Разработка методов обеспечения функционирования устройств спутниковых телекоммуникаций в условиях длительного воздействия излучений космического пространства

Системы спутниковой связи занимают сегодня особое место в информационных и телекоммуникационных инфраструктурах промышленно развитых государств. Для огромной территории России системы спутниковой связи и телевизионного вещания являются основным средством увеличения объема и качества получаемой и передаваемой информации в интересах всех отраслей экономики и повышения информатизации общества. Именно эти обстоятельства определили приоритетность развития спутниковых систем связи среди других важнейших направлений развития современного общества.

Основным элементом системы спутниковой связи является ее космический сегмент — спутник связи (СС), от характеристик которого зависит эффективность функционирования всей системы. К числу основных требований, предъявляемых к характеристикам бортовых СС, относятся требования высокой безотказности и долговечности.

Наибольшие трудности в обеспечении указанных требований практически на всех этапах развития космонавтики возникали при создании радиоэлектронных, включая телекоммуникационных систем (ТКС), так как именно для них характерны наиболее высокие темпы роста функциональной и аппаратной сложности, а темпы роста требований к надежному их функционированию существенно превышают темпы роста надежности их элементной базы.

В период до конца 60-х годов прошлого столетия основная направленность исследований состояла в повышении безотказности спутниковых систем в течение достаточно ограниченных сроков активного существования (САС), не выше 3−5 лет, достигаемой в первую очередь за счет введения различных форм избыточности (аппаратной, функциональной, временной и др.). Эти исследования и полученные результаты базировались в основном на математических методах (методы теории вероятностей и математической статистики, случайных процессов, теории графов, исследования операций и др.), разработанных и развитых отечественными учеными: Б. В. Гнеденко, П. П. Пархоменко, Б.С. Сот-сковым, В. И. Сифоровым, Ю. К. Беляевым, А. Д. Соловьевым, И. А. Ушаковым,.

A.Н. Северцевым, Б. А. Козловым и др.

В области радиационной стойкости научными коллективами «22 ЦНИ-ИИ» МО (Чепиженко А.З.), «ЦНИИМаш» (Ужегов В. М), ИАЭ им. Курчатова (Ухин Н.А.), «НИИП» (Тутуров Ю.Ф.), МИФИ (Агаханян Т.М., Першенков.

B.C., Попов В.Д.), «РНИИЭС» (Кулаков В.М., Малинин В.Г.), «МНИРТИ» (Мырова JT.O.) «РНИИ КП» (Горин Б.М.) и другими организациями промышленности, РАН и высших учебных заведений были разработаны методические подходы к заданию требований по радиационной стойкости и оценке соответствия этим требованиям ЭРИ и аппаратуры. Начаты исследования дозовых и временных эффектов в комплектующих элементах и аппаратуре при воздействии ионизирующих излучений (в первую очередь, высокоинтенсивных воздействий искусственных источников).

В области космофизики к тому времени усилиями ученых «НИИЯФ» МГУ (Вернов С.Н., Кузнецов И. В), «ИКИ» РАН (Застенкер Т.Н., Зеленый Л.М.) «ИЗМИ» РАН (Ораевский В.Н., Кузнецов В.Д.) и др. были сформулированы представления и получены исходные экспериментальные данные О’характеристиках радиационных поясов Земли, космических лучей и т. д.

Исследования указанных авторов и научных коллективов, в организации выполнении которых активное участие принимал и автор диссертации, создали условия для осознания сложной иважной проблемы необходимости учета влияния ионизирующих излучений космического пространства на надежность комплектующих элементов, устройств и аппаратуры в целом.

С возникшей сегодня потребностью увеличения сроков активного существования космических аппаратов (КА) эта проблема приобрела особую актуальность и значимость и стимулировала проведение исследований и разработку адекватной поставленным в работе цели и задачам. Так в современных условиях конкурентоспособность и рентабельность проектов предоставления услуг космической связи определяют необходимость создания КА с САС 12 и более лет.

Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что прогресс в создании КА с такими САС невозможен без коренного изменения традиционной методологии работ в области разработки, испытаний и обеспечения надежности их электронных систем, в том числе и телекоммуникационных. Существующие методы не полностью обеспечивали требуемые характеристики надежности уникальных систем КА, как правило, единичными экземплярами. Кроме того, указанные методы не позволяли в необходимой мере учитывать влияние на надежность специфических воздействий внешней среды космического пространства, прежде всего воздействий низкоинтенсивных ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП), так как в центре внимания указанных исследований были вопросы стойкости электронных систем к высокоинтенсивным ионизирующим полям искусственного происхождения, возникающих, например, во время ядерного взрыва.

Также, согласно действующим в указанный период нормативным документам, влияние действия ИИ КП на надежность фактически не учитывалось.

В то же время при длительных САС радиационный ресурс комплектующих элементов расходуется на протяжении всего срока их службы. Поэтому процессы радиационной деградации и физико-химические процессы старения элементов и устройств имеют один временной масштаб. Кроме того, развитие и совершенствование современных ТКС идет по пути широкого использования в них больших интегральных микросхем высокой степени интеграции (БИС и СБИС) и в последнее время такие элементы и устройства находят все большее применение в космической технике.

Элементы этих систем на борту КА подвергаются воздействию космических лучей, представляющих собой поток заряженных частиц высоких энергий. Высокоэнергетичные заряженные частицы, проходя через конструктивные материалы КА, теряют часть своей энергии на тормозное электромагнитное излучение (ТЭМИ), дающее значительный вклад в поглощенную дозу. Недостаточная изученность факторов КП и их влияния на физические процессы, протекающие в элементах, отсутствие моделей расходования и прогнозирования ресурса в условиях воздействия излучений сдерживало развитие КА с длительными САС. Поэтому для обеспечения работоспособности элементов ТКС на борту космических аппаратов необходимо также знание дозовой стойкости этих элементов. Причем, следует отметить, что такие данные сегодня практически отсутствуют. Следовательно, получение данных по дозовой стойкости больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) ИМС является важной и актуальной задачей.

Решение этой проблемы осложняется также и процессом «сворачивания» производства радиационно-стойких интегральных микросхем с одной стороны и отсутствием методов прогнозирования отказов при таком длительном воздействии низкоинтенсивного ИИ КП с другой стороны. Значительное сокращение и даже полное прекращение производства радиационно-стойких ИМС обусловлено выходом на первое место применения микросхем в компьютерной технике и снижением объема заказов для военной и космической техники. Поэтому разработчики бортовых устройств вынуждены часто применять коммерческие изделия, что повышает важность развития и совершенствования методов обеспечения их стойкости при воздействии ИИ КП.

Необходимость преодоления отмеченных трудностей потребовала постановки комплексных работ, объединенных в Межведомственные программы. Именно все это и определило важность и актуальность решаемой в диссертации научно-технической задачи — разработка методов обеспечения эффективного функционирования существующих и перспективных ИМС устройств спутниковых телекоммуникаций в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП для решения задачи увеличения САС КА до уровней, определяемых требованиями экономической эффективности спутниковых систем связи.

Объектом исследования в работе выбраны микросхемы высокой степени интеграции (БИС и СБИС), которые сегодня вообще не исследованы и являются наиболее перспективными для использования при решении задач по созданию устройств спутниковых телекоммуникаций, функционирующих в условиях длительного воздействия ИИ КП.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование, разработка и совершенствование методов оценки воздействия ИИ КП на элементы и устройства ТК для создания методов и средств обеспечения их стойкости в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП.

Поставленная цель достигается решением следующих, задач:

— исследование особенностей длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП на ИМС спутниковых ТК;

— выбор и обоснование перспективных ИМС для проведения исследований по оценке их стойкости к воздействию ИИ КП;

— обобщение существующих методов оценки воздействия ИИ КП на БИС, уточнение и разработка методов оценки, основанных на новых подходах к прогнозированию и испытаниям элементов, используемых в бортовых устройствах КА, к длительному воздействию низкоинтенсивных ИИ КП;

— прогнозирование критериальных параметров радиационной стойкости выбранных изделий к воздействию низкоинтенсивных ИИ КП;

— разработка методик испытаний выбранных элементов на воздействие низкоинтенсивных ИИ КП;

— экспериментальные исследования выбранных элементов на воздействие низкоинтенсивных ИИ КП на основе разработанных методик и программ испытаний;

— разработка методов обеспечения функционирования устройств телекоммуникаций в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных ИИ КП.

