Способ определения нормы испытаний изделий электронной техники на соответствие требованиям стойкости к дозовому воздействию сверхжесткого рентгеновского и гамма-излучений Российский патент 2024 года по МПК H01L21/66 G01R31/302 

Изобретение относится к области методологии проведения испытаний изделий электронной техники (ИЭТ) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) объектов и может быть использовано в специализированных центрах по радиационным испытаниям. Испытания ИЭТ проводятся с целью расчетно-экспериментальной оценки соответствия РЭА требованиям стойкости к действию ионизирующих излучений, воздействующих на объекты в экстремальных ситуациях. Способ предназначен для подтверждения требований стойкости ИЭТ к совместному дозовому действию сверхжесткого рентгеновского излучения (СЖРИ) и гамма-излучения (ГИ) с использованием сочетания моделирующих установок гамма-излучения (например, на основе изотопного источника ⁶⁰Со) и рентгеновских источников.

Известен способ испытаний на стойкость к совместному действию СЖРИ и гамма-излучения, основанный на использовании установок гамма-излучения [1]. При реализации этого способа норма испытаний, в части СЖРИ определяется расчетным путем на основании данных о конструктивно-топологических особенностях и физических характеристиках материалов ИЭТ. Недостаток данного способа воспроизведения состоит в том, что указанные данные для ряда ИЭТ недоступны или имеют широкий диапазон значений.

Известен метод испытаний интегральных схем на стойкость к дозовому воздействию на основе совместного применения гамма и рентгеновских источников [2]. Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) к предлагаемому изобретению. Известный способ (прототип) заключается в выборе (обосновании) калибровочного коэффициента из заданных контролируемых параметров испытуемого образца ИЭТ, анализе конструкции ИЭТ и расчетной оценке коэффициента ослабления рентгеновского излучения (РИ) корпусом изделия, облучении исследуемого образца РИ и контрольного образца гамма-излучением, до момента значимого и одинакового по величине изменения контролируемого параметра, определении коэффициента пропорциональности между дозами рентгеновского и гамма излучений, измеренными на поверхности образца с учетом ослабления корпусом ИЭТ и приводящими к одинаковым изменениям контролируемого параметра. Целью известного способа является увеличение объема контролируемых параметров ИЭТ за счет уменьшения расстояния от объекта испытаний до измерительной аппаратуры. Сущность данного способа состоит в использовании сочетания гамма и рентгеновских испытательных установок для испытаний ИЭТ на стойкость к дозовому воздействию при этом коэффициент пропорциональности (коэффициент относительной эффективности) между дозой от гамма и рентгеновского излучений определяется расчетно-экспериментальным способом, а испытания проводятся на рентгеновских испытательных установках. Недостаток прототипа обусловлен невозможностью его применения для испытаний ИЭТ с неизвестными конструктивными решениями, а также то, что источники РИ обладают низкими токовыми характеристиками, вследствие чего для достижения дозы от интегрального потока СЖРИ и ГИ, заданных в требованиях, необходимо большое время облучения (десятки часов). Помимо низкой оперативности это приводит к снижению достоверности результатов, вследствие эффектов восстановления полупроводниковых структур в ходе длительного облучения. Также, доступные источники РИ не обеспечивают необходимую равномерность облучения при испытаниях ИЭТ в составе блока аппаратуры, которые в ряде случаев необходимы для оценки стойкости с учетом взаимовлияния реакции элементов схемы, в которой используется ИЭТ, на радиационное воздействие.

Техническим результатом изобретения является расширение номенклатуры объектов испытаний за счет ИЭТ, конструктивно топологическая схема и физические свойства материалов которых неизвестны, и увеличение испытательных объемов.

Технический результат изобретения достигается тем, что значение нормы испытаний к действию СЖРИ на источниках гамма-излучения определяется экспериментально с учетом коэффициента относительной эффективности между излучениями используемых источников СЖРИ и гамма-излучения, что позволяет испытывать ИЭТ, конструктивно топологическая схема или физические свойства материалов которых неизвестны, и позволяет за счет использования источников ГИ, обеспечивающих необходимую равномерность облучения, проводить испытания ИЭТ в составе блоков аппаратуры с учетом взаимовлияния элементов РЭА на радиационное воздействие.

Способ основан на результатах анализа ряда исследований по обоснованию эквивалентности дозовых воздействий различных видов излучений [3].

Способ реализуется следующим образом:

1. Выбирают параметр ИЭТ, наиболее полно характеризующий его работоспособность.

Данный выбор осуществляется приведенными ниже способами:

- по результатам ранее проведенных испытаний ИЭТ данного типа (типономинала), изготовленных на одном и том же предприятии;

- по результатам ранее проведенных испытаний функциональных аналогов данных функциональных групп ИЭТ различных предприятий-изготовителей;

- по конструкционным данным ИЭТ.

В случае отсутствия технически обоснованного заключения о параметрах критического электрического режима рекомендуемым является электрический режим, соответствующий максимально допустимому в соответствии с техническими условиями напряжению питания.

В настоящее время для большинства типономиналов ИЭТ критериальные параметры известны по результатам испытаний в аккредитованных испытательных центрах. Например, характерными критериальными параметрами ИЭТ, изготовленных по КМОП-технологии, являются: ток потребления, значение напряжения высокого и низкого уровня логического сигнала, значение задержки распространения сигнала через инверторы (для ПЛИС), уровень сохранности информации и эффект «залипания» ячеек памяти (для запоминающих устройств), уровень функциональных (катастрофических) отказов и др [4]. Данную информацию так же можно найти в специализированных справочниках по радиационной стойкости ИЭТ, в литературе, посвященной тематике воздействия ионизирующих излучений на ИЭТ.

