Испытания на радиационную стойкость

Под радиационной понимают стойкость изделий АЭ к воздействию ионизирующего излучения, вызывающего в материалах ионизацию; излучение подразделяется на корпускулярное (нейтроны, протоны, ядра атомов) и квантовое (гамма- и рентгеновское излучения). Для испытаний на радиационную стойкость применяют единицу меры радиационной дозы (экспозиционной) — НЕД (нейтронную единицу дозы)- В качестве источников радиоактивного излучения применяют ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы. Ускорители подразделяют на линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории заряженных частиц близки к прямой линии, а в циклических — частицы под действием магнитного поля движутся по орбитам, близким к круговым. В основном используют линейные ускорители с энергией 1,2...20 ГэВ, циклические — 20...25 МэВ.

В атомных реакторах происходит управляемая цепная реакция, излучается поток нейтронов и гамма-лучей. Основными элементами ядерного реактора являются: активная зона, отражатель нейтронов, теплоноситель, системы управления, регулирования и контроля, системы охлаждения и биологической защиты.

Испытываемые изделия при помощи манипулятора вводят в активную зону через вертикальный или горизонтальный каналы. После облучения изделий экспозиционной дозой, их дезактивируют и проверяют функционирование и электрические параметры.

Степень радиационных повреждений в изделии зависит от количества энергии и скорости ее передачи, а также от вида, параметров излучения и свойств материала. Гамма- и нейтронное излучения вызывают в материалах объемные и поверхностные изменения; альфа-частицы и осколки ядер — поверхностные изменения.

Эффективность работы транзистора тем выше, чем меньше рекомбинируют (исчезают свободные носители зарядов противоположных знаков при их столкновении) при прохождении через базу инжектированные в ней неосновные носители. Поэтому высокочастотные транзисторы с узкой базой более радиационно стойки, чем низкочастотные с широкой базой.

В интегральных микросхемах кроме ионизации происходят изменения теплового характера, так как энергия радиоактивного излучения преобразуется в тепло. Это определяет температурные свойства материалов, используемых для производства микросхем.

Стойкость резисторов к радиоактивному излучению зависит от материала и технологии изготовления. Наиболее стойкими являются резисторы, покрытые оплавленным стеклом и опрессован-ные специальной пластмассой.

Для проведения испытаний на радиационную стойкость используют специальный измерительный комплекс, состоящий из линии передачи информации о состоянии испытываемого изделия в зоне облучения (дозиметров, датчиков температуры), интерфейса, регистрирующей и вспомогательной аппаратуры, блока измерений, командно-управляющего блока и блока питания.

При работе с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений очень важное значение имеет правильная организация испытаний и соблюдение обслуживающим персоналом правил безопасности, которые предусматривают обязательные инструктажи персонала, специальную защиту от излучений, манипуляторы для перемещения изделий, периодическое до-зиметрирование помещения лаборатории и т.д.

Изделия, подвергшиеся облучению, после испытаний подлежат уничтожению или захоронению в специальных хранилищах.

