Влияние радиации на вероятность безотказной работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры

УДК 621.3.019.3 Артюхова М.А.

МИЭМ НИУ ВШЭ

ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИИ НА ВЕРОЯТНОСТЬ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Аннотация. В статье рассматривается вопрос влияния ионизирующего облучения на показатели надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

Ключевые слова. Надежность, радиационная стойкость

В настоящее время возникла потребность увеличения сроков активного существования (САС) космических аппаратов (КА). В связи с этим проблема обеспечения надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) приобрела большую актуальность и значимость. Эта проблема привела к проведению исследований влияния ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП) на показатели надежности электронной компонентной базы и аппаратуры во многих странах. Средний САС КА сегодня составляет 5 лет. Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что создание КА с САС 12 и более лет затруднительно без изменения традиционного подхода к обеспечению отказоустойчивости и долговечности бортовой РЭА.

При эксплуатации бортовая РЭА подвергается воздействию ИИ КП - заряженных частиц естественного радиационного поля Земли (ЕРПЗ), галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ). Потоки частиц низких энергий (до 1 МэВ) приводят к параметрическим и функциональным отказам РЭА (постепенным отказам). Частицы более высоких энергий приводят к одиночны эффектам - обратимым и катастрофическим отказам (внезапным отказам). Радиационные условия на разных орбитах существенно различаются. Статистика показывает, что приблизительно 50% всех отказов БА КА происходит из-за воздействия ИИ КП [1].

Радиационная стойкость РЭА в основном определяет САС КА и вероятность его безотказной работы. Воздействие частиц низких энергий приводит к накоплению заряда в объеме материала, что ускоряет процесс его старения. Это явление в особенности вредно для РЭА. Внешняя защита - оболочка КА, стенки приборов, смежная аппаратура, - все, что обладает экранирующими свойствами, уменьшает скорость накопления заряда [2].

В условиях космоса накопленная (поглощенная) доза радиации измеряется в радах (1 рад = 0,01 Гр). Существуют методы, позволяющие рассчитать величины накопленной дозы в заданной точке с учетом экранов и автоматизированные программные средства, позволяющие строить радиационные поля на основе данных о конструкции [3].

На рис. 1 приведены зависимости накопленной за 1 год дозы от величины массовой защиты для трех типов орбит: геостационарной орбиты, высокоэллиптической орбиты и низкой околоземной орбиты.

Рис. 1. Зависимость накопленной дозы от величины массовой защиты для трех типов орбит

Проникающая способность протонов и электронов так же не одинакова, что видно на рис. 2, где показаны зависимости накопленной дозы электронов ЕРПЗ, протонов ЕРПЗ и протонов СКЛ от величины массовой защиты на низкой околоземной орбите.

Рис. 2. Соотношение вклада протонов ЕРПЗ, электронов ЕРПЗ и протонов СКЛ в величину накопленной дозы в зависимости от величины массовой защиты для низкой околоземной орбиты

Постепенный отказ РЭА наступает при достижение входящими в его состав электронными компонентами предельной накопленной дозы (ПНД). Радиационная стойкость аппаратуры определяется путем поэлементного расчета коэффициента запаса, который характеризует отношение ПНД элемента к накопленной за САС дозе (должен быть >1). Компонент, имеющий наименьший коэффициент запаса, называется критическим и определяет радиационной стойкость аппаратуры в целом.

Многочисленные исследования показали, что воздействие ИИ вызывает постепенный отказ аппаратуры. На рис. 3 показан уход выходного напряжения источника питания MGH2812DZ под воздействием накопленной дозы. Зависимости построены для трех образцов, два из которых испытывались в выключенном состоянии. Как видно из графика, для этих образцов значение ПНД несколько выше, чем для первого образца, который облучали во включенном состоянии.