Если в процессе испытаний происходит близкое изменение нескольких выбранных критериальных параметров (в пределах погрешности измерения дозы на выбранных установках), то выбирается критериальный параметр, определение которого происходит с использованием средства измерения, обладающего наименьшей относительной инструментальной погрешностью.

2. Облучают образец ИЭТ на источнике рентгеновского излучения до значимого отклонения выбранного параметра от определенного техническими условиями значения.

Для выбранных критериальных параметров определяется зависимость вида, если изменение критериального параметра является непрерывной функцией. Либо, для критериальных параметров, имеющих пороговый характер изменения, определяется значение дозы в SiO₂, при которой они проявляются (например, уровень сохранности информации, уровень наступления катастрофического отказа и др.).

Построение зависимостей изменения критериальных параметров проводится от значений доз в SiO₂, определенных для условий электронного равновесия при облучении на источнике рентгеновского излучения. Дозиметрия излучения проводится штатными дозиметрическими средствами, используемыми на установке.

Режим работы рентгеновской установки устанавливается в зависимости от заданного требованиями спектрально-энергетического распределения СЖРИ.

3. Облучают образец ИЭТ на источнике гамма-излучения до отклонения выбранного параметра, эквивалентного зарегистрированному на источнике СЖРИ.

Для выбранных критериальных параметров строятся зависимости вида q=q(D_ГИ), если изменение критериального параметра является непрерывной функцией. Либо, для критериальных параметров имеющих пороговый характер изменения, определяется значение дозы в SiO₂, при которых они проявляются (например, уровень сохранности информации, уровень наступления катастрофического отказа и др.).

Построение зависимостей изменения критериальных параметров проводится для значений доз в SiO₂, определенных для условий электронного равновесия, при облучении на установке ГИ. Дозиметрия гамма-излучения проводится штатными дозиметрическими средствами, используемыми на установке.

При возможности облучение проводится до отказа по большинству из выбранных критериальных параметров или до уровня воздействия, при котором радиационно-индуцированное изменение начального значения одного из выбранных критериальных параметров превысит погрешность его измерения более чем в 100 раз. При выборе режимов облучения необходимо стремиться к выполнению условия t_обл>10⋅t_изм, где t_обл - полное время облучения, t_изм - суммарное время измерений критериальных параметров в процессе облучения.

4. Вычисляют коэффициент относительной эффективности

k_эф=D_ГИ/D_СЖРИ.

5. Используя соотношения где - норма испытаний ИЭТ на воздействие дозы гамма излучения на используемой установке - источнике ГИ, определяют норму испытаний ИЭТ на данной установке на соответствие заданным требованиям к совместному действию СЖРИ и гамма-излучения.

Связь между заданным флюенсом энергии сверхжесткого рентгеновского излучения и соответствующей дозой СЖРИ на поверхности образца определяется с использованием соответствующих методик, аттестованных для применения на используемых установках.

Заявляемый способ может быть использован в учреждениях Министерства обороны и организациях, занимающихся разработкой и определением показателей стойкости элементов РЭА образцов вооружения к воздействию сверхжесткого рентгеновского и гамма-излучений.

Источники информации

1. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Рациональный состав и последовательность испытаний на соответствие заданным требованиям по PC. РД В 319.03.31-99.

2. Согоян А.В., Артамонов А.С. и др. Метод испытаний интегральных схем на стойкость к дозовому воздействию на основе применения гамм и рентгеновских источников. Спецтехника и связь №4-5, 2011.

3. Таперо, К.И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения/ К.И. Таперо, В.Н. Улимов, A.M. Членов. - Москва: 2009. - 246 с.

4. Радиационная стойкость изделий ЭКБ: Научное издание / Под редакцией доктора технических наук, профессора А.И. Чумакова. М: НИЯУ МИФИ, 2015. - 512 с.

Использование: для определения нормы испытаний изделий электронной техники на соответствие требованиям стойкости к дозовому воздействию сверхжесткого рентгеновского и гамма-излучений. Сущность изобретения заключается в том, что определение нормы испытаний изделий электронной техники на соответствие требованиям стойкости к дозовому воздействию сверхжесткого рентгеновского и гамма-излучений определяется экспериментально с учетом коэффициента относительной эффективности между излучениями используемых источников сверхжесткого рентгеновского излучения (СЖРИ) и гамма-излучения. Технический результат: обеспечение возможности расширения номенклатуры объектов испытаний.

Способ определения нормы испытаний изделий электронной техники на соответствие требованиям стойкости к дозовому воздействию сверхжесткого рентгеновского и гамма-излучений на основе использования излучений гамма- и рентгеновских установок, заключающийся в раздельном облучении одинаковых изделий электронной техники (ИЭТ) сверхжестким рентгеновским и гамма-излучениями моделирующих установок, контроле параметров ИЭТ, определении значений экспозиционных доз на поверхности ИЭТ, на основании которых определяют коэффициент относительной эффективности k_эф, устанавливающий связь между дозами сверхжесткого рентгеновского излучения (D_СЖРИ) и гамма-излучения (D_ГИ) используемых установок, приводящими к одинаковому изменению контролируемых параметров испытываемых ИЭТ, отличающийся тем, что коэффициент относительной эффективности излучений k_эф=D_ГИ/D_СЖРИ определяется экспериментально, при этом D_СЖРИ определяют на корпусе, а не на кристалле ИЭТ, соотношение между заданными характеристиками сверхжесткого рентгеновского излучения и соответствующей экспозиционной дозой рентгеновского излучения на поверхности образца определяют расчетным методом, норма испытаний на стойкость к совместному дозовому действию СЖРИ и гамма-излучения для используемого источника гамма-излучения определяется с использованием полученного коэффициента относительной эффективности где - норма испытаний ИЭТ на дозовое воздействие гамма-излучения для используемой установки.