Разработка радиационно-стойких интегральных микросхем и полупроводниковых приборов

МИКРОСХЕМЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Содержание доклада
1. Понятие электронной компонентной базы и микросхем
2. Космическое пространство как агрессивная среда
и ее характеристики
3. Проблемы поведения микросхем в космическом пространстве
4. Задачи обеспечения работоспособности микросхем в
космическом пространстве
5. Вклад предприятий и ВУЗов региона в решение данной проблемы
и соотношение полученных решений с мировым уровнем
6. Эффективность производства микросхем космического назначения
7. Задачи для молодых ученых в данной области
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

Космос – агрессивная среда
Радиация, температуры, напряжения
Радиационная стойкость – уровень радиации при котором микросхема полностью работоспособна
В настоящее время усиленно развивается электроника и ее составляющие последовательно именовали «электро-радиоэлементы», «электронные компоненты», «изделия электронной техники», «элементная база», «электронная компонентная база».
Микросхемы также относятся к электронной компонентной базе.
Они могут быть биполярные и униполярные
ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ И МИКРОСХЕМ
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

КАДРОВЫЕ РЕСУРСЫ
КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО КАК АГРЕССИВНАЯ СРЕДА И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Космос характеризуется ионизирующим излучением:
γ–излучение (5-7%) и частицы (свыше 90%) - e, p, n, α-частицы, осколки ядер
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО КАК АГРЕССИВНАЯ СРЕДА И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
низкоинтенсивное протонное и электронное излучение
Оно характеризуется большой длительностью и вызывает деградацию всех элементов микросхемы
поражение тяжелыми частицами (прежде всего заряженными)
Одиночные сбои;
Переходная ионизационная реакция;
Катастрофический отказ;
События радиационного защелкивания
длительное воздействие циклических температур
влияние различных режимов работы микросхемы
Условия космического пространства
дозовые эффекты
одиночные
события
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

КАДРОВЫЕ РЕСУРСЫ
Долгое время основными микросхемами были биполярные – очень хорошая радиационная стойкость
Однако в силу технологичности изготовления, возможности реализовать большие функциональные возможности, использовать меньшую потребляемую мощность стали в основном применяться униполярные микросхемы (КМОП) а у них малая радиационная стойкость
Требуется потратить значительные усилия, чтобы довести КМОП микросхемы до требуемого уровня стойкости
ПРОБЛЕМЫ ПОВЕДЕНИЯ МИКРОСХЕМ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Низкая интенсивность – длительное воздействие - включаются новые процессы – деградация при низкой интенсивности ведет себя неоднозначно
Длительное воздействие приводит к одновременному осуществлению двух процессов – деградации от радиации и старению, которые ведут себя неоднозначно при взаимодействии
Влияние температуры
Влияние электрического режима
Влияние мощности воздействия
Уменьшение мощности
Увеличение деградации
Уменьшение мощности
Увеличение деградации
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

Обеспечить стойкость – создать средства защиты от радиации
Вначале необходимо оценить стойкость
Провести моделирование радиационных процессов
Принять необходимые меры по обеспечению стойкости
ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МИКРОСХЕМ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ: ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА ЗЕМЛЕ
Оценка стойкости в реальных условиях космического пространства
Оценка стойкости на моделирующих установках
Оценка стойкости на имитирующих установках
длительность
сложность представление результатов
крайне малое число испытаний
приемлемая длительность
достоверность
сложности с использованием длинных линий измерений
калибровка к моделирующим установкам
Учесть низкую интенсивность
Учесть температурные воздействия
Учесть механизмы деградации от старения
стоимость
возможность использовать короткие линии измерений
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ: ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПАРАМЕТРОВ МИКРОСХЕМ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
Методика проведения испытаний включает:
- определение критических режимов и параметров критериев-годности,
- изготовление оснастки, которая должна:
Определить сбой,
Выявить тип сбоя,
Определить место в котором произошел этот сбой,
Все результаты внести в базу данных,
Перезапустить программу тестирования вновь.
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ: ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ МИКРОСХЕМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ
Математическое моделирование
Происходит в САПР сквозного проектирования (на всех уровнях проектирования)
пример - Функционально-логическое моделирование
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Методы защиты известны:
Использование защитных покрытий
Покрытие корпусов представляет собой структуру с чередующимися слоями с преимущественным содержанием керамики и порошкообразного вольфрама
В составе доминируют вольфрам и медь
Использование технологических, конструктивных и схемотехнических методов:
Защита от дозы – разработка новой технологии
Защита от сбоев – схемотехнические решения
Создание стойкой ячейки на основе специальных схемотехнических приемов
Резервирование
Изменение частотных характеристик
Включение специальных кодов (например, код Хемминга)
Другие методы на основе особенностей работы микросхемы
Основы применения методов – это их оптимальное сочетание
Потому, что применение всех методов приведет к неспособности микросхемы осуществлять свои функции в заданном режиме
При этом существует основная проблема: при проектировании микросхем должна быть повышена доля автоматизации
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Защищенная ячейка памяти ф. IBM
Защищенная ячейка HIT
Ячейка памяти Канариса
Ячейка памяти DICE
Ячейка памяти NASA
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета
Резервирование для защиты ОЗУ в микросхеме

ВКЛАД ПРЕДПРИЯТИЙ И ВУЗОВ РЕГИОНА В РЕШЕНИЕ ДАННОЙ ПРОБЛЕМЫ
Заказчик
Дизайн-центр ИМС
Сборочное производство
Центр измерений и испытаний
Потребитель
Кремниевые фабрики:
Ангстрем, Микрон,
НИИСИ РАН, Интеграл
ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»
ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета

Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета
СООТНОШЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ С МИРОВЫМ УРОВНЕМ
Изделие без средств защиты
Изделие с частичной защитой
Число сбоев - 6500 за время t
Число сбоев - 3300 за время t
Число сбоев - 0 за время t
Полностью защищенное изделие
СООТНОШЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ С МИРОВЫМ УРОВНЕМ:
Реализация функциональных возможностей микросхемы - соответствует
Доминирующие проектные нормы - соответствуют
Величина стойкости - соответствует
Параметры чувствительности микросхем к сбоям - соответствуют

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА МИКРОСХЕМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Сравнение показателей коммерческих или индустриальных, военных и космических микросхем (по данным зарубежной печати)
Кафедра вычислительной техники и информационных систем Воронежского государственного лесотехнического университета