Процедуры радиационных испытаний, учитывающие влияние факторов низкой интенсивности облучения
В настоящее время основными документами, регламентирующими испытания на стойкость к поглощенной дозе ИИ с учетом влияния факторов низкой интенсивности являются американский стандарт MIL-STD 883 (Method 1019.4) и европейский стандарт ESA/SCC Basic Specification No. 22900. В России в 2000 г. введен в действие руководящий документ РД В 319.03.37-2000, также регламентирующий методы испытаний и оценки стойкости изделий полупроводниковой электроники к поглощенной дозе ИИ с учетом влияния факторов низкой интенсивности излучения. Кроме того, имеется отраслевой стандарт Российского космического агентства ОСТ 134.
Испытания по методу 1019.4 стандарта MIL-STD 883 проводятся в два этапа. На первом этапе проводится облучение изделия до требуемого уровня поглощенной дозы при мощности дозы в диапазоне от 50 до 300 рад(Si)/с (следует отметить, что данный метод допускает проведение испытаний при значении мощности дозы, характерном для условий эксплуатации, если это согласовано заказчиком и исполнителем испытаний). После облучения проводится контроль параметров испытываемого изделия. На данном этапе выявляются отказы (в случае их возникновения), связанные с радиационно-индуцированным накоплением заряда в диэлектрике, например, отказ по значению тока утечки. Второй этап испытаний проводится с целью учета влияния эффектов низкой интенсивности облучения (так называемые rebound-испытания). На данном этапе проводится дополнительное облучение до 50 % от требуемой дозы с последующим отжигом при температуре 100 °С в течение 168 ч (1 недели). Отжиг проводится в том же электрическом режиме, что и при облучении. На данном этапе выявляются эффекты, связанные с встраиванием ПС и релаксацией накопленного в диэлектрике заряда.
При испытаниях в соответствии с европейским стандартом ESA/SCC Basic Specification No. 22900 проводится облучение до требуемого уровня поглощенной дозы, при этом значение мощности дозы может быть выбрано из двух диапазонов: 1–10 рад(Si)/с или
0,01–0,1 рад(Si)/с. Однако при этом время облучения не должно превышать 96 ч. Также допускается проведение испытаний при значении мощности дозы, характерном для условий эксплуатации, если это согласовано заказчиком и исполнителем испытаний. После облучения образец сначала выдерживается в течение суток при комнатной температуре, а затем в течение недели при температуре 100 °С. После облучения и каждой стадии отжига проводится контроль электрических параметров изделия.
Данные методы достаточно схожи, однако у них имеются различия. Во-первых, различается диапазон значений мощности дозы при облучении, кроме того европейский стандарт накладывает ограничения на время набора требуемой дозы. Во-вторых, европейский стандарт не предусматривает дополнительное облучение до половины от требуемой дозы, как это предписывается в американском стандарте. Здесь следует отметить, что дополнительное облучение в основном мотивировано некой неопределенностью при выборе наихудшего электрического режима при облучении, и в европейском стандарте вместо дополнительного облучения предусмотрены меры по более точному определению наихудшего режима. В-третьих, в европейском стандарте в отличие от американского отжигу при повышенной температуре предшествует выдержка изделия в электрическом режиме при комнатной температуре. Оба данных метода достаточно эффективны с точки зрения учета эффектов низкой интенсивности при радиационных испытаниях, однако американский метод как правило дает более консервативную оценку стойкости вследствие некоторой избыточности испытаний.
Процедуры экспериментальной оценки стойкости изделий к воздействию низкоинтенсивного ионизирующего излучения космического пространства, содержащиеся в российском руководящем документе РД В 319.03.37-2000, по своей идеологии наиболее близки к американскому методу. Здесь будут рассмотрены две схемы ускоренных испытаний на стойкость к воздействию низкоинтенсивного излучения космического пространства.
В соответствии с первой схемой в начале проводится контроль параметров исследуемого изделия, после чего данное изделие облучается в активном электрическом режиме до требуемого уровня поглощенной дозы, который определяется как сумма поглощенных доз от электронов и протонов космического пространства. Мощность дозы выбирается из диапазона значений 50–1000 рад/с. После облучения вновь проводится контроль параметров изделия (в случае отказа одного изделия из исследуемой выборки, считается, что данные изделия не удовлетворяют требованиям по стойкости, и испытания далее не проводятся). Далее проводится дополнительное облучение до половины от требуемой дозы с последующим отжигом в активном режиме при 100 °С в течение 168 ч. После этого вновь измеряются параметры изделия, и в случае отказа одного образца из исследуемой выборки считается, что данные изделия не удовлетворяют требованиям по стойкости к воздействию низкоинтенсивного излучения. Если же все изделия сохранили работоспособность на всех этапах испытаний, то считается, что они выдерживают воздействия с требуемым уровнем поглощенной дозы во всем диапазоне интенсивностей ионизирующего излучения.
