Nn-anashinпопулярный!

ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РОСКОСМОСА ДЛЯ
КОНТРОЛЯ СТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ К ЕСТЕСТВЕННЫМ
ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЯМ КОСМИЧЕСКОГО
ПРОСТРАНСТВА
В.С. Анашин
заместитель генерального директора – заместитель главного конструктора ОАО
«Научно-исследовательский институт космического приборостроения»
А.Г. Сухоруков
заместитель начальника отдела Федерального космического агентства
НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОАО «НИИ КП» В ОБЛАСТИ
КОНТРОЛЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
1 Мониторинг воздействия естественных ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП) на
радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) космических аппаратов (бортовой и наземный сегменты,
семейство датчиков-сигнализаторов):
1.1 Разработка и изготовление бортовых и наземных приборов контроля ИИ КП (в области дозовых и
одиночных эффектов).
1.2 Контроль текущего состояния ИИ КП и "космической погоды".
1.3 Прогноз (краткосрочный и среднесрочный) изменения полей ИИ КП.
2 Технология наземного контроля и обеспечения (повышения) стойкости электронной компонентной базы
(ЭКБ) и РЭА к естественным ИИ КП (аппаратура, нормативно-методическое и программное
обеспечение):
2.1 Создание методов контроля (испытаний) стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП.
2.2 Создание методов обеспечения стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП.
2.3 Создание методов повышения стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП.
2.4 Расчет стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП.
3 Отраслевая (Роскосмос) информационно-справочная система по стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП .
3.1 Ведение базы данных (БД) по стойкости ЭКБ к ИИ КП.
3.2 Предоставление справочной информации (нормативная документация, библиография, сведения
о конференциях и т.п.).
3.3 Отображение состояния и прогнозов полей ИИ КП.
4 Отраслевая испытательная лаборатория Роскосмоса (элемент межотраслевого центра радиационных
испытаний) контроля стойкости ЭКБ (РЭА) к естественным ИИ КП:
4.1 Проведение испытаний ЭКБ на стойкость к дозовым эффектам.
4.2 Проведение испытаний ЭКБ на стойкость к одиночным эффектам.
4.3 Проведение отбраковки потенциально-ненадежной и отбора ЭКБ повышенных потребительских
свойств.
4.4 Создание нормативно-методического обеспечения для испытаний стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП.
4.5 Создание нестандартизированных технологических приспособлений (оснастки) и программного
обеспечения для проведения испытаний (дизайн-центр испытаний).
5 Бортовые и наземные специализированные управляющие вычислительные комплексы,
2
специализированное программное обеспечение.
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.
● Конструктивно-технологические особенности:
– соответствие покрытий требованиям к лужению-пайке выводов;
– отсутствие массопереноса материалов корпуса.
● Малая серийность (размер партии).
● Широкая номенклатура.
3
ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА –
ГЛАВЕНСТВУЮЩИЙ ЕСТЕСТВЕННЫЙ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ
ФАКТОР, ОГРАНИЧИВАЮЩИЙ СРОК АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Дозовые эффекты (ДЭ)
Протоны и
электроны ЕРПЗ
Параметрические
и функциональные отказы
Одиночные эффекты (ОЭ)
Протоны и ионы
СКЛ, ГКЛ и ЕРПЗ
Обратимые (сбои) и
необратимые (катастрофические)
отказы
Стимулируют другие виды отказов (в первую очередь, электростатические)
45-55%
25-35%
5-15%
ЭС
ОЭ
ДЭ
5-15%
другие
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 4
technical Report TR-99 (1670) – 1, 1999)
• Рисунок3.png
5
Одиночные эффекты от воздействия ИИ КП
Проявление ОЭ (спокойное Солнце)
Схема полета и картограмма одиночных сбоев в ДОЗУ PD4265800LE-A60 емкостью 64 Мбит
на борту японского КА MDS-1.
Орбита: перигей 500 км, апогей 35735 км, наклонение 28.5 градусов.
Средняя частота одиночных сбоев - 28 сбоев/сутки.
Sumio Matsuda et al, Proceedings of 5th International Workshop on Radiation Effects
on Semiconductor Devices for Space Application, 2002, Japan, p. 27
7
Проявление ОЭ (солнечная вспышка)
Плотность потока протонов в процессе развития
