<Конструктивные особенности покрытий

Ионизирующие излучения.

Ионизирующие излучения (ГОСТ 15484—74) —любые излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Первичное ИИ в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается исходным. Вторичное ИИ возникает в результате взаимодействия первичного с рассматриваемой средой.

ИИ могут быть электромагнитными (фотонными) в виде γ- и рентгеновского излучений и корпускулярными в виде потока частиц с массой покоя отличной от нуля (α- и β-излучения, нейтронное излучение).

ИИ характеризуется полем (пространственно-временным распределением ИИ в рассматриваемой среде); потоком ионизирующих частиц.

Ф_N, плотностью потока ионизирующих частиц φ_N, потоком энергии ИИ Ф_ИИ, плотностью потока энергии ИИ_φ, переносом ионизирующих частиц F_N, переносом энергии ИИ F_{ИИ .}

Поток ионизирующих частиц — отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу:

Ф_N = dN /dt [част./с].

Плотность потока ионизирующих частиц — отношение потока ионизирующих частиц dФ_N, проникающего в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

φ_N = dФ_N/dS [част./(с • см²)].

Поток энергии ИИ — отношение суммарной энергии dE всех ионизирующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу:

Ф_ИИ = dE/dt [Дж/c].

Плотность потока энергии ИИ — отношение потока энергии ИИ dФ, проникающего в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

φ = dФ/dS [Дж/(с • см²)].

Перенос ионизирующих частиц (ПИЧ) — отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

F_N = dNldS [част./см²].

Перенос энергии ИИ — отношение суммарной энергии dE всех ионизирующих частиц, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

F_m = dE/dS [Дж/см²].

 Взаимодействие ИИ со средой оценивают поглощенной дозой излучения D и мощностью поглощенной дозы Р. Поглощенная доза излучения (ПДИ) — отношение средней энергии dE_cp, переданной ИИ веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

D = dF_cp/dm [Дж/кг или рад = 10^-2 Дж/кг].

Мощность ПДИ — отношение приращения поглощенной дозы излучения dD за интервал времени dt к этому интервалу:

Р = dD/dt [Дж/(кг • с) или рад/с],

При проектировании РЭА, как правило, учитывают воздействие нейтронов и γ-излучения, обладающих наибольшей проникающей способностью.

Радиационная стойкость изделия или материала (ГОСТ 18298—72) — свойство аппаратуры, комплектующих элементов, материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ. Критерием радиационной стойкости изделия (материала) является предельное значение определяющего параметра радиационной стойкости. Определяющий параметр — параметр изделия (материала), изменение значения которого в условиях воздействия ИИ свыше определенного значения исключает возможность его применения. Показателем радиационной стойкости изделия служит значение характеристики поля ИИ, при котором достигаются критерии радиационной стойкости.

Воздействие ИИ на изделие (материал) проявляется в виде радиационного и ионизационного эффектов, обратимого или необратимого радиационных дефектов, радиационного разогрева и других явлений. Радиационный эффект — изменение значений параметров изделий и материалов в результате воздействия ИИ. Ионизационный эффект — радиационный эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества. Радиационный дефект — радиационный эффект, проявляющийся в нарушении структуры вещества под воздействием ИИ. Обратимый радиационный дефект — радиационный дефект в веществе, исчезающий с прекращением облучения. Необратимый радиационный дефект — радиационный дефект, длительно сохраняющийся в веществе после прекращения облучения Радиационный разогрев — радиационный дефект, проявляющийся в повышении температуры материала в результате поглощения энергии ИИ

Нейтронное излукение в основном является причиной радиационных дефектов, обусловленных физико-химическими преобразованиями в материалах (например, сшивание и диструкция при облучении полимеров, окисление). Возможны радиационный разогрев, выделение кислот и активных газов (хлор, фтор, водород).

При γ - излучении преобладают ионизационные эффекты. Скорость образования избыточных носителей заряда пропорциональна ПДИ, Увеличение концентрации избыточных носителей — основная причина увеличения проводимости диэлектрических и полупроводниковых материалов

Влияние ИИ на материалы.

