close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

346.Спецтехника и связь №4-5 2011

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
Никифоров А.Ю., Телец В.А. Радиационная стойкость электронной
компонентной базы систем специальной техники и связи
2
Яненко А.В., Чумаков А.И., Печенкин А.А., Савченков Д.В.,
Тарараксин А.С., Васильев А.Л. Сравнительный анализ испытаний
электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных
частиц на лазерных имитаторах и ускорителях ионов
4
Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Телец В.А.,
Печенкин А.А., Яненко А.В., Кольцов Д.О., Савченков Д.В.
Лазерные имитаторы «пико» для испытаний электронной компонентной базы
на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц
8
Тарараксин А.С., Савченков Д.В., Печенкин А.А. Автоматизация испытаний
интегральных микросхем на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц
с использованием аппаратно-программного комплекса National Instruments
и технологий .NET
14
Васильев А.Л., Печенкин А.А., Чумаков А.И., Яненко А.В., Артамонов А.С.
Верификация лазерных испытаний ИС на стойкость к воздействию отдельных
ядерных частиц с использованием импульсной гамма-установки
17
Ахметов А.О. Особенности исследования стойкости одноплатных компьютеров
к воздействию отдельных ядерных частиц
21
Кессаринский Л.Н., Бойченко Д.В. Эффекты от отдельных ядерных частиц
во вторичных источниках питания
25
Елесин В.В., Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чуков Г.В. Комплекс методических,
аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров
полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость
28
Калашников О.А., Никифоров А.Ю. Методика сертификации электронной
компонентной базы бортовой космической аппаратуры по стойкости к дозовому
воздействию
32
Согоян А.В., Артамонов А.С., Богданов Ю.И., Никифоров А.Ю.
Метод испытаний интегральных схем на стойкость к дозовому воздействию
на основе совместного применения гамма и рентгеновских источников
39
Калашников О.А., Артамонов А.С., Бобровский Д.В., Бойченко Д.В.,
Кессаринский Л.Н., Некрасов П.В., Уланова А.В. Статистический разброс
показателей радиационной стойкости интегральных схем иностранного производства
45
Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Печенкина Д.В. Влияние
электрического режима на уровень дозовой стойкости аналоговых коммутаторов
48
Орлов А.А., Уланова А.В., Боруздина А.Б. Обеспечение радиационной стойкости
микросхем энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств
52
Орлов А.А., Согоян А.В., Герасимов В.Ф. Особенности поведения микросхем
памяти на сигнетоэлектриках при воздействии импульсного рентгеновского излучения
57
Ожегин Ю.А., Никифоров А.Ю., Телец В.А., Уваркин Д.С., Пыхтина А.С.
Направления развития системы управления качеством радиационных испытаний
электронной компонентной базы
59
Никифоров А.Ю. Заблуждения и реальность в области оценки радиационной
стойкости электронной компонентной базы
63
Никитаев В.Г., Нагуманова Ю.Р., Проничев А.Н., Чистов К.С. Концептуальная
модель распознавания бластных клеток в системе компьютерной микроскопии
67
Никитаев В.Г., Нагуманова Ю.Р., Проничев А.Н., Чистов К.С.
Высокотехнологичная система поддержки принятия врачебных решений
при диагностике острых лейкозов
70
Блиндарь В.Н., Никитаев В.Г., Нагуманова Ю.Р., Проничев А.Н., Чистов К.С.
Экспертная система для диагностики острых лейкозов
74
Данилов А.В., Никитаев В.Г., Нагуманова Ю.Р., Проничев А.Н., Чистов К.С.
Экспериментальное исследование вариабельности текстурных характеристик
клеток крови
78
Рукописи, принимаемые к публикации, проходят научное рецензирование.
Мнение редакции не всегда совпадает с точкой зрения автора. Редакция не несет
ответственности за достоверность сведений, содержащихся в рекламе.
Перепечатка материалов из журнала допускается только с письменного разрешения редакции.
В этом случае статья должна сопровождаться ссылкой на журнал «Спецтехника и связь».
SPEC_2011_SPT-1.indd 1
Учредитель – Российский
новый университет
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
Зернов В.А., д.т.н., профессор
Бугаев А.С., академик РАН
Гуляев Ю.В., академик РАН
Никитов С.А., чл.-корр. РАН
Андрюшин О.Ф., д.т.н., профессор
Волков В.Г., д.т.н.
Дворянкин С.В., д.т.н., профессор
Звежинский С.С., д.т.н., профессор
Крюковский А.С., д.ф.-м.н.,
профессор
Лукин Д.С., д.ф.-м.н., профессор
Минаев В.А., д.т.н., профессор
Палкин Е.А., к.ф.-м.н.
Филипповский В.В., к.т.н.
Черная Г.Г.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ
Главный редактор – Черная Г.Г.
Научный редактор – Дворянкин С.В.
Научный консультант –
Растягаев Д.В., к.ф.-м.н.
Графика – Абрамов К.Е.
Распространение – Михеев Б.Ю.
ИЗДАТЕЛЬ
ООО «Спецтехника и связь»
Адрес редакции
111024 Москва,
ул. Авиамоторная, 55, кор. 31
Тел./факс: +7 (495) 544-4164,
тел.: +7(963) 636-8984
e-mail: rid@rosnou.ru
e-mail: galina_chernaya@bk.ru
http://www.st-s.su
ISSN 2075-7298
Индекс в каталоге
Агентства «Роспечать» 80636
Дизайн, верстка –
Фащевская И.А.
Отпечатано с готовых диапозитивов
в ООО «Астра Пресс»
105484 Москва, 16-я Парковая, д. 27
тел.: (495) 926-1572
Журнал зарегистрирован
Федеральной службой
по надзору в сфере связи
и массовых коммуникаций.
Свидетельство о регистрации
ПИ № ФС77-32855
от 15 августа 2008 г.
© НОУ ВПО «РосНОУ», 2011 г.
16.01.2012 13:26:42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
НИКИФОРОВ1 Александр Юрьевич, д.т.н.; ТЕЛЕЦ2 Виталий Арсеньевич, д.т.н.
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ
СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СВЯЗИ
Проанализированы проблемы и особенности обеспечения и контроля радиационной стойкости современной электронной
компонентной базы как наиболее уязвимого звена систем специальной техники и связи. Представлены основные положения базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники.
Problems and features of provision and the control of radiating hardness of modern electronic componental base as most vulnerable
link of special technics and communication systems are analysed. Substantive provisions of base technology of forecasting, an
estimation and the control of microelectronics items radiating hardness are presented.
С
овременные системы специальной техники и связи (ССТиС) в
составе космических, авиационных,
военных, ядерных комплексов работают в жестких условиях эксплуатации,
подвергаясь радиационным воздействиям естественного и искусственного происхождения. Во многих случаях
отказы бортовых систем управления,
навигации, телеметрии, связи и обработки информации в реальных условиях определяются радиационными
эффектами в комплектующей электронной компонентной базе (ЭКБ). Наиболее слабым звеном, определяющим
отказы ССТиС является современная
ЭКБ микро-, опто-, полупроводниковой и твердотельной СВЧ-электроники. Безотказная работа информационных систем в условиях радиационных
воздействий обеспечивается применением ЭКБ с эксплуатационными
характеристиками, соответствующими заданным требованиям и моделям
эксплуатации, выбором безопасных
режимов работы и применением общесистемных методов защиты и парирования отказов.
Номенклатура ЭКБ, применяемая в
современных ССТиС, разнообразна и
включает в себя несколько тысяч активных и пассивных компонентов –
цифровых и аналоговых микросхем и
электронных модулей, преобразователей вида и формы информации (аналого-цифровых,
цифро-аналоговых,
угол-код, физических величин и компонентов датчиков), источников питания,
оптико-электронных устройств, изделий твердотельной СВЧ-электроники,
1
2
2
транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.