солнечной вспышки по данным спутника GOES-9.
J. E. Mazur,
2002 IEEE NSREC Short Course Notebook
Частота одиночных сбоев в ОЗУ, зарегистрированных
в эксперименте ICARE (CNES) в период с ноября 2000
по июнь 2002 годов на борту аргентинского КА SAC-C.
Круговая орбита: 707 км, наклонение 98.5 градусов.
D. Falguere et al, TNS, v. 4, 2002, p. 2782.
8
ВИДЫ ОДИНОЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ
№
ОРЭ
Характеристика ОРЭ
1.
SEU (Single Event
Upset)
Обратимые сбои в БИС
проявляющиеся
в
виде
бистабильных структурах
2.
SEL (Single Event
Lаtchup
Радиационное защелкивание, вызванное включением
паразитных тиристорных структур при попадании в
чувствительный объем БИС отдельных заряженных частиц
Катастрофическ
ий
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
Катастрофическ
ий
4.
SEFI (Single Event
Functional
Interrupt)
Одиночный эффект функционального прерывания.
Обратимый
5.
SEB (Single Event
Burnout)
Одиночный
эффект
выгорания
в
мощных
МДПтранзисторах, связанный с открыванием паразитного
биполярного транзистора при попадании ЗЧ КП
Катастрофическ
ий
6.
SEGR
Event
Rapture)
(Single
Gate
Одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в
МДП -структурах
Катастрофическ
ий
7.
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
Обратимый
с регулярной логикой,
потери
информации
в
Характер отказа
Обратимый
9
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
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)
Испытательные стенды
Соответствие методов оценки требованиям НД
Соответствие результатов оценки требованиям ТЗ
Отраслевое ПО
Необходимость проведения экспериментальной оценки
Соответствие состава и методов испытаний требованиям
нормативной документации
Соответствие испытательного центра требованиям ФСС КТ
Порядок выбора типовых
представителей и состава
испытаний
10
Сертификация
Подтверждение стойкости изделия космической техники
УСЛОВИЯ СЕРТИФИКАЦИИ РЭА КА
Плу ≤ ПРЭА
Плу ~ Ктр·Кослк·Птз(ттз)
ПРЭА ~Кз·КослРЭА·Ктм·ПЭКБ.мин
сейчас
ЛУ- локальные условия;
Тр – точность расчета;
ОСЛ К– ослабление конструктивными
элементами КА;
ТЗ(ТТЗ) – требования ТЗ (ТТЗ)
ОСЛ РЭА - ослабление конструктивными
элементами РЭА;
ТМ- точность метода;
З – запас;
ЭКБ мин – минимальное значение
стойкости ЭКБ
Ктр=Ктм=1
Кз = 1
для испытаний (моделирующие установки)
Кз = 3-10 для расчетно-экспериментальных оценок
11
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
СТОЙКОСТИ К ИИ КП
1. Межотраслевой испытательный центр использует все доступные установки, моделирующие
воздействие ионизирующего излучения космического пространства, вне зависимости от
ведомственной принадлежности.
2. Отраслевая испытательная лаборатория (испытательный центр) Роскосмоса является
функциональным элементом межотраслевого испытательного центра.
3. Комплексный подход к обеспечению испытаний – одновременное создание аппаратных средств
и комплекса отраслевого нормативно-методического и программного обеспечения.
ТРЕБОВАНИЯ РОСКОСМОСА К ИСПЫТАТЕЛЬНЫМ ЛАБОРАТОРИЯМ
ПО КОНТРОЛЮ СТОЙКОСТИ ЭКБ К ИИ КП
1. Аккредитация в соответствии с порядком, изложенном в «Положении о межведомственном
центре испытаний радиационной стойкости ЭКБ».
2. Использование метрологически аттестованных испытательных и измерительных средств.
3. Использование согласованных с Роскосмосом методов испытаний (в т.ч. НДС Роскосмоса).
4. Документирование и архивирование КД и ТД
РМ испытаний (в т.ч. технологических
приспособлений и оснастки).
5. Документирование и архивирование программного обеспечения, используемого при испытаниях.
6. Использование для обработки результатов испытаний сертифицированного ПО (со сдачей в
отраслевой ФАП).
7. Паспортизация РМ испытаний (вкл. технологические приспособления и оснастку).
8. Хранение технологических приспособлений и оснастки.
9. Архивация результатов испытаний (включая программы и методики).
10.Предоставление результатов испытаний в отраслевую информационно-справочную систему.
12
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТОЙКОСТИ К ИИ КП
Метрологически аттестованы и введены в опытную эксплуатацию испытательные стенды (ИС) и
установки для контроля одиночных и дозовых эффектов (имеют необходимое методическое и
программное обеспечение и являются единственным оборудованием для проведения испытаний