3 ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ По своим целям радиационные испытания изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) делятся на аттестационные, предназначенные для установления или подтверждения требований по радиационной стойкости на вновь разрабатываемые или серийно выпускаемые изделия, и определительные, связанные с получением справочных данных по радиационной стойкости изделий, т.е. зависимости основных радиационночувствительных параметров изделий от характеристик воздействующих радиационных факторов, прежде всего флюенсов, доз и мощностей доз излучений.Как правило, указанные испытания проводятся на моделирующих установках (МУ), представляющих источники радиационных воздействий, имеющих единую или близкую физическую природу и характеристики с радиационными факторами, воздействующими в реальных условиях эксплуатации изделий.В отдельных случаях при испытаниях используются имитирующие установки (ИУ) или имитаторы, т.е. источники воздействий различной физической природы, обеспечивающие адекватное проявление и моделирование в изделиях доминирующих эффектов, вызываемых воздействием радиационных факторов в реальных условиях эксплуатации изделий.Имитационные испытания следует проводить, когда отсутствуют соответствующие моделирующие установки, а также при отработке методик аттестационных испытаний в части выбора параметров-критериев стойкости, режимов и условий испытаний, при проверке применяемых технологических, конструктивно-топологических, схемотехнических и функциональных решений, направленных на снижение радиационной чувствительности изделий в процессе их разработки, при проведении периодических испытаний в условиях неритмичного производства и изготовления изделий малыми партиями.При испытаниях, моделирующих воздействие излучений ядерного взрыва (ЯВ), необходимо учитывать действие, по крайней мере, трех факторов: короткого импульса гамма-излучения, характеризующегося мощностью экспозиционной дозы, более длительного воздействия гамма-излучения, состоящего из вторичной и осколочной составляющих, характеризующегося экспозиционной дозой, и импульса нейтронов, основной характеристикой которого является флюенс. Кроме этого, в случае наличия в технической документации на изделие требований по воздействию импульса жесткого рентгеновского излучения, следует также оценивать эффекты и такого воздействия.Моделирование воздействия короткого гамма-импульса ядерного взрыва осуществляется с помощью импульсных рентгеновских установок и линейных сильноточных ускорителей электронов, работающих в режиме генерации одиночных импульсов с торможением электронов на мишени для создания тормозного рентгеновского излучения. Указанные моделирующие установки обеспечивают длительности импульсов рентгеновского излучения, соответствующие мгновенной гамма-составляющей ядерного взрыва (10÷40 нс по полувысоте) и максимальные мощности дозы излучения до 1012 Р/с вблизи мишени, что также соответствует реальным условиям, в которых может функционировать радиоэлектронная аппаратура, содержащая ИПЭ. Полное соответствие спектрально-энергетических характеристик излучений МУ и ЯВ в этом случае не требуется, т.к. реакция ИПЭ на воздействие указанного фактора определяется только длительностью импульса и мощностью экспозиционной дозы при условии достаточной проникающей способности излучения МУ, что обеспечивается величиной ускоряющего напряжения в рентгеновских установках и полной энергии ускоренных электронов в линейных ускорителях.Моделирование воздействия вторичного и осколочного гамма-излучения ЯВ проводится, как правило, на гамма-установках с закрытыми радионуклидными источниками, в качестве которых обычно используются изотопы кобальт-60 или цезий-137. Энергия гамма-квантов изотопа кобальт-60 (1.17 МэВ и 1.33 МэВ) в большей степени соответствует энергетическому составу гамма-излучения ЯВ, чем у цезия-137 (0.661 МэВ). Однако, если на МУ обеспечивается та же самая экспозиционная доза, что и при ядерном взрыве, то различие в энергии не сказывается на результатах испытаний. Некоторое различие в результатах можно ожидать из-за того, что при ядерном взрыве эта доза набирается за существенно более короткое время, чем на МУ. Для отдельных классов изделий, в частности, основанных на использовании МДП-структур, эта разница весьма заметна, что должно учитываться в методиках испытаний соответствующих ИПЭ. Моделирование воздействия импульса нейтронов ЯВ осуществляется на импульсных ядерных реакторах на быстрых нейтронах, которые обеспечивают длительности импульсов нейтронного излучения от 50 мкс до 3 мс с максимальной величиной флюенса за один импульс, приближающейся к 1015 н/см2 в центральном канале такого реактора. Средние энергии нейтронов реактора могут достигать значений 1.4÷1.5 МэВ. Таким образом, амплитудно-временные характеристики МУ близки соответствующим характеристикам импульса нейтронов ЯВ, а некоторое различие в спектрально-энергетических характеристиках должно учитываться при разработке методов испытаний.Моделирование воздействия на ИПЭ жесткого рентгеновского излучения ЯВ проводится на импульсных рентгеновских установках, которые могут обеспечить соответствующие длительности и энергию излучения, но не в состоянии создать максимально возможные в реальных условиях ЯВ потоки энергии рентгеновского излучения, т.к. доля рентгеновского излучения в общей выделенной энергии при ядерном взрыве может достигать 50%. В этом случае можно использовать имитационные испытания, т.е. с помощью других воздействий пытаться реализовать в ограниченных объемах ИПЭ выделение весьма большой удельной энергии, что приведет к эффектам, близким по своему проявлению к эффектам за счет импульса жесткого рентгеновского излучения. Большое удельное энерговыделение в локальных областях ИПЭ можно обеспечить за счет сфокусированных импульсных пучков электронов сильноточных ускорителей или за счет импульсных лазеров.При этом профили энерговыделения в ИПЭ на МУ и в реальной радиационной обстановке должны быть близкими, что не всегда достигается из-за различных коэффициентов поглощения рентгеновского излучения и излучения ИУ в элементах конструкции ИПЭ. При использовании в качестве имитатора лазера, скорее всего, необходимо работать с изделиями без корпуса из-за большого поглощения излучения лазера в металлах.