Сравнительное исследование ионизационных эффектов в стабилизаторе напряжения TEN5-2423 от протонного и гамма-излучения А.Я. Борисов, Л.Н. Кессаринский Мотивация работы Неожиданный катастрофический отказ гибридного ВИП MSA2812S ф.Interpoint при облучении протонами 1ГэВ в ходе испытаний на стойкость к одиночным эффектам при флюенсе протонов 7,3∙1010 см-2. Характер отказа (плавная деградация выходного напряжения) характерен для дозовых эффектов. Отказ при флюенсе протонов Ф=7,3·1010 см-2 • Чем вызван отказ: дозовыми эффектами от ионизации или накоплением структурных повреждений? • Необходимо ли проверять стойкость к эффектам структурных повреждений при малых уровнях требований по протонам КП? • Какие критерии при анализе объектов испытаний для подтверждения стойкости к малым уровням требований по структурным повреждениям? Цель исследования - Исследование чувствительности гибридных ВИП к воздействию протонов с учетом разных механизмов взаимодействия с излучением - Оценка деградации гибридных ВИП вследствие структурных повреждений в оптопаре, сопутствующих испытаниям на стойкость к одиночным радиационным эффектам (ОРЭ) - Оценка необходимости проведения испытаний ВИП на стойкость к структурным повреждениям при малых требованиях по стойкости к протонам КП Выбор объекта исследований – TEN5-2423 - Отсутствие ТЭ при воздействии протонов; Отсутствие КО от воздействия протонов; Наличие оптопары в составе ВИП; Геометрические размеры сопоставимые с размером пучка для возможности равномерного распределения поглощенной дозы (для проверки предположения деградации от ионизационных эффектов) TEN5-2423, Traco Power Оптопара серии PC3H7 (SHARP) Облучение протонами – аналогично испытаниям на ОРЭ Синхротрон протонов 1 ГэВ (г. Гатчина) Ток потребления, мА 20 19 18 17 16 15 14 13 12 0 2e+10 4e+10 6e+10 8e+10 Ф, см-2. - ТЭ или КО не зафиксировано - Плавная деградация параметров в течение облучения вплоть до протонов Ф=7·1010 см-2 Возможные причины деградации и способы проверки Дозовые эффекты Гамма-установка Структурные5) повреждения Нейтроны Протоны Ф=7·1010 см-2 протонов 1) 2) 3) 4) 5) 2,3,4) 1,2) ? крад гамма-излучение Ф= ? см-2 нейтронов Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004. 30 с. Общая методика оценки соответствия интегральных схем и полупроводниковых приборов требованиям по стойкости ГОСТ РВ 20.39.414.2-98 по необратимым изменениям параметров по результатам их испытаний на установках и имитаторах факторов 7.И и 7.К (далее – «Общая методика …») Stephen Buchner, Paul Marshall, Scott Kniffin and Ken LaBel, «Proton Test Guideline Development» SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter ( http://www.srim.org/ ) A. H. Johnston, B. G. Rax, «Proton Damage in Linear and Digital Optocouplers», IEEE Trans. Nucl. 6 Sci., 47(3), 675 (2000) Расчёт поглощенной дозы по ионизационным эффектам от p+(1ГэВ) Ионизационная доза от протонов оценена по формуле (1,2,3,4,5): DР.И ≈ Kи × ЛПЭp.и × Фр DP.И ≈ 2,1∙103 для Ф = 7∙1010 Характеристика взаимодействия протонов и оксида кремния Значение3,4) Энергия протонов, МэВ 1000 Ионизационные линейные потери энергии (ЛПЭ), МэВ/(мг·см-2) Неионизационные линейные потери энергии, МэВ/(мг·см-2) Длина свободного пробега, м 1,88·10-3 Расхождение пучка, мм Коэффициент пропорциональности 2,77·10-7 1,65 42 1,6∙10-5 3) Stephen Buchner, Paul Marshall, Scott Kniffin and Ken LaBel, «Proton Test Guideline Development» 4) SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter ( http://www.srim.org/ ) Сравнение результатов расчета Dи - изменение тока потребления 22 19 18 ≠ 17 16 15 14 13 0,0 0,5 1,0 D, крад Протоны (расчет3)) 1,5 2,0 Ток потребления, мА Ток потребления, мА 20 20 18 16 14 12 0 10 20 30 40 50 D, крад Гамма-излучение (эксперимент) 3) Stephen Buchner, Paul Marshall, Scott Kniffin and Ken LaBel, «Proton Test Guideline Development» 60 Методика расчёта поглощенной дозы по структурным повреждениям эффектам от p+(1ГэВ) Флюенс нейтронов, эквивалентный флюенсу протонов оценен по формуле: Фn≈K × Фp, где Фp – Флюенс протонов; Фn – Флюенс нейтронов, эквивалентный флюенсу протонов Фp по поглощенной дозе по структурным повреждениям; К – коэффициент пропорциональности, рассчитанный с помощью действующих нормативных документов («Общей методики…» и др.). Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными Ток потребления, мА 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1e+10 1) 2) 3) 4) 5) 1e+11 -2 Ф, см 1e+12 Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М.: Радио и связь, 2004. 30 с. «Общая методика …» Stephen Buchner, Paul Marshall, Scott Kniffin and Ken LaBel, «Proton Test Guideline Development» SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter ( http://www.srim.org/ ) A. H. Johnston, B. G. Rax, «Proton Damage in Linear and Digital Optocouplers», IEEE Trans. Nucl. Sci., 47(3), 675 (2000) Выводы - - - Проведено сравнение деградации параметров ВИП вследствие ионизационных и структурных повреждений; Показано влияние деградации параметров оптопары в составе ВИП на характеристики изделия в целом даже при минимальных типовых требованиях по стойкости к протонам (порядка единиц крад); При испытаниях изделий на стойкость к ОРЭ на ускорителе протонов 1ГэВ необходимо учитывать сопутствующие структурные повреждения в ВИП, содержащих оптопары. Спасибо за внимание!