MGH2812DZ от уровня накопленной дозы

питания

Действующие нормативные документы предусматривают проводить раздельно оценку надежности и радиационной стойкости, как две независимые характеристики изделий. Надежность по действующим техническим условиям (ТУ) характеризуется значением минимальной наработки в номинальном и облегченном режимах или интенсивностью случайных отказов (справочник «Надежность электрорадиоизделий»). Радиационная стойкость изделия задается в ТУ группой применения, которая соответству-

ет максимальному значению дозы излучения, после воздействия которого параметры изделия остаются в пределах норм ТУ.

Исключением из общей тенденции является РД 11 1003-2000 [4], устанавливающий метод экспери-

ментального определения вероятности безотказной работы (ВБР) для полупроводниковых изделий в условиях низкоинтенсивного ионизирующего облучения.

При облучении полупроводниковых приборов происходит зарядка как точечных дефектов оксида кремния, так и частичная зарядка крупных технологических дефектов. В условиях низкоинтенсивного облучения диффузионные процессы естественного старения и радиационного дефектообразования становятся влияющими друг на друга и усиливают деградацию электрических параметров изделия в целом.

Согласно [4], возникающие в изделии отказы можно разделить на два класса:

- отказы 1-го рода - прямые радиационные отказы, возникающие вследствие воздействия ИИ;

- отказы 2-го рода - случайные отказы изделий при испытаниях на безотказность, вызванные деградационными процессами, на которые может влиять или не влияет радиационное воздействие.

Методика оценки включает два этапа. На первом этапе проводятся радиационные испытания и определяются параметры модели радиационных отказов - отказов 1-го рода. На втором этапе определяется степень влияния радиационного воздействия на интенсивность случайных отказов - отказов 2-го рода.

Вероятность отсутствия отказов 1-го рода определяется как:

рр = 1- qp

где: qp = exp(KpD)2 - экспоненциальная зависимость распределения отказов 1-го рода, где D -

поглощенная доза ИИ, Кр - коэффициент радиационного повреждения от мощности дозы.

Вероятность отсутствия отказов 2-го рода определяется по формуле:

P

где: Хи - интенсивность отказов 2-го рода по результатам ускоренных испытаний изделий на

безотказность, с учетом радиационного воздействия; t - заданное время эксплуатации изделия.

В реальных условиях эксплуатации ВБР определяется как:

P = Pp • Po

где: Рр - ВБР изделия при отказах 1-го рода; Ро - ВБР изделия при отказах 2-го рода.

Данная экспериментальная методика позволяет учесть влияние низкоинтенсивного ИИ на ВБР изделий при анализе надежности. Однако она требует проведения комплексных испытаний на безотказность для получения необходимых данных образцов из каждой партии, что является довольно затратным.

Основываясь на факте, что аппаратура, работающая непрерывно в течении всего САС выходит из строя при показателях накопленной дозы меньших, чем РЭА работающая в сеансовом режиме, следует, что принудительное переключение между полукомплектами повышает надежность.

Методики для учета возникновения внезапных отказов изделий под действием ТЗЧ и ВЭП КП на данный момент не существует, хотя очевидно, что одиночные эффекты от попадания отдельных заряженных частиц вносят свой немалый вклад в показатели надежности изделий, функционирующих в РЭА КА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жаднов, В.В. Особенности конструирования бортовой космической аппаратуры: учеб. пособие. / В.В. Жаднов, Н.К. Юрков. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 112 с.

2. Артюхова, М. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры космических аппаратов при проектировании. / М. Артюхова, В. Жаднов, С. Полесский. // Компоненты и технологии. - 2010. -

№ 9. - с. 28-33.

3. Артюхова, М. Оценка стойкости ИС для бортовой космической аппаратуры. / М. Артюхова, В. Жаднов, С. Полесский. - Электронные компоненты. - 2013. - № 1. - с. 72-76.

4. РД 11 1003-2000. Изделия полупроводниковой электроники. Метод прогнозирования надежности в условиях низкоинтенсивного ионизирующего облучения.