(квалификационных, определительных и сертификационных) ЭКБ и РЭА на стойкость к
естественным ИИ КП в области одиночных и дозовых эффектов ):
1. Контроль одиночных эффектов
1.1 ИС облучения протонами и ионами (ИС ОПИ) создан ОАО «НИИ КП» (Роскосмос) с
использованием вывода 212 (медленный вывод) ускорительного комплекса (УК) ГНЦ РФ ИТЭФ;
1.2 ИС облучения ионами (ИС ОИ(400)) создан ОАО «НИИ КП» (Роскосмос) с использованием
циклотрона У-400 Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), г. Дубна;
1.3 Испытательный стенд высокоэнергетических протонов и ионов на базе вывода 213 ускорителя
У-10 УК ГНЦ РФ ИТЭФ;
1.4 ИС облучения ионами (ИС ОИ (400М)), создаваемый ОАО «НИИ КП» (Роскосмос) с
использованием циклотрона У-400М ОИЯИ с расширением функций ИС ОПИ, ИС ОИ(400) (будет
введен в опытную эксплуатацию в 2010 году).
2. Контроль дозовых эффектов
2.1 Радиационные моделирующие установки (ФГУП НИИП, Росатом) ГУ-200, "Гамма-Н", "Агат" с
источниками гамма-излучения (Со60);
2.2 ИС контроля дозовых эффектов (ИС ДРЭ) с использованием низкоинтенсивного гаммаизлучения на базе шахты-хранилища реактора НИЯУ "МИФИ" (контроль индивидуальных
характеристик ЭКБ и отбраковка потенциально нестойкой ЭКБ).
СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИС
С целью рационального и равномерного использования испытательных мощностей рекомендуется
делать заявки на проведение испытаний в 2010 и последующих годах, которые могут
реализоваться как проведением испытаний силами ФГУП "НИИП" и ОАО "НИИ КП", так и
проведением испытаний третьей стороной (в т.ч. заказчиком работ) на предоставляемом
13
оборудовании.
СТРУКТУРА ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ РОСКОСМОСА ДЛЯ
КОНТРОЛЯ ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ В ЭКБ
ИС ОПИ, на базе вывода 212 УК ГНЦ РФ ИТЭФ
ИС ОИ (400), на базе циклотрона У-400 ОИЯИ
ИС ОИ (400М), на базе циклотрона У-400М ОИЯИ
Защита от первичных
Смена типа
ионов
Исходные пучки
Контроль
характеристик
пучков
Управление
пучками
Канал (вакуумный)
транспортировки
Манипулирование
Объект
Фиксация
Обеспечение
работоспособности
и контроль
характеристик
Контроль
вторичных
излучений
и вторичных излучений
Обеспечение
процесса
испытаний
14
СОСТАВ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ РОСКОСМОСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ
ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ
Состав ИС ОРЭ
1
1.1
Моделирование воздействия
ВЭЧ ИИ КП на ЭКБ с
использованием исходных
пучков
Контроль характеристик пучков
ВЭЧ
1.1.1 Канал транспортировки пучков
1.2
Оборудование манипулирование
пучками
1.3
Манипулирование объектами
испытаний
1.3.1 Фиксация объекта испытаний
1.4
Контроль вторичных излучений
ИС ОИ (400)
на базе
У-400
(ОИЯИ)
ИС ОПИ
на базе
Вывода 212
УК ГНЦ РФ
ИТЭФ
АКХИП
АКХДП
ОТТ КПИ
АКХИП
АКХДП
ВТТ КПИ
*
УНП
АМП
*
ОПО
АФО
МУ
ОФ ОИ
ОМО
**
ОРБ
1.4.1 Защита от излучений
2
Смена типа ионов
ОСИ
3
Обеспечение работоспособности
и контроль характеристик
объекта испытаний
АПКЭХ
АОКЭХ
4
Обеспечение процесса
испытаний
РМ ОИ
ИС ОИ
(400М) на
базе У-400М
(ОИЯИ)
ОТТ КПИ
АКХИП – аппаратура контроля характеристик исходного пучка
АКХДП – аппаратура контроля характеристик действующего пучка
ВТТ КПИ – вакуумный тракт транспортировки и контроля протонов,
ионов
ОТТ КПИ – оборудование тракта транспортировки и контроля пучков
ионов
УНП – устройство наведения пучка
АМП – аппаратура манипулирования пучком
* Манипулирование пучками осуществляется штатными средствами
У-400, У-400М
ОПО –оборудование позиционирования объекта
ОФ ОИ – оборудование фиксации объекта в ионах
АФО – аппаратура фиксации объекта
ОФ ОИ
ОМО – оборудование манипулирования объектом
БАСК УЭМ МУ – мишенный узел
БАСК УЭМ – базовая аппаратура сопряжения контролируемых
унифицированных электронных модулей (УЭМ)
**
** Контроль и защита от вторичных излучений
обеспечивается
штатными средствами циклотронов У 400, У-400М
ОРБ- оборудование радиационной безопасности
Защиты,
ловушки
Мишень
***
многослойная
АПКЭХ
БАКХ УЭМ
АОКЭХ
БАОРФК
УЭМ
РМ ОПИ
Примечание
АРМИОИ
ОСИ – оборудование смены типа ионов
*** Используется штатное оборудование из состава У-400 М
АПКЭХ - аппаратура предварительного контроля электрических
характеристик
АОКЭХ- аппаратура окончательного контроля электрических
характеристик
