Качеству и надёжности аппаратуры космической техники всегда уделяется огромное внимание. В настоящее время к электронной компонентной базе (ЭКБ), применяемой в космической аппаратуре, предъявляются следующие особые требования:
- наработка на отказ не менее 150 000 часов, срок службы не менее 25 лет;
- стойкость к воздействию дестабилизирующих излучений (ДИ) космического пространства:
- к накопленной дозе (НД) – не менее 80–300 крад;
- к воздействию тяжёлых заряженных частиц (ТЗЧ) – пороговое значение линейных потерь энергии (ЛПЭ) не ниже 60 МэВ×см2/мг; - работа в расширенном диапазоне температур (от -60 до +125°С);
- работа в условиях вакуума и невесомости (при отсутствии конвективного теплообмена).
Создание современной ЭКБ, стойкой к ДИ космического пространства, невозможно без применения совокупности технологических, конструктивных и схемотехнических методов, а также без проведения моделирования влияния дестабилизирующих излучений на этапе проектирования компонентов. К технологическим методам относятся как разработка специализированных техпроцессов изготовления ИМС, так и улучшение радиационных свойств слоёв и материалов, входящих в конструкцию ИМС или её элементной базы. В настоящее время такими методами являются: технология «кремний на изоляторе» (КНИ), специализированные операции создания диэлектрических слоёв, в особенности подзатворного диэлектрика (GOX) и скрытого слоя оксида кремния (BOX) в КНИ-структурах. К конструктивным способам повышения стойкости относится использование специальных корпусов, методов локальной защиты и т.п. Схемотехнические методы включают в себя использование специализированных схемотехнических решений для блоков ИМС, применение библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга, так называемых «резервных» библиотек элементов, отбор библиотечных компонентов, разработка эффективных блоковых кодов и ряд других приёмов [1, 2].
В настоящей статье описываются преимущества использования КНИ-биполярных и BCD-техпроцессов для ИМС космической силовой электроники.
Техпроцессы для ИМС космической силовой электроники
В космической силовой электронике ИМС в основном применяются в DC/DC-модулях систем вторичного электропитания, в конечных DC/DC-преобразователях систем распределённого питания, в драйверах электромоторов, драйверах плазменных панелей, электронных трансформаторах и другой преобразовательной аппаратуре.
Схемотехника DC/DC-модулей си-стем вторичного электропитания с бортовым питанием 27 и 100 В основана на использовании ИМС ШИМ-контроллеров, операционных усилителей (ОУ) и компараторов, прецизионных регулируемых стабилитронов, LDO-регуляторов [3]. Перечисленные классы ИМС традиционно изготавливаются по радиационно стойкой 20–40 В биполярной технологии. Основные производители ИМС данного класса – Texas Instruments, STMicroelectronics, Microsemi, Linear Technology, Aeroflex.
ИМС классических конечных DC/DC- преобразователей представляют собой неизолированные импульсные понижающие стабилизаторы напряжения с синхронным или асинхронным выпрямлением со встроенными в ИМС или внешними силовыми транзисторами. Конечный DC/DC-преобразователь также может иметь в своём составе LDO-регулятор. Малые размеры преобразователей напряжения достигаются за счёт использования высокой частоты переключения (до 1 МГц) и схемы контроля выходного тока, что позволяет, соответственно, уменьшить размер индуктивности и снизить количество компонентов. Так как конечные преобразователи, как правило, преобразуют напряжение порядка 3,3¼5,0 В в стабилизированное напряжение в диапазоне 0,8¼1,5 В, то ИМС для них изготавливается по радиа-ционно стойким низковольтным (7–15 В) биполярной или КМОП-технологиям. В случае использования более высоких входных напряжений 8–15 В для изготовления ИМС данного класса обычно применяют радиационно стойкий 20–40 В BCD-процесс. Основные производители ИМС данного класса – фирмы Texas Instruments и Linear Technology.
ИМС драйверов предназначены для использования в драйверах электромоторов (управление затворами MOSFET и IGBT), в bust или buck АС/DC-инверторах, драйверах плазменных панелей, электронных трансформаторах. Основным технологическим процессом для изготовления ИМС данного класса является 100–400 В радиационно стойкий ВСD-процесс.
Технологические и конструктивные методы, используемые при разработке и изготовлении вышеназванных классов ИМС, позволяют получать стойкость к НД на уровне 30–100 крад и к воздействию ТЗЧ не ниже 30–60 МэВ×см2/мг. Дальнейшее усовершенствование технологического процесса позволяет не только увеличить стойкость ИМС к ДИ, но и повысить надёжность ИМС за счёт упрощения схемотехнических решений. Из последних достижений в этой области следует отметить использование КНИ-технологии для производства ИМС космической электроники.
