при попадании в аномалии ЕРПЗ, при развитии солнечных вспышек и т.п.). Временное локальное экранирование оптических элементов. 4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ Цель: обеспечение •предварительных расчетов стойкости (и надежности) РЭА; •предварительного отбора ЭКБ, а также для нормативно-методического и информационного обеспечения работ по контролю стойкости, включая обеспечение аналитических и экспериментальных оценок. 4.1 Ведение отраслевой информационносправочной системы (ИСС) по стойкости ЭКБ к ИИ КП: • пополнение БД ИСС (испытания, штатная эксплуатация, литература); • обмен данными с зарубежными БД; • пополнение «справочного» тома; • состояние «космической погоды». НМО 4.2 Отраслевые нормативные документы по стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП. 4.3 Отраслевые пакеты программ расчета (оценки) стойкости РЭА к ИИ КП: • расчет локальных условий ИИ КП в РЭА; • расчет САС РЭА при штатной эксплуатации (вариации интенсивности ИИ КП, электрического и температурного режимов ); • оценка достаточности конструктивнотехнологических мер защиты РЭА от ИИ КП; • расчет защитных свойств локальных экранов. Расчет ЛУ Расчет стойкости ПО Методы испытаний Мониторинг Методы защиты РАЗВИТИЕ ОТРАСЛЕВОЙ ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ПО СТОЙКОСТИ ЭКБ К ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЯМ www.kosrad.ru КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Назначение: обеспечение предварительного выбора с предоставлением разносторонней информации по стойкости к ИИ КП. В настоящий момент база данных содержит более 12000 наименований, справочный раздел – более 2000 записей и постоянно пополняется. Структура аппаратных средств Web-сайт Структура ИСС: 1. Web-сайт • Образ базы данных • Структура справочного раздела • Средства удалённого доступа 2. База данных • описание • характеристики (детализированные и интегральные) дозовые эффекты одиночные эффекты • ссылки 3. Справочный раздел • Нормативные документы • Библиография • Справочные БД • Конференции • Программное обеспечение • Ссылки 4. Состояние и прогноз «космической погоды» Особенности: • авторизация доступа • защита от несанкционированного использования • регистрация через Роскосмос Расширение функций в части технологических особенностей (типы корпусов, покрытие выводов, специфика пайки и монтажа и т.п.) и характеристик по надежности, вибро- и термопрочности. ППЭВМ К АПЭВМ ОПЭВМ ППЭВМ – пультовая ПЭВМ ОПЭВМ – операторская ПЭВМ АПЭВМ – архивная ПЭВМ с основной БД К – концентратор ОТРАСЛЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Цель: обеспечение стандартизированными и верифицированными средствами: • информационно-аналитического сопровождения работ по контролю стойкости; • аналитической обработки результатов испытаний ЭКБ; • предварительных расчетов стойкости (и надежности) радиоэлектронной аппаратуры; • предварительного выбора ЭКБ. Задачи: • расчет локальных условий эксплуатации; Программное • расчет сроков активного существования обеспечение радиоэлектронной аппаратуры при вариациях интенсивности ионизирующего излучения космического пространства, электрического и температурного режимов; • расчет защитных свойств конструкционных материалов; Расчет Методы Мони• автоматизация расчетов стойкости ЭКБ по условий испытаний торинг эксплуатации результатам испытаний; • обеспечение функционирования отраслевой системы мониторинга; Расчет Методы стойкости защиты • аналитическая оценка достаточности конструктивно-технологических мер защиты радиоэлектронной аппаратуры от ионизирующего излучения космического пространства; •аналитическое обеспечение предварительного выбора ЭКБ для РЭА КА; •аналитическое обеспечение выбора типовых представителей для испытаний; •аналитическое