БАКХ УЭМ – базовая аппаратура контроля характеристик УЭМ
БАОРФК УЭМ – базовая аппаратура обеспечения режимов
функционирования контролируемых УЭМ
РМ ОИ– рабочее место облучения ионами
15
РМ ОПИ-рабочее место облучения протонами-ионами
АРМИОИ – аппаратура рабочего места испытателя облучения ионами
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СТЕНДОВ РОСКОСМОСА ДЛЯ
КОНТРОЛЯ ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ
№ п/п
Наименование
параметра
1
1.1
Ионы
Набор ионов
1.2
ЛПЭ МэВ см2/мг
1.3
ИС ОПИ
Характеристики
ИС ОИ (400)
Примечание
ИС ОИ (400М)
C,Fe
Ne,Ar,Kr,Xe(Bi)
< 3 ; < 25
6 – 65 (98)
C,Ne,Ar,Fe,Kr,
Xe,Bi(Rn)
2 – 98 (102)
Нормальная
энергия,
МэВ/нуклон
Плотность потока,
частиц/см 2х с
Максимальная
плотность потока,
частиц /см 2х с
0– 170
(на мишени)
3 –6
(на мишени)
3 –6
(на мишени)
102 -105
102 -105 (средняя)
1.6
Неравномерность,
%
15%
(на пятне 30 х 30 мм)
2
Протоны
2.1
Энергия, МэВ
2.2
Плотность потока
105 -108
2
, частиц /см х с
Максимальная
не должна приводить к
плотность потока,
мощности дозы
частиц /см 2х с
> 106 рад/с(Si)
Неравномерность,
15%
%
(на пятне 30 х 30 мм)
Угол поворота
от 00 до ±90 0
объекта
(дискретность 150,
точность ± 10)
1.4
1.5
2.3
2.4
3
102 -105 (средняя)
не должна приводить к мощности дозы
> 106 рад/с(Si)
100 – 400 МэВ
> 105 возможны множественные эффекты
Исключение возможности проявления
эффектов мощности дозы
15%
15%
(на пятне 30 х 30 мм) (на пятне 30 х 30 мм)
30%
30%
(на пятне 50 х 100 мм)
(на пятне 50 х 100
мм)
–
Понижение энергии (<100 МэВ)
осуществляется применением
дополнительных экранов
–
–
–
от 00 до 60 0
( точность ± 10)
от 00 до 90 0
(дискретность 150,
точность ± 10)
16
ТИПОВАЯ ПРОЦЕДУРА ИСПЫТАНИЙ ЭКБ В ОБЛАСТИ ОЭ
1
Процедура
Оформление заявки на пучки
2
3
Входной контроль
Декапсуляция
Программа-методика
Протокол
Протокол
3.1
Определение 3 D модели ЭКБ (акусторадиографические исследования)
Определение химического состава корпуса (массспектрометрия)
Расчет зоны и режимов травления
Декапсуляция
Выходной контроль
Программа-методика
Раздел Протокола
Программа-методика
Раздел Протокола
Программа-методика
Программа-методика
Программа-методика (по
согласованным параметрам)
Раздел Протокола
Раздел Протокола
Раздел Протокола
3.2
3.3
3.4
3.5
4
4.1
4.2
Испытания на стойкость к ОЭ (SEU, SEL, SEHЕ,
SEFI, SEB, SEGR, SET) на ИС контроля ОЭ.
Расчет норм испытаний
Разработка частной программы и методики
испытаний (вкл. схему специализированного
рабочего места (РМ)) на базе ИС ОЭ
Разработка и изготовление специализированной
технологической оснастки
Регламентация
Письмо
Результат
Договор, ТЗ
Протокол
ПО «ОСОТ» и др.
Раздел Протокола
Договор, ТЗ, НДС
Программа-методика
Структура РМ
Договор, ТЗ
4.4
Разработка и отладка технологического ПО
Договор, ТЗ
4.5
Договор, ТЗ
Программа-методика
Программа-методика
ПО «ОСОТ»
ПО «ОСОТ»
Протокол
Раздел Протокола
Раздел Протокола
Раздел Протокола
4.7
Комплексирование и паспортизация
специализированного РМ
Проведение испытаний ЭКБ
Получение экспериментальных зависимостей σ(Л)
Обработка результатов испытаний
Расчет интенсивности сбоев и вероятности
отказов (2-х или 4-х параметрический)
Метрологическое сопровождение испытаний
Конструкторская документация (КД)
Экспериментальный (макетный)
образец (ЭО)
Паспорт
Программная документация (ПД)
Протокол отладки
Паспорт
Договор, ТЗ
Протокол
4.8
Выходной контроль ЭКБ
Программа-методика
Протокол
4.3
4.6
4.6.1
4.6.2
4.6.3
17
Структура рабочего места испытаний стойкости
ЭКБ к ОЭ (на базе циклотронов У - 400, У - 400М)
18
Типы ионов, доступные на испытательных стендах,
на базе циклотронов У- 400, У – 400М
Тип иона
С12
Ne20
Ar40
Fe56
Норм.
Энергия,
МэВ/нуклон
Kr84
Xe131
Bi209
Rn222 *
3-6
Абсол.
Энергия,
МэВ
36-72
60-120
120-240
168-336
252-504
393-786
627-1254
666-1332
ЛПЭ (Si),
МэВ*см2/мг
1,9-2,9
5,4-7,0
14-16
22,5-28
37-41
63-68
97,5-99
100-103
Время
Вывода, ч.
<24
<8
<8
<24
<8
<8
<24
<8
* Возможная замена (дополнение к ) Bi
Энергии указаны с точностью до 20%
19
Расположение образцов и детекторов в
вакуумной камере
20
Измерения характеристик ионного пучка
при испытаниях
84Kr
с энергией 247 МэВ
700
2
Ï ëî òí î ñòü ï î òî êà, èî í î â/ñì /ñ
600
500
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Âðåì ÿ, ñ
700
2
Ï ëî òí î ñòü ï î òî êà, èî í î â/ñì /ñ
600
500
400
300
200
100