Научная новизна работы заключается: — в разработке нового подхода к прогнозированию и испытаниям элементов ТКС на основе использования методов неразрушающего контроля индивидуальной радиационной стойкости элементов телекоммуникаций, используемых в бортовых устройствах космических аппаратов;

— в разработке впервые методик прогнозирования функциональных радиационных отказов элементов ТКС и прогнозирование предельной накопительной дозы (ПНД) в активном режиме по результатам радиационных испытаний в пассивном режиме;

— в разработке и совершенствовании методов экспериментальной оценки воздействия ИИ КП на элементы ТКС;

— в новых теоретических и экспериментальных данных по стойкости БИС и СБИС к длительному воздействию ИИ КП;

— в результатах оценки эффективности существующих и перспективных методов и средств повышения стойкости элементов ТКС к воздействию ИИ КП и разработке методов по обеспечению функционирования устройств спутниковых телекоммуникационных систем в условиях длительного воздействия низкоинтенсивных излучений космического пространства.

На защиту выносятся:

1. Метод прогнозирования функциональных отказов ИМС на основе применения минимального напряжения их питания, при котором сохраняется функционирование в условиях низкоинтенсивного воздействия ИИ КП.

2. Метод прогнозирования индивидуальной дозы отказа ИМС и восстановления их характеристик, основанный на применении низкоинтенсивного облучения «безопасной» дозой ИМС с последующим низкотемпературным отжигом, позволяющий использовать его при проектировании спутниковых ТКС.

3. Методика выявления образцов ИМС с аномально низкой радиационной стойкостью.

4. Методы экспериментальной оценки стойкости элементов телекоммуникаций к воздействию ИИ КП и результаты экспериментальных исследований.

5. Методы обеспечения стойкости элементов ТКС к дозовым эффектам, вызванных длительным воздействием ИИ КП.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов.

В работе использованы экспериментально-физические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на методах теории вероятностей и математической статистики, асимптотических методах теории форсированных испытаний. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и ограничений, адекватностью принятых математических моделей исследуемых процессовбольшим объемом статистических данных по экспериментальным исследованиямсравнением теоретических результатов с результатами экспериментов и апробацией принципиальных положений и разработанных методов в практике создания устройств телекоммуникаций для ряда КА.

Практическая значимость результатов работы состоит:

— в разработке метода прогнозирования радиационной стойкости элементов ТКС при низкоинтенсивном облучении по результатам измерения их критериальных параметров на начальном этапе испытаний, что позволяет существенно сократить время облучения;

— в разработке метода определения радиационной стойкостипозволяющего производить выбор образцов ИМС с заданным значением ПНД для установки их в бортовые устройства ТКС;

— в разработке метода выявления и отбраковки «аномальных» образцов ИМС, позволяющего обеспечить необходимый уровень радиационной стойкости бортовых устройств ТКС;

— в новых результатах экспериментальных исследований стойкости БИС и СБИС, на основе которых определены уровни воздействия ИИ КП, при которых наступают отказы входных устройств и элементов ТКС. Это позволяет создать базу данных по пороговым уровням уязвимости элементов ТКС, используемых в бортовых устройствах космических аппаратов;