распространение результатов испытаний типовых представителей. Отраслевые НДС НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЯ ОЭ Название Проект Согласование и утверждение НДС «Методы прямых испытаний на ускорителях заряженных частиц стойкости цифровых СБИС к ОРЭ( в части сбоев и тиристорного эффекта), возникающих при воздействии ВЭП и ТЗЧ КП» 2008 2009 НДС «Методы определения уровня стойкости цифровых СБИС к ОРЭ ( в части сбоев и тиристорного эффекта), возникающих при воздействии ВЭП и ТЗЧ КП, по результатам прямых испытаний на ускорителях заряженных частиц» 2008 2009 2009 2010 Комплект НДС «Методы прямого контроля стойкости аналоговых, цифровых и аналого-цифровых УЭМ к одиночным эффектам типа SEHE, SEFI, SEB, SEGR, SET» ПО Разработка ОСОТ ОСОТ-А 2008 2009 Отладка и сдача в ФАП 2009 2010 СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ ОЭ Пользователь И Н Т Е Р Ф Е Й С П О Л Ь З О В А Т Е Л Я Диспетчер программ и Расчет условий эксплуатации Экспериментальные данные Обработка экспериментальных данных интерфейса пользователя Двух- параметрический расчет стойкости к ОРЭ Четырехпараметрический расчет стойкости к ОРЭ НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЯ ДЭ Название Проект Согласование и утверждение невосстановления критериальных при неразрушающем определении накопленной дозы интегральных 2004 2005 НДС Экспериментально-аналитическое определение радиационного коэффициента интенсивности отказов интегральных микросхем. 2006 2007 2007 2008 НДС Обеспечение защиты радиоэлектронной аппаратуры за счет локального экранирования критических узлов. 2007 2008 Комплект НДС Неразрушающее определение индивидуальных характеристик дозовой стойкости интегральных микросхем. 2007 2008 НДС Отбор интегральных микросхем стойкости. повышенной 2009 2010 НДС Отбраковка потенциально ненадежных (аномально нестойких) интегральных микросхем. 2009 2010 Отраслевые НДС НДС Учет параметров предельной микросхем. НДС Экспериментально-аналитическое определение оптимальных характеристик переключения режима функционирования интегральных микросхем. ПО Разработка DSG 2008 Отладка и сдача в ФАП 2010 СТРУКТУРА ПО РАСЧЕТА ДОЗОВЫХ НАГРУЗОК Запуск ПК диалоговый режим сообщения оператору О П Е Р А Т О Р ПМ расчета для протонов ЕРПЗ ПМ расчета для протонов СКЛ ПМ расчета для протонов ГКЛ ПМ расчета для электронов ЕРПЗ Флешпамять Блок инициализации Блок Результат расчета Блок обработки данных - файлы-параметры - файлы со спектрами - файлы-логи - результирующий файл Результат Печать Логическая структура ПК "DSG-d" Структура типового программного модуля 5 ОТРАСЛЕВОЙ ЦЕНТР ИСПЫТАНИЙ ЭКБ НА СТОЙКОСТЬ К ИИ КП Цель: комплексное обеспечение испытаний ЭКБ в части: •создания нормативно-методического и программного обеспечения; •создания аппаратуры (в т.ч. нестандартизованной) стендов; •закупки стандартных измерительных и моделирующих средств; •ведения отраслевой БД (результаты испытаний и электронных архивов по программам-методикам испытаний ( вкл. КД РМ)). В широкой кооперации с Испытательными Центрами, аккредитованными в ФСС КТ, работающими по согласованному нормативно-методическому обеспечению. СОСТАВ: 5.1 Стенд контроля одиночных радиационных эффектов ЭКБ. 5.2 Стенд неразрушающего контроля индивидуальной дозовой стойкости ЭКБ. 5.3 Стенд контроля (отбора) и отбраковки ЭКБ повышенных потребительских свойств. 5.4 Стенд декорпусирования ЭКБ и определения состава корпусов. 5.5 Стенд неразрушающего акусто-радиографического контроля ЭКБ. 5.6 Дизайн-Центр испытаний ЭКБ на стойкость к ИИ КП (разработка программ и методик, создание специализированных приспособлений и оснастки). 