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Âðåì ÿ, ñ
21
НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
1.
2.
3.
4.
5.
РД 134-0175-2009 Методы испытаний цифровых сверхбольших интегральных
микросхем на воздействие отдельных высокоэнергетических протонов и
тяжелых заряженных частиц космического пространства на ускорителях
заряженных частиц.
РД 134-0174-2009
Методы расчета показателей стойкости интегральных
микросхем к воздействию заряженных частиц космического пространства по
одиночным сбоям и отказам по результатам прямых испытаний на ускорителях
заряженных частиц.
Набор программ и методик испытаний.
Техническое описание ИС ОЭ.
Инструкция по эксплуатации ИС ОЭ.
22
РД 134-0175 «МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ЦИФРОВЫХ СВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ОДИНОЧНЫХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОТОНОВ И
ТЯЖЁЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА УСКОРИТЕЛЯХ
ТЯЖЁЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ»
Структура:
•Метод определительных испытаний цифровых СБИС на воздействие одиночных ВЭП для получения экспериментальной
зависимости сечения SEU и SEL эффектов (σ) от энергии протонов (Ep)
•Метод определительных испытаний цифровых СБИС на воздействие ТЗЧ для получения экспериментальной зависимости
сечения SEU и SEL эффектов (σ) от ЛПЭ (Λ)
•Метод контрольных испытаний цифровых СБИС на воздействие одиночных ВЭП для контроля проявления SEL эффектов
при значении энергии протонов, заданном заказчиком
•Метод контрольных испытаний цифровых СБИС на воздействие ТЗЧ для контроля проявления SEL-эффектов при значении
ЛПЭ ТЗЧ, заданном заказчиком
Схема проведения определительных испытаний:
не зарегистрировано
ни одного события
Eпит = Eпит min
t = tкомн
2 выборки СБИС
(не менее 3 шт. каждая)
облучение
протонами/ионами
Обработка
результатов
Eпит = Eпит max
t = tmax
Схема проведения контрольных испытаний:
Зарегистрировано хотя
бы одно событие для
части выборки
Зарегистрировано хотя
бы одно событие для
всей выборки
расчёт верхней границы
доверительного интервала
для сечения ОЭ - H,
для заданного значения
доверительной вероятности – Р
для каждого значения Ep или Λ
расчёт наиболее вероятного
значения сечения ОЭ - ,
верхней и нижней границ
доверительного интервала
H и L
для каждого значения Ep или Λ
облучение протонами/ионами
Тиристорный эффект зафиксирован
1 выборка СБИС
(не менее 3 шт. каждая)
Eпит = Eпит max
t = tmax
Контроль не пройден
контроль пройден
Тиристорный эффект не зафиксирован
Фиксирование
результата
Продолжение
испытаний
в качестве
определительных
При проведении контрольных испытаний облучения СБИС проводят до регистрации одного или нескольких событий возбуждения
23
одиночного тиристорного эффекта или набора потока не менее чем 107 ионов/см2 или до набора ионизационной поглощенной дозы
равной половине дозы отказа СБИС.
РД 134-0174 «МЕТОДЫ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТОЙКОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ К
ВОЗДЕЙСТВИЮ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА ПО ОДИНОЧНЫМ
СБОЯМ И ОТКАЗАМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРЯМЫХ ИСПЫТАНИЙ НА УСКОРИТЕЛЯХ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ»
Структура:
•Метод 2-х параметрического расчёта частоты сбоев и вероятности отказов
•Метод 4-х параметрического расчёта частоты сбоев и вероятности отказов
•Руководство пользователя ПО «ОСОТ» для расчёта частоты сбоев и вероятности отказов
Общая формула для расчёта частоты одиночных сбоев и вероятности отказов при воздействии ТЗЧ
Интенсивность сбоев:
 ТЗЧ 
 max
   F  d
ТЗЧ
ТЗЧ
Вероятность отказов:
p  1  exp  ТЗЧ T 
c
FТЗЧ() [(см2c МэВ/(г/см2))-1] - дифференциальный спектр ЛПЭ плотности изотропного потока ТЗЧ (ГКЛ или СКЛ) в полном
телесном угле ( = 4), воздействующий на ИМС;
С – пороговое значение ЛПЭ, выше которого возникают сбои или отказы при воздействии ТЗЧ;
max – максимальное значение ЛПЭ в спектре ТЗЧ;
ТЗЧ() – усредненное по углу сечение сбоев или отказов ИМС в зависимости от ЛПЭ ТЗЧ .
Дискретный ряд экспериментальных значений ТЗЧ(i), полученный по результатам испытаний ИМС в соответствии с РД 134-0175,
аппроксимируют одной из двух аналитических функций.
4-х параметрический метод (модель параллелепипеда)