— в разработке рекомендаций по повышению стойкости функционирования элементов ТКС в условиях воздействия ИИ КП, что позволяет обеспечить условия для успешного создания негерметичных КА нового поколения, соответствующих лучшим мировым аналогам по характеристикам назначения и технико-эксплуатационным показателям.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОКР «Коррускант» и ОКР «Акцент, выполненные при непосредственном участии автора. Они нашли практическое применение на ряде предприятий при проектировании перспективных систем связи, устойчивых к воздействию ИИ КП (ФГУП «МНИРТИ», ФГУП «НИИКП», ФГУП «НПО ПМ)), а также реализованы при разработке мероприятий по защите элементов спутниковых ТКС и в ТЗ на разработку новых перспективных видов аппаратуры, устойчивой к воздействию низкоинтенсивных ИИ КП (ООО «НИИИСТ»). Результаты внедрены в отраслевые нормативные документы «Роскосмоса» (РД 134−0143−2005) и нормативные документы ФГУП «НИИКП» (ЦДКТ.430 104. 006- 018). Результаты также внедрены в учебный процесс МИ-ЭМ на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и МИФИ на кафедре «Микроэлектроники».

Апробация работы. Работа в целом и отдельные ее результаты опубликованы в виде статей в научно-технических журналах по проблеме, докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях «Стойкость-2003», «Стой-кость-2004», «Стойкость-2005" — «Элементная база космических систем 2006" — 9-ой Российской НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», С.-Петербург, 2006 г.- НТК «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», Сочи, 2006гна 3-ей международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование», 2005 г.- на 4-й Международной конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах» (ITT IS/05, июнь-02−09, 2007. Испания), а также на конференциях «Научная сессия МИФИ» 2006 г. и 2007 г. и на научно-технических семинарах кафедры.

Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" МИЭМ с 2005 г. по 2007 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено 2 патента по теме диссертации: № 2 254 587, 2005 г.- № 2 311 654, 2007 г.

Личный вклад автора состоит в том, что все результаты, составившее основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Подробный анализ вклада автора диссертации в печатные труды, выполненные в соавторстве, изложены в Заключении.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 85 наименований. Основной текст диссертации изложен на 141 страницах, в том числе 47 рисунков и 17 таблиц.

4.6. Выводы по главе у.

1. Метод прямого контроля радиационной стойкости КМОП БИС (дозо-вые эффекты) по прогнозу изменения критериального параметра функционирования при малодозовом низкоинтенсивном облучении достаточно точен и может быть рекомендован для отбора КМОП БИС с заданным значением радиационной стойкости.

2. Метод контроля радиационной стойкости КМОП БИС по степени восстановления критериального параметра функционирования после малодозового t низкоинтенсивного облучения может быть использован для отбраковки потенциально ненадежных БИС.

3. Уточненная технология прямого неразрушающего контроля радиационной стойкости КМОП СБИС, внедренная в ФГУП НИИ КП, может быть рекомендована к применению на предприятиях, создающих аппаратуру, функционирующую в условиях воздействия ионизирующих излучений для экономичной отбраковки и оценки используемой электронной компонентной базы.

4. Полученные результаты высокой радиационной стойкости СБИС высокой степени интеграции, изготовленные по классу INDUSTRIAL, требуют продолжения работ и оценки возможности их распространения на все КМОП СБИС высокой интеграции с определением пороговых значений их радиационной стойкости. I t.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие наиболее значимые научные и практические результаты:

1. Проведены исследования современного состояния вопроса по обеспечению стойкости устройств ТКС к воздействию низкоинтенсивных ИИ КП и показано, что проблема повышения их стойкости к ИИ КП стала актуальной в связи с необходимостью создания КА с длительными сроками их активного существования на орбите (12 и более лет).

2. Проведен анализ характеристик ИИ КП и установлено, что ИИ КП, представляющие собой потоки заряженных частиц (электронов, протонов и ионов различных элементов), являются источниками значительной дозы радиации и показана эффективность воздействия их при длительных сроках активного существования КА на орбите, что делает этот вид воздействия опасным для элементов, устанавливаемых на борту КА.

3. Показано, что прогресс в создании КА с повышенным сроком активного существования невозможен без коренного изменения традиционной методологии работ в области разработки, испытаний и обеспечения радиационной стойкости их электронных систем, в том числе и телекоммуникационных систем.