5.7 Стенд контроля стойкости ЭКБ к естественным нейтронным потокам. РЕЗУЛЬТАТЫ: •контроль стойкости всех типов ЭКБ к ИИ КП (в части ДЭ и ОЭ всех классов); •повышение эксплуатационных характеристик ЭКБ за счет отбора; •снижение случайных отказов ЭКБ за счет отбраковки; •расширение номенклатуры потенциально применимой ЭКБ за счет использования класса «Industrial»; •Снижение затрат на проведение испытаний. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ − отраслевая испытательная лаборатория (испытательный центр) Роскосмоса является функциональным элементом межотраслевого испытательного центра, использует все доступные установки, моделирующие воздействие ионизирующего излучения космического пространства, вне зависимости от ведомственной принадлежности; − единство подходов к метрологической аттестации испытательного и измерительного оборудования; − все испытательные лаборатории должны быть аттестованы в ФСС КТ и использовать гармонизированные и согласованные с Роскосмосом методы испытаний; − комплексный подход к обеспечению испытаний – одновременное создание аппаратных средств и комплекса отраслевого нормативно-методического и программного обеспечения; СТРУКТУРА ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ КОНТРОЛЯ ДОЗОВЫХ ЭФФЕКТОВ Назначение: •контроль индивидуальной дозовой стойкости ЭКБ •отбор ЭКБ повышенных потребительских свойств •отбраковка потенциально ненадежной ЭКБ дозиметрия Контроль обстановки среды Управление объектом Рабочее место оператора Контроль отжига Предварительный Перемещение объекта контроль характеристик Общий (полный) контроль характеристик объект объект Термическая обработка Шахта-хранилище ИРТ (МИФИ) СТРУКТУРА ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ КОНТРОЛЯ ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ Назначение: • контроль 2-х типов (SEU и SEL) эффектов в цифровых СБИС (2009); • контроль 5-ти типов (SEHE, SEFI, SEB, SEGR, SET) эффектов в аналого-цифровых БИС (2010) Манипулирование объектом ГНЦ РФ ИТЭФ Кольцо ускорителя Пучок высокой энергии фокусировка Пучок пониженной энергии Текущий контроль Контроль вторичных факторов, защиты, ловушка Контроль пучка объект Коррекция траектории Аварийный контроль Манипулирование пучком Вакуумный тракт транспортировки пучков Контроль объекта Рабочее место оператора и испытателя СХЕМА «МЕДЛЕННОГО» ВЫВОДА ПУЧКА К РАБОЧЕМУ МЕСТУ (РМ) 312 401 СМ 2 ИК Tg203 ÌË15 ПМ 212 301 РМ СМ – Септум Магнит ВК – Вакуумный канал КНП – Канал в нейтр. полюсе ИК – Ионизац. Камера ПМ – Повор. магнит am 12 be 2 2~3х6м SPECTR ВК КНП Tg ýù Энергия, МэВ/A 0 10 20 30 18-150 Длительность импульса 40 ~0.3с 50 Минимальная интенсивность ч/см2с ~103 60 Максимальная интенсивность ч/см2с 70 6 ~1080m ПАРАМЕТРЫ ПУЧКОВ ИОНЫ •2 режима (высокоэнергетичный и низкоэнергетичный) •Плотность потока в импульсе 103 -106 частиц /см 2х с •Длительность импульса облучения ~ 0,3 с •Период облучения ~ 4 с •диаметр пучка ~ 30мм •Неравномерность поля в пучке 15 ≤% •Энергия 25 МэВ - 1 ГэВ •Плотность потока в импульсе 105 -108 частиц /см 2х с •Длительность импульса облучения ~ 0,3 с ПРОТОНЫ •Период облучения ~ 4 с •диаметр пучка ~ 30мм •Неравномерность поля в пучке 15 ≤% Дополнительные возможности Позиционирование образца от 00 до 1050 (дискретность 50, точность ± 0,50 ) Позиционирование пучка от 0 до 300 мм (дискретность 1 мм, точность ± 0,25мм ) СТРУКТУРА КАНАЛА ТРАНСПОРТИРОВКИ ПУЧКОВ кольцо ускорителя Система медленного вывода (СМВ) Аппаратура смены типа ионов ПРОТОНЫ Л1 Л2 ВМКЭВ1 МИК РС2 АК АПИЭП (КТП) ЧК МПК ПФ ИПП(П) АМО АМ ВРС1 ВПК1 ПМ1 ВПК2 КГ50 Л3 ПМ2 Л4 Л5 ВМКЭВ2 контроль исходного пучка пониженной интенсивности контроль действующего пучка ИОНЫ контроль исходного пучка высокой интенсивности 10-12 м аварийный контроль исходного пучка Вакуумная область транспортного канала Вакуумная труба ЧК ПФ ИПП(И) АМО контроль действующего пучка,
