В.С. Фигуров, ФГУП «НИИП»

Методы обеспечения единстварезультатов испытаний ИЭТ на

стойкость к воздействиюимпульсных ионизирующих

излучений

В.С. Фигуров, ФГУП «НИИП»

Общие положения• Единство результатов испытаний, проводимых на

различных экспериментальных базах (на различных моделирующих установках) можно считать обеспеченным, если при подготовке к испытаниям, их проведении и обработке их результатов обеспечено выполнение двух следующих условий:

• - исключена возможность противоположных заключений о соответствии испытанного изделия заданным требованиям;

• - обеспечена возможность взаимного прогнозирования результатов испытаний на одной моделирующей установке по фактическим результатам испытаний, проведённых на другой установке.

Общие положения• Приведенные условия нельзя воспринимать как

абсолютные, не подверженные возмущающему воздействию случайных погрешностей измерений при испытаниях.

• Противоположные заключения о соответствии (не соответствии) заданным требованиям можно получить при испытаниях на одной и той же установке в связи со случайными погрешностями измерений параметров испытанного изделия и уровней воздействующих излучений.

• Аналогично, прогноз результата испытаний может быть получен только в виде некоторого доверительного интервала, ширина которого определяется случайными погрешностями измерений при испытаниях.

• Практически речь идёт о максимально возможном снижении вероятности взаимоисключающих заключений и о прогнозировании с минимально возможной неопределённостью на данном этапе развития методического обеспечения испытаний.

Пример неудовлетворительного обеспечения единства результатов испытаний

Примером неудовлетворительного обеспечения сопоставимости результатов испытаний являются испытания на установках типа РИУС-5 и ЛИУ-10, когда они проводятся без оценки характеристик инерционности отклика q(t) испытываемого изделия по параметру q на воздействие импульсов излучения. Для изделий с характерным временем релаксации отклика q(t), превышающем 200 нс, значения уровней бессбойной работы (УБР), определённые по результатам испытаний на установках типа РИУС-5 и ЛИУ-10 отличаются в 2 раза .

Пример неудовлетворительного обеспечения единства результатов испытаний

В этом случае изделие может соответствовать заданным требованиям по УБР при испытаниях на установке ЛИУ-10 и не соответствовать этим требованиям по результатам испытаний на установке РИУС-5. Следовательно, возможно проведение испытаний с противоположными заключениями о соответствии требованиям по УБР. Если испытания проводятся без оценки характеристик инерционности отклика q(t), то невозможно и прогнозирование УБР при испытаниях на других МУ или при других формах ИИИ. Приведенный пример показывает, что оценка характеристик инерционности отклика q(t) на импульс излучения является одним из обязательных элементов обеспечения единства результатов испытаний.

Основы обеспечения единства результатов испытаний

Основами обеспечения единства результатов испытаний являются: - совокупность нормативной документации (ГОСТ, РД, ОТУ), устанавливающая основные требования к проведению испытаний, обработки и оценки их результатов ; - постоянное совершенствование методического обеспечения испытаний на основе обобщение опыта проведения испытаний с учетом характеристик вновь вводимых моделирующих установок, измерительных средств и современных испытываемых изделий (разработка типовых методик испытаний и обработки их результатов); - контроль за обеспечением единства результатов испытаний со стороны генерального заказчика.

Основы обеспечения единства результатов испытаний

• Важнейшая роль принадлежит нормативным документам. О системе и основных положениях этих документов подробно рассказывается в других лекциях.

• Основной недостаток НТД – их инерционность. Большие сроки согласования и утверждения приводят к тому, что некоторые положения официальных документов устаревают на следующий день после их утверждения. Поэтому на экспериментальных базах идет постоянный процесс совершенствования методического обеспечения испытаний в виде разработки типовых и частных методик испытаний, рассмотрении методических вопросов на научно-технических конференциях и семинарах.

Основное направление лекции

• Основным направлением лекции является краткая характеристика современного методического обеспечения радиационных испытаний ИЭТ с точки зрения обеспечения единства результатов определения основных показателей стойкости испытываемых изделий к воздействию ИИИ .

Основные показатели стойкости ИЭТ к воздействию ИИИ.

• 1. Время потери работоспособности (ВПР) – время, в течение которого при воздействии ИИИ с заданными уровнями нарушено нормальное функционирование изделия или происходит выход критериального параметра q за пределы допустимых значений.