4. Впервые установлено, что для большинства современных элементов БИС и СБИС, работающих в составе спутниковых ТКС в условиях воздействия ИИ КП, использование линейных моделей расходования и прогнозирования ресурса (ПальгренаМайнера, Пешеса — Степановой, Седякина и др.) имеют ограниченную область применения, в связи с тем, что основные принципы, лежащие в основе этих моделей (аддитивности' и марковости процессов расходования ресурса) при длительном воздействии ИИ не соблюдаются. Поэтому, в работе обоснована целесообразность использования статистического подхода для оценки показателей надежности элементов ТКС.

5. Разработан метод прогнозирования радиационной стойкости элементов ТКС при низкоинтенсивном облучении по результатам измерения их критериальных параметров на начальном этапе испытаний, что позволяет существенно сократитьвремя облучения;

6. Разработан новый подход к прогнозированию стойкости ИМС, основанный на использовании метода неразрушающего контроляиндивидуальной радиационной стойкости элементов ТКС (применение низкоинтенсивного облучения «безопасной» дозой с последующим низкотемпературным отжигом)^ позволяющий использовать его при проектировании спутниковых ТКС.

7. Впервые разработаны методики прогнозирования функциональных радиационных отказов элементов ТКС и прогнозирования ПНД в активном режиме по результатам радиационныхиспытаний в пассивном режиме.

8. Разработан метод определения радиационной стойкости, позволяющего производить выбор образцов ИМС с заданным значением предельной накопленной дозы (ПНД) для установки их в бортовые устройства ТКС.

9. Разработан метод выявления и отбраковки «аномальных» образцов ИМС, позволяющий обеспечить необходимый уровень радиационной’стойкости и надежности бортовых устройств ТКС.

10. Проведен анализ существующей экспериментальношбазы для проведения исследований и установленочто экспериментальный канал в шахте-хранилище реактора позволяет получить источник ионизирующего излучения с мощностью дозы от нескольких единиц рад/с до уровня фона в физзале реактора. При этой мощности дозы имеет место эффект низкой интенсивности и в то же времянабор необходимых доз ИИ происходит в приемлемые сроки.

11. Обоснован выбор элементов' для исследованиях учетом: того, что-наиболее перспективными для применения в ТКС являются КМОП ИМС: высокой степени, интеграции (БИС и СБИС) — микросхемы. памятимикроконтроллеры^ микропроцессоры, а также энергонезависимые ИМС — флэш-памяти. Результаты испытаний этого вида ИМС практически отсутствуют, что вызвано сложностью контроля их функционирования.

12. Разработаны программы и методики экспериментальных исследований и проведены испытаниявыбранных элементов ТК. В-результате проведенных исследований получены данные, на основе которых определены уровни воздействия ИИ КП, при которых наступают радиационные отказы входных устройств и элементов ТКС. Это позволяет создать базу данных по пороговым уровням уязвимости элементов ТКС, используемых в КА, и служить основой для задания требований в ТЗ на проектирование КА с длительным САС.

13. На основе полученных в работе результатов, обоснованы практические рекомендации, реализованные в разработанной технологии обеспечениярадиационной стойкости устройств спутниковых ТК к воздействию ИИ КП на основе прямого отбора ИМС с учетом всех критериальных эффектовэто позволяет обеспечить условия для успешного создания негерметичных КА нового поколения, соответствующих лучшим, мировым аналогам по характеристикам назначения и технико-эксплуатационным показателям.

14. В целом, научная и практическая значимость результатов исследования заключается в том, что впервые осуществлен синтез теоретических и экспериментальных методов обеспечения стойкости элементов ТК и на этой' основе решена задача обеспечения их функционирования в условиях длительного воздействия ИИ КП.

В работах, выполненных в соавторстве, диссертантом внесен следующий-вклад: [58, 75,76,77,82,83] поставлены и решены задачи выбора представительных элементов устройств спутниковых телекоммуникацийсформулированы требования к методам оценки стойкостиразработана программа и методика испытаний стойкости КМОП ИМС к воздействию низкоинтенсивного ИИ КПрешены задачи метрологического и инструментального обеспечения бортовых устройств ТКС.

Впервые предложена методика прогнозирования радиационных функциональных отказов.

Впервые разработан метод индивидуального определения НПД образцов КМОП ИМС, предназначенных к установке на борту КА.