Радиационная стойкость электронных устройств: методы и технологии

Радиационная стойкость электроники: защита компонентов от ионизирующего излучения в космосе, ядерных реакторах. Методы и испытания Rad Hard технологий.

14 мин чтения

100%

Источник: Radiation hardening — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Процессы и методы, используемые для создания электронных устройств, устойчивых к ионизирующему излучению.

Радиационная стойкость материалов – это процесс придания электронным компонентам и схемам устойчивости к повреждениям или сбоям, вызванным высоким уровнем ионизирующего излучения (частичное излучение и высокоэнергетическое электромагнитное излучение), особенно в космической среде (особенно за пределами низкой околоземной орбиты), вблизи ядерных реакторов и ускорителей частиц, а также во время ядерных аварий или ядерной войны. Большинство полупроводниковых электронных компонентов подвержены радиационным повреждениям, а радиационно-стойкие компоненты создаются на основе их нестойких аналогов с некоторыми изменениями в конструкции и технологии производства, снижающими восприимчивость к радиационным повреждениям. Ввиду масштабной разработки и тестирования, необходимых для создания радиационно-стойкой конструкции микроэлектронной схемы, технология радиационно-стойких микросхем обычно отстает от последних достижений. Радиационно-стойкая продукция обычно подвергается одному или нескольким видам испытаний на воздействие, включая общую ионизирующую дозу (TID), усиленные эффекты при низкой дозе (ELDRS), радиационные повреждения, вызванные смещением нейтронов и протонов, и эффекты одиночных событий (SEE).

Проблемы, вызванные радиацией

В условиях высокого уровня ионизирующего излучения возникают особые конструкторские задачи. Одиночная заряженная частица может выбить тысячи электронов, вызывая электронный шум и импульсные помехи. В цифровых схемах это может приводить к неверным или бессмысленным результатам. Эта проблема особенно актуальна при разработке спутников, космических аппаратов, будущих квантовых компьютеров, военной авиации, атомных электростанций и ядерного оружия. Для обеспечения надежной работы таких систем производители интегральных схем и датчиков, предназначенных для военной и аэрокосмической отраслей, применяют различные методы радиационной стойкости. Полученные системы называют радиационно-стойкими, радиационно-защищенными или (в контексте) защищенными.

Основные источники радиационного ущерба

Типичными источниками воздействия ионизирующего излучения на электронику являются радиационные пояса Ван Аллена для спутников, ядерные реакторы на электростанциях для датчиков и схем управления, ускорители частиц для электронной системы управления, особенно устройства обнаружения частиц, остаточная радиация от изотопов в материалах упаковки чипов, космическое излучение для космических аппаратов и самолетов, летающих на большой высоте, и ядерные взрывы – для потенциально всей военной и гражданской электроники. Космические лучи приходят со всех направлений и состоят примерно из 85% протонов, 14% альфа-частиц и 1% тяжелых ионов, а также рентгеновского и гамма-излучения. Большинство эффектов вызывается частицами с энергией от 0,1 до 20 ГэВ. Атмосфера фильтрует большую часть этих частиц, поэтому они представляют собой в первую очередь проблему для космических аппаратов и самолетов, летающих на большой высоте, но также могут влиять на обычные компьютеры на поверхности Земли. События солнечных частиц исходят от Солнца и состоят из интенсивного потока высокоэнергетических (несколько ГэВ) протонов и тяжелых ионов, сопровождаемых рентгеновским излучением. Радиационные пояса Ван Аллена содержат электроны (до 10 МэВ) и протоны (до 100 МэВ), захваченные в геомагнитном поле. Поток частиц в областях, удаленных от Земли, может значительно меняться в зависимости от текущего состояния Солнца и магнитосферы. В силу своего расположения они представляют опасность для спутников. Вторичные частицы образуются в результате взаимодействия других видов излучения со структурами, окружающими электронные устройства. Ядерные реакторы производят гамма-излучение и нейтронное излучение, которые могут влиять на датчики и схемы управления на атомных электростанциях. Ускорители частиц производят протоны и электроны высокой энергии, а вторичные частицы, возникающие в результате их взаимодействия, наносят значительный радиационный ущерб чувствительным компонентам управления и детекторам частиц, достигающий порядка 10 МРад[Si] в год для таких систем, как Большой адронный коллайдер. Ядерные взрывы создают кратковременный и чрезвычайно интенсивный импульс в широком спектре электромагнитного излучения – электромагнитный импульс (ЭМИ), нейтронное излучение и поток как первичных, так и вторичных заряженных частиц. В случае ядерной войны они представляют потенциальную угрозу для всей гражданской и военной электроники. Материалы упаковки чипов оказались скрытым источником излучения, вызывавшим случайные ошибки в новых чипах DRAM в 1970-х годах. Следы радиоактивных элементов в упаковке чипов производили альфа-частицы, которые периодически вызывали разряд некоторых конденсаторов, используемых для хранения битов данных DRAM. В настоящее время эти эффекты уменьшены за счет использования более чистых материалов упаковки и применения кодов коррекции ошибок для обнаружения и часто исправления ошибок DRAM.