     c   


ТЗЧ    B SAT 1  exp  
 

  W   


  
K , s   ТЗЧ
B SAT
S
ТЗЧ     B 0
4
smax

K  , s  f  s  ds
2-х параметрический метод (модель «тонкого слоя»)
ТЗЧ    B SAT exp  U  
SAT и C (или U) – основные параметры чувствительности ИПЭ;
 и W – подгоночные параметры;
В – количество ЧО.
Тонкий слой с≤ 0.1min(a,b)
0
S0 = 2(ab+ac+bc) – суммарная площадь граней одной ЧО;
f(s) – дифференциальное распределение длин хорд (треков) s в ЧО при падении изотропного потока ТЗЧ на ЧО;
smax  a 2  b 2  c 2 – максимальная длина хорды в ЧО
При наличии информации о ширине a и длине b ребер, их значения выбираются из условияa b   SAT , при отсутствии такой
24
информации считаю a  b   sat
,глубина ЧО задаётся исходя из конструктивно-технологических особенностей устройства, либо,
при отсутствии такой информации: с = min {max {1 мкм, 0.1  SAT }, 4 мкм};
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (ПО) ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИСПЫТАНИЙ
ОСОТ (Одиночные Сбои и ОТказы) Программный комплекс, предназначенный для расчёта норм испытаний, обработки результатов
испытаний ЭКБ на стойкость к ИИ КП, расчета частоты проявлений ОЭ в ЭКБ под воздействием
ВЭП и ТЗЧ ЕРПЗ, ГКЛ, СКЛ и моделирования полей ИИ КП на произвольной на орбите.
Структура программного комплекса ОСОТ
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
интерфейса
пользователя
Двух- параметрический
расчет
стойкости
к ОЭ
Расчет норм
испытаний
Экспериментальные
данные
Обработка
экспериментальных
данных
Четырехпараметрический
расчет стойкости
к ОЭ
25
ПО «ОСОТ». РАСЧЁТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НОРМ ИСПЫТАНИЙ
Расчёт условий эксплуатации
Модуль расчёта условий эксплуатации предназначен для
получения спектров протонов и ионов ГКЛ, СКЛ, ЕРПЗ
при расчёте частоты сбоев и расчёта норм испытаний.
Входные данные:
•
•
•
•
параметры орбита КА
время запуска
активность солнечного цикл
время полёта КА
Выходные данные (в текстовом и графическом виде):
• спектры частиц ГКЛ
• спектры частиц СКЛ
• спектры частиц ЕРПЗ
Используются модели AP8, AE8, ОСТ 134-1044-2007
Расчёт норм испытаний
Модуль расчёта норм испытаний предназначен для
получения допустимого значения ЛПЭ с целью выбора
типа иона и его энергии при проведении контрольных
испытаний.
Входные данные:
•
параметры орбиты
•
срок эксплуатации
•
допустимая вероятность безотказной работы
(частота ОС)
Выходные данные:
•
допустимое значение порогового ЛПЭ
26
3. На основе полученного значения ЛПЭ производится
выбор типа ионов и его энергии.
ПО «ОСОТ». ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Целью обработки результатов испытаний
является извлечение параметров σsat, Lc, W0,
α и σsat, Lc для 4-х и двухпараметрического
расчёта частоты одиночных сбоев путём
аппроксимации экспериментальных.
При наличии сведений о конструктивнотехнологических особенностях изделия
(включая толщину чувствительной области) в
качестве аппроксимирующей функции
используется 4-х параметрическая функция
Вейбулла, в противном случае используется 2-х
параметрическая экспоненциальная функция
Точность численной аппроксимации 0.001%
Аппроксимация функцией Вейбулла для
проведения 4-х параметрического расчёта
частоты сбоев:


