Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Проектирование изделий электронной компонентной базы с учетом анализа влияния космического излучения

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 656940.01.99
В монографии рассматривается один из наиболее перспективный подходов в САПР сквозного проектирования с использованием методологий, основанных на построении моделей процесса радиационно-индуцированного накопления заряда в структуре диэлектрика МОП-транзистора, а также разработано соответствующее программное обеспечение и особенности его интеграции в САПР, приведено методическое обеспечение, а также результаты практического использования. Данная монография рекомендована как студентам, так и аспирантам, занимающимся САПР в микроэлектронике, а также преподавателям, ведущим курсы по данной проблематике.
Зольников, В. К. Проектирование изделий электронной компонентной базы с учетом анализа влияния космического излучения: Монография / Зольников К.В., Скляр В.А., Лапшина М.Л. - Воронеж:ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова, 2015. - 163 с.: ISBN 978-5-7994-0724-7. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/858470 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
К.В. Зольников В.А. Скляр М.Л. Лапшина

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ 

КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ С УЧЕТОМ АНАЛИЗА 

ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Ф. МОРОЗОВА»

К.В. Зольников В.А. Скляр М.Л. Лапшина

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ 

С УЧЕТОМ АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 

Монография

Воронеж 2015

УДК 621

З81

Печатается по решению научно-технического совета
ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 6 от 02 ноября 2015 г.)

Рецензенты: кафедра туризма и естественно-математических наук

Филиала ФГБОУ ВПО «РГСУ» в г. Воронеже;
д-р техн. наук, проф. кафедры радиоэлектронных устройств
и систем ФГБОУ ВПО «ВГТУ» Ю. Г. Пастернак

Зольников, К. В.

З81 Проектирование изделий электронной компонентной базы с учетом анализа 
влияния космического излучения [Текст] : монография / К. В. Зольников, 
В. А. Скляр, М. Л. Лапшина ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО 
«ВГЛТУ». – Воронеж, 2015. – 163 с.

ISBN 978-5-7994-0724-7 (в пер.)

В монографии рассматривается один из наиболее перспективный подходов в САПР 

сквозного проектирования с использованием методологий, основанных на построении 
моделей 
процесса 
радиационно-индуцированного 
накопления 
заряда 
в 
структуре 

диэлектрика МОП-транзистора, а также разработано соответствующее программное 
обеспечение и особенности его интеграции в САПР, приведено методическое обеспечение, а 
также результаты практического использования.

Данная монография рекомендована как студентам, так и аспирантам, занимающимся 

САПР в микроэлектронике, а также преподавателям,
ведущим курсы по данной 

проблематике. 

УДК 621

© Зольников К. В., Скляр В. А., 

Лапшина М. Л., 2015

ISBN 978-5-7994-0724-7
© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

лесотехнический 
университет 
имени

Г.Ф. Морозова», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………..…….……..
5

1. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ 
БАЗЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ 
КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ…………………………………………...
7

1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и 
эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах
7

1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства……
7

1.1.2. Источники ионизирующих излучений в космическом 
пространстве………………………………………………………….………..
9

1.1.3. Радиационные эффекты в КМОП микросхемах……………….…….
12

1.2. Анализ текущего состояния средств автоматизации проектирования 
электронной компонентной базы космического назначения.......................
17

1.3. 
Аспекты 
моделирования 
воздействия 
излучения 
космического 

пространства на электронную компонентную базу. Постановка задачи...
23

2. СТРУКТУРА, МЕТОДИКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И 
ОБОСНОВАНИЕ ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ БАЗОВЫХ 
ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ РАДИАЦИОННЫХ 
ЭФФЕКТОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО 
ПРОСТРАНСТВА В САПР ДЛЯ СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
КМОП СБИС…………………………………………………………………..
32

2.1. Методика автоматизированного проектирования изделий электронной 
компонентной базы стойкой к воздействию излучения космического 
пространства.................................................................................................
32

2.2. Структура проблемно-ориентированного программного
обеспечения……………………………………………………………………
44

2.3. Выбор критериальных параметров к гамма-излучению……………..
53

2.4. Расчет поглощенной дозы при воздействии ионизирующего 
излучения космического пространства………………………………….......
61

3. 
МОДЕЛИРОВАНИЕ 
ИНТЕГРАЛЬНЫХ 
ИОНИЗАЦИОННЫХ 

ЭФФЕКТОВ 
В 
КМОП-ИНТЕГРАЛЬНЫХ 
СХЕМАХ
В 
САПР 

СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ………………………………………..
66

3.1. Моделирование накопления дозы в МОП –
транзисторе при 

воздействии космического излучения низкой интенсивности……………..
66

3.1.1.
Методология 
моделирования 
процесса 
радиационно
индуцированного 
накопления 
заряда 
в 
структуре 
диэлектрика