Typical sources of exposure of electronics to ionizing radiation are the Van Allen radiation belts for satellites, nuclear reactors in power plants for sensors and control circuits, particle accelerators for control electronics particularly particle detector devices, residual radiation from isotopes in chip packaging materials, cosmic radiation for spacecraft and high altitude aircraft, and nuclear explosions for potentially all military and civilian electronics. Cosmic rays come from all directions and consist of approximately 85% protons, 14% alpha particles, and 1% heavy ions, together with X ray and gamma ray radiation. Most effects are caused by particles with energies between 0.1 and 20 GeV. The atmosphere filters most of these, so they are primarily a concern for spacecraft and high altitude aircraft, but can also affect ordinary computers on the surface. Solar particle events come from the direction of the sun and consist of a large flux of high energy (several GeV) protons and heavy ions, again accompanied by X ray radiation. Van Allen radiation belts contain electrons (up to about 10 MeV) and protons (up to 100s MeV) trapped in the geomagnetic field. The particle flux in the regions farther from the Earth can vary wildly depending on the actual conditions of the Sun and the magnetosphere. Due to their position they pose a concern for satellites. Secondary particles result from interaction of other kinds of radiation with structures around the electronic devices. Nuclear reactors produce gamma radiation and neutron radiation which can affect sensor and control circuits in nuclear power plants. Particle accelerators produce high energy protons and electrons, and the secondary particles produced by their interactions produce significant radiation damage on sensitive control and particle detector components, of the order of magnitude of 10 MRad[Si]/year for systems such as the Large Hadron Collider. Nuclear explosions produce a short and extremely intense surge through a wide spectrum of electromagnetic radiation, an electromagnetic pulse (EMP), neutron radiation, and a flux of both primary and secondary charged particles. In case of a nuclear war they pose a potential concern for all civilian and military electronics. Chip packaging materials were an insidious source of radiation that was found to be causing soft errors in new DRAM chips in the 1970s. Traces of radioactive elements in the packaging of the chips were producing alpha particles, which were then occasionally discharging some of the capacitors used to store the DRAM data bits. These effects have been reduced today by using purer packaging materials, and employing error correcting codes to detect and often correct DRAM errors.

