Расчетно-экспериментальная оценка стойкости электронных модулей к воздействию радиационных факторов космического пространства

• Автор: Ахметов, Алексей Олегович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ II ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ОТКАЗОВ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

1.1. Применение электронных модулей в бортовой аппаратуре космических

аппаратов
1.2. Радиационные эффекты в электронных модулях при воздействии ионизирующего излучения космического пространства

1.3. Методики проведения функционального контроля электронных модулей

Выводы
ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЯХ
2.1 Методика испытаний электронных модулей на стойкость к воздействию ионизирующего излучения космического пространства по одиночным
эффектам
2.2 Методика выявления отдельных видов одиночных эффектов (тиристорный эффект, одиночный сбой, функциональный сбой) при воздействии тяжелых заряженных частиц н высокоэнергстичпых протонов
2.3 Методика проведения функционального контроля электронных модулей при испытаниях на дозовые и одиночные эффекты
Выводы
ГЛАВА 3. ЛОКАЛЬНЫЕ ДОЗОВЫЕ НАГРУЗКИ В ЭЛЕКТРОННЫХ
МОДУЛЯХ
3.1 Обзор программного обеспечения для расчетов локальных дозовых нагрузок
3.2 Сравнение методов расчета локальных дозовых нагрузок
3.3 Экспериментальная верификация расчетных моделей в ПО РаБИнО
3.4 Распределение локальных дозовых нагрузок в электронных модулях
3.5 Моделирование ослабления поглощенной дозы специализированными корпусами
3.6 Применение обратного метода Монте-Карло для расчета локальных дозовых нагрузок в электронных модулях
Выводы
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ К ВОЗДЕЙСВИЮ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
4.1 Аппаратно-программный комплекс для проведения испытаний
4.2 Апробация методик проведения испытаний электронных модулей по одиночным эффектам
4.3 Апробация методик проведения испытаний электронных модулей по дозовым эффектам
4.4 Статистика результатов испытаний
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация направлена на решение актуальной научно-технической задачи по развитию расчетно-экспериментальных методов оценки радиационной стойкости электронных модулей (ЭМ) к воздействию ионизирующего излучения (ИИ) космического пространства (КП).
Актуальность темы диссертации
При создании современной бортовой электронной аппаратуры (БА) и систем управления космических аппаратов (КА) с целью улучшения тактикотехнических характеристик, уменьшения сроков разработки и создания высокопроизводительных систем широко применяют ЭМ - многокристальные модули и системы в виде модуля (System on Module).
Эксплуатация ЭМ в составе БА КА связана с воздействием ИИ КП. Увеличение срока активного существования КА приводит к росту радиационных отказов и сбоев ЭМ, входящих в её состав, вызванных дозовыми и одиночными радиационными эффектами. Поэтому оценка радиационной стойкости ЭМ, которая во многих случаях определяет радиационную стойкость БА КА, при воздействии ИИ КП является актуальной задачей.
Уровень радиационного отказа ЭМ во многих случаях не определяется радиационной стойкостью (указанной в технических условиях (ТУ)) интегральных схем (ИС), входящих в его состав. Во-первых, это связано с тем, что критериальные параметры, определяющие стойкость ИС, во многих случаях не оказывают существенного влияния на стойкость ЭМ в целом (например, статический ток потребления ИС, токи утечки ИС и т.д.). Во-вторых, функциональные и электрические режимы работы ИС в составе ЭМ отличаются от критических режимов, определяющих стойкость ИС. Как правило, стойкость ЭМ оказывается выше, чем стойкость входящих в их состав ИС.
Таким образом, для достоверной оценки радиационной стойкости ЭМ необходимо разработать научно-методический аппарат по оценке их радиационной стойкости. При этом использование типовых методик и технических средств,
ориентированных на радиационные испытания ИС, требуют адаптации для испытаний ЭМ. Это связано со значительными геометрическими размерами ЭМ, неоднородностью полей излучения испытательных установок, а также большими трудозатратами на проведение полного или выборочного функционального контроля каждой ИС в составе ЭМ. Поэтому актуальной задачей является разработка методик и технических средств испытаний ЭМ па стойкость к воздействию ИИ КП по одиночным и дозовым эффектам.
Следствием протяженных геометрических размеров и сложной конструкции ЭМ, содержащих ИС и другие электронные компоненты в различных корпусах (пластиковые, металлокерамические, специализированные и др.), радиаторы, ребра жесткости и т.д. является существенная неоднородность локальных дозо-вых нагрузок (ЛДН) ИС в составе ЭМ. Для достоверной оценки дозовой стойкости ЭМ необходимо решить задачу определения ЛДН, которые могут быть рассчитаны методом секторного анализа и/или методами Монте-Карло (прямым и обратным). Метод секторного анализа позволяет проводить расчеты ЛДН за короткое время, по не учитывает физико-химические характеристики материалов, поэтому результаты расчетов имеют значительную погрешность при наличии в составе ЭМ материалов с большим или малым (относительно алюминия) зарядовым числом Ъ. Прямой метод Монте-Карло (ПМК) учитывает химический состав материалов и является наиболее точным, но требует значительных затрат машинного времени и, для сложных современных конструкций КА, практически неприменим. Обратный метод Монте-Карло (ОМК) позволяет учитывать реальные физико-химические характеристики материалов и проводить расчеты быстрее, но требует обоснования применимости для расчетов ЛДН ЭМ.
Актуальной задачей является анализ методов численного моделирования ЛДН ЭМ и выбор оптимального по точности и быстродействию метода.

ОЯЧ. При наличии видеподсистемы организация ФК сводится к написанию тестовой программы (производится установка операционной системы и написание программы на языке С++), при её отсутствии - в ЭМ реализуется перенаправление видеоданных через СОМ порт и отладка тестовой программы осуществляется на другом компьютере.
Таблица 2.3.1. Организация ФК в ЭМ
Функциональный состав
Процессорные электронные модули Исполне УСА UART ивв Flash Ethernet ШЕ PS/2 РСІ MIL- STD ФК
СМЕ1366866X333 НЙ-256 + + + + + + + - - Установлена операционная система и реали-
СМЕ137686ЬХЗЗЗ Нй-256 О + + + + + + + + - зованы локальный ФК (процессора, ОЗУ, Ейіешсі контроллера) и штатный режим работы
PR.-Z16-L.C-ST 1 и См - + + + - + ч- - - Используется перена-
Сті54860ХЕС66 НЯ - + - + - + + - - правление видеоданных через СОМ порт,
ТЛІ-БМАЯТ-ОІ- М - + - + - - + - + реализован штатный режим работы
НЬУ300-128ОУ + + + + + + + - -
ЕВ-425-Е2 .9 сЗ и* m + + + + + + Используется перенаправление видеоданных через СОМ порт, разработана специали-
ш зированная материнская плата, штатный режим работы
Алгоритм методики формулируется следующим образом:
1. Анализ состава ЭМ и выделение ИС, отвечающих за функционирование. В ЭМ, работающих по стандарту М1Ь-5ТО-1553 [61], содержится несколько кристаллов (типовое значение от 3 до 5) и все они участвуют в функционировании ЭМ, т.е. выделить отдельные кристаллы, требующие более полного ФК нельзя. С другой стороны, процессорные и перифе-