В технологии КНИ приборный слой монокремния электрически изолирован от остальной части кремниевой подложки и элементы ИМС электрически изолированы друг от друга канавками, заполненными оксидом кремния. Это позволяет:
- полностью исключить эффект защёлки;
- исключить токи утечки в подложку, которые экспоненциально увеличиваются с ростом температуры;
- уменьшить паразитные ёмкости;
- уменьшить площадь кристалла за счёт использования канавочной (trench) изоляции;
- уменьшить паразитное взаимодействие между цифровой и аналоговой частями ИМС;
- уменьшить эффект паразитного тока подложки, связанного с воздействием ионизирующего облучения;
- увеличить стойкость к накопленной дозе до 1 Мрад и выше и устойчивость к воздействию ТЗЧ до уровня не ниже 60–80 МэВ×см2/мг [4–6].
Особенности радиационно стойкого КНИ-биполярного техпроцесса
Из особенностей основных, существующих в настоящее время КНИ-биполярных техпроцессов можно выделить метод формирования КНИ-изоляции: меза- и канавочная структура изоляции. Для КНИ-мезаструктуры скрытые слои формируются в n-подложке с концентрацией примеси, как в эпитаксиальном слое стандартного (не радиационно стойкого) техпроцесса, затем формируются мезаканавки, проводится их окисление и заполнение поликремнием (PolySi). Получившаяся структура «спекается» с подложкой носителем, после чего «лишний» слой n-подложки убирается шлифовкой.
Для КНИ-техпроцесса с канавочной изоляцией используются КНИ-подложки типа Unibond с достаточно толстым 2–5 мкм слоем приборного кремния, в котором формируются n+- и р+-скрытые слои. Далее выращивается эпитаксиальный слой, формируются диффузионные слои глубоких коллекторов n-p-n- и p-n-p-транзисторов. Формирование канавочной изоляции методом глубокого ПХ-травления обычно проводят после завершения всех необходимых высокотемпературных операций с температурой выше 1 000°С.
Финальная структура n-p-n- и p-n-p-транзисторов КНИ-биполярных техпроцессов представлена на рисунке 1.
В дополнение к отмеченным выше достоинствам КНИ-процесса можно добавить, что для КНИ-биполярного техпроцесса характерны более низкая ёмкость перехода «коллектор – подложка», отсутствие модуляции величины ёмкости этого перехода при изменении напряжения на коллекторе. Кроме того, отсутствует необходимость в дополнительном n-скрытом слое для изоляции вертикального p-n-p-транзистора.
Особенности радиационно стойкого КНИ BCD-техпроцесса
Наличие в библиотеке BCD-процесса вертикальных n-p-n- и p-n-p-биполяр-ных транзисторов наряду с КМОП-, JFET- и ДМОП-транзисторами (см. рис. 2) предполагает использование толстоплёночной КНИ-структуры со скрытыми слоями в приборном слое кремния.
Для КНИ BCD-техпроцесса используются КНИ-подложки типа Unibond с 1,5¼2 мкм слоем приборного кремния, в котором формируются n+- и р+-скрытые слои. Затем выращивается эпитаксиальный слой, формируются диффузионные слои элементной базы и канавочная изоляция. Толстоплёночная КНИ-технология, используемая для BCD-техпроцесса, обладает отличной совместимостью с конструкцией большинства ИМС, изготовленных ранее по обычной радиационно стойкой BCD-технологии. Помимо этого её отличает простота добавления в техпроцесс возможностей для создания дополнительных элементов (транзисторов, резисторов и т.п.). Наличие скрытых слоёв и контакта с карманом в радиационно стойкой толстоплёночной КНИ-технологии позволяет:
- исключить эффект «плавающего тела» транзистора для обоих типов МОП-транзисторов;
- снизить коэффициент усиления паразитного биполярного транзистора в КМОП-структуре и тем самым увеличить стойкость этих транзисторов к воздействию одиночных ионизирующих частиц [7];
- значительно уменьшить эффект влияния радиационно-индуцированного заряда, захваченного в скрытом оксиде, на электрические характеристики транзистора.
Для КМОП-транзисторов ключевыми особенностями техпроцесса и конструкции, увеличивающими стойкость к ДИ, являются:
- уменьшение толщины подзатворного оксида;
- уменьшение температуры отжига подзатворного оксида в атмосфере азота, которая не должна превышать 850–875°С [8, 9];
- использование альтернативного подзатворного диэлектрика – переокислённого азотированного оксида [10];
- использование конструкции n-МОП-транзисторов с H-затвором и охранной областью р+-типа для предотвращения утечек между стоком и истоком вдоль границы бокового оксида, вызванных накоплением в нём положительного заряда в результате действия ДИ.
Основные характеристики биполярных ИМС для DC/DC-модулей
В специализированных DC/DC-модулях систем вторичного электропитания и другой преобразовательной аппаратуре специального назначения в настоящее время в основном используются такие типы ИМС, как ШИМ-контроллеры, ОУ и компараторы, прецизионные регулируемые стабилитроны. Основные электрические параметры ИМС данных классов, используемых в DC/DC-модулях, приведены в таблице 1.