МОП-транзистора с учетом влияния полевого окисла…………………….
66

3.1.2. Моделирование процесса накопления заряда в области 
подзатворного диэлектрика транзистора……………………………………...
69

3.1.3. Процесс радиационно-индуцированное накопление заряда в 

подзатворном диэлектрике МОП-структуры при воздействии 

низкоинтенсивного ионизирующего излучения……………………………
74

3.1.4. Выбор значений параметров, определяющих кинетику накопления 

заряда в диэлектрике при радиационном воздействии…………………….
77

3.1.5. Моделирование процесса накопления поверхностных состояний…
78

3.2. Расчет изменения схемотехнических параметров при воздействии 

низкоинтенсивного излучения факторов космического пространства……
81

3.3. Алгоритмическая основа расчета стойкости КМОП СБИС при 

воздействии факторов космического пространства………………………..
91

4. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ, ИНТЕГРАЦИИ В СИСТЕМУ

СКВОЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 

РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ САПР………………………………………
99

4.1. Структура, особенности построения разработанных средств и их 

интеграция в САПР для сквозного проектирования интегральных 

Микросхем……………………………………………………………………..
99

4.2. Оценка точности и эффективности разработанных средств САПР….
106

4.3. Методическое обеспечение и результаты практического 

использования………………………………………………………………….
114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………..
130

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ……………………………………….
131

МЕТОДИКА……………………………………………………………………
146

ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………...
155

ВВЕДЕНИЕ

Для любой страны важен приоритет в самых высокотехнологичных облас
тях. Космическая техника – это одна из отраслей, которая способна вывести на 

передовые позиции страну, где ей уделяется самое пристальное внимание. На
личие широко развитой космической отрасли считается одним из важнейших 

показателей технологического приоритета страны. Но ключевой проблемой 

данной отрасли является создание радиационно-стойкой электронной компо
нентой базы. 

Отметим, что космическое ионизирующее излучение имеет две глобаль
ные составляющие, каждая из которых характеризуется своим механизмом 

протекания физических процессов и соответственно своими методами защиты 

от них. Одна составляющая – это статическое излучение, состоящее из элек
тронного, протонного и гамма-излучения, вторая – воздействие отдельных 

ядерных частиц. Для первой составляющей характерны процессы деградации 

электропараметров и постепенное увеличение числа функциональных отказов, 

для второй – временные кратковременные отказы, возможны и катастрофиче
ские отказы. 

Мы будем рассматривать статические ионизирующие излучения. Они ха
рактеризуются малой мощностью излучения. Механизм воздействия низкоин
тенсивного излучения вместе с изменением температуры среды имеет некото
рые особенности, которые связаны с деградацией элементов интегральных 

схем. При рассмотрении КМОП – технологии экспериментально установлено, 

что с уменьшением мощности деградация возрастает. Данное явление исследо
валось экспериментально, но на практике были выработаны только рекоменда
ции для экспериментальных исследований, которые позволяли адаптировать 

экспериментальные данные, полученные при высокой мощности, к данным, ко
торые получились бы при малой мощности, характерной для космоса. Теорети
ческие модели носили частный характер и не использовались в САПР. К таким 

работам следует отнести разработки сотрудников «Научно-исследовательского 

института электронной техники» А.В. Ачкасова, В.П. Крюкова, А.И. Янькова, 

сотрудников «Научно-исследовательского института системных исследований 

РАН» В.Б. Бетелина, П.А. Осипенко, Российского института «Электронстан
дарт» В.Г. Малинина, М.М. Малышева, Московского инженерно-физического 

института В.А.
Тельца, А.Ю.
Никифорова, А.И.
Чумакова, Научно
исследовательского 
института 
приборов 
В.Н.
Улимова, 
К.И.
Таперо, 

В.В. Емельянова и др.

Современная ситуация в области создания изделий электронной компо
нентной базы, а именно уменьшение проектных норм, привело только к еще 

более непредсказуемой картине. Поэтому назрела необходимость разработать 

специальные средства моделирования деградации элементов СБИС при воздей
ствии излучения малой мощности, интегрировать их в САПР сквозного проек
тирования, которые были бы способны на стадии проектирования дать оценку 

поведения СБИС в реальных условиях космоса по отношению к статическому 

излучению. Таким образом, для создания радиационно-стойких микросхем 

космического назначения в теории и практике САПР были поставлены актуальные 

задачи.

1. СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ

КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ ПО УЧЕТУ 

ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1. Виды ионизирующих излучений в космическом пространстве и 

эффекты радиационного воздействия в комплементарных микросхемах

1.1.1. Внешние воздействующие факторы космического пространства

На орбитальные космические аппараты (КА) в процессе функционирова
ния на околоземной орбите и за ее пределами воздействуют различные факторы 

космического пространства (КП). Основными факторами воздействия космиче
ского пространства на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) КА, нарушающие

ее работу, являются [102, 105, 106, 109]:

– ионизирующее излучение (ИИ) космического пространства;

– космическая плазма;

– инфракрасное (тепловое) излучение;

– космический вакуум;

– замкнутое пространство;

– микрометеориты;

– невесомость; 

– собственная внешняя атмосфера.

Ионизирующее излучение космического пространства включает в себя по
ток первичных заряженных ядерных частиц, а также вторичные ядерные части
цы. К первичным относят протоны, электроны, тяжелые заряженные частицы 

(ТЗЧ). Вторичные частицы являются продуктами ядерных реакций, связанных с 

взаимодействием первичных частиц. 

Ионизирующее излучение имеет две глобальные составляющие, каждая из 

которых характеризуется своим механизмом протекания физических процессов 

и соответственно своими методами защиты от них. Одна составляющая – это 

статическое излучение, состоящее из электронного, протонного и гамма
излучения, вторая – воздействие отдельных ядерных частиц.

Для первой составляющей характерны процессы деградации электропара
метров и постепенное увеличение числа функциональных отказов, для второй –

временные кратковременные отказы, возможны и катастрофические отказы 

[101, 102].

Влияние ИИ на компоненты РЭА обусловлено потерями энергии (иониза
ционными и ядерными) первичных и вторичных ядерных частиц в активных и 

пассивных структурах полупроводниковых приборов (ПП) и интегральных 

схем (ИС) компонентов бортовой аппаратуры. 

Накопление дозы ИИ при воздействии отдельных высокоэнергетических 

ядерных частиц приводит к одиночным сбоям, а также параметрическим отка
зам ПП и ИС. 

Кроме этого под воздействием ИИ может происходить изменение прозрач
ности оптических сред; помехи в оптико-электронной аппаратуре, обусловлен
ные радиолюминесценцией и воздействием космических излучений в оптиче
ских деталях; растрескивание и проба изолирующих материалов по причине 

электризации диэлектриков и протекания химических реакций, стимулирован
ных радиацией; ухудшение параметров источников питания из-за нарушения 

работы солнечных батарей.

Особое влияние на ПП и ИС бортовой аппаратуры космических аппаратов 

оказывает длительное воздействие низкоинтенсивного ионизирующего излуче
ния. 

Противостояние длительному воздействию низкоинтенсивного ионизи
рующего излучения особо актуально для космических аппаратов, обеспечи
вающих навигацию, связь (находящихся на геостационарной орбите), а так же в 

длительных экспедициях за пределы орбиты Земли в дальний космос.

Воздействие космической плазмы приводит к электризации диэлектриче
ских защитных и термоизолирующих покрытий. Накопление критического за
ряда приводит к внутреннему локальному электростатическому пробою, что 

может привести к непосредственному отказу или сбою в работе прибора [107, 

109]. Также, возможны косвенные эффекты, вызванные действием электромаг
нитного поля, которое возникает при пробое.

Неравномерный нагрев конструкций КА под воздействием инфракрасного 

излучения Солнца, а также попадание в теневую зону от других объектов, при
водит к значительным циклическим изменениям температуры поверхности КА. 

Результатом являются температурные градиенты, приводящие к возникнове
нию термо-э.д.с. и термомеханических напряжений. Кроме того, под воздейст
вием температурных эффектов могут меняться характеристики ПП и ИС борто
вой аппаратуры КА.

Попадание микрометеоритов приводит к механическим повреждениям 

внешней поверхности приборов, особенно солнечных батарей.

В условиях невесомости вследствие отсутствия конвекции тепла ухудша
ется тепловой режим работы РЭА.

Замкнутое пространство не позволяет реализовать шину земли, вследствие 

чего общий потенциал колеблется, а протекание поверхностных токов по по
верхности КА может быть причиной возникновения дополнительных помех.

При этом на работоспособность РЭА КА влияют много различных воздей
ствующих факторов, каждый из которых может привести к сбою или отказу 

бортовой аппаратуры, и в общем случае необходимо учитывать все действую
щие факторы, однако основной вклад вносят первые два из выше перечислен
ных (космическая плазма и ионизирующее излучение). 