В соответствии со второй схемой в начале проводится контроль параметров исследуемого изделия, после чего данное изделие облучается в активном электрическом режиме до требуемого уровня поглощенной дозы, который определяется как сумма поглощенных доз от электронов и протонов космического пространства. Мощность дозы выбирается из диапазона значений 50–1000 рад/с, однако время облучения не должно превышать 96 ч. После облучения контролируются параметры, и при отказе хотя бы одного изделия из исследуемой выборки, считается, что они не удовлетворяют заданным требованиям по стойкости. Далее изделия выдерживаются в течение суток при комнатной температуре в активном электрическом режиме (том же, что и при облучении) или с закороченными выводами. После этого вновь контролируются параметры, и в случае выявления отказов считается, что изделия не удовлетворяют заданным требованиям по стойкости. Далее проводится дополнительное облучение до половины требуемой дозы с последующим отжигом при 100 °С в течение 168 ч. Вновь контролируются параметры, и если все изделия сохранили работоспособность на всех этапах испытаний, то считается, что они выдерживают воздействия с требуемым уровнем поглощенной дозы во всем диапазоне интенсивностей ионизирующего излучения.
В руководящем документе РД В 319.03.37-2000 также имеется расчетный метод оценки стойкости полупроводниковых приборов и микросхем к воздействию низкоинтенсивного излучения космического пространства. Суть данного метода состоит в введении запаса в показатели радиационной стойкости, учитывающего возможные эффекты низкой интенсивности. Для этого определяется уровень стойкости изделия D к поглощенной дозе ионизирующего излучения (без учета факторов низкой интенсивности). Данный уровень может быть определен по испытаниям при высоком значении мощности дозы или взят из технических условий, справочников по радиационной стойкости и т.п. Оценка уровня стойкости к воздействию низкоинтенсивного излучения космического пространства DНИ проводится по формуле
, (3.35)
где Рэксп — мощность дозы в реальных условиях эксплуатации; Рисп — мощность дозы, при которой проводились испытания; m — коэффициент аппроксимации зависимости стойкости изделия от мощности дозы излучения (m » 0,1 для МОП ИС и n-МОП-транзисторов; m » 0,26 для биполярных ИС и n-p-n-транзисторов).
Оценка стойкости, выполненная с использованием данного расчетного метода, является консервативной (наихудший случай). Если в ходе расчетной оценки выявилось, что изделия не соответствуют заданным требованиям по стойкости к воздействию низкоинтенсивного излучения космического пространства, то окончательное решение о соответствии требованиям делается по результатам экспериментальной оценки.
Отраслевой стандарт Российского космического агентства ОСТ 134 содержит три метода ускоренных испытаний. Первый метод (тест № 1) совпадает с американским методом 1019.4, второй (тест № 2) повторяет схему ускоренных испытаний из европейского стандарта. Третий метод (тест № 3) рекомендуется для изделий биполярной технологии. В соответствии с ним проводится облучение при температуре 100 °С до требуемого уровня поглощенной дозы при мощности дозы 1–10 рад/с. После этого образцы охлаждаются до комнатной температуры и проводится контроль параметров. Если отказов не обнаружено, то изделия считаются удовлетворяющими заданным требованиям с учетом фактора низкой интенсивности. Кроме того, в данном стандарте имеется расчетный метод оценки стойкости полупроводниковых приборов и микросхем к воздействию низкоинтенсивного излучения космического пространства, аналогичный изложенному в РД В 319.03.37-2000.
Таким образом, рассмотрев существующие методы ускоренных испытаний ПП и ИС на стойкость к воздействию поглощенной дозы низкоинтенсивного излучения космического пространства, можно сделать следующие выводы.
Во-первых, во всех схемах испытаний (кроме теста № 3 из ОСТ 134) используется высокотемпературный отжиг для моделирования эффектов низкой интенсивности.
Во-вторых, время и температура отжига были определены как оптимальные для процесса встраивания ПС с энергией активации 0,8 эВ.
В-третьих, методы ускоренных испытаний как правило дают консервативную оценку стойкости изделий (т.е. реальная стойкость в условиях воздействия низкоинтенсивного ИИ занижается).