Сдвиг решетки

Смещение решетки вызвано нейтронами, протонами, альфа-частицами, тяжелыми ионами и очень высокоэнергетическими гамма-фотонами. Они изменяют расположение атомов в кристаллической решетке, создавая стойкие повреждения и увеличивая количество рекомбинационных центров, что приводит к истощению малых носителей заряда и ухудшению аналоговых характеристик затронутых полупроводниковых переходов. Вопреки интуиции, более высокие дозы, поданные за короткое время, вызывают частичный отжиг ("восстановление") поврежденной решетки, приводя к меньшей степени повреждения, чем при тех же дозах, поданных с низкой интенсивностью в течение длительного времени (LDR или низкая дозовая скорость). Этот тип проблемы особенно актуален для биполярных транзисторов, которые зависят от малых носителей заряда в базовых областях; увеличение потерь, вызванных рекомбинацией, приводит к снижению коэффициента усиления транзистора (см. влияние нейтронов). Компоненты, сертифицированные как нечувствительные к ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitive), не проявляют повреждений при потоках ниже 0,01 рад(Si)/с = 36 рад(Si)/ч.

Эффекты ионизации

Ионизационные эффекты вызываются заряженными частицами, включая частицы с энергией, недостаточной для вызова эффектов в кристаллической решетке. Ионизационные эффекты обычно являются временными, вызывая сбои и мягкие ошибки, но могут привести к разрушению устройства, если запускают другие механизмы повреждения (например, триггер). Фототоки, вызванные ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, также могут относиться к этой категории. Постепенное накопление дырок в оксидном слое MOSFET-транзисторов приводит к ухудшению их характеристик, вплоть до отказа устройства при достаточно высокой дозе (см. эффекты от полной ионизирующей дозы). Эффекты могут значительно различаться в зависимости от всех параметров – типа излучения, общей дозы и потока излучения, комбинации типов излучения и даже типа нагрузки на устройство (рабочая частота, рабочее напряжение, фактическое состояние транзистора в момент попадания частицы) – что делает тщательное тестирование сложным, трудоемким и требующим большого количества тестовых образцов.

Общий эффект ионизирующей дозы

Кумулятивный ущерб кристаллической решетке полупроводника (ущерб от смещения узлов решетки), вызванный ионизирующим излучением за время экспозиции. Он измеряется в радах и приводит к медленной, постепенной деградации характеристик устройства. Общая доза, превышающая 5000 рад, воздействующая на устройства на основе кремния в течение секунд или минут, вызывает долгосрочную деградацию. В CMOS-устройствах излучение создает электронно-дырочные пары в слоях диэлектрика затвора, которые генерируют фототоки при рекомбинации, а захваченные в дефектах решетки диэлектрика дырки создают постоянное смещение затвора и влияют на пороговое напряжение транзисторов, облегчая включение N-канальных MOSFET-транзисторов и затрудняя включение P-канальных. Накопленный заряд может быть достаточно велик, чтобы удерживать транзисторы постоянно открытыми (или закрытыми), что приводит к выходу устройства из строя. Самовосстановление происходит со временем, но этот эффект незначителен. Этот эффект аналогичен деградации от горячих носителей в высокоинтегрированной высокоскоростной электронике. Кристаллические генераторы в некоторой степени чувствительны к дозам излучения, которые изменяют их частоту. Чувствительность можно значительно снизить, используя кварц с очищенной поверхностью. Особенно чувствительны природные кристаллы кварца. Для всех процедур тестирования на устойчивость к воздействию излучения могут быть построены кривые радиационной стойкости для тестирования TID. Эти кривые отображают динамику изменения характеристик в процессе тестирования TID и включаются в отчет об испытаниях на радиационную стойкость.

Переходные эффекты дозы

Короткий импульс радиации высокой интенсивности, обычно возникающий при ядерном взрыве. Высокий радиационный поток создает фототоки во всем объеме полупроводника, вызывая случайное включение транзисторов и изменение логических состояний триггеров и ячеек памяти. Постоянные повреждения могут возникнуть, если длительность импульса слишком велика, или если импульс вызывает повреждение переходов или эффект защелкивания. Эффект защелкивания обычно вызывается рентгеновским и гамма-излучением при ядерном взрыве. Кристаллические генераторы могут прекращать колебания на время вспышки из-за мгновенной фотопроводимости, индуцированной в кварце.