Металлы наиболее устойчивы к воздействию ИИ: им свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики их слабо зависят от дефектов кристаллической решетки Последствия нейтронного облучения начинают сказываться при ПИЧ порядка 10²⁰ нейтр./см² γ ^- излучение на свойства металлов практически не влияет. У большинства металлов при воздействии ИИ предела текучести возрастает в 2 ... 3 раза, ударная вязкость снижается, ρ^v_e повышается на

10...30%. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется μ, ρ_ε при ПИЧ порядка 10¹⁸ нейтр./см².

Некоторые металлы, например, бор, марганец, кобальт, кадмий, цинк, молибден и др. после облучения тепловыми нейтронами становятся источникам и вторичного ИИ.

Наименее устойчивы к воздействию ИИ полупроводниковые и органические материалы. У полупроводниковых материалов при облучении изменяются время жизни и подвижность носителей заряда, коэффициент Холла. У органических — механические свойства, электрическая прочность, е, tg δ.

Неорганические материалы устойчивы к ИИ: ε, r_изол, tg δ у них изменяются незначительно; у стекол изменяются оптические свойства и цвет.

Влияние ИИ на резисторы.

Воздействие ИИ вызывает обратимые или необратимые изменения сопротивления, увеличение уровня шумов, ухудшение влагостойкости резисторов. Основные Причины: деградация электрофизических характеристик резистивного и электроизоляционных материалов (резкое увели чение проводимости из-за ионизационных эффектов в материалах, воздухе или другой среде, окружаюшей резистор); γ - излучение вызывает в основном обратимые изменения После окончания облучения исходное^ значение сопротивления восстанавливается менее чем через 2 мс. Нейтронное излучение может стать причиной ухудшения влагостойкости резисторов и обратимых либо необратимых изменений их сопротивления. Последствия зависят от кинетической энергии частиц, ПДИ, типа резистора. Необратимые радиационные дефекты резисторов связаны с нарушением структуры материалов основания, защитных покрытий, опрессовки, резистивного слоя.

Наиболее устойчивы к воздействию ИИ керамические и проволочные резисторы В конструкции этих резисторов используются лишь радиационно-стойкие материалы: металл, керамика, стекло. Так, облучение проволочных резисторов тепловыми нейтронами ПИЧ около 10¹⁹ нейтр./см² приводит к необратимому увеличению сопротивления (менее чем на 2% от исходной величины). При облучении их быстрыми нейтронами до ПИЧ 10²⁰ нейтр/см² изменений в характеристиках не наблюдалось.

Менее устойчивы к ИИ металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. При их обл учении одновременно быстрыми, тепловыми, надтепловыми нейтронами (соответственно величины ПИЧ: 10¹⁴, 10¹⁸, 10¹⁶ нейтр./см²) и γ-излучением (ПДИ 10⁸ рад) отмечено постепенное увеличение сопротивления до 3,5% При этом необратимые изменения составляют менее 2%. Устойчивость к влаге, уровень шумов и ТКС резисторов после облучения не меняются.

Бороуглеродистые резисторы ненадежны при облучении тепловыми нейтронами: ПИЧ около 10¹⁸ нейтр./см² вызывает существенное (на 20%) повышение сопротивления и снижение влагостойкости резисторов в 2 раза. Основная причина в нарушении структуры проводящей пленки.

Композиционные резисторы в равной мере нестойки к корпускулярному и фотонному излучениям. Длительное воздействие нейтронов ПИЧ 10¹⁴ нейтр./см² или γ-изл учения ПДИ 10⁸ рад приводит к снижению влагостойкости, возрастанию уровня собственных шумов в 2 раза, изменению номинального омического сопротивления rном до 10%. Причиной перечисленных необратимых радиационных дефектов является нарушение структуры органических материалов, использованных в качестве связующих в проводящей композиции.