  L  L   
c
 sat 1  exp   
  , L  Lc

  W0   
 




L  Lc
0,
σsat – сечение насыщения
Lc – критическая ЛПЭ
W0 – ширина нарастания (параметр Вейбулла)
α – подгоночный параметр Вейбулла
Аппроксимация экспоненциальной функцией
для проведения 2-х параметрического расчёта
частоты сбоев:


   sat exp  10
Lc 

L
27
ПО «ОСОТ». МОДУЛИ РАСЧЁТА ЧАСТОТЫ СБОЕВ
Модуль 4-х параметрического расчёта частоты сбоев
В основе модуля заложена модель параллелепипеда

    c 
ТЗЧ    B SAT 1  exp  

W




  
K , s   ТЗЧ
B SAT

ТЗЧ     B
 ТЗЧ 
 max
S0
4
 

 
smax
 K  , s  f  s  ds
0
   F  d
ТЗЧ
ТЗЧ
c
Модуль 2-х параметрического расчёта частоты сбоев
В основе модуля заложена модель «тонкого слоя».
 ТЗЧ 
 max
   F  d
ТЗЧ
ТЗЧ
c
ТЗЧ    B SAT exp  U  
Используется при наличии неполного набора сведений о
конструктивно-технологических особенностях изделия (размеры
чувствительной области) с целью получения консервативных
оценок.
S0 = 2(ab+ac+bc) – суммарная площадь граней одной ЧО;
f(s) – дифференциальное распределение длин хорд (треков) s в ЧО
при падении изотропного потока ТЗЧ на ЧО;
smax  a 2  b 2  c 2 – максимальная длина хорды в ЧО
FТЗЧ() [(см2c МэВ/(г/см2))-1] - дифференциальный спектр ЛПЭ
плотности изотропного потока ТЗЧ (ГКЛ или СКЛ) в полном
телесном угле ( = 4), воздействующий на ИПЭ;
С – пороговое значение ЛПЭ, выше которого возникают сбои или
отказы при воздействии ТЗЧ;
max – максимальное значение ЛПЭ в спектре ТЗЧ;
ТЗЧ() – усредненное по углу сечение сбоев или отказов ИМС в
зависимости от ЛПЭ ТЗЧ .
В – количество ЧО.
Используется при наличии наиболее полных сведений о
конструктивно- технологических особенностях изделия
(включая размеры чувствительной области) , для получения
более точных оценок
28
ВЕРИФИКАЦИЯ ПО ОСОТ. РАСЧЁТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Проведено сравнение ЛПЭ-спектров для ТЗЧ и энергетических спектров ВЭП, рассчитанных по моделям
ОСОТ и CREME96 для 4 различных орбит (Геостационарная, МКС, ГЛОНАСС, «Молния») и толщин
защиты: 0,5 г/см2, 1 г/см2, 3 г/см2, 10 г/см2.
В «ОСОТ» реализована возможность как отдельного получения спектров частиц СКЛ, ГКЛ и ЕРПЗ, так и их
суммарного воздействия.
Верификация ПО «ОСОТ» отдельно по СКЛ и ЕРПЗ не проводилась ввиду отсутствия в CREME96
возможности получения спектров СКЛ и ЕРПЗ отдельно от ГКЛ.
Пример: Геостационарная орбита, минимум солнечной активности, защита – 1г/см2
Спектры ТЗЧ ГКЛ
Спектры ВЭП ГКЛ+ЕРПЗ
В результате сравнения получено, что спектры «ОСОТ» и CREME96 совпадают в пределах 15%.
29
ВЕРИФИКАЦИЯ ПО ОСОТ. РАСЧЁТ ЧАСТОТЫ СБОЕВ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ
ДАННЫМ
В России отсутствуют зарегистрированные аналоги программного комплекса ОСОТ.
Верификация проводилась на зарубежных программных комплексах CREME96 и SPENVIS для 4 различных орбит и 12 микросхем,
кроме того проводилось дополнительное исследование зависимости результатов расчёта от формы ЧО (тонкий слой, параллелепипед
различных размеров) и пороговых значений ЛПЭ и энергии протонов (низкий порог, средний порог, высокий порог).
Представлен пример расчёта дл ГСО и след. набора