Эффекты электромагнитной электрической энергии, генерируемые системами

SGEMP вызваны вспышкой излучения, распространяющейся по оборудованию и вызывающей локальную ионизацию и электрические токи в материале чипов, печатных плат, электрических кабелей и корпусов.

Цифровые повреждения: Смотрите

Эффекты одиночных событий (SEE) широко изучаются с 1970-х годов. Когда высокоэнергетическая частица проходит через полупроводник, она оставляет за собой ионизированный трек. Эта ионизация может вызывать локализованный эффект, подобный кратковременному воздействию дозы – от безобидной ошибки в выходном сигнале до менее безобидной инверсии бита в памяти или регистре, или, особенно в мощных транзисторах, до разрушительного захвата и пробоя. Эффекты одиночных событий важны для электроники, используемой в спутниках, самолетах и других гражданских и военных аэрокосмических применениях. Иногда, в схемах, не содержащих триггеров, полезно вводить RC-цепи, замедляющие время реакции схемы до значений, меньших длительности SEE.

Переходный с одним событием

SET возникает, когда заряд, собранный при событии ионизации, рассеивается в виде паразитного сигнала, распространяющегося по схеме. По сути, это эффект электростатического разряда. Мягкая ошибка, обратимая.

Одно событие

Однократное событие возмущения (SEU) или переходные радиационные эффекты в электронике – это изменение состояния битов памяти или регистров, вызванное взаимодействием одиночного иона с кристаллом. Они не приводят к необратимым повреждениям устройства, но могут вызвать длительные проблемы в системе, не способной восстановиться после подобной ошибки. Мягкая ошибка, обратимая. В особо чувствительных устройствах один ион может вызвать множественное битовое возмущение (MBU) в нескольких соседних ячейках памяти. SEU могут приводить к однократным функциональным прерываниям (SEFI), когда они вызывают сбой в работе управляющих цепей, таких как конечные автоматы, переводя устройство в неопределенное состояние, тестовый режим или режим остановки, для выхода из которого потребуется сброс или переключение питания.

Односоединенная застежка

SEL может возникать в любом чипе, содержащем паразитическую PNPN-структуру. Тяжелый ион или протон высокой энергии, проходя через одно из двух внутренних транзисторных p-n-переходов, может включить тиристороподобную структуру, которая затем остается в запертом состоянии (эффект, известный как latch-up) до тех пор, пока не будет выполнено отключение и повторное включение питания. Поскольку эффект может возникать между источником питания и подложкой, может протекать разрушительно высокий ток, что может привести к выходу компонента из строя. Неисправимая ошибка. Bulk CMOS-устройства наиболее подвержены этому явлению.

Однособытие

Однократный откат является похожим на SEL, но не требует PNPN-структуры и может быть вызван в N-канальных МОП-транзисторах при переключении больших токов, когда ион попадает вблизи дренального перехода и вызывает лавинное умножение носителей заряда. Транзистор при этом открывается и остается открытым, что является критической ошибкой, необратимой по своей природе.

Однократное вызванное выгорание

СЕВ может возникать в силовых MOSFET, когда подложка непосредственно под областью истока оказывается смещенной в прямом направлении, а напряжение сток-исток превышает напряжение пробоя паразитных структур. Возникающий в результате высокий ток и локальный перегрев могут привести к разрушению прибора. Критическая ошибка, необратимая.

Разрыв шлюза с одним событием

SEGR наблюдается в силовых MOSFET, когда тяжелый ион попадает в область затвора при приложении высокого напряжения к затвору. В изолирующем слое диоксида кремния происходит локальный пробой, вызывающий локальный перегрев и разрушение (выглядящее как микроскопический взрыв) области затвора. Это может произойти даже в ячейках EEPROM во время записи или стирания, когда к ячейкам прикладывается сравнительно высокое напряжение. Неисправимая ошибка.