Тонкопленочные интегральные резисторы способны выдерживать потоки быстрых нейтронов ПИЧ более 10¹⁶ нейтр./см² без существенных изменений величины сопротивления и параметров надежности. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают танталовые, никелевые, ни

хромовые тонкопленочные резисторы, покрытые пассивирующей защитной пленкой.

В радиационно-стойкой РЭА рекомендуется применять резисторы с r_ном < 10 КОм. Высокоомные резисторы защищают заливкой либо опрессовкой эпоксидной смолой. Увеличение толщины защитного покрытия в 10 раз позволяет снизить нестабильность резистора в 6...8 раз. При уменьшении размеров резистора его устойчивость к ИИ повышается.

Влияние ИИ на конденсаторы

Воздействие ИИ сказывается на параметры электрической прочности конденсаторов r_изол, tg δ, C_ном. Причины этих изменений: преобразования в структуре диэлектрика, механические деформации, ионизация диэлектрика и окружающей среды, выделение газов

Рентгеновское и γ-излучение вызывают в основном обратимые радиационные дефекты. При облучении нейтронам возможны как обратимые, так и необратимые радиационные дефекты. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают конденсаторы с неорганическим диэлектриком: керамические стекло-эмалевые, слюдяные. Изменение их параметров при облучении нейтронами ПИЧ до 10¹⁶ нейтр./см² и воздействии γ-излучения ПДИ до 10⁹ рад не превышает долей или единиц процентов (исключение составляют низкочастотные сегнето-керамические конденсаторы, изменение их емкости достигает 25%) Менее чем через 2 ч после окончания облучения параметры керамических, стеклоэмалевых и слюдяных конденсаторов восстанавливаются до исходных.

Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые, лавсановые, триацетатные, фторопластовые) обладают пониженной устойчивостью к ИИ облучении таких конденсаторов резко падает rизол, в 10 ... 20 раз увеличивается tgδ, изменения Cнoм составляют единицы или десятки процентов. Общая причина этих изменений — разложение полимерных материалов. Лишь через 200 ... 300 ч после облучения параметры таких конденсаторов восстанавливаются до допустимых пределов.

Электролитические конденсаторы при облучении ненадежны. Отмечены случаи разгерметизаций из-за разложения электролита. Изменение емкости носит нерегулярный характер. Сведения о радиационной стойкости электролитических конденсаторов не достоверны.

Из интегральных тонкопленочных конденсаторов наиболее устойчивы к ИИ конденсаторы с диэлектриком на основе Та₂O₅ и Аl₂O_3.

Влияние ИИ на полупроводниковые приборы

Воздействие ИИ служит причиной обратимых либо необратимых радиационных дефектов, являющихся следствием ионизации и структурных нарушений в кристаллах.

Ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объеме полупроводника избыточных зарядов.

Заряды, двигаясь под действием градиентов концентраций и электрических полей; создают фототоки величина избыточных фототоков пропорциональна эффективному (по сбору дополнительных носителей) объему прибора Последний (для биполярных структур) определяется шириной области объемного заряда, площадью p-n-переходов и диффузионной длиной пробега неосновных носителей по обе стороны переходов. Поэтому минимизация размеров полупроводниковых приборов повышает их устойчивость к ИИ

Величина фототока зависит только от скорости поглощения энергии за счет электронных процессов и не зависит от типа и спектра ИИ После окончания ИИ фототок уменьшается до нуля в соответствии со временем жизни неосновных носителей заряда

Структурные, нарушения обусловлены взаимодействием ИИ с кристаллической решеткой полупроводника. Степень структурных нарушении зависит от вида и энергии частиц, ПДИ. Известно, что даже незначительные дефекты структуры кристаллической решетки вызывают существенное изменение параметров полупроводниковых материалов: подвижности, эффективной концентрации, времени жизни носителей заряда. Поэтому следствием структурных нарушений являются необратимые дефекты полупроводниковых приборов.

В зависимости от типа прибора, технологии его изготовления, условий работы, вида и энергии излучения, преобладает тот или иной механизм нарушений. Он и определяет радиационную стойкость прибора.

Полупроводниковые диоды

Основные радиационные эффекты в диодах: фототоки (на один-два порядка больше рабочих токов), изменение сопротивления полупроводника, времени жизни носителей заряда.