• 2. Уровень бессбойной работы – максимальный уровень ИИИ, при котором с заданной доверительной вероятностью отсутствует временная потеря работоспособности испытываемого изделия по исследуемому параметру q , или не происходит сбой данного типа (сбой информации, тиристорный эффект).

• 3. Предельная стойкость – уровень воздействия, при котором вероятность отказа случайно выбранного изделия данного типа по совокупности заданных критериев отличается от единицы на величину заданной доверительной вероятности (Pдов) (равна 1- Pдов ).

Оценка ВПР в реальных условиях по результатам испытаний на МУ

Три основных составляющих ВПР, определяемых при испытаниях на МУ:

Тпр = Тпр (Dни) +Тпр (Фни) + Тпро.

Тпр (Dни) – дозовая составляющая. Определяется как ВПР при воздействии импульса МУ с дозой за импульс, равной норме испытаний по фактору 7И7.

Тпр (Фни) – нейтронная составляющая. Определяется как ВПР при воздействии импульса МУ типа БАРС-4 с флюенсом нейтронов за импульс, равным норме испытаний по фактору 7И1.

Тпро – «обратимая» составляющая. Оценивается как время, в течение которого мощность дозы в заданных реальных условиях превышает УБР, определённое при испытаниях на МУ.

Дозовая и нейтронная составляющие ВПР

Значения Тпр (Dни) и Тпр (Фни) могут достигать нескольких минут и даже нескольких часов. Для стойких изделий эти составляющие равны нулю.

Зависимость Icc(t)

микросхемы 564ЛА7 после воздействия импульса

электронного излучения установки ЛИУ-10с эквивалентным

значением дозы за импульс 3,8104 Р

Оценка обратимой составляющей ВПР в реальных условиях по методу огибающей

Основные задачи при оценке УБР по результатам испытаний на МУ

• 1. Определение вероятностных оценок УБР (УПС).

• 2. Учёт относительной эффективности излучений установки, на которой проводились испытания, с целью обеспечения единства результатов испытаний.

• 3. Учёт формы импульса излучений используемой при испытаниях моделирующей установки с целью обеспечения единства результатов испытаний.

Две основные группы задач по определению УБР при радиационных испытаниях ИЭТ

• По методикам проведения испытаний и методам обработки их результатов задачи по определению УБР при воздействии ИИИ разделяются на две основные группы.

• 1. Оценки УБР по параметрам изделий, непрерывно зависящих от уровней воздействующего ИИИ (по току потребления, обратному току, выходного напряжения …)

• 2. Оценки УПС - УБР по пороговым сбоям и отказам (сохранности информации, тиристорному эффекту, катастрофическим отказам и т. д.).

Классификация задач по оценкам УБР по критерию линейности откликов ИЭТ на

воздействие ИИИ

• Методы обработки результатов испытаний и, прежде всего, методы оценок УБР существеннейшим образом отличаются для линейных и нелинейных откликов испытываемого изделия на воздействие ИИИ.

• Отклик изделия является линейным, если его численные характеристики линейно зависят от уровня воздействия (более точно – удовлетворяют принципу суперпозиции).

• В настоящее время регулярные методы оценок зависимости УБР и ВПР от формы импульса отработаны только для линейных откликов изделий. Для нелинейных откликов такие методы отсутствуют. В каждом конкретном случае необходимо разрабатывать модель на основе результатов испытаний.

Две основные составные части задачпо оценке УБР

Процедура определения УБР включает две основные составные части (ГОСТ «Климат-7»):

1. Определение вероятностной оценки УБР по

результатам испытаний на МУ - Pбр(φму) – характеристики УБР для формы импульса МУ, на которой проводились испытаний.

2. Вероятностная оценка УБР для заданной (типовой)

формы ИИИ - Pбр(φтип) –по экспериментальному

значению Pбр(φму) и формам импульсов φму(t) и

φтип(t).

Основные характеристики УБРИЭТ при воздействии ИИИ

•Характер-ка

отказа

изделияФорма

импульсаВ единицах

мощности дозыВ единицах

дозы

Выход за норму

параметра q

φму(t) Pбр(q, φму) Dбр(q, φму)

φтип(t) Pбр(q, φтип) Dбр(q, φтип)

Пороговый

сбой

φму(t) Pбр(ПС, φму) Dбр(ПС, φму)

φтип(t) Pбр(ПС, φтип) Dбр(ПС,φтип)

Схема и результаты расчета вероятностной оценки УБР микросхемы 1554АП4ТБМ по току по току потребления

Схема и результаты расчета вероятностной оценки УБР микросхемы 530ЛА16ММ по выходному напряжению

Вероятностная оценка УБРпо тиристорному эффекту в ИС М1175ПВ2 при

воздействии ИИИ установки РИУС-5

Вероятностная оценка УБР по ФКв единицах Dg у микросхем EDI88130CS20NI

при воздействии ИИИ установки РИУС- 5

Методы приведения УБР по непрерывно меняющимся параметрам

1. Метод, основанный на восстановлении РПХ по отклику на импульс моделирующей установки.