СКТБ «Микроника» в настоящее время осуществляет разработку как ИМС данных типов, так и DC/DC-модулей на их основе [11], предназначенных для космической и специальной аппаратуры. Для производства ИМС используется КНИ-биполярный техпроцесс со стойкостью к поглощённой дозе гамма-облучения не ниже 100 крад и устойчивостью к воздействию ТЗЧ не ниже 60 МэВ×см2/мг. Стойкость к ДИ достигается как технологическими методами, описанными выше, так и посредством специализированных схемотехнических решений в блоках ИМС.
Основные характеристики BCD-микросхем конечных DC/DC-преобразователей
В последнее время наблюдается рост предложений продуктов для распределённых систем питания, которые в ряде применений обладают преимуществами перед централизованными системами питания:
- размещение конечных преобразователей PoL (Point of Load) DC/DC в непосредственной близости от потребителя энергии позволяет снизить мощность каждого из них, улучшить температурный режим и снизить помехи, возникающие в системе;
- использование относительно высоких уровней напряжений для питания конечных преобразователей PoL DC/DC при меньших токах снижает требования к диаметрам проводов, монтажу и повышает надёжность системы;
- система достаточно проста в разработке, легко расширяется и легко диагностируется.
Наряду с компаниями Texas Instruments и Linear Technology разработкой ИМС данного класса для космической электроники, основные электрические параметры которых приведены в таблице 2, занимается СКТБ «Микроника» [12]. Использование спе-циального КНИ BCD-техпроцесса по-зволяет получать стойкость к поглощённой дозе гамма-облучения не ниже 100 крад и устойчивость к воздействию ТЗЧ не ниже 60 МэВ×см2/мг.
Заключение
Полная диэлектрическая изоляция каждого отдельного элемента (транзистора, резистора, конденсатора и пр.) в КНИ-технологиях позволяет полностью исключить эффект защёлки и токи утечки в подложку, уменьшить паразитные ёмкости и, таким образом, делает данные технологии наиболее пригодными для использования в производстве ИМС космической электроники. Хотя элементы в КНИ-технологиях существенно меньше по объёму в сравнении с традиционными технологиями, они могут быть чувствительны к воздействию одиночных ионизирующих частиц, что определяется главным образом паразитными электрическими структурами. Для уменьшения влияния этого фактора используются как технологические (специальные методы формирования подзатворного диэлектрика), так и конструктивные (охранные кольца, скрытые слои, H-затвор) методы.
Литература
- Lacoe R. CMOS scaling, design principles and hardening-by-design methodologies. 2003 IEEE NSREC. Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: How design scaling has affected the selection of space borne electronics. July 2003. Monterey, California.
- Oldham T. R. How device scaling affects single event effects sensitivity. 2003 IEEE NSREC. Short Course. Radiation effects in advanced commercial technologies: how design scaling has affected the selection of space borne electronics, July 2003. Monterey, California.
- Каталог компании International Rectifier: www.irf.com/product-info/datasheets/hirel/ml1000605d.pdf
- Silicon On Insulator, Application Note 1107, Intersil Corp.: www.soiconsortium.org/pdf/SOI_Implementation_WhitePaper_Infotech_v2.pdf
- PR40 Process: 40V Complementary Bipolar Plus JFET (CBiFET) Process, Intersil Corp.: www.intersil.com/en/products/pr40-adv-complementary-bipolar-process.html
- Sharma A., Teverovsky A. Reliability Evaluation of Fully Depleted SOI (FDSOI) Technology for Space Applications: nepp.nasa.gov/docuploads/f8b88988-9a2d-462b-986eb801f50978a9/eval_fdsoiparti_neppfinalreport.pdf
- Musseau O. SEU in SOI SRAMs-a static model / O. Musseau, J.L. Leray, V. Ferlet-Cavrois, Y.M. Coic, B. Giffard – IEEE Transactions on Nuclear Science, 1994, Vol. 41, Issue 3, p. 607–612.
- Токарев В.В., Тютюнников С.И. Отчёт по результатам испытаний МОП-транзисторов на воздействие нуклонов. – ОИЯИ, лаборатория ФВЭ, г. Дубна, март 2013.
- Токарев В.В., Тютюнников С.И. Отчёт по результатам предварительных испытаний полевых транзисторов на воздействие ТЗЧ на оборудовании ОИЯИ в июне 2014 г. – ОИЯИ, лаборатория ФВЭ, г. Дубна, июнь 2014.
- Schwank J. Total Dose Effects in MOS Devices // Radiation Effects – From Particles to Payloads. IEEE NSREC Short Course, 2002. P. III-1 – III-123.
- Котов В., Цевелюк Е., Токарев В. DC/DC-модули мощностью до 15 Вт для 27- и 100-вольтного бортового питания // Силовая электроника. – 2017.
- Рудаковский Д., Котов В., Битно Л. Распределённая система электропитания на основе AC/DC- и DC/DC-преобразователей компании «Микроника» // Силовая электро-ника. – 2012. – № 6. – C. 8–11.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!