Германиевые диоды.

Нейтронное ИИ при ПИЧ порядка 10¹¹ нейтр./см² вызывает заметное изменение вольт-амперных характеристик: проводимость диодов в прямом направлении уменьшается, в обратном – увеличивается; полный отказ наблюдается при ПИЧ более 10¹³ нейтр./см².

При воздействии фотонных ИИ(ПДИ 10⁴ рад, мощность ПДИ 10² рад/с) возникают фототоки, возрастает обратный ток (на 10%), уменьшается емкость p-n-перехода (на 10%). Через несколько дней после прекращения ИИ параметры диодов восстанавливаются до первоначальных. Кремниевые диоды. Нейтронное ИИ при ПИЧ порядка 10¹² нейтр./см² вызывает заметное изменение вольт-амперных характеристик. При этом проводимость точечно-контактных диодов уменьшается в прямом и обратном направлениях. У плоскостных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. В обратном направлении проводимость некоторых типов плоскостных кремниевых диодов с увеличением нейтронного потока увеличивается, достигает максимума при некоторой величине потока, после чего уменьшается При θ = 423 К воздействие ИИ на прямые характеристики сказывается меньше, нежели при нормальной температуре. Облучение нейтронами позволяет до 1000 раз уменьшить время переключения кремниевых диодов Полный отказ диодов при нейтронном облучении наблюдается при ПИЧ порядка 10⁸ ... ...10¹⁷ нейтр./см²; γ-излучение вызывает обратимые изменения вольт-амперных характеристик.

Туннельные диоды.

При нейтронном ИИ заметное изменение вольт-амперных характеристик диодов наблюдается лишь при ПИЧ порядка 10¹⁷ нейтр./см² Потенциальная устойчивость туннельных диодов к ИИ обусловлена низким ρe. полупроводникового материала сравнительно высокой рабочей θ, слабой зависимостью характеристик диодов от ионизационных эффектов.

Интегральные диоды.

Радиационная стойкость обеспечивается при использовании коллекторного или эмиттерного переходов радиационное стойкого транзистора- Наибольшей устойчивостью к ИИ обладают высокочастотные диоды (с тонкой базой).

 

Биполярные транзисторы.

Радиационная стойкость в основном определяется деградацией коэффициента передачи по току. Второстепенные эффекты: изменение второстепенных характеристик p–n-переходов, уменьшение емкостей p–n-переходов. Главная причина деградации параметров биполярных транзисторов при ИИ — радиационные дефекты в полупроводниковом материале.

Максимально допустимый ПИЧ,

который может выдержать биполярный транзистор для заданного изменения параметра h2i, определяется из соотношения:

F_N≤5,15Kv_α(h₂₁/h^И₂₁-1)/h₂₁

 

 

где γα — граничная частота усиления транзистора по току а схеме с обшей базой, Гц; h21— коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером до начала ИИ, h^И₂₁ — коэффициент передачи транзистора потоку в схеме с общим эмиттером после ИИ; К — постоянная, зависящая от типа транзистора, нейтр ּ с/см² (для германиевых транзисторов р—n—р-типа К = (4,2 ± 0,2) ּ 10⁷ и n—р—n-типа К = (1,8 ± 0,2) ּ 10⁷; для кремниевых транзисторов р—n—p типа К = = (0,3 ± 0,04) ּ 10⁷ и n—р—n-типа К = {0,46 ± 0,033) ּ 10⁷.

При облучении биполярных транзисторов, не имеющих на поверхности кристалла защитных покрытий, наблюдается обратимое возрастание тока l_ко из-за ионизационных эффектов. Удовлетворительного метода прогнозирования изменении l_ко при ИИ пока не найдено. При прочих равных условиях наиболее устойчивы к ИИ транзисторы с минимальными размерами структуры и ступенчатым распределением примеси в р—п-переходах.

Для повышения радиационной стойкости РЭЛ рекомендуется применять высокочастотные транзисторы с пассивирующими покрытиями па поверхности кристалла и с низкой мощностью рассеяния, работающие в режиме больших токов.