РПХ ищется в виде суммы «мгновенной» и «задержанной» составляющих

),()1()()( 1 thtth где (t) - дельта-функция .

0

),(

),()(ˆ

dttq

tqth

му

му

2. Метод нормализованного отклика

Суть метода – оценка РПХ нормализованным откликом

Методы определения минимально возможных значений УБР

• 1.Определение minPбр по результатам регистрации отклика на импульс МУ типа РИУС-5.

• Значение minPбр определяется по выражению:

,),(minрср

доп

рср

допстбрбр ТU

UD

Tq

qDqPP

где D – значение дозы за импульс, Uср – среднее значение сигнала,

Тр – общее время регистрации сигнала

2. Определение minPбр по результатам испытаний на установках типа БАРС-4 с длительностью импульса порядка 100 мкс

Значение minPбр принимается равным экспериментально определенному значению УБР

3. Определение minPбр по результатам испытаний на установках статического излучения типа ГУ-200

Значение minPбр определяется по допустимому изменению параметра

и величине К , определенной пр испытаниях на статической установке

Метод приведение УБР по пороговым сбоям (метод эффективной постоянной релаксации)

Метод основан на использовании экспоненциальной РПХ с эффективной постоянной

)(1

)(t

EXPth

Релаксационное уравнение для оценки

,

))

exp()(max

)exp()(max

)(

)(

0

2

0

1

1

2

t

t

б

б

dt

dt

D

D

,1

2

эф

эф

где Dб(1) и Dб(2) значения УБР в единицах дозы при испытаниях на МУ с формами импульсов 1(t) и 2(t) с эффективными длительностями эф1 и эф2.

Зависимость уровней сбоя в единицах дозы и мощности дозы от длительности импульса

,)exp(1)0(

)(

б

б

D

D

,)exp(1

1

)(

)(

б

б

P

P

Где - длительность импульса в единицах времени релаксации:

. эф

Зависимость уровней сбоя в единицах дозы и мощности дозы от длительности импульса

Оценка УБР при форме импульса φ(t) по результатам испытаний на МУ

t

мумубр

t

бр dthPdthP00

)()(max)()()(max)(

УБР изделия при воздействии ИИИ с формой импульса φ(t) и с формой импульса моделирующей установки φму(t) связаны уравнением:

(1)

Выражение (1) записано как условие равенства пиковых значений отклика изделия на ИИИ с формами импульсов φ(t) и φму(t). Отклики

рассчитываются как свёртки формы импульса с радиационно-передаточной характеристикой (РПХ) данного изделия h(t).

Квазистационарные формы импульсов Формы импульсов φ(t) и φму(t) в уравнении (1) для

Pбр() отнормированы на единичные пиковые

значения: .1)(max)(max tt му (2)

РПХ предполагается положительной, интегрируемой и отнормированной соотношением:

1)(0

dtth (3)

Из нормировочных соотношений (2, 3) следует, что

1)()(max0 t

dth (4)

Квазистационарные формы импульсов(продолжение)

Формы импульсов, для которых свёртка с РПХ достигает максимального (единичного) значения могут быть названы квазистационарными и обозначены как ст(t). Для этих форм (см. выраж. (4))

1)()(max0 t

ст dth (5)

Выражение (5) является определением квазистационарного воздействия. В соответствии с определением (5) к квазистационарным относятся импульсные воздействия, изменяющиеся в области максимального значения настолько медленно , что

пиковое значение отклика изделия достигает максимально возможного (единичного) значения.

Примеры квазистационарных форм ИИИ

Квазистационарность воздействия определяется только по отношению к данной РПХ, т.е. только по отношению к данному отклику данного изделия. По отношению к отклику быстродействующего диода по обратному току (Iобр) импульс излучения

установки РИУС-5 с эффективной длительностью ~ 20 нс является квазистационарным. Пиковое значение Iобр при воздействии этого импульса

достигает максимально возможного значения и не возрастает при воздействии импульсов с большей длительностью. По отношению к откликам ОУ даже импульс с эффективной длительностью ~ 2 мкс (УИН-10) далёк от квазистационарности.

