Микроэлектроника для космоса и военных
29-05-2017, 19:26. Разместил: Руслан Ниязов
Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам
В первую очередь — повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон — существенно шире, т.к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С, для надежности все приборы с микросхемами проходят испытания и тестирования на воздействие агрессивной окружающей среды, и пониженного давления, в специальных вакуумных и климатических камерах таких как изготавливают в компании «Универсал Прибор» //www.pribor.ru/proizv/camera, затем — стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва — ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.
И наконец — если микросхема для космоса — стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации (об этом подробнее ниже).
Почему военные любят металлокерамические корпуса?
Долго выясняли, похоже раньше (в советские времена) пластик не выдерживал испытания по термоциклированию, был пористый (т.е. набирал влагу), и плохо переносил отрицательные температуры.
Ну и наконец — это простой способ снизить процент подделок, т.к. на рынке микросхемы в металлокерамическом корпусе не купить.
Но и у керамики есть минусы — она дороже, меньше вибростойкость и в целом от больших ускорений проволока, которой контактные площадки на кристалле соединены с выводами микросхемы, может отвалится (в пластиковом корпусе проволока «поддерживается» по всей длине пластиком).
О категориях микросхем
На западе микросхемы делятся на категории commercial, industrial, military и space.
Commercial — обычные, самые массовые микросхемы для домашних и офисных продуктов, обычно рассчитанные на диапазон температур 0..75C.
Industrial/Military — те же обычные микросхемы, но с дополнительным тестированием, рассчитанные на чуть более широкий температурный диапазон(-40..125С например) и опционально — в металлокерамическом корпусе (микросхемы, не прошедшие дополнительные тесты — могут быть проданы как Commercial).
Space — радиационно-стойкие микросхемы для космического применения, тут уже металлокерамический корпус скорее правило. На микросхемы Military и особенно Space существуют существенные ограничения на продажу заклятым друзьям — нужно получать специальные разрешения, и нам их если и продают — то только для гражданской техники (например условно гражданский ГЛОНАСС).
В России — все разделено несколько по другому: микросхемы продаются с приемкой 1 (т.н. приемка ОТК — отдела технического контроля, когда сам завод тестирует микросхемы), приемкой 5 (приемка заказчика, в случае военных — военный представитель контролирует тесты) и приемка 9 (когда к работам привлекается только наиболее квалифицированный персонал — для космоса и ядерных электростанций). Сама по себе приемка 5/9 не означает, что микросхема радиационно-стойкая — стойкость к спец.факторам указывается в (не публичной) документации на микросхему.
Вот эти дополнительные тесты, керамический корпус и мелкосерийное производство (когда стоимость разработки делится не на 1млн микросхем, а на 100) и приводят к тому, что военная/космическая микросхема стоит минимум в 10 раз дороже гражданской, а максимум — может и по 100'000$ за штуку стоить.
Однако не любую микросхему можно поставить в Российскую военную технику — существует список отечественных (в «отечественные» входят и Белорусские микросхемы из Интеграла) электронных компонент, которые можно использовать при создании техники, где все перечислено поименно. Если какой-то завод создает новую микросхему — то до попадания в этот список её нельзя будет использовать. Для общего развития и оценки, сколько всего производит отечественная промышленность, можно глянуть на список 2010-го года тут, и 2011.
Использование импортных микросхем требует индивидуального разрешения (с соответствующей формальной бюрократией о том, что отечественных аналогов нет, но как появятся — обязательно будем их использовать).
Как же влияет радиация на микросхемы
В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1'000'000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).
Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.
Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.
Электроны, гамма и рентгеновское излучение
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).
Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.