Униполярные транзисторы.

Радиационная стойкость определяется изменениями поверхностных и объемных состояний, обусловленными процессами в окисле, покрывающем поверхность приборов. Униполярные транзисторы выдерживают уровни ИИ меньшие, нежели биполярные. Наиболее чувствительны к воздействию ИИ униполярные транзисторы с изолированным затвором (МДП транзисторы) Уже при ПДИ фотонного излучения менее 10⁴ рад и ПИЧ, равном 10¹² част/см², наблюдается необратимый сдвиг характеристик прямой передачи в сторону более отрицательных смещений затвора (изменение порогового напряжения). Направление сдвига не зависит от типа проводимости канала и напряжения на затворе Равные дозы различных излучений создают одинаковый сдвиг характеристик. Абсолютная величина сдвига зависит от толщины и материала диэлектрической пленки (чувствительность к ИИ снижается в следующей последовательности; SiО₂, SiN₄, SiO, Al₂O₃), материала электродов, технологии изготовления приборов, напряжения на затворе. Наиболее устойчивыми к ИИ являются МДП структуры с диэлектриком на основе Аl₂О₃. Они выдерживают фотонные излучения с ПДИ до 10⁷ рад и уровни быстрых нейтронов ПИЧ до 10¹⁵ нейтр./см². Униполярные транзисторы с управляющим р—n-переходом обладают большей устойчивостью к ИИ, чем МДП транзисторы. Последствия И И проявляются в увеличении тока утечки затвора. Минимально изменяются и характеристики транзисторов с p-каналом: ток утечки затвора при ИИ не превышает 10 нА. В транзисторах с n-каналом при обратном смещении на затворе ток утечки может дости г ат ь 1 мкА.

Таким образом, среди униполярных транзисторов наибольшей устойчивостью к воздействию ИИ обладают приборы с управляющим р—n-переходом и p-каналом.

 

Интегральные микросхемы.

Действие ИИ проявляется в обратимых нарушениях работоспособности, вызванных ионизационными эффектами, и в необратимой деградации параметров. Основные причины нарушения работоспособности: изменение параметров у входящих в них элементов (резисторов, транзисторов и др.), повреждение межсоединений, ухудшение качества изоляции Радиационная стойкость конкретных ИС определяется их конструктивно-технологическими и схемными особенностями.

Конструктивно-технологические

методы повышения радиационной стойкости НС следующие:

— обеспечение стойкости к ПИ активных и пассивных элементов;

— создание надежной электрической изоляции элементов в условиях воздействия ПИ;

— использование радиационно-стойких проводящих и диэлектрических пассивирующих материалов;

— ослабление первичного ИИ за счет рационального выбора конструкции корпуса и применение материалов, поглощающих энергию ИИ.

Наименее устойчивы к ИИ ИС с изоляцией встречно включёнными p–n-переходами. Уже при ПДИ 10⁴...10⁸ рад существенно возрастает уровень электрических паразитных связей между элементами. Активизируются также паразитные переключающие четырёхслойные структуры, связанные с изолирующими переходами. Всё это вызывает сбой или полный отказ ИС. Совершенствование этого способа ведется по пути уменьшения площади изолирующего перехода (метод ионной имплантации и др ) и использования изоляции в виде двуокиси кремния, сапфира, керамики. При использовании сапфировых подложек можно получить ИС» способные работать при мощности ПДИ до 10¹¹ рад/с. ИС на поликристаллической подложке выдерживает излучение с мощностью ПДИ до 10⁷...10⁸ рад/с. Повреждение межсоединений может произойти из-за фототоковой генерации и теплового поглощения материалов межсоединения низкоэнергетических фотонных излучений.

Разрушение межсоединений из-за фототоковой генерации характерно для биполярных ИС, в которых при ИИ плотность тока в металлизации может возрасти в 100 раз. Для алюминиевой металлизации типичной толщины предел термоэлектрической прочности составляет 5-10⁵ А/см², что достигается при помощи ПДИ, равной 2∙10¹¹ рад/с.

