Поиск - новости науки и техники

Уроки поведения. Избежать отказов микроэлектроники в космосе поможет независимая экспертиза.

В 1962 году прекратил существование американский спутник “Телестар” – электронная начинка отказала из-за воздействия космической радиации. Так научный мир впервые столкнулся с проблемой обеспечения радиационной стойкости приборов в космосе. Задача обезопасить космические летательные аппараты потребовала принятия кардинальных мер, привлечения самых разных организаций, среди них был и МИФИ. Об этом рассказывает заместитель директора Института экстремальной прикладной электроники Национального исследовательского ядерного университета “МИФИ”, профессор Александр ЧУМАКОВ.

– Радиационные пояса Земли ученые открыли в конце 50-х годов прошлого века. Они состоят из электронов и протонов, начинаются на высоте 300-400 км от Земли и доходят до десятков тысяч километров. В 1960-е годы особой опасности для аппаратуры они не представляли, потому и не привлекали внимания специалистов. Но их присутствие в космосе, безусловно, учитывалось, например, при расчете орбиты пилотируемых космических станций. Орбиту выбрали ниже расположения радиационного пояса, чтобы не создавать угрозы экипажу.
В те годы аппараты в космосе летали всего несколько месяцев, а в наши дни срок их службы увеличился до десяти и более лет. Это очень много, и за это время естественная радиация наносит непоправимый вред электронному оборудованию космического аппарата и даже выводит его из строя. И еще очень важный момент: в 1960-х годах электроника только зарождалась, впервые в космосе появились более чувствительные к радиации транзисторы и интегральные схемы, значительно менее стойкие, чем электромеханические и электровакуумные приборы. К тому же раньше космическая приборная база была герметизирована, а сегодня располагается на открытой платформе, похожей на этажерку, и более доступна воздействию радиации.
Обнаружилась и такая причина неудач. На рубеже 1970-1980-х годов ученые установили, что на космическую аппаратуру воздействуют тяжелые заряженные частицы. Достаточно всего одного протона или иона высокой энергии, сгенерировавшего большой локальный заряд в микрообъеме, чтобы вызвать отказ или сбой в работе изделий микроэлектроники. Несмотря на относительно низкую интенсивность подобных случаев (в среднем одно событие в сутки) и применения принципов построения высоконадежной электронной аппаратуры, такое воздействие может привести к полной потере спутника. Впервые это явление было обнаружено в 1980-х годах, когда из-за попадания заряженных частиц прекратили работу несколько аппаратов.
За рубежом этой проблеме стали уделять первоочередное внимание. Толчком послужил переход на современные нано- и субтехнологии, сделавшие вопросы безопасности космической аппаратуры едва ли не главными. А наши космические фирмы оказались не совсем готовыми к борьбе за повышение сроков активного существования техники. И только когда факты неопровержимо доказали, что воздействие отдельных ядерных частиц в космосе приводит к отказам оборудования, у нас наконец серьезно занялись этой проблемой.
Есть еще один аспект. Стремясь к совершенству, разработчики добиваются, чтобы аппаратура была как можно более компактной, ее масса и габариты – все меньше, а быстродействие – намного выше и чтобы она решала как можно больше самых разных задач. Инженеры стали использовать новейшие изделия микроэлектроники, но не задавались целью сделать ее более радиационно стойкой. Такой подход к созданию космической микроэлектроники доминировал у нас в стране еще лет пять назад. Тогда комплектующие закупали за рубежом исходя не из их качества, а из более низкой стоимости и улучшенных функциональных характеристик. К чему это приводило, известно: некоторые космические аппараты частично выходили из строя за относительно короткий промежуток времени. А виной, повторю, была космическая радиация.
– Когда МИФИ подключился к решению этой проблемы?
– Мы занимаемся вопросами защиты электроники от радиации с 1960-х годов, когда образовалась мощная научная школа во главе с заведующим кафедрой электроники МИФИ Т.Агаханяном, подготовившая не один десяток квалифицированных специалистов, кандидатов и докторов наук. Ведем фундаментальные исследования, однако с практическим их применением возникали трудности, естественные для вуза. Тогда, в 2010 году, в НИЯУ “МИФИ” и был создан наш Институт экстремальной прикладной электроники. Сегодня в нем работают более 80 высококвалифицированных специалистов и ученых – в основном выпускники МИФИ. Главная задача института: проведение научно-исследовательских и испытательных работ в области радиационной стойкости полупроводниковых изделий электронной техники отечественного и иностранного производства, ее экспертиза и сертификация. В этом году мы стали экспертной научно-исследовательской организацией Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России по оценке и контролю радиационной стойкости электронной компонентной базы.
– Какие задачи решает институт?
– По сути, моделировать все космические радиационные воздействия невозможно, их слишком много. Поэтому целесообразно моделировать не само воздействие, а его эффект, но так, чтобы результаты испытаний охватывали любую комбинацию радиационных воздействий. Мы ориентируемся на четыре наиболее распространенных эффекта, которые выводят полупроводниковые электронные изделия из строя. Это дозовая деградация приборов, изменения структуры полупроводниковых кристаллов, генерация заряда во всей полупроводниковой структуре и локальная генерация заряда, характерная при воздействии отдельных ядерных частиц. С учетом особенностей конструкции электронного изделия, необходимости получения наиболее полной и достоверной информации о его радиационном поведении проводим экспериментальные исследования как на традиционных испытательных установках, например, на стенде Роскосмоса в Дубне, так и на собственных специализированных, в том числе запатентованных.