входных данных:
Значение числа сбоев (бит/день) для различных ЛПЭ и толщин ЧО
L0, МэВ см2/мг
X=Y= 10 мкм, (поверхностные размеры ЧО)
(пороговая
W=5 МэВ см2/мг (параметр модели),
ЛПЭ)
S=2 (параметр модели).
защита – 1г/см2 (для расчёта использован спектр CREME96)
d, мкм
(глубина
ЧО)
0,1
1
10
100
ОСОТ
4,24e-3
1,21e-3
2,75e-4
1,09e-5
Creme96
SPENVIS*
7,86e-3
1,26e-3
2,75e-4
1,11e-5
ОСОТ
1,01e-3
1,87e-4
5,36e-5
5,44e-7
Creme96
SPENVIS*
1,22e-3
1,89e-4
5,33e-5
6,05e-7
ОСОТ
2,13e-5
8,06e-6
1,81e-9
2,26e-12
Creme96
SPENVIS*
2,18e-5
7,99e-6
1,73e-9
2,84e-12
2
7
40
*В SPENVIS установлен модуль CREME86 для расчёта частоты сбоев
Разница в расчётах не превышает 6,3%
30
ВЕРИФИКАЦИЯ ПО ОСОТ. РАСЧЁТ ЧАСТОТЫ СБОЕВ ПО ПОЛЁТНЫМ ДАННЫМ
1. Источник: D.L. Hansen et al. “Correlation of Prediction to On-Orbit SEU Performance for a Commercial 0.25-μm CMOS SRAM”
IEEE Trans. on Nuclear Science, vol. 54, no. 6, p.2525, Dec. 2007.
Данные получены с двух спутников (G1, G2) в период 2001-2006 гг.,
точками обозначена средняя интенсивность сбоев за месяц.
Исходные данные:
X=Y=2.5 мкм
Z= 2 мкм
L0= 2.7 МэВ см2/мг
W= 20.6
S= 1.2
защита – 1г/см2
На график нанесены результаты расчёта по программам ОСОТ и
CRÈME96 для минимума и максимума солнечной активности, из
которых видно, что совпадение с полётными данными лучше (до
1,5 раз) у ОСОТ.
2. Источник: “Flight data analysis report”, 1 July 2003
Результаты расчёта:
Исходные данные:
Солн. Мин
Солн. Макс
Толщина чувствительной области – 4 мкм
Устройство - COTS DRAM HITACHI MDM1400G-120, 4 Mx1 bit,
220 DRAM per FDR.
Толщина защиты 1440mils (Al)
Полётные
данные
(SEU/день)
CREME96
(SEU/день)
«ОСОТ»
(SEU/день)
167-255
414
320
238
202
Сходимость с полётными данными до 1,5
раз лучше у «ОСОТ»
31
ОТРАСЛЕВАЯ ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ПО СТОЙКОСТИ
ЭКБ К ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЯМ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
www.kosrad.ru
Назначение:
обеспечение
предварительного
выбора
с
предоставлением разносторонней информации по стойкости к ИИ КП.
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
Осуществляется бесплатный доступ пользователей к ИСС на
•
Справочные БД
основании письма-запроса, согласованного с отделом научно•
Конференции
технологического обеспечения, качества и диверсификации СУ
•
Программное обеспечение
Роскосмоса.
•
Ссылки
Расширение функций в части технологических особенностей (типы корпусов,
покрытие выводов, специфика пайки и монтажа и т.п.) и характеристик по
надежности, вибро- и термопрочности.
В настоящий момент база данных содержит более 12000 наименований,
справочный раздел – более 2000 записей и постоянно пополняется.
Структура аппаратных средств
Web-сайт
4. Космическая погода (КП)
•
Состояние КП
•
Прогноз КП
•
Адаптированные бортовые измерения
•
Адаптированные наземные измерения
•
Алертный сигнал
Особенности:
•
авторизация доступа
•
защита от несанкционированного использования
•
регистрация через Роскосмос
ППЭВМ
К
АПЭВМ
ОПЭВМ
ППЭВМ – пультовая ПЭВМ
ОПЭВМ – операторская ПЭВМ
32
АПЭВМ – архивная ПЭВМ с основной БД
К – концентратор