При тепловом поглощении фотонных излучений наблюдаются различные повреждения: от разрушения контактов до полного испарения соединений. Степень разрушений возрастает с ПДИ и зависит от атомного веса материала. Надёжность алюминиевых соединений существенно не изменится при действии ПДИ, разрушающих золотые проводники.

Значительный интерес для использования в условиях ИИ представляют НС на основе керамических элементов (керамические твердые схемы) Такие ИС способны работать при нейтронном ИИ при ПИЧ 10¹⁷ ... 10¹⁹ нейтр./см² и ПДИ фотонных излучений до 10¹⁰ ... 10¹¹ рад.

Рисунок 2.4. Стойкость материалов и ЭРЭ к воздействию переноса ионизирующих частиц ПИЧ (о) F_N, нейтр/см² и к поглощенной дозе D (D), рад.

 

С помощью конструктивно-технологических мер предполагается в ближайшие годы повысить радиационную стойкость ИС на 3 ... 4 порядка [22 ... 26]. В настоящее время хорошо отработаны и широко используются схемотехнические методы фототоковой компенсации, функциональное резервирование н другие меры, позволяющие повысить радиационную стойкость ИС но один-два порядка.

Данные по допустимым ПИЧ и ПДИ для некоторых материалов и ЭРЭ приведены на рис. 2.4.

Влияние ИИ на электровакуумные приборы

Основные радиационные дефекты при воздействии ИИ на электровакуумные приборы: комптоновские токи, разгерметизация или разрыв баллона, выделение газов (СО, С0₂, O₂ пары Н₂O) с последующим отравлением катода, вторичное ИИ.

Главным источником комптоновских электронов является сетка. Анодный ток при воздействии ИИ увеличивается так, как если бы на сетку было подано положительное напряжение. Степень возрастания анодного тока зависит от коэффициента усиления лампы и величины сопротивления между сеткой и катодом.

Степень воздействий ИИ на баллоны из стекла и керамики зависит от сорта материала. Наименее стойкими к ИИ являются баллоны из стекла, содержащего бор: при ПИЧ порядка 10¹⁶ нейтр./см² они разгерметизируются. Радиационные дефекты керамических баллонов: повышенное газовыделение и в 2 ... 5 раз больше, нежели у стеклянных, вторичное ИИ (до 100 рад/ч).

Наибольшей стойкостью к ИИ обладают приемно-усилительные лампы (допустимый ПИЧ 10¹⁶ нейтр./см²). Фотоэлементы и электронно-лучевые трубки наименее устойчивы к ИИ (допустимый ПИЧ 10¹³ нейтр./см²): их отказ может произойти как из-за повреждения рабочих элементов, так и из-за изменения свойств защитных стекол.

 

Защита РЭА от ИИ

На рис. 2.5, а—д показаны характерные варианты защиты РЭА от ИИ. Общая экранировка (а) требует наличия массивного (для эффективности) экрана U защищающего РЭА 2 от ИИ с любой стороны. Если взаимное положение источника ИИ в РЭА известно и стационарно, то можно применить теневой экран (б), Для защиты от космического : ИИ используют многослойные экраны (в) из металлов с высоким кулоновским барьером (например, свинец) 5 и поглощающие прослойки 6, 7. Большее число слоев (г) требует гамма-нейтронная защита, при которой, наряду с кожухом РЭА 8, используют полиэтилено-свинцовый экран 9 для защиты от γ-излучения, термический противонейтронный экран 10 из полиэтилена с окисью бора, полиэтилено-графитовый замедлитель быстрых нейтронов 11 и нержавеющую сталь 12

Точная информация о свойствах источника ИИ и специфике РЭА позволяет комплексно применять все приемы защиты с целью минимизации ее размеров и массы В этом случае наряду с защитным экраном) и радиационно-стойкими компонентами 2 используют локальную защиту отдельных компонентов РЭА

3 и специальное защитное покрытие

4 (д).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воздействие полей СВЧ>