Наиболее критичными компонентами
с максимальной чувствительностью к
радиационным воздействиям являются
высокоинтегрированные
сверхбольшие интегральные схемы (микропроцессоры, микроконтроллеры, программируемые логические интегральные схемы – ПЛИС, запоминающие
устройства – ЗУ), прецизионные интегральные устройства (преобразователи, усилители, коммутаторы, стабилизаторы напряжения) и оптико-электронные системы (например, на приборах с
зарядовой связью – ПЗС), поэтому вопросам радиационной стойкости этих
устройств необходимо уделять наибольшее внимание при создании ССТиС на
их основе. Пассивные компоненты,
дискретные приборы (диоды, транзисторы, за исключением мощных и высоковольтных) – напротив, считаются
относительно радиационно стойкими и
не требуют специальных мер по обеспечению их работоспособности.
Особенностью современного этапа создания ССТиС является то обстоятельство, что около 80% ЭКБ являются изделиями иностранного производства (ИП)
коммерческого или индустриального
исполнения, к которым требования по
радиационной стойкости изначально
не предъявляются, а характеристики
радиационной стойкости (РС) не контролируются и не регламентируются
изготовителями в эксплуатационной
документации.
Большинство типов применяемой отечественной ЭКБ в этом плане имеют
неоспоримые преимущества, так как
их уровни РС указаны в технических
условиях и соответственно гарантируются изготовителями. Однако в настоящее время отечественные изделия уступают иностранным аналогам
на рынке ЭКБ для ССТиС по индексу
применяемости, доступности, цене и в
целом по техническому уровню. Представленный на рынке номенклатурный ряд микросхем ИП много шире
аналогичного ряда отечественных изделий, а их усредненный технический
уровень на одно-два поколения превышает уровень отечественных схем.
Потребителям доступны сложно-функциональные отечественные микросхемы, созданные, например, в НИИСИ
РАН, ЗАО ПКК «Миландр», ЗАО НТЦ
«Модуль», ГУП НПЦ «ЭЛВИС», ОАО
«НИИМЭ и Микрон», которые во многом формируют передовой уровень отечественной микроэлектроники. Многие из изделий, хотя и являются отечественными разработками, изготовлены
на зарубежных кремниевых фабриках,
технологический процесс которых, как
правило, не обеспечивает для продукции требуемой РС.
Хотя справедливо отметить, что определенное исключение из этого ряда
составляет ЭКБ НИИСИ РАН и ФГУП
ФНПЦ НИИИС, элементно-технологический базис которой на структурах с
диэлектрической изоляцией элементов
изначально (т.е. на ранних этапах разработки и производства) ориентирован
на обеспечение требований РС.
При создании современных ССТиС,
предназначенных для работы в полях
– профессор НИЯУ «МИФИ», генеральный директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
– директор ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 2
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
радиационных воздействий, необходимо обеспечить оценку и контроль РС
применяемой ЭКБ в процессе ее радиационных испытаний. Уровень радиационной стойкости ЭКБ зависит не только
от конструктивно-технологических и
схемно-топологических особенностей
реализации изделия, но и от множества
объективных и субъективных условий,
таких как:
♦ выбора информативных параметров
и критериев работоспособности (годности) изделий, методик и технических средств испытаний;
♦ режимов (электрических и функциональных) работы изделия в процессе испытаний (в сопоставлении с эксплуатационными);
♦ условий испытаний (климатических,
сопутствующих) – в сопоставлении
с эксплуатационными.
Достаточно острой стала проблема стабильности (разбросов) показателей РС
в различных партиях однотипной ЭКБ:
производственных – для отечественных микросхем и закупочных – для изделий ИП, и даже в пределах одной производственной (закупочной) партии.
Необходимость выполнения значительных объемов испытаний разнообразных, функционально и конструктивно
сложных изделий на всех этапах их
жизненного цикла (в процессе разработки, производства и эксплуатации)
обусловили создание и реализацию отечественной интеллектуально защищенной базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля РС ЭКБ (далее
– Базовая технология).
Базовая технология стала результатом
более 20 лет теоретических и экспериментальных исследований по созданию
и отработке моделей, методов, комплексов испытательного и контрольно-измерительного оборудования, программных средств, системы стандартов, которые обеспечили:
♦ достоверную оценку РС микросхем в
условиях запрета натурных полигонных испытаний на основе сочетания
типовых моделирующих установок и
впервые созданных энергосберегающих и экологичных имитаторов;
♦ прогнозирование и контроль РС изделий в процессе их разработки и
производства для повышения выхода
годных, достижения требуемого технического уровня и эксплуатационных характеристик;
♦ кардинальное повышение информативности результатов оценки РС изделий за счет увеличения количества
контролируемых параметров, внедрения компьютерных технологий,
обеспечения комплексного воздействия радиационных и климатических
факторов.
В целом Базовая технология являет
собой единство научно-технических
знаний, моделей, методов, методик,
аппаратно-программных средств, технологических операций, конструктивно-технологических и схемно-топологических решений, испытательного и
контрольно-измерительного оборудования, государственных и отраслевых
стандартов и нормативных документов:
♦ образующая комплексную систему
радиационных испытаний ЭКБ на
моделирующих установках (МУ) и
имитаторах на всех этапах активного
жизненного цикла;
♦ имеющая лучшее из известных систем сочетание достоверности и технико-экономической эффективности испытаний в условиях запрета
натурных облучательных опытов и
ограниченных возможностей современных испытательных установок;
♦ открывающая принципиально новые возможности проведения испытаний на РС современной и перспективной ЭКБ с контролем всех
информативных параметров непосредственно в условиях испытательных воздействий.
Базовая технология представима в совокупности следующих компонентов.
1 Научная база – комплекс научных знаний, моделей и программных
средств моделирования радиационных
эффектов и доминирующих механизмов отказов изделий микроэлектроники с учетом радиационных воздействий, в том числе с предельными уровнями. При ее формировании научно
обоснован и определен состав доминирующих радиационных эффектов в полупроводниковых и других структурах
ЭКБ, разработаны методы их имитационного экспериментального моделирования, основанные на эквивалентности
реакций ЭКБ в условиях реальных радиационных воздействий и лазерных,
рентгеновских и других испытательных
воздействий.
2 Нормативная база – комплекс
основополагающих нормативно-мето-
дических и директивных документов
по заданию технических требований
РС, методам прогнозирования и оценки соответствия ЭКБ требованиям РС,
методам их радиационных испытаний.
При ее формировании разработаны и
внедрены комплексы военных отечественных государственных и отраслевых
стандартов по обеспечению и контролю
РС ЭКБ (ГОСТ РВ 20 57.415, ГОСТ РВ 20
39.414.2, ОСТ В 11 073.013, ч.10 и др.).
3 Экспериментальная база – комплекс научно обоснованных, разработанных и внедренных высокоэффективных методов радиационных испытаний ЭКБ, функционально полного
ряда моделирующих и имитирующих
испытательных установок, методик
метрологической аттестации и дозиметрического обеспечения испытаний, методик и технических средств
контроля работоспособности и диагностики отказов ЭКБ в ходе испытаний,
обеспечивающих контроль информативных параметров (точностных, динамических, шумовых, др.), ранее не
контролируемых. При ее формировании создан, аттестован и использован
при испытаниях ЭКБ ряд лазерных
(серия «РАДОН») и рентгеновских (серия «РЕИМ») имитаторов. Впервые созданы, аттестованы и внедрены в практику испытаний комплексы на основе
малых МУ, которые сочетают в себе
высокие проникающую способность
излучений типовых МУ и производительность имитаторов.
4 Проектно-производственная база
– комплекс конструктивно-технологических и схемно-топологических методов и решений, контрольных технологических операций, обеспечивающих
заданный уровень РС изделий на этапах разработки и его гарантированную
стабильность в процессе производства
и эксплуатации в аппаратуре. При ее
формировании радиационные испытания, ранее используемые лишь для
финишного контроля микросхем, стали
инструментом создания более широкой
номенклатуры ЭКБ, обеспечивая оперативность принятия и апробации технических решений, выявления наиболее
уязвимых элементов, параметров и режимов работы изделий. Разработанная
и внедренная система 100% (сплошного)
и/или выборочного (приемка партий
пластин) контроля радиационной стойкости ЭКБ гарантирует обеспечение
3
SPEC_2011_SPT-1.indd 3
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
воспроизводимости показателей РС.