– Что они из себя представляют?
– Они делятся на два типа. Первый представляет собой адаптированные установки на основе классических радиационных воздействий – электронных ускорителей, изотопных источников гамма-излучений, генераторов 14 МэВ нейтронов. Второй – специализированные малогабаритные испытательные установки на основе рентгеновского и лазерного излучений. В настоящее время у нас активно используется около 20 подобных установок, ориентированных как под различные технологии приборов, так и под конструктивное исполнение электронных изделий. Почти во всех случаях наиболее достоверные результаты достигаются при совместном применении обоих типов испытательных установок. Например, установка, моделирующая эффект воздействия тяжелой заряженной частицы на изделие микроэлектроники с помощью сфокусированного лазерного излучения, позволяет не только выявить этот эффект, но и локализовать место, где он возник.
Самое трудное для нас – разработать научно-методическую основу испытаний, доказать, что наши технические и программные средства, наши научно обоснованные и проверенные многолетней практикой методики позволяют достичь поставленной цели. На это у нас ушли годы, но мы сумели создать прорывную технологию, отмеченную Премией Правительства РФ в области науки и техники за 2009 год. Она вошла в государственные стандарты. Однако до сих пор находятся “специалисты”, утверждающие, будто мы определяем качество электронных комплектующих спутника чуть ли не с помощью лазерной указки.
Обратите внимание. Чтобы проверить качество и стойкость микропроцессоров и других функционально сложных микросхем, наши специалисты должны быть универсалами (мы отбираем их еще во время учебы и следим за их ростом), прекрасно разбираться в вопросах ядерной физики, в частности взаимодействии ионизирующего излучения с веществом. Четко представлять, как работает само электронное изделие, до тонкости изучить его конструкцию и уметь проверить, как оно функционирует. И конечно, быть отличными испытателями, знающими все требования стандартов и методик, нормативную базу. Ведь к нам поступают самые разные электронные изделия, не только отечественные, но и иностранные.
– Как они к вам попадают?
– Очень просто – от заказчиков, разработчиков электронной компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры. Не секрет, что до 80 процентов электронных комплектующих, установленных в космических аппаратах, иностранного производства. Сегодня возникли трудности с их поставками из США и Европы. Поэтому возлагаются большие надежды на программу импортозамещения.
– Существует ли конкуренция на рынке испытаний?
– Да. Но в целом все мы – партнеры и в ряде случаев объединяем усилия для выполнения в срок большого заказа. У разработчиков электронной компонентной базы и радиоэлектронной аппаратуры есть возможность выбора испытательных центров Минпромторга России, государственных корпораций “Ростехнологии” и “Росатом”, Роскосмоса, других организаций. Правда, у них существует некая ведомственная подчиненность. Другое дело наш институт: он входит в систему Минобрнауки, а потому независим при проведении испытаний и представлении их результатов – в этом его особенность и преимущество.
Но главное достоинство института: мы работаем “под ключ”. Наша задача – в сжатые сроки “разобраться” с изделием заказчика: сделать оснастку, запустить его, провести весь цикл радиационных испытаний и передать разработчику всю необходимую документацию. Если по каким-то причинам аппаратура оказалась нестойкой, то мы стараемся вместе с изготовителем выявить причины и устранить их.
– Разработчики это ценят и выстраиваются к вам в очередь?
– Не скажу, что в очередь – ведь это плановая работа, но авралы все же случаются. Ежегодно мы испытываем несколько сотен типов изделий – существенно больше, чем наши конкуренты. Предприятия знают, что наш институт оснащен современным оборудованием, что у нас отличные специалисты и, что не менее важно, сложились традиции, действует школа, наработки и опыт которой постоянно совершенствуются.
– Если сравнить ваш институт с иностранными испытательными центрами…
– Мы проводим испытания практически на том же уровне, что и на Западе. Безусловно, там есть установки, превосходящие наши по своим характеристикам, зато у нас более разнообразные методики испытаний. Коллеги это признают и нередко ими интересуются.
– А что дальше? Институт уже всего достиг или все же есть к чему стремиться?
– Космическая техника постоянно совершенствуется, появляются новые технологии изготовления электронных приборов, на порядки увеличиваются объемы памяти бортовых компьютеров, в разы растет быстродействие и производительность. Все больше количество характеристик и параметров, которые необходимо анализировать при испытаниях. Уже в ближайшем будущем нас ожидают трехмерные, объемные приборы и нанотехнологии. И нашему коллективу нужно изучить все возможные варианты получения достоверной информации по радиационной стойкости приборов, модернизировать, а то и разрабатывать заново методики испытаний и сами испытательные стенды. Нужно повышать качество и производительность измерительных систем и расчетно-экспериментальных средств для моделирования эффектов воздействия космической радиации на электронику. Не исключено, что нам предстоит использовать ультрафиолетовые и рентгеновские лазеры, установки со сфокусированными пучками заряженных частиц и более эффективные источники ионизирующего излучения. И конечно, модернизировать программное обеспечение, в разработке которого мы отстаем от Запада.
Как говорится, нет пределов совершенству.

Юрий Дризе
Фото Андрея Моисеева

Нет комментариев