Испытания SEE

Хотя протонные пучки широко используются для тестирования SEE из-за их доступности, при низких энергиях протонное облучение часто может занижать восприимчивость к SEE. Более того, протонные пучки подвергают устройства риску выхода из строя из-за общей ионизирующей дозы (TID), что может исказить результаты протонного тестирования или привести к преждевременному отказу устройства. Белые нейтронные пучки, которые считаются наиболее адекватным методом тестирования SEE, обычно получают из источников на основе твердых мишеней, что приводит к неоднородности потока и небольшим площадям облучения. Белые нейтронные пучки также характеризуются определенной неопределенностью в энергетическом спектре, часто с высоким содержанием тепловых нейтронов. Недостатки как протонных, так и спаллационных источников нейтронов можно избежать, используя моноэнергетические 14 МэВ нейтроны для тестирования SEE. Существует опасение, что одиночные эффекты, вызванные моноэнергетическими нейтронами, не будут точно отражать реальное воздействие атмосферных нейтронов широкого спектра. Однако недавние исследования показали, что, напротив, моноэнергетические нейтроны, особенно 14 МэВ, могут быть использованы для достаточно точного определения сечений SEE в современной микроэлектронике.

Физическое

Зачастую закаленные чипы изготавливаются на изолирующих подложках вместо обычных полупроводниковых пластин. Обычно используются кремний на изоляторе (SOI) и кремний на сапфире (SOS). В то время как обычные чипы коммерческого качества могут выдерживать от 50 до 100 грей (5 и 10 крад), чипы космического класса на основе SOI и SOS способны выдерживать дозы от 1000 до 3000 грей (100 и 300 крад). В свое время многие чипы серии 4000 были доступны в радиационно-стойких версиях (RadHard). Магниторезистивная оперативная память, или MRAM, рассматривается как вероятный кандидат для создания радиационно-стойкой, перезаписываемой, энергонезависимой проводящей памяти. Физические принципы и предварительные испытания показывают, что MRAM не подвержена потере данных, вызванной ионизацией. DRAM на основе конденсаторов часто заменяется более надежной (но более крупной и дорогой) SRAM. Выбор подложки с широкой запрещенной зоной, что обеспечивает более высокую устойчивость к глубоким дефектам; например, карбид кремния или нитрид галлия. Экранирование корпуса от радиоактивности для снижения воздействия на само устройство. Защита самих чипов (от нейтронов) с использованием обедненного бора (состоящего только из изотопа бор-11) в пассивационном слое из борофосфосиликатного стекла, защищающего чипы, поскольку природный бор-10 легко захватывает нейтроны и подвергается альфа-распаду (см. мягкие ошибки). Использование специального технологического процесса для повышения радиационной стойкости. В связи с высокими затратами на разработку новых радиационно-стойких процессов, самый маленький "истинный" радиационно-стойкий технологический процесс (RHBP, Rad Hard By Process) на 2016 год составлял 150 нм, однако радиационно-стойкие FPGA на 65 нм были доступны и использовали некоторые из техник, применяемых в "истинных" радиационно-стойких процессах (RHBD, Rad Hard By Design). По состоянию на 2019 год доступны радиационно-стойкие процессы на 110 нм. Использование ячеек SRAM с большим количеством транзисторов на ячейку, чем обычно (4T или 6T), что повышает устойчивость ячеек к SEU за счет увеличения энергопотребления и площади ячейки.

Логично.