Примеры квазистационарных форм ИИИ

а) б)

а)- форма импульса установки УИН-10;б)- квазистационарный импульс (для экспоненциальной РПХ

при ≤ 200 нс).

Минимальный (собственный) УБР в единицах мощности дозы

Из общего уравнения (1) для Pбр(φ)

t

мумубр

t

бр dthPdthP00

)()(max)()()(max)(

и максимальности отклика для квазистацион-ных воздействий

1)()(max)()(max00

tt

dthdth

следует, что

.)()(max)()()()(0 t

мумубрбрстбрбр dthPPPP (6)

)()( стбрбр PP - минимальный УБР изделия,

не зависящий от формы воздействующего ИИИ

Минимальный (собственный) УБР в единицах дозы

Минимальный УБР в единицах дозы (min Dбр()или Dбр(0)) достигается при предельно кроткомимпульсе излучения. Предельно короткий импульсизлучения с дозой за импульс Dбр(0), имеет вид:

)()0()( tDtP бр (7)

t

мумубр

t

dthPdthD00

)()(max)()()(max)0(

Равенство (1) пиковых значений откликов изделия на импульсы (7) и МУ принимает вид:

Или, после интегрирования в левой части

t

мумубрбр dthPthD0

)()(max)()(max)0( (8)

Dбр(0) не зависит от формы ИИИ (собственный УБР).

Соотношение между УБР в единицах дозы и мощности дозы

Сопоставление выражений (6) и (8) для Pбр() иDбр(0) приводит к соотношению:

)()(max)0( брбр PthD Для подавляющего числа ИЭТ отклик на ИИИ после окончания импульса монотонно уменьшается. Для этих изделий h(t) уменьшается при t > 0 и максимально при t = 0 . Поэтому из соотношения (9) следует, что

(9)

t >

)()0()0( брбр PhD (10)

Соотношение (10) справедливо для любого отклика любого изделия изделия с монотонно спадающей РПХ

Соотношение между собственными уровнями пороговых сбоев в единицах дозы

и мощности дозы

При оценке зависимости уровней пороговых сбоев (ПС) от формы ИИИ в настоящее время используется экспоненциальная РПХ

)(1

)(rr

tEXPth

где r – эффективное время релаксации для процесса развития ПС данного типа.

Для РПХ (11)

(11)

r

hth1

)0()(max (12)

Соотношение между собственными уровнями пороговых сбоев в единицах

дозы и мощности дозы

Общее выражение (10)

)()0()0( брбр PhD

и значение h(0) (12) для уровней пороговых сбоев

r

h1

)0(

приводят к важнейшему соотношению для собственных (минимальных) УПС в единицах дозы и мощности дозы:

.)0(

)(r

брбр

DP

(13)

Основные характеристики уровней пороговых сбоев

Соотношение (13)

.)0(

)(r

брбр

DP

связывает три важнейших характеристики пороговых сбоев, являющихся собственными характеристиками изделия, не зависящими от формы воздействующего ИИИ.

Для полного описания уровней ПС достаточно определить любые две характеристики из трёх, связанных соотношением (13). Под полнотой описания в данном случае понимается возможность оценки уровня ПС для любой заданной формы импульса излучения.

Совокупности характеристик для полного описания уровней ПС

В соответствии с установленным соотношением (13) для полного описания уровней ПС достаточно экспериментально определить любую из следующих совокупностей двух характеристик

}),0({ rбрD }),({ rбрP

)}(),0({ брбр PD

;

;

.

(14)

(15)

(16)

Целесообразность выбора одной из совокупностей достаточных характеристик уровней ПС (14-16) определяется конкретными условиями и возможностями проведения экспериментальных оценок этих характеристик.

Свойства и методы измерений собственных характеристик уровней ПС

Наиболее просто определяется собственный уровень ПС в единицах дозы за импульс Dбр(0).

Для большинства изделий оценки уровней ПС при испытаниях на МУ с эффективной длительностью импульса ~ 20 нс близки к значениям Dбр(0):

)()0( мубрбр DD (17)

Оценка (17) является приближенной и может быть уточнена после определения эффективного времени релаксации. В настоящее время рассчитаны таблицы минимизирующих функций – зависимостей отношения Dбр(0) и Dбр(му) для

установки РИУС-5.

