В данной статье, основанной на технической документации Littelfuse, американской компании по производству электроники, мы обсудим ключевые факторы, влияющие на частоту отказов устройств из-за космической радиации.
Энергетические частицы по-разному воздействуют на полупроводниковые чипы, такие как память, процессоры, аналоговые и силовые агрегаты. Частота отказов устройств зависит от количества излучения, которому подвергается деталь, и является важным фактором не только для космических, но и для наземных преобразователей мощности. В этой статье, созданной на базе технической документации американской компании по производству электроники Littelfuse, мы обсудим ключевые факторы, влияющие на частоту отказов устройств вследствие космического излучения.
Коэффициент сбоев в полупроводниковых приборах
Для графического отображения срока службы полупроводниковых устройств обычно используется U-образная кривая. Форма этой кривой отражает зависимость частоты отказов от времени. Она включает в себя начальный высокий коэффициент сбоев, называемый стадией выхода из строя в период приработки или в начальный период эксплуатации. Тестирование устройств и модулей в тщательно определенных условиях нагрузки, как правило, позволяет отсеять устройства, склонные к выходу из строя в этой части кривой. Нижняя плоская часть кривой, которая следует за областью выхода из строя в период приработки, соответствует нормальному сроку службы прибора. За этим следует увеличение числа отказов из-за истечения срока службы. Тестирование надежности помогает определить срок службы до наступления периода износа. Случайные сбои, вызванные космическим излучением, влияют на плоскую часть кривой. Хотя механизм является случайным, степень его влияния на срок службы можно предсказать, исходя из технологии устройства, условий его эксплуатации и окружающей среды.
Показателем, обычно используемым для оценки частоты сбоев, является количество отказов за определенный период или единица надежности (FIT). Это количество отказов, которое можно ожидать за один миллиард часов работы устройства. Математически это можно выразить следующим образом:
FIT = (F/(N x T)) x 109
Где F – количество сбоев устройств из общего числа N, которые были протестированы в течение T часов.
Частота отказов F в частях на миллион (ppm) может быть выражена следующим образом:
F = (FIT x LT)/103
Где LT – общий срок службы.
Космическое излучение, влияющее на показатели единицы надежности FIT
Мощные нейтроны, протоны, легкие и тяжелые ядра постоянно воздействуют на Землю. Хотя большинство из них отклоняются магнитным полем нашей планеты, те, которые попадают в нашу атмосферу, сталкиваются с атомными ядрами во внешней атмосфере и в результате лавинообразного размножения генерируют большее количество вторичных частиц. Принцип сохранения энергии диктует, что существует корреляция между энергией, приходящейся на каждую частицу, плотностью частиц и высотой их полета.
Вторичная частица, попадающая в полупроводниковое устройство, передает ему свою энергию, создавая электронно-дырочные пары на определенной глубине, которая зависит от ее энергии, массы и плотности материала. Плотность этих электронно-дырочных пар зависит от нескольких факторов, включая энергию ионизации, прочность атомной связи, траекторию создания электрического поля на различных поверхностях устройств и в целом, образование дефектов и т.д. Нейтроны могут представлять наибольшую угрозу для электроники, поскольку они относительно тяжелы, имеют большое поперечное сечение захвата и обладают высокой проникающей способностью.
Примером состояния сбоя является так называемый пробой истоковой области (SEB). Ионизационный след и образование электронно-дырочных пар создают области с сильными электрическими полями и влияют на ионизацию устройства в режиме блокировки, потенциально создавая проводящую нить, которая может привести к короткому замыканию контактов устройства. В МОП-транзисторе может быть включен паразитный биполярный элемент, что приводит к лавинообразному размножению и пробою из-за высоких локализованных температур.
На коэффициент FIT устройства, подвергшегося воздействию радиации, влияет несколько факторов. К ним относятся блокирующее напряжение, высота над уровнем моря, температура соединения, площадь чипа, максимальная нагрузка в нерабочем состоянии и т.д. Повреждение, вызываемое радиацией, приводит к значительному увеличению показателя FIT. Пример коэффициентов ускорения для диода в низкочастотном режиме работы показан на Рисунке 1.