1.1.2. 
Источники 
ионизирующих 
излучений 
в 
космическом 

пространстве

Основными источниками ИИ в космическом пространстве являются [1, 49, 

100]:

– заряженные частицы (электроны и протоны) естественных радиационных 

поясов Земли (ЕРПЗ);

– солнечные и галактические космические лучи (СКЛ и ГКЛ).

С первых лет освоения космоса значительное внимание уделялось оценке 

радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве. На осно
вании данных, полученных с различных спутников, построены различные мо
дели, характеризующие радиационную обстановку [101, 108]. 

По причине непрерывного изменения всех областей радиационного окружения, 

ни одна из существующих моделей не является исчерпывающей.

Как правило, при построении модели допускаются предположения:

– потоки частиц являются всенаправленными (изотропные);

– пространственное распределение заряженных частиц описывается (L, B) 

координатами (L – высота орбиты, нормированная к радиусу Земли; В – напря
женность магнитного поля Земли);

– орбитальная интеграция представляется для различных углов наклонения 

и высот;

– дифференциальный поток (Е) представляет собой скорость изменения 

потока от энергии для определенного значения уровня энергии, см–2с–1МэВ–1;

– интегральный поток Ф(>Е) представляет собой общий поток, см–2с–1, 

при всех энергиях, выше указанного порогового значения энергии;

– соответствие моделей конкретным временным промежуткам (условия 

солнечного минимума или солнечного максимума).

Общепризнанными моделями ЕРПЗ в настоящее время являются АР-8 (АР
8min, АР-8max) и АЕ-8 (АЕ-8min, АЕ-8max) [106], которые позволяют описать 

распределения протонов и электронов для максимума и минимума солнечной 

активности. В настоящих моделях представлены пространственные распреде
ления протонов с энергией 0,1–400 МэВ и электронов с энергией 0,1–10 МэВ.

На некоторых орбитах КА доминирующим вкладом в общую поглощен
ную дозу являются потоки протонов СКЛ, которые трудно поддаются прогно
зам. Это определяется случайным характером солнечных вспышек. Вследствие

этого, такие характеристики СКЛ, как энергетические спектры и потоки заря
женных частиц значительно меняются от вспышки к вспышке. Результатом 

солнечных вспышек является выброс солнечных частиц высокой энергии, со
стоящих, как правило, из протонов с незначительным содержанием альфа
частиц (5–10 %) и более тяжелых ядер с энергией 1–100 МэВ/нуклон (углерод
никель, с преобладанием кислорода). Эпизодически появляются потоки СКЛ. 

Интенсивность этих потоков может превосходить на многие порядки величину 

потоков ГКЛ. Как правило, максимальная энергия ускоренных частиц составля
ет не более 10 МэВ/нуклон. Подобные вспышки являются довольно распро
страненным явлением. В солнечно-активные годы периодичность вспышек 

достигает 1 раз в неделю. В более редких вспышках (примерно 1 раз в месяц) 

частицы ускоряются до 100 МэВ/нуклон. Еще более редкими случаями, напри
мер, раз в год, является выброс частиц с энергией до 1 ГэВ. Особенно мощные 

вспышки возникают 3–4 раза в течение 11-летнего цикла солнечной активно
сти. Они характеризуются очень большими потоками ускоренных частиц с мак
симальной энергией до 10 ГэВ и выше.

Для низких орбит и при малых углах наклонения магнитосфера Земли зна
чительно экранирует поток протонов, вследствие чего остаются только высоко
энергетичные протоны.

Такие компоненты СКЛ, как ионы более тяжелых элементов, обычно не 

дают значительного вклада в общее значение поглощенной дозы. В то же вре
мя, они могут приводить к сбоям и отказам за счет эффектов от воздействия от
дельных ядерных частиц. При характеристике таких эффектов нужно иметь ин
тегральные составляющие энергетических спектров протонов и спектры линей
ных потерь энергии (ЛПЭ) для ионов.

Процесс воздействия галактических космических лучей не вносит замет
ный вклад в суммарную поглощенную дозу (порядка нескольких рад за год). Но 

они приводят к возникновению в микросхемах эффектов от воздействия от
дельных ядерных частиц. В настоящее время составляющие ГКЛ изучены дос
таточно подробно. В различных диапазонах значений энергий известны не 

только потоки групп ядер, но и относительный процентный состав отдельных 

ядер. Ядерная составляющая ГКЛ включает в себя пять групп. Это протоны, 

альфа-частицы, легкие (L-группа с атомными номерами Z = 3–5), средние (М