),()()( rриусPриусбрбр FPP

),()()0( rриусDриусбрбр FDD

d

tEXPDDD

t

rриус

риусэф

rриусбрбрбр

)()(max

)()()0()(min

0

dt

EXPPPPPt

rриус

rриусбрбрстбрбр

)()(max

1)()()()(min

0

dt

EXPFt

rриус

rrриусp

)()(max

1),(

0

d

tEXPF

t

rриус

риусэф

rrриусD

)()(max

)(),(

0

Минимизирующие функции:

Оценки минимальных значений УБР в единицах дозыи мощности дозы

Функции FP (Риус, r) и FD (Риус, r) для усреднённой формы

импульса установки РИУС-5 – коэффициенты приведения уровней пороговых сбоев по результатам испытаний на установке РИУС-5 к собственным значениям пороговых сбоев испытываемых изделий.

Минимизирующие функции для оценок минимальных значений УБР по результатам испытаний на установке

РИУС-5

Методики приведения УБРк заданной форме воздействия

• 1. Методика учета различий временных форм воздействия фактора И2 и излучения моделирующих установок при определении уровней бессбойной работы электрорадиоизделий с непрерывным изменением выходных параметров. - М.: НИИП, 1997.

• 2. Методика экспериментальной оценки зависимости уровней пороговых сбоев и отказов интегральных схем от длительности и формы импульсных ионизирующих излучений. - М.: НИИП, 2000.

• 3. Проект РД по методам экспериментальной оценки зависимости уровней пороговых сбоев и отказов ИС от длительности и формы ИИИ. НИИП, 2004.

Недостатки типовой формы ИИИ• 1. Типовая форма определена только в интервале

времени от 0 до 30 мкс (и намного короче задержанных составляющих ИИИ в реальных условиях).

• 2. Значения УБР, приведенные к типовой форме носят частный характер и мало информативны для оценок УБР в реальных условиях.

• 3. Типовую форму ИИИ невозможно воспроизвести. В результате все методики приведения «повисли» в воздухе без прямой экспериментальной проверки.

• 4. Форма задана только в виде графика в неудобном логарифмическом масштабе, перевод ее в табличную форму требует много времени

• 5. Эффективная длительность типовой формы 0,8 мкс не согласована с эффективными длительностями для групп 1Ус – 5Ус

Предложения

На основании многолетнего опыта проведения радиационных испытаний и обработки их результатов предусмотреть в новой редакции НТД:

1) Обязательное определение при испытаниях оценок minPбр как собственной характеристики изделия, не зависящей от МУ, на которой проводятся испытания. Установить методы этих оценок.

2) Обязательное определение при испытаниях нормализованного отклика на воздействие импульса МУ с эффективной длительностью порядка 10 нс (РИУС-5, ЛИУ-10, ЛИ и т.д.) – как наиболее информативной характеристики инерционности отклика изделия на ИИИ, которая позволяет привести результаты испытаний к заданной форме ИИИ, провести сопоставление результатов испытаний на различных МУ.

3) Обязательное проведение испытаний с набором заданной дозы за один импульс МУ и приведением ВПР к реальным условиям.

4) Дополнительные требования по УБР в единицах дозы.

5) Уточнение всех типовые форм ИИИ, расширение временных диапазонов их задания, обязательное представление в табличной форме.

Обеспечение сопоставимости результатов испытаний ИЭТ на различных МУ

• 1. Введение опорной установки. Целесообразно выбрать в качестве опорной установку РИУС-5

• (Форма, стабильность, спектральный состав, отработанность дозиметрии с привязкой к эталонам)

• 2. Проведение экспериментальной оценки эффективности излучений МУ по отношению к излучению опорной установки (в процессе аттестации установок).

• 3. При испытаниях обязательно определять минимально возможные характеристики УБР по мощности дозы (minPбр) и дозе (Dбр(0)) – собственные характеристики изделий, не зависящие от выбора установок.

Предложения(продолжение)

При подготовке новой редакции ГОСТ рассмотреть следующие вопросы .

1) О введении в ГОСТ общих требований к протоколу испытаний, например о необходимости предоставления заказчику электронной версии протокола, требований по составу информации, обработке результатов испытаний и т.д.

2) Об упрощении системы обозначений. В «Климате-6» эти обозначения были проще и, по мнению экспериментаторов, вполне достаточны.

3) Об уточнении требований к дозиметрическому сопровождению испытаний в части погрешностей измерений, содержанию метрологической аттестации характеристик полей излучений и методик их измерений.

4) О корректировке общих требований к расчету норм испытаний. Например, требование по априорному учету форм импульсов МУ необходимо заменить требованием по их учету на основании полученных результатов испытаний.