Рис. 1: Коэффициенты ускорения для оценки частоты отказов в диодах, работающих при низких частотах
Рассмотрим некоторые из этих факторов ускорения более подробно. Температура
Температура соединительной клеммы зависит от теплового сопротивления, условий охлаждения, максимальной нагрузки во включенном состоянии и потерь в устройстве во время работы.
На Рисунке 2 показан график зависимости коэффициента ускорения температуры от единицы надежности FIT.
Рис. 2: Ускорение температуры соединения для оценки частоты отказов
Напряжение
Соотношение рабочего и номинального напряжения устройства играет важную роль в ускорении таких отказов, как SEB. На Рисунке 3 показан коэффициент ускорения в зависимости от этого соотношения.
Рис. 3: Переход от рабочего напряжения к номинальному для оценки частоты отказов
График на Рисунке 3, показанный для диода, может варьироваться в зависимости от типа устройства и технологии. Например, в устройствах из карбида кремния (SiC) SEB и другие единичные утечки начинаются при гораздо меньшей доле номинального напряжения по сравнению с устройствами из Si. Катастрофический пробой истоковой области в устройствах из SiC может произойти при смещении стока всего на 1/3 от номинального напряжения.
Это позволяет обеспечить достаточную защиту напряжения при выборе устройств, которые могут подвергаться более высокому риску радиационного облучения. Такой коэффициент ускорения напряжения влияет на работу устройства в режиме блокировки, поэтому суммарный коэффициент ускорения также зависит от продолжительности рабочего цикла устройства в выключенном состоянии.
Высота над уровнем моря
Измерение частоты отказов в зависимости от географической высоты над уровнем моря является сложной задачей. Наглядное доказательство этого эффекта было продемонстрировано Кабза и другими исследователями, когда они обнаружили, что диоды, находящиеся под напряжением в соляной шахте на глубине 140 м под поверхностью земли, не выходили из строя, в то время как диоды в их лаборатории со временем показывали высокий уровень отказов. Зависимость коэффициента ускорения от высоты показана на Рисунке 4.
Рис. 4: Переход от рабочего напряжения к номинальному для оценки частоты отказов
Примером влияния высоты над уровнем моря может служить относительная пригодность системы, работающей в Нью-Йорке на уровне моря, по сравнению с системой в Ла-Пасе, Боливия, на высоте 3870 м над уровнем моря. В системе в Ла-Пасе коэффициент ускорения увеличен на 15 из-за высоты, что требует от системы больших усилий для обеспечения надежности устройства в течение ожидаемого срока его службы.
Снижение риска
Методы, обычно применяемые для снижения риска сбоев, вызванных космическим излучением, включают увеличение размеров компонентов с учетом их пропускной способности по току, что уменьшает колебания температуры. Устройства с более высоким блокирующим напряжением могут значительно снизить коэффициент ускорения, зависящий от напряжения. Некоторые из них могут быть взаимовыгодными, например, более крупная матрица будет иметь линейно большую зависимость от скорости подгонки. Упаковка и конструкция контактов также играют определенную роль.
Герметичные упаковки JANTXV, соответствующие военным стандартам (например, MIL-PRF-19500), будут иметь более низкий коэффициент ускорения (см. Рис. 1), чем стандартная пластиковая упаковка. Хорошо известно, что матовое лужение подвержено образованию трещин, и использование альтернативных материалов, таких как покрытие NiPdAu, может снизить этот риск. Аналогичным образом, использование электропроводки от сети переменного тока, хотя и является более дорогостоящим, может снизить риски, связанные с обрывами проводов из-за периодического изменения температуры. Контакты, изготовленные из металла, снижают коэффициент ускорения конструкции контакта, указанный на Рисунке 1, по сравнению с пружинным контактом. Система, работающая в неподвижной среде с регулируемой температурой и влажностью, будет иметь гораздо меньший коэффициент ускорения по сравнению с мобильной системой. Необходимо учитывать совокупность всех факторов риска и выбирать наилучший компромисс, который может соответствовать требованиям к сроку службы устройства.