Моделирование воздействия излучений ядерных установок легко осуществить на обычных реакторах, работающих в стационарных режимах. Однако большинство таких реакторов являются реакторами на тепловых нейтронах, что приводит к большой наведенной радиоактивности на ИПЭ, что затрудняет работу с ними после испытаний.Поэтому обычно для испытаний используют те же реакторы, что и при моделировании излучений ЯВ, и гамма-установки с радионуклидными закрытыми источниками излучения, а разницу в спектрально-энергетических характеристиках реакторов учитывают в методиках испытаний.Воздействие электронной составляющей излучения космического пространства на ИПЭ моделируют с помощью ускорителей электронов или бета-установок с закрытыми радионуклидными источниками, среди которых наиболее подходящими для моделирования являются источники на основе изотопа стронций-90 -иттрий-90 со средней энергией в диапазоне 0.7÷1.1 МэВ в зависимости от конструкции источника и максимальной энергией до 2 МэВ. Конечно, энергетический спектр электронного излучения космического пространства отличается от спектра радионуклидного источника и не имеет ничего общего с моноэнергией электронного ускорителя. Однако эти различия могут быть учтены в методиках испытаний с помощью соответствующих коэффициентов эквивалентности воздействия указанных излучений. Кроме того, большинство ускорителей электронов работают в импульсном режиме с определенной частотой повторения импульсов, т.е. при плотностях потоков электронов в импульсе, на несколько порядков превышающих плотности потоков электронов в космическом пространстве, что может сказаться на результатах испытаний для некоторых классов изделий.Воздействие протонной составляющей излучения космического пространства на ИПЭ моделируют с помощью ускорителей протонов. При этом следует учитывать отличие энергетических спектров протонов космического пространства от моноэнергии ускорителей протонов и большую разницу в плотностях потоков излучения, т.к. ускорители протонов, как и электронов, работают в импульсном режиме.Воздействие тяжелых заряженных частиц космического пространства на ИПЭ моделируют с помощью ускорителей тяжелых ионов или облучением осколками деления калифорния-252, которые имеют средние массы в 106 и 142 атомных единиц массы и, соответственно, средние.Испытания на моделирующих установках, как правило, являются дорогостоящими ввиду сложности и большой стоимости МУ, а также необходимости привлечения для их обслуживания большого количества квалифицированного персонала. Поэтому в ряде случаев, о которых упоминалось ранее, целесообразно использовать имитационные испытания ИПЭ, которые проводятся на более простом в обслуживании оборудовании.Так, с помощью импульсного лазерного облучения можно добиться в ИПЭ эффектов, аналогичных по своим проявлениям и последствиям для изделия эффектам при воздействии короткого импульса гамма-излучения. Для этой цели при испытаниях кремниевых ИПЭ используются лазеры с длиной волны от 1.06 до 1.08 мкм, чтобы создавать заметную ионизацию в кремнии и в то же время давать возможность излучению проникать в объем ИПЭ. При этом следует обращать внимание на то, чтобы поверхность кристалла не затенялась элементами конструкции изделия, т.е. верхнюю металлическую крышку корпуса необходимо предварительно удалить. Для имитации радиационных поверхностных эффектов в ИПЭ, зависящих от общей дозы гамма-излучения (или любого другого непосредственно ионизирующего излучения) можно использовать рентгеновские установки с ускоряющим напряжением на трубке в диапазоне 10 ÷ 50 кВ, который выбирается из соображений достаточной проникающей способности квантов излучения (нижний предел) и относительно простой защиты от рентгеновского излучения (верхний предел). Для корпусных ИПЭ целесообразно удалять верхнюю крышку корпуса, чтобы уменьшить поглощение рентгеновского излучения в элементах конструкции корпуса.Возникновение структурных нарушений в ИПЭ при воздействии нейтронов ЯВ и ЯУ, электронов и протонов космического пространства можно имитировать с помощью α-излучения закрытых радионуклидных источников. Для этих целей наиболее подходящим является источник на основе плутония-238, в котором за счет α-распада возникают частицы с энергией около 5 МэВ, имеющие пробег в кремнии 20 ÷ 25 мкм, т.е. способные проникать в активные области структур большинства ИПЭ. Как и в предыдущих случаях, испытания следует проводить на изделиях с удаленной верхней крышкой корпуса или непосредственно на пластинах со структурами ИПЭ с измерением параметров с помощью зондов.При проведении указанных испытаний на каждый вид испытаний выделяется отдельная партия изделий. Так, одна партия проходит испытания на всех воздействующих факторах ЯВ – сначала на МУ с коротким импульсом ионизирующего излучения, где определяется уровень бессбойной работы (УБР) и время потери работоспособности (ВПР) при максимальном значении фактора, затем на стационарной гамма установке и в самом конце на импульсном реакторе, после чего изделия еще подвергают испытаниям на одиночный удар и смену температур среды (термоциклы). Испытания на отдельной партии на воздействие излучений ядерных установок проводят лишь в том случае, если требования по экспозиционной дозе на ЯУ превосходят аналогичные требования при ЯВ.В ряде случаев можно отказаться и от проведения испытаний на воздействие электронного и протонного излучений, а подтвердить заданные требования по этим факторам на основании результатов испытаний на воздействие факторов ЯВ, если заданные требования по необратимым структурным повреждениям при действии излучений космического пространства существенно ниже, чем при воздействии нейтронного излучения ЯВ, а требования по ионизационным поверхностным эффектам, определяемым полной дозой излучения, также подтверждены испытаниями на стационарной гамма-установке.Таким образом, состав радиационных испытаний для некоторых классов ИПЭ может быть сокращен. Также при наличии существенных запасов у изделий по радиационной стойкости возможно уменьшение испытуемой выборки в соответствии с выражениями (22), (23) и данными таблицы 4.

Дата добавления: 2014-01-07