Затем — флеш/EEPROM память. Кто-то может еще помнить старые микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием:
Чтобы снизить стоимость, выпускалась и версия без кварцевого окна, считавшаяся однократно-программируемой. Но народные умельцы все равно умудрялись её стирать — рентгеновским излучением. Точно такой же эффект есть и в космосе — радиация мееедленно стирает данные в eeprom/flash памяти, поэтому все активно исследуют FRAM/MRAM память для космических применений (у нас этим занимается Интеграл и Ангстрем). Не стирается от радиации также память на пережигаемых и закорачиваемых перемычках — fuse и antifuse, с этим разбирается Микрон. На западе впрочем летают и на дешевой около-гражданской eeprom, и проблем в целом не имеют.
На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10'000-20'000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.
Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий
Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.
Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).
Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.
Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:
1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки тем не менее все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.
3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.
Исторически, в СССР и России больше работали с кремнием на сапфире, а на западе — стараются как можно больше использовать обычный кремний с triple-well (чтобы совмещать с коммерческими продуктами и снижать стоимость), но и SOS/SOI тоже делают по необходимости.
Нейтроны + 10B
Бор используется для легирования кремния и в виде боросиликатного стекла для изоляции слоев металла. Проблема в том, что природный бор на 20% состоит из Бора-10, который очень хорошо реагирует с нейтронами с выделением альфа-частицы прямо в сердце микросхемы. Это приводило к ошибкам работы микросхем, особенно памяти.
Нейтроны получаются как вторичная радиация, или прилетают от земли, как мы помним в космической радиации их нет.
10B + n ? [11B] ? ? + 7Li + 2.31 MeV.
Эта одна из проблем которую удалось решить — используя для производства микросхем только изотоп 11B. Теперь нейтроны практически беспрепятственно проходят через микросхему, не вызывая ошибок. Это свойство бора кстати используется для экстренной остановки атомных реакторов — в него заливают борную кислоту, обогащенную изотопом 10B — альфа частицы там не проблема.
Перейдем теперь к паре интересных мифов:
А давайте спутник в радиационную защиту завернем, и гражданские микросхемы поставим
Природа с усмешкой смотрит на игрушечные ускорители элементарных частиц зверолюдей — на большом адронном коллайдере ими были (вернее будут) достигнуты жалкие энергии в 7 TeV для протонов, и 574 TeV для ионов свинца. А с галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. Откуда берутся такие частицы еще вопрос, т.к. это выше теоретического предела энергии космических частиц Грайзена — Зацепина — Кузьмина. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.
Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты — она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге — чем толще защита из тяжелых элементов — тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.
Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий — оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.
И наконец, давайте взглянем на конструкцию рентгеновской трубки:
Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним — генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения. Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю — то наша радиационная защита и превратится в такую-вот естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами.
Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле — в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т.к. его разбить можно только на субатомные частицы — а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.
Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того — чем больше защиты — тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм Алюминия. Самое сложное что есть — это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) — но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.
Еще один миф — современные тех.процессы менее радиационно-стойкие
Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее).
В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад, что превышает все разумные требования по стойкости. Стойкость к защелкиванию и программным ошибкам — достигается за счет triple-well и специальных архитектурных решений.
О soft-ошибках (single-event upset)
Т.е. когда из-за ТЗЧ у нас произошло искажение содержимого памяти или логика сработала неправильно.
Бороться с этим остается только архитектурными способами — мажоритарной логикой (когда мы соединяем по 3 копии каждого нужного нам блока на некотором расстоянии друг от друга — тогда 2 правильных ответа «пересилят» один неправильный, использованием более стойких к ошибкам ячеек памяти (из 10 транзисторов, вместо обычных 6), использованием кодов коррекции ошибок в памяти, кеше и регистрах, и многим другим.
Но полностью от ошибок избавиться невозможно — нам ведь может повезти и ТЗЧ (вернее целый веер вторичных частиц) пройдет точно вдоль чипа, и чуть ли не 5% чипа могут сработать с ошибкой… Тут и нужна высоконадежная система из нескольких независимых компьютеров, и правильное их программирование.
Вернуться назад