Память с кодом коррекции ошибок (ECC memory) использует избыточные биты для проверки и возможной коррекции поврежденных данных. Поскольку воздействие радиации повреждает содержимое памяти даже при отсутствии доступа системы к оперативной памяти, схема "скруббера" должна непрерывно сканировать оперативную память: считывать данные, проверять избыточные биты на наличие ошибок и записывать любые исправления обратно в оперативную память. Избыточные элементы могут использоваться на системном уровне. Три отдельных микропроцессорных платы могут независимо вычислять ответ на задачу и сравнивать результаты. Любая система, выдавшая результат, отличающийся от большинства, выполнит перерасчет. Может быть добавлена логика, отключающая плату, если повторяющиеся ошибки исходят от одной и той же системы. Избыточные элементы могут использоваться на уровне схемы. Один бит может быть заменен тремя битами и отдельной "логикой голосования" для каждого бита, непрерывно определяющей его значение (тройная модульная избыточность). Это увеличивает площадь кристалла в 5 раз, поэтому применяется для небольших проектов. Однако это также обеспечивает "безопасность при отказе" в реальном времени. В случае сбоя одного бита (не обязательно вызванного радиацией), логика голосования продолжит выдавать правильный результат без использования сторожевого таймера. Для системного голосования между тремя отдельными процессорными системами обычно требуется логика голосования на уровне схемы для выполнения сравнения результатов. Могут использоваться устойчивые триггеры. Сторожевой таймер выполнит аппаратный сброс системы, если не будет выполнена последовательность действий, обычно указывающая на работоспособность системы, например, операция записи от бортового процессора. В нормальном режиме работы программное обеспечение планирует запись в сторожевой таймер через регулярные интервалы, чтобы предотвратить его истечение. Если радиация вызывает некорректную работу процессора, программное обеспечение, скорее всего, не сможет правильно очистить сторожевой таймер. Таймер в конечном итоге истечет и принудительно перезагрузит систему. Это считается крайней мерой среди других методов радиационной стойкости.

Error correcting code memory (ECC memory) uses redundant bits to check for and possibly correct corrupted data. Since radiation's effects damage the memory content even when the system is not accessing the RAM, a "scrubber" circuit must continuously sweep the RAM; reading out the data, checking the redundant bits for data errors, then writing back any corrections to the RAM. Redundant elements can be used at the system level. Three separate microprocessor boards may independently compute an answer to a calculation and compare their answers. Any system that produces a minority result will recalculate. Logic may be added such that if repeated errors occur from the same system, that board is shut down. Redundant elements may be used at the circuit level. A single bit may be replaced with three bits and separate "voting logic" for each bit to continuously determine its result (triple modular redundancy). This increases area of a chip design by a factor of 5, so must be reserved for smaller designs. But it has the secondary advantage of also being "fail safe" in real time. In the event of a single bit failure (which may be unrelated to radiation), the voting logic will continue to produce the correct result without resorting to a watchdog timer. System level voting between three separate processor systems will generally need to use some circuit level voting logic to perform the votes between the three processor systems. Hardened latches may be used. A watchdog timer will perform a hard reset of a system unless some sequence is performed that generally indicates the system is alive, such as a write operation from an onboard processor. During normal operation, software schedules a write to the watchdog timer at regular intervals to prevent the timer from running out. If radiation causes the processor to operate incorrectly, it is unlikely the software will work correctly enough to clear the watchdog timer. The watchdog eventually times out and forces a hard reset to the system. This is considered a last resort to other methods of radiation hardening.

Применение в военной и космической промышленности

Радиационно-стойкие и радиационно-защищенные компоненты часто используются в военных и аэрокосмических применениях, включая приложения в точке нагрузки (POL), источники питания спутниковых систем, понижающие импульсные регуляторы, микропроцессоры, ПЛИС (FPGA), источники питания ПЛИС и высокоэффективные источники питания подсистем с низким напряжением. Однако не все компоненты военного назначения являются радиационно-защищенными. Например, американский стандарт MIL STD 883 включает множество испытаний, связанных с радиацией, но не содержит спецификации для частоты возникновения однократного захвата. Космический зонд "Фобос-Грунт", возможно, потерпел неудачу из-за аналогичного предположения. Объем рынка радиационно-стойкой электроники, используемой в космических приложениях, оценивался в 2,35 миллиарда долларов в 2021 году. По оценкам нового исследования, к 2032 году этот показатель достигнет примерно 4,76 миллиарда долларов.