Внедрение Базовой технологии позволило более чем на порядок сократить
время испытаний и энергопотребление
при увеличении достоверности результатов, существенно увеличить количество выборок испытательной информации без увеличения затрат; повысить
производительность труда за счет автоматизации процесса испытаний ЭКБ и
размещения испытательного оборудования непосредственно на рабочих местах; обеспечить высокую санитарную
и экологическую безопасность.
Базовая технология прогнозирования,
оценки и контроля радиационной стойкости ЭКБ для ССТиС продолжает интенсивно развиваться, что, безусловно, отражает данный тематический
выпуск журнала, сформированный по
результатам исследований ученых и
специалистов научно-образовательного центра (НОЦ) «Стойкость», объединяющего в рамках инновационного
сотрудничества и частно-государственного партнерства Институт экстремальной прикладной электроники (ИЭПЭ)
Национального
исследовательского
университета (НИЯУ) «МИФИ» и ОАО
«ЭНПО «СПЭЛС».
Испытательный центр НОЦ «Стойкость» обеспечивает значительную
часть радиационных испытаний ЭКБ
для отечественных потребителей. В качестве основного приоритета и критерия эффективности развития центра
принята задача обеспечения рационального и наилучшего для потребителя
соотношения информативности, оперативности, полноты, достоверности
результатов и качества испытаний при
достижении эффективных техникоэкономических показателей оценки РС
ЭКБ при создании СТСиС нового поколения
ЯНЕНКО1 Андрей Викторович, к.т.н.;
ЧУМАКОВ2 Александр Иннокентьевич, д.т.н.;
3
ПЕЧЕНКИН Александр Александрович; САВЧЕНКОВ4 Дмитрий Владимирович;
ТАРАРАКСИН5 Александр Сергеевич; ВАСИЛЬЕВ6 Алексей Леонидович
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИСПЫТАНИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА СТОЙКОСТЬ
К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ НА
ЛАЗЕРНЫХ ИМИТАТОРАХ И УСКОРИТЕЛЯХ ИОНОВ
Рассмотрены основные современные подходы для расчетно-экспериментальной оценки параметров чувствительности
электрорадиоизделий к воздействию отдельных ядерных частиц с использованием испытаний на моделирующих установках и лазерных имитаторах. В работе показано, что полный комплекс исследований стойкости изделий к воздействию отдельных ядерных частиц следует проводить с использованием как моделирующих установок, так и лазерных имитаторов.
Ключевые слова: одиночные эффекты, тяжелые заряженные частицы, локальное лазерное излучение.
Modern test approaches for microelectronic devices single event effects sensitivity parameters evaluation utilizing laser simulators
and ion accelerators are discussed. For the peculiarities of each approach the most complete SEE tests one can perform using both
laser simulators and ion accelerators.
Keywords: single event effects, heavy ions, local laser irradiation.
Ш
ирокое применение современных изделий микроэлектроники
в электронной аппаратуре космических
аппаратов делает крайне актуальной
задачу по оценке их параметров чувствительности к эффектам воздействия
отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) –
потоков тяжелых заряженных частиц
(ТЗЧ) и высокоэнергетичных протонов (ВЭП) космического пространства
(КП) [1 − 5]. Возникающие локальные
радиационные эффекты типа сбоев,
тиристорных эффектов (ТЭ) или катастрофических отказов, несмотря на
относительно невысокую вероятность
их появления в реальных условиях эксплуатации, тем не менее, в ряде случаев
приводят к функциональным отказам в
работе всего космического аппарата.
Как правило, параметры чувствительности для каждого типа локального
радиационного эффекта в интегральной схеме (ИС) включает в себя зависимости сечений эффектов от линейных потерь энергии (ЛПЭ) ТЗЧ или от
энергии ВЭП, которые определяются
расчетно-экспериментальными методами. Расчетные методы для большинства
эффектов дают большую погрешность
(например, по тиристорным эффектам практически не пригодны), однако
при оценке параметров по эффектам
одиночных сбоев в ИС с регулярными
структурами (ОЗУ, ПЛИС и т.п.) могут
давать приемлемую точность оценок.
Очень часто оказывается невозможным
подыскать эквивалентную замену ИС,
имеющую высокую чувствительность,
на ее радиационно стойкий аналог. В
этом случае в электронной аппаратуре
космических аппаратов необходимо
предусмотреть комплекс мер, направ-
1
4
− доцент НИЯУ «МИФИ»; 2 − профессор НИЯУ «МИФИ»;
− н.с. ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»; 4 − м.н.с. ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
5
− аспирант НИЯУ «МИФИ»; 6 − м. н.с. ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
3
SPEC_2011_SPT-1.indd 4
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ленных на парирование нежелательных
последствий для функционирования
всего изделия. Поэтому необходимо получение дополнительной информации,
например, сохранение работоспособности ИС после выдержки в состоянии
тиристорного эффекта некоторое время, получение динамических и статических характеристик развития различных локальных радиационных эффектов, влияние температуры, тактовой
частоты, режимов функционирования
на параметры чувствительности и т.п.
Расчетно-экспериментальные
методы оценки параметров
чувствительности
к воздействию отдельных
ядерных частиц
Прямые экспериментальные методы
крайне затруднены, так как предполагают создание радиационной обстановки, близкой к реальным условиям КП,
тем не менее они иногда реализуются
в рамках натурных экспериментов на
борту космических аппаратов. Поэтому
наиболее широко в мировой практике
используются
расчетно-экспериментальные методы. Суть их сводится к
тому, что при ограниченном наборе экспериментальных точек (требуется несколько значащих точек) зависимость
аппроксимируется некоторой функцией (обычно функцией Вейбулла), по
результатам чего и определяются параметры чувствительности.
Традиционные методы оценки параметров чувствительности базируются
на проведении испытаний на ускорителях ионов или протонов [4, 6]. Для получения параметров чувствительности
необходимо провести несколько экспериментов для разных значений ЛПЭ
ионов или энергии протонов (Ep). Для
большинства практических случаев при
описании интегральной функции зависимости сечения одиночных эффектов
при воздействии ионов и протонов применима аппроксимация функцией Вейбулла. Для описания зависимости сечения одиночных эффектов от энергии
протонов иногда применяется функция
Бендела.
Для получения удовлетворительных результатов аппроксимации необходимо
проводить значительное количество
экспериментов (более 4-х) при разных
значениях ЛПЭ или Ер, что не всегда воз-
можно, так как методы, использующие
моделирующие установки, являются
трудоемкими и дорогостоящими. Увеличение числа точек для разных значений
ЛПЭ за счет облучения образцов ИС под
разными углами к их поверхности имеет
существенный риск, так как оно базируется на предположении модели тонкой
чувствительной области, которая для
современных ИС применима только ограниченного класса изделий, например,
изготовленных по КНИ-технологии.
Кроме этого, в силу стохастической
природы взаимодействия корпускулярного излучения с веществом по
результатам испытаний на моделирующих установках нельзя достоверно
утверждать, что в ИС отсутствуют области, в которых происходит катастрофический отказ при возникновении в
них тиристорного эффекта.
Альтернативными средствами являются методы, основанные на применении
сфокусированного лазерного излучения [8 − 10]. Применение этих методов
имеет существенные ограничения для
современных больших интегральных
схем (БИС) из-за наличия в них многослойной металлизации, которая покрывает значительную часть поверхности
кристалла. Существует относительно
высокая вероятность «холостых» выстрелов лазерного излучения, когда оптическое излучение практически полностью поглощается в защитном окисле
или отражается от слоев металлизации.
В этом случае более эффективной оказывается методика локального лазерного воздействия [10, 11].
Методика применения локального лазерного излучения основана на сканировании всей поверхности кристалла
БИС и подсчете общего количества
имеющих место локальных радиационных эффектов − Nлз. При этом за счет
более широкого диаметра оптического
пятна удается проинтегрировать оптические неоднородности и пользоваться
неким усредненным коэффициентом
оптических потерь. По результатам экспериментальных исследований могут
быть определены эквивалентные значения линейных потерь энергии Lz и
сечений наблюдаемых эффектов σлз из
соотношений:
Lz ≈ Kλ.J0 /Km = Kl .J0;
(1)
σэз = Aис.Nэз /Nl ,
(2)
где J0 − значение энергии лазерного
излучения, приведенное к сфокусированному значению; Aис − площадь
кристалла БИС; Nl − общее количество
импульсов лазерного излучения при
сканировании всей поверхности кристалла БИС.
Очевидными достоинствами метода с
применением локального и сфокусированного лазерного излучения являются:
1) доступность и невысокая энергоемкость испытаний на лазерных имитаторах;
2) возможность воздействия на все без
исключения участки микросхемы и
исследования отдельных фрагментов кристалла БИС путем последовательного уменьшения диаметра
оптического пятна.
При оценках количества эффектов
на лазерных имитаторах в отличие от
ионных пучков отсутствует влияние
накопленной дозы и существенно упрощается контроль и задание температуры, так как испытания проводятся в
нормальных условиях, однако появляется возможность повреждения кристалла высокоинтенсивным оптическим
излучением.
Следует также отметить потенциально
более широкие возможности лазерных
методов, с помощью которых относительно просто определить:
♦ размеры чувствительных областей
для каждого одиночного эффекта,
которые могут использоваться при
оценках показателей стойкости;
♦ места локализации областей возникновения одиночных эффектов;
♦ места локализации областей возникновения катастрофических отказов и их параметры;
♦ «живучесть» образцов после нахождения их в состоянии ТЭ;
♦ статические и динамические характеристики возникновения одиночных эффектов (например, ток и напряжения удержания ТЭ);
♦ эффективность применения различных способов по защите от одиночных эффектов и т.п.
Ограничения метода заключаются в
невозможности моделирования ряда
эффектов (микродозовых или «прокола» диэлектрика), а также доступа
к поверхности кристалла при наличии
оптически непрозрачных покрытий. В
частности, в современных сверхболь-
5
SPEC_2011_SPT-1.indd 5
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
ших интегральных схемах (СБИС)
часто используется планаризция поверхности кристалла за счет практически сплошного покрытия его слоем
металлизации, что резко увеличивает
коэффициент оптических потерь. В
ряде случаев для достижения эффекта
требуется энергия, которая может за
счет оптических эффектов повредить
поверхность кристалла СБИС за счет
оптических эффектов. Альтернативным методом в этом случае является
облучение кристалла с тыльной стороны.
Сравнение погрешностей
расчетно-экспериментальных
методов оценки параметров
чувствительности с
использованием моделирующих и имитирующих установок
Точность определения параметров
чувствительности зависит от различных факторов, в том числе от достоверной статистики, числа значимых
экспериментальных данных, методов
оптимизации (поиска) параметров
чувствительности и т.п. Оценить общую погрешность крайне затруднительно. Например, в одной из версии OSOT (НИИ КП) при совершенно адекватных экспериментальных
данных (с известными параметрами
чувствительности) получались отрицательные значения пороговых ЛПЭ
[12]. Тем не менее опыт показывает,
что погрешность определения порогового значения ЛПЭ достигает 50%,
а сечений насыщения – более 100%.
Точность потенциально повышается
при увеличении количества экспериментальных данных при разных значениях ЛПЭ.
Основные погрешности
испытаний на пучках ионов
В ходе испытаний на ускорителях ионов регистрируется количество эффектов в потоке ионов с определенной
энергией и определяется сечение эффекта для нескольких значений ЛПЭ
(Lz). Таким образом, помимо методических погрешностей, обусловленных
выбором критериальных параметров
и способами их регистрации, существуют погрешности определения трех
основных параметров: Lz, Noэ, Ф. Важ-
но отметить, что в ряде случаев в силу
физико-технологических
ограничений, например, относительно толстых
слоев (около 20…30 мкм) защитной
пленки существующие эффекты могут быть не зарегистрированы на пучках ионов.
Оценка Lz производится исходя из данных на тип иона и его энергию. Данное
значение относится только к величине
ЛПЭ на поверхности кристалла. Какое
значение ЛПЭ будет действовать непосредственно в чувствительной области, спрогнозировать трудно, так как в
большинстве случаев неизвестны толщина защитного покрытия (например
окисла) и параметры чувствительной
области. При наличии защитных покрытий (иногда не видимых при беглом осмотре) оценка ЛПЭ оказывается совершенно неправильной.
Оценка параметров чувствительности по одиночным эффектам в современных цифровых БИС с толщиной
защитного слоя не более 5…7 мкм
дает погрешность в значении ЛПЭ не
более 10% для большинства типов ионов (короткопробежных), используемых на ускорителях У-400 и У-400М
(ОИЯИ, г. Дубна). Следует отметить,
что при облучении ионами под углами
к поверхности ИС, отличными от нормального, ошибка определения значения ЛПЭ в активной области возрастает. Таким образом, заранее сказать
о погрешности оценки ЛПЭ во многих
случаях оказывается крайне затруднительно.
Оценка общего флюенса Ф и его неоднородности в настоящее время имеют относительно невысокую погрешность – на уровне единиц процентов.
Необходимо отметить, что при оценках флюенсов надо корректно проводить оценку «мертвого» времени, когда в процессе воздействия происходит
переконфигурация БИС или отключение питания при парировании ТЭ.
Наиболее сложной является оценка
погрешности при определении количества одиночных эффектов. В зависимости от выбранной методики погрешности (различия) в результатах могут
достигать порядка и более. Проанализируем основные источники погрешностей на примере испытаний ИМС на
чувствительность к ТЭ.
Критерием ТЭ часто является пороговое возрастание тока потребления,
однако, аналогичное поведение наблюдается также при сбоях в конфигурационном запоминающем устройстве
ПЛИС или при сбоях в цепях управления флэш-памяти. Таким образом, при
контроле ТЭ только по росту тока потребления могут быть зафиксированы
ложные события − погрешность может
равняться бесконечности.
Влияние режима работы ИС, в первую
очередь, выражается в зависимости
чувствительности по ТЭ от напряжения
источника питания. Отличия при увеличении даже на 5% могут приводить к
увеличению чувствительности на 20%.
Рост температуры сказывается на повышении чувствительности по ТЭ. При
испытаниях на пучках ионов в вакууме
самопроизвольное постепенное повышение чувствительности может быть
вызвано разогревом кристалла из-за
часто возникающих ТЭ.
По влиянию накопленной дозы на ТЭ
имеются противоречивые результаты.
Тем не менее для изделий, которые
имеют невысокий уровень стойкости,
должны соблюдаться ограничения на
величину накопленной дозы. Дополнительно следует отметить, что в ряде
ИС при наборе флюенса наблюдается
заметный рост тока потребления, который может превышать пороговое
значение, установленное для регистрации ТЭ.
Стохастическая природа взаимодействия корпускулярного ионизирующего
излучения с веществом приводит к статистической погрешности. Когда эффектов всего несколько десятков, погрешность может составлять более 10%.
Таким образом, основные погрешности оценки параметров чувствительности – это физико-технологические
(из-за коротких пробегов ионов) и методические.
Основные погрешности
испытаний на лазерном
имитаторе
При испытаниях на лазерных имитаторах параметры чувствительности
определяются из соотношений (1), (2).
Оценка эквивалентного значения пороговой ЛПЭ Lz. производится исходя
из пересчета энергии лазерного излучения, приведенного к некоторому асимптотическому остросфокусированному
значению Jo. Рассмотрим основные пог-
6
SPEC_2011_SPT-1.indd 6
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
решности в определении Jo и Kl.
Оценка собственно энергии лазерного
излучения производится с точностью
несколько процентов. Однако значение определяется исходя из асимтотической зависимости, основанной
на модели прямоугольного параллелепипеда. Точность оценки зависит
от размеров чувствительной области.
При ее размерах в несколько микрон
(наиболее типовая ситуация для современных субмикронных ИС), точность
укладывается в 10…15%. При меньших
размерах точность оценок ухудшается,
но обычно не превышает 50%.
Коэффициент пропорциональности
Kl может быть оценен расчетным или
расчетно-экспериментальным способами. Расчетный метод может давать
неопределенность в несколько раз.
Наиболее оптимальный способ основан на регистрации ионизационной
реакции ИС при локальном воздействии в месте возникновения одиночного эффекта, но при существенно меньшей энергии лазерного излучения.
Основную погрешность в этом случае
дает неопределенность в типе используемой подложки (следует отметить,
что большинство современных субмикронных БИС выпускаются на подложках p-типа). Неопределенность в
типе подложки дает погрешность на
уровне разницы квадратных корней из
коэффициентов диффузии для подложек различного типа. При отсутствии
сведений о подложке это дает неопределенность около 25%. Погрешность
существенно увеличивается, если применяются тонкопленочные структуры.
Как правило, для большинства современных ИС погрешность оценки эквивалентного значения пороговой ЛПЭ
не превышает 20…40% при использовании подобной методики. Погрешность
существенно снижается (до 20%) при
использовании калибровки на импульсной гамма-установке с применением
методики локального облучения.
Оценка общего флюенса Ф при определении сечения одиночных эффектов
по формуле (2) производится из общего количества импульсов лазерного
изучения, падающих на кристалл ИС,
отнесенных к площади кристалла. Изза потенциальной возможности непопадания импульсов сфокусированного
лазерного излучения вглубь чувствительной области при наличии много-
слойной металлизации, сканирование
необходимо проводить локальным
лазерным излучением с диаметром
более 5 мкм и с учетом возможности
появления в этом случае эффектов
в смежных областях. Погрешность
оценки флюенса может быть оценена
на уровне 10%.
Выводы
Таким образом, с учетом доступных
на сегодняшний день установок, ни
один из существующих методов не
позволяет «под ключ» провести испытания на стойкость к воздейст-вию
отдельных ядерных частиц. Однозначно выбрать из двух рас-смотренных подходов (лазерные имитацион-
ные методы и моделирующие установки) один, наиболее приемлемый
по информативности и точности результатов испытаний, в настоящее
время не представляется возможным. При неграмотном использовании любого метода возможно появление больших погрешностей. Рациональный состав используемых методов может быть определен только
после анализа конструкции изделия
с учетом требуе-мого набора необходимых результатов. В большинстве
случаев наибо-лее эффективным и
достоверным является подход, основанный на взаимосогласованном и
взаимодополняющем
применении
как моделирующих установок, так и
лазерных имитаторов
Литература
1. Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. N.Y.: Chapman&Hall, 1997. −
368 p.
2. The Radiation Design Handbook. European Space Agency. ESTEC, Noordwijk, the
Nederland, 1993. − 444 p.
3. Pickel C. Single event effects rate prediction./ IEEE Trans. on Nucl. Sci., 1996. − V.
43. − № 2. − P. 483 − 495.
4. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИМС. −М.: Радио и связь,
2004. − 320 с.
5. Беляков В.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Першенков В.С., Скоробогатов
П.К., Согоян А.В. Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования эффектов одиночных сбоев в элементах современной микроэлектроники./ Микроэлектроника, 2003. – Т. 32. – № 2. – С. 134 – 151.
6. Allen G. R. Compendium of Test Results of Single Event Effects Conducted by the Jet
Propulsion Laboratory./ 2008 IEEE Radiation Effects Data Workshop Record.
7. Чумаков А.И. Однопараметрическая модель для оценки чувствительности ИС
к эффектам одиночных сбоев при воздействии высокоэнергетичных протонов./ Микроэлектроника, 2004. – Т. 33. – № 2. – С. 122 – 128.
8. Pouget V. Fundamentals of laser SEE testing and recent trends./ RALFDAY, 2009. −
EADS France, Suresnes − 11th September.
9. Jones R. et al. Comparison between SRAM SEE cross-section from ion beam testing
with those obtained using a new picosecond pulsed laser facility./ IEEE Trans. on
Nucl. Sci., 2000. − V. NS-47. − №4. − P. 539 − 544.
10. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Яненко А.В. Возможности использования локального лазерного излучения для моделирования эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц в ИМС./ Микроэлектроника, 2004. − Т. 33. −
№ 2. − С. 128 – 133.
11. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Баранов С.В., Васильев А.Л., Яненко А.В. Методика оценки параметров чувствительности ИС к
тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./ Микроэлектроника, 2008. – Т. 37. – № 1. – С. 45 – 51.
12. Анашин В.С., Емельянов В.В, Зебрев Г.И. и др. Программный комплекс «ОСОТ»
для прогнозирования скорости одиночных сбоев в условиях компического
пространства./ Радиационная стойкость электронных систем – СТОЙКОСТЬ-2008. – М.: МИФИ, 2008. − С. 165 − 166.
7
SPEC_2011_SPT-1.indd 7
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
ЕГОРОВ1 Андрей Николаевич; МАВРИЦКИЙ2 Олег Борисович;
ЧУМАКОВ3 Александр Иннокентьевич, д.т.н.;
НИКИФОРОВ4 Александр Юрьевич, д.т.н.; ТЕЛЕЦ5 Виталий Арсеньевич, д.т.н.;
ПЕЧЕНКИН6 Александр Александрович;
7
ЯНЕНКО Андрей Викторович, к.т.н.; КОЛЬЦОВ8 Дмитрий Олегович;
САВЧЕНКОВ9 Дмитрий Владимирович
ЛАЗЕРНЫЕ ИМИТАТОРЫ «ПИКО» ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА
СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
В работе приведено описание разработанных в ЭНПО «СПЭЛС» лазерных имитационных комплексов семейства «ПИКО»,
основанных на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности и предназначенных для
проведения научных исследований и испытаний интегральных схем на стойкость к воздействию высокоэнергетичных отдельных заряженных частиц. Обсуждаются основные требования к лазерным имитаторам подобного класса, представлены краткое описание и технические характеристики созданных комплексов.
Ключевые слова: отдельная ядерная частица; одиночный сбой; радиационная стойкость; пикосекундные лазерные импульсы; лазерные имитационные испытания.
This work describes the «PICO» laser simulation systems family, utilizing focused picosecond laser pulses for ICs single event
effects investigations and tests. The main requirements for such systems are discussed; technical characteristics of designed
facilities are presented.
Keywords: single heavy ion; single event effect; radiation hardness; picosecond laser pulses; laser simulation tests.
Ш
ирокое применение больших
(БИС) и сверхбольших (СБИС)
интегральных схем, а также силовых
и высоковольтных транзисторов в качестве электронной компонентной
базы (ЭКБ) космической аппаратуры и
авионики требует проведения работ по
оценке их чувствительности к локальным одиночным радиационным эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) – ионов и протонов
космического пространства (КП). К
наиболее важным локальным одиночным радиационным эффектам относятся одиночные сбои и тиристорные
эффекты [1 – 3].
Основной метод оценки параметров
чувствительности ЭКБ к воздействию
ОЯЧ основывается на результатах испытаний на ускорителях ионов и протонов, которые являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. К тому
же, в силу статистического характера
взаимодействия излучения с веществом, данные методы являются неэффективными при сравнении различных
схемно-технологических методов обеспечения радиационной стойкости ЭКБ.
Поэтому в настоящее время развиваются альтернативные методы, основанные на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности [4 – 11]. Было
показано, что эффекты, вызываемые
в полупроводниковых приборах сфокусированными ультракороткими лазерными импульсами пикосекундной
длительности, в наибольшей степени
сравнимы с эффектами от воздействия
ОЯЧ. При воздействии ОЯЧ в кристалле генерируется ионизационный
трек из плотной электрон-дырочной
плазмы. Практически к аналогичному
результату приводит и поглощение в
объеме полупроводника сфокусированного пикосекундного лазерного импульса. Оба эти взаимодействия происходят за времена существенно более
короткие, чем время электрического
отклика большинства микроэлектронных приборов. Хотя пространственное распределение генерируемого при
поглощении сфокусированного пикосекундного лазерного импульса в объеме полупроводника заряда заметно
отличается от формы трека космической частицы, в обоих случаях создается локальный неравновесный сгусток
заряда, способный вызвать появление
эквивалентного эффекта в ЭКБ.
Моделирование воздействия ОЯЧ на
ЭКБ с помощью лазерного импульса
имеет ряд неоспоримых преимуществ
перед традиционным воздействием
пучка частиц:
♦ лазерный луч может быть сфокусирован до микронных (и даже субмикронных для коротких длин волн)
размеров; это дает возможность локализации чувствительных элементов с микронной точностью;
♦ воспроизводимое лазерное облучение с правильно подобранной энергией в отличие от возбуждения пучком частиц не вызывает остаточных
разрушений;
♦ лазерный импульс может быть точно
синхронизован с тактовой частотой
1
8
− научный сотрудник ЭНПО «СПЭЛС»; 2 – научный сотрудник ЭНПО «СПЭЛС»; 3 - технический директор, ЭНПО «СПЭЛС»;
– генеральный директор, ЭНПО «СПЭЛС»; 5 – директор, ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»; 6 – научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
7
– ведущий специалист ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»; 8 – аспирант ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»; 9 – мл. научный сотрудник ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ».
4
SPEC_2011_SPT-1.indd 8
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
работы тестируемого прибора, позволяя изучать динамическую чувствительность к одиночным сбоям в
различных режимах его работы;
♦ лазерное тестирование не требует помещения исследуемого прибора в вакуумную камеру, а дополнительные приборы функционального
контроля и управления могут располагаться в непосредственной близости от него; это обстоятельство
имеет особое значение при проведении тестирования на одиночные
сбои устройств с высоким быстродействием;
♦ лазеры имеют меньшую стоимость,
чем источники пучков частиц, более
радиационно безопасны, экологичны, удобны в обращении и управлении, легко поддаются автоматизации.
Описанные особенности позволяют утверждать, что сфокусированное излучение пикосекундных лазеров может
успешно применяться для имитации
эффектов, возникающих в полупроводниковых приборах под действием
ОЯЧ КП. В настоящее время лазерное
излучение применяется для моделирования:
♦ одиночных сбоев, представляющих
собой изменение логического состояния ячейки памяти (или триггера),
возникающего вследствие перехода
закрытого транзистора в проводящее состояние при воздействии на
него ОЯЧ;
♦ одиночных переходных процессов, проявляющихся как короткие
всплески тока, способные приводить к аномальному поведению других компонент, практически всегда
присутствующих в бортовой аппаратуре, таких как логические элементы, функционально зависимые
от возбуждаемого элемента;
♦ тиристорного эффекта и последующего катастрофического отказа,
возникающего при активации паразитных структур микросхем:
♦ пробоя и последующего катастрофического отказа мощных и высоковольтных транзисторов и ряда
других эффектов.
Применение методов тестирования
ЭКБ пикосекундными лазерными импульсами позволяет, сканируя поверхность кристалла, прецизионно локализовать чувствительные к описанным
эффектам области и найти пороги возникновения эффектов.
Разработка, практическая реализация и совершенствование данных
методов привели к созданию лазерных имитаторов (ЛИ) серии «ПИКО»,
основанных на использовании сфокусированного лазерного излучения
пикосекундной длительности. В данной работе рассматриваются характерные особенности созданных ЛИ,
а также их основные технические характеристики.
Основные требования
к лазерным имитаторам для
исследования эффектов от ОЯЧ.
Лазерные имитаторы ПИКО и
ПИКО-2
В ходе работ по совершенствованию
методов лазерных имитационных испытаний на стойкость к воздействию
ОЯЧ были сформулированы основные требования к лазерным имитаторам:
♦ длительность лазерного импульса не
более 100 пс;
♦ работа на 2-х длинах волн – 1,064 и
0,532 мкм;
♦ возможность изменения энергии лазерного импульса на 4 − 5 порядков;
♦ контроль энергии каждого лазерного
импульса, воздействующего на ЭКБ;
♦ визуальное наблюдение поверхности кристалла испытываемого прибо-
ра и точки фокусировки лазерного
излучения;
♦ возможность прецизионного трехмерного перемещения образца ЭКБ
в ручном режиме и по заданной программе (сканирование).
С учетом указанных требований за
последние 15 лет было разработано
несколько поколений экспериментальных комплексов для имитационных испытаний ЭКБ на стойкость к
воздействию ОЯЧ КП, использующих
сфокусированное лазерное излучение пикосекундной длительности.
Все они в той или иной мере реализуют структурную схему, представленную на рис. 1. Излучение пикосекундного лазера, пройдя через систему
ослабления излучения, фокусируется с помощью микрообъектива на
исследуемый кристалл ЭКБ в пятно
диаметром несколько микрон в зависимости от длины волны и качества
исходного пучка. Энергия лазерного
импульса контролируется с помощью
измерителя энергии, на который отводится небольшая доля основного
лазерного пучка. Трехкоординатная
система позиционирования обеспечивает прецизионное перемещение
образца ЭКБ в объектной плоскости
и подстройку фокусировки пучка на
поверхности кристалла. Визуальное
наблюдение и фотографирование топологии осуществляется с помощью
ПЗС-камеры, сигнал с которой пода-
Рис. 1. Общая структурная схема экспериментального лазерного комплекса,
использующего сфокусированное лазерное излучение
9
SPEC_2011_SPT-1.indd 9
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 2. Структурная схема и внешний вид лазерной установки ПИКО-2.
1 – полупроводниковый лазер; 2 – пикосекундный лазер PL-2143/SH; 3 – наносекундный лазер РАДОН 51ЕМ;
4 – фокусирующая система; 5 – управляющий компьютер; 6 – микроскоп БИОЛАМ-М;
7 – трехкоординатный предметный столик; 8 – исследуемая ЭКБ; 9 – измеритель энергии; 10 – ПЗС-камера;
11 − 14 – система управления и функционального контроля
ется на монитор или в управляющий
компьютер. Задание режимов работы и функциональный контроль ЭКБ
производится с помощью системы
функционального контроля, также
подключенной к компьютеру. Лазерные установки по описанной схеме
позволяют моделировать воздействие различных по типу и энергии
частиц на любой выбранный элемент
ЭКБ путем регулирования геометрии
ионизационного «трека» – глубины
проникновения излучения (изменением длины волны) и диаметра пучка
(изменением степени фокусировки).
В 1995 г. на основе пикосекундного
лазера конструкции МИФИ на неодимовом стекле с пассивной синхронизацией мод был создан лазерный имитатор ПИКО-1, имевший следующие
характеристики: длина волны излучения 1055 и 527 нм, энергия в импульсе
до 100 мкДж, длительность импульса
7…10 пс. Основными недостатками лазера, использованного в ЛИ ПИКО-1,
были большие габариты и низкая стабильность выходной энергии, крайне
затруднявшая проведение измерений
порогов возникновения локальных
радиационных эффектов.
Дальнейшим развитием линейки лазерных имитаторов серии «ПИКО»
явился ЛИ ПИКО-2, разработанный
и созданный в ЭНПО «СПЭЛС» в
2002 г. В состав имитатора ПИКО-2
вошел пикосекундный лазер с пассивной синхронизацией мод PL2143/SH
производства фирмы EKSPLA, оснащенный преобразователем во вторую
гармонику и встроенным декадным
ослабителем выходной энергии лазерного излучения, позволяющим
варьировать ее в широких пределах.
Максимальная энергия лазерного импульса в объектной плоскости составляла до 1 мДж (при нестабильности не
более 5%), а длительность импульса
– около 25 пс. Отличительной особенностью данной установки явилось
то, что помимо пикосекундного лазера
в состав комплекса также был включен разработанный ЭНПО «СПЭЛС»
наносекундный лазерный источник
РАДОН- 51ЕМ. Кроме лазерных источников, ЛИ ПИКО-2 включал систему
фокусировки, позиционирования и
визуального контроля объекта исследования с ручным управлением на основе отечественного микроскопа БИОЛАМ-М, а также систему диагностики сбоев и функционального контроля
исследуемых ЭКБ.
Наиболее существенными недостатками данного ЛИ явилось отсутствие
компьютерного управления позиционированием образца ЭКБ, а также
то, что основным режимом работы
лазеров в составе комплекса был режим генерации одиночных импульсов. Генерация последовательности
импульсов хотя и была возможна, но
происходила на весьма низкой частоте – не более 10 Гц. Все это резко ограничивало применение ЛИ ПИКО-2
для сканирования больших по площади кристаллов. Вместе с тем в последнее время в связи с повышением
требований к радиационной стойко-
сти аппаратуры авиакосмического
применения возникла острая необходимость проводить как исследования,
так и массовые испытания новейших
типов ЭКБ с большой площадью кристалла. Это потребовало разработки
новых поколений ЛИ, представляющих более широкие возможности по
автоматизации процессов сканирования и регистрации ионизационной
реакции, функциональных сбоев и
отказов ЭКБ.
Лазерные имитационные
комплексы ПИКО-3 и ПИКО-4
Результатом недавних усилий специалистов ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» по
совершенствованию характеристик
пикосекундных лазерных имитаторов
явился разработанный и введенный в
эксплуатацию в 2007 г. лазерный имитационный комплекс ПИКО-3. В качестве лазерного источника в данном
ЛИ применен современный малогабаритный высокостабильный твердотельный пикосекундный лазер с
диодной накачкой PL-2201/SH фирмы
EKSPLA co встроенным преобразователем во вторую гармонику, работающий на частоте повторения импульсов
до 1000 Гц.
Пикосекундный лазер генерирует
импульсы излучения длительностью
70 пс на двух переключаемых длинах
волн с энергией (в области облучения
объекта) соответственно 15 мкДж
(λ1 = 1064 нм) и 8 мкДж (λ2 = 532 нм).
Примененная оптическая схема (вы-
10
SPEC_2011_SPT-1.indd 10
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Блок-схема и внешний вид лазерного имитатора ПИКО-3.
1 – пикосекундный лазер PL2201; 2 – плавный ослабитель; 3 – ПЗС видеокамера; 4 – система фокусировки;
5 – трехкоординатная система позиционирования объекта; 6 – оптическая плита
сокостабильный задающий генератор + регенеративный усилитель) и
конструкция лазера обеспечивают
близкий к гауссовому поперечный
профиль лазерного пучка (TEM00, M2 ≈
1,2) при нестабильности импульса по
энергии не более 2%. Лазер оснащен
встроенными системами выделения
одиночного импульса из цуга пикосекундных импульсов с контрастом не
менее 1000:1 и цифрового измерения
энергии каждого импульса. Выходная
оптическая система лазера формирует и пространственно совмещает коллимированные пучки диаметром 6 мм
на обеих длинах волн. Лазер не требует системы принудительного водяного охлаждения и имеет компьютерное управление режимами работы.
Система ослабления, встроенная в узел
фокусировки, предназначена для плавной регулировки коэффициента ослабления энергии излучения, падающего
на исследуемый объект, в диапазоне
1…105. Она состоит из поляризационных призм, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом
вращения. Конструкция позволяет
управлять ослабителем программно и
вручную.
Система позиционирования объекта,
предназначенная для сканирования
объекта лазерным лучом с высокой
точностью, выполнена в виде предметного столика с тремя прецизионными
шаговыми приводами с наименьшим
шагом перемещения 0,125 мкм в горизонтальной плоскости XY и 0,16 мкм в
Z-направлении. Диапазон перемещений составляет 100×100×25 мм по X,
Y и Z соответственно. Максимальная
скорость сканирования составляет
500 мкм/c.
Контрольно-измерительный
блок
на базе персонального компьютера
предназначен для управления комплексом и функционального контроля тестируемой ЭКБ. Регистрация
импульсов ионизационной реакции
и токов защелки осуществляется с
помощью блока сопряжения и коммутации, подключаемого к компьютеру
через универсальный параллельный
адаптер. Блок оснащен всеми необходимыми программными и аппаратными средствами для регистрации
отдельных сбоев и наблюдения тиристорного эффекта в КМОП ЭКБ. При
исследовании тиристорного эффекта
предусмотрена возможность записи
Рис. 4. Лазерный имитационный комплекс ПИКО-4
11
SPEC_2011_SPT-1.indd 11
16.01.2012 13:26:44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 5. Карта локализации тиристорного эффекта в БИС ОЗУ1637РУ1
осциллограмм временного отклика и
автоматическая защита исследуемого
устройства от перегрузки по току.
В 2011 г. в ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» был
запущен в эксплуатацию лазерный
имитационный комплекс ПИКО-4
(рис. 4), вобравший в себя все лучшие
технологические решения в области
лазерного моделирования воздействия ОЯЧ на ЭКБ. От предыдущих
моделей его отличает возможность
изменения длины волны лазерного
импульса в широком диапазоне, для
чего в состав комплекса был включен блок перестройки длины волны на основе оптического пара-метрического генератора PG503 (EKSPLA).
Основными особенностями блока перестройки являются: работа в
а
двух диапазонах длин волн, простота управления, а также малая расходимость и хорошее качество лазерного пучка на выходе, что дает
возможность сфокусировать его в
пятно малого диаметра (до 2…3 мкм
в зависимости от длины волны). Пикосекундные лазерные импульсы с
длиной волны в диапазоне 700…1000
нм позволяют моделировать эффекты воздействия ОЯЧ с различными
линейными потерями энергии в ЭКБ
не только на основе кремния, но и
других полупроводниковых материалов (например, арсенида галлия), в
то время как более длинноволновый
диапазон (1150…2200 нм) применяется при облучении кремниевой ЭКБ
со стороны подложки, при этом воз-
б
буждение неравновесных носителей
происходит за счет эффекта двухфотонного поглощения.
В перспективе планируется расширить
диапазон длительностей лазерных импульсов в фемтосекундную область,
соответствующая модель лазерного
имитационного комплекса находится в
состоянии разработки.
В качестве примера использования
лазерных имитационных комплексов
«ПИКО» для моделирования эффектов
от ОЯЧ, на рис. 5 приведены результаты сканирования БИС ОЗУ 1637РУ1
сфокусированным лазерным лучом.
На фотографии кристалла, полученной
методом панорамной съемки, знаком
белым отмечены точки возникновения тиристорного эффекта, которые
регистрировались в автоматическом
режиме с фиксацией координат. В данной БИС было обнаружено, что тиристорные эффекты возникают по краям
банков памяти. Важно подчеркнуть, что
при проведении подобного сканирования в режиме обратной связи поддерживается одно и то же расстояние до
поверхности кристалла, что исключает
необходимость прецизионной установки поверхности кристалла нормально к
падению лазерного луча.
Другой пример иллюстрирует возможности комплексов «ПИКО» для исследования локальных радиационных
эффектов в БИС в зависимости от изменения температуры, электрического
или функционального режимов и т.п. В
частности, на рис. 6 представлены осциллограммы развития тиристорного
эффекта при разных напряжения питания БИС ОЗУ AS7C1026D-TI. Из пред-
в
Рис. 6. Осциллограммы развития ТЭ в БИС ОЗУ AS7C1026D-TI при разных напряжениях питания:
а) Ucc = 5,5 В; б) Ucc = 5,0 В; в) Ucc = 4,6 В
12
SPEC_2011_SPT-1.indd 12
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ставленных на рис. 6 осциллограмм
можно определить необходимые электрические параметры для регистрации
схемами парирования тиристорного
эффекта. При этом особо следует подчеркнуть, что только подобный метод
позволяет зафиксировать нестационарный тиристорный эффект (рис. 6в).
Заключение
Развитие лазерных имитационных установок, основанных на сфокусиро-
ванном лазерном излучении пикосекундной длительности, дает возможность эффективно и с минимальными
затратами моделировать эффекты,
возникающие в полупроводниковой
ЭКБ под действием ОЯЧ КП. Разработанные лазерные экспериментальные
комплексы ПИКО-1 – ПИКО-4 предназначены для проведения научных
исследований и испытаний широкого
класса перспективных изделий полупроводниковой микро- и наноэлектроники на стойкость к воздействию
высокоэнергетичных отдельных ядерных частиц и обладают высокими технико-эксплуатационными
характеристиками. Комплексы являются оригинальной разработкой, не имеющей
аналогов в России.
Работа выполнена в ОАО «ЭНПО
«СПЭЛС» и в Институте экстремальной прикладной электроники
(ИЭПЭ) НИЯУ «МИФИ», в том числе, на основании Госконтракта с
Минобрнауки России от 22.10.2010 г.
№13.G36.31.007
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. − М.: Радио и связь, 2004. − 320 с.
2. Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. − N.Y.:Chapman & Hall, 1997. − 368 p.
3. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б. и др. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./ Микроэлектроника, 2008. – Т. 37. – № 1. – С. 45 – 51.
4. Чумаков А.И. Взаимосвязь эквивалентных значений линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц и энергии
сфокусированного лазерного излучения./ Микроэлектроника, 2011. – Т. 40. – № 3. – С. 163 – 169.
5. Buchner S., et al. Laboratory Tests for Single-Event Effects. / IEEE Trans. on Nuclear Science, 1996 − V. NS-43. − № 2. − PР. 678 − 686.
6. Jones et al. Comparison between SRAM SEE cross-section from ion beam testing with those obtained using a new picosecond
pulsed laser facility./ IEEE Trans. on Nuclear Scienceю, 2000. − V. NS-47. −№ 4. − PР. 539 − 544.
7. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Яненко А.В. Возможности использования локального лазерного излучения
для моделирования эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц в ИС./ Микроэлектроника, 2004. – Т. 33. –
№ 2. – С. 128 – 133.
8. Никифоров А.Ю., Чумаков А.И., Яненко А.В., Артамонов А.С., Калашников О.А., Скоробогатов П.К., Телец В.А., Брянда
О.Е., Герасимов В.Ф., Улимов В.Н. Методы испытаний на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства и импульсную электрическую прочность./В сб.: Модель космоса: Научно-информ. изд.: В 2 т./Под
ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. – Т.2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических
аппаратов. –М.: КДУ, 2007. – С. 815 – 833.
9. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Баранов С.В., Васильев А.Л., Яненко А.В. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./ Микроэлектроника, 2008. – Т. 37. – № 1. – С. 45 – 51.
10. Чумаков А.И. Радиационные эффекты в ИС от отдельных ядерных частиц./В сб.: Модель космоса: Научно-информ. изд.:
В 2 т./ Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. – Т.2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование
космических аппаратов. – М.: КДУ, 2007. – С. 494 – 518.
11. Чумаков А.И. Оценка параметров чувствительности БИС по одиночным эффектам с помощью лазерного излучения./Сб.
трудов 4-й Всерос. научн.-техн. конф. «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем-2010».
– М.: ИППМ РАН, 2010. – С. 265 – 268.
13
SPEC_2011_SPT-1.indd 13
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
ТАРАРАКСИН1 Александр Сергеевич; САВЧЕНКОВ2 Дмитрий Владимирович;
ПЕЧЕНКИН3 Александр Александрович
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ
ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА NATIONAL INSTRUMENTS И
ТЕХНОЛОГИЙ .NET
В статье рассматривается автоматизация испытаний интегральных схем на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц. Рассмотрена аппаратура, составляющая испытательные комплексы, и архитектура управляющего их работой распределенного приложения, работающего на платформе .NET. Реализована интеграция объектов .NET в проекты,
написанные на LabView, для управления контрольно-измерительными средствами National Instruments.
Ключевые слова: автоматизация радиационных испытаний, LabView, National Instruments, отдельные ядерные частицы,
распределенное приложение, .NET.
This paper considers automation of single event effects radiation hardness assurance test. We consider equipment included in test
facility and architecture of distributed application managing its operation. Integration of .NET objects is implemented in LabView
projects to manage and control National Instruments facilities.
Keywords: radiation hardness assurance, single event effect, LabView, National Instruments, distributed application, .NET Framework,
automation.
И
спытания на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц
(ОЯЧ) используются для отбраковки
интегральных схем (ИС), входящих в
космическую аппаратуру, преимущественно по критерию отсутствия тиристорного эффекта (ТЭ), который является основным и наиболее опасным
явлением, нарушающим нормальное
функционирование ИС и потенциально способным привести к их катастрофическому отказу при воздействии
отдельных ОЯЧ, к которым относятся
тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ)
и высокоэнергичные протоны (ВЭП)
космического пространства (КП) [1].
Испытания ИС на стойкость к воздействию ОЯЧ необходимы для отбраковки
потенциально нестойких в целях повышения сроков активного существования космических аппаратов. В настоящее время такие испытания становятся все более востребованными.
Испытания ИС на стойкость к ОЯЧ –
это сложный технологический процесс,
включающий в себя множество этапов
и использующий большое количество
разнообразного испытательного и из1
14
2
мерительного оборудования. Основным
путем повышения производительности
и снижения ошибок (из-за человеческого фактора) является автоматизация с
использованием современных программных технологий. Специфика радиационных испытаний накладывает определенные требования на способы автоматизации, поэтому вначале рассмотрим
средства испытаний и их особенности.
Аппаратура
В процессе испытаний используют источники излучения и контрольно-измерительную аппаратуру, куда входят
источники питания (ИП), приборы для
осуществления функционального контроля (ФК) испытываемой ИС, осциллографы, а также различные датчики,
например, датчик температуры (рис. 1).
Источниками излучения могут быть
моделирующие (ускорители протонов,
тяжелых ионов) (МУ) или имитирующие (лазерные) установки. Проведение
испытаний на различных установках
имеет свои особенности. При испытаниях на МУ целесообразно испытывать
сразу несколько образцов ИС. Большое
количество возникающих ТЭ, отсутствие теплоотвода в вакууме, а также
невозможность доступа к образцам во
время сеанса облучения при проведении испытаний на МУ приводят в ряде
случаев к необходимости контроля
температурного режима образцов. При
испытаниях на лазерных имитаторах
необходимо контролировать энергию
лазерного излучения, диаметр сечения
падающего на поверхность кристалла
ИС лазерного пучка, координаты этого
пучка на кристалле и пр. Лазерные испытания имеют свою специфику, о ней
будет сказано ниже.
ИП должен подавать на схему напряжение питания и отключать питание в случае возникновения тиристорного эффекта («парировать ТЭ»), производить
подсчет количества ТЭ. Кроме того, ИП
обеспечивает такие базовые функции,
как установка ограничения тока, порогового уровня тока ТЭ, задержка включения питания ИС после парирования
ТЭ и задержка выключения питания
при возникновении ТЭ (для осуществления проверки функционирования
− аспирант НИЯУ «МИФИ»;
− аспирант НИЯУ «МИФИ»; 3 − м. н. с. ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
SPEC_2011_SPT-1.indd 14
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Обобщенная структурная схема испытательного комплекса
ИС в условиях ТЭ и сохранения работоспособности после выдержки в состоянии ТЭ заданное время). Как правило,
при испытаниях на ускорителях ионов
в вакуумную камеру устанавливают
сразу несколько ИС, каждая из которых
может обладать несколькими выводами
питания с разными напряжениями. Это
накладывает на ИП дополнительные
требования, заключающиеся в возможности группировки каналов и при парировании ТЭ возможности отключать
питание всех каналов, входящих в группу, соответствующую конкретной ИС.
Аппаратура для осуществления ФК
должна давать ответ на вопрос, нормально ли функционирует испытываемая ИС, и, возможно, предоставлять некоторую дополнительную информацию
о работе схемы в зависимости от функционального назначения ИС. Например, для микросхем памяти аппаратура
ФК производит запись и считывание
памяти и контролирует возникновение
сбоев в ячейках памяти; для микропроцессоров ФК может заключаться в записи/считывании конфигурационных
регистров и выполнении тестовой программы, для АЦП – в контроле, например, таких параметров, как интегральная/дифференциальная нелинейность
характеристики преобразования и т.д.
Так же, как и к источникам питания, к
средствам функционального контроля предъявляется требование по масштабируемости. Для реализации ФК
цифровых схем хорошо подходят платы цифрового ввода-вывода фирмы
National Instruments, построенные на
основе FPGA. Большое количество разрядов, возможность установки нескольких плат в крейт обеспечивают возможность осуществления ФК сложных БИС,
а также масштабируемость средств ФК
для работы с несколькими ИС. Возможность реализации и выполнения программы функционального контроля
непосредственно в установленной на
плате FPGA позволяет в случае необходимости осуществлять ФК на большой
частоте. Для некоторых таких плат предусмотрен модуль ввода-вывода, позволяющий изменять значения логических
уровней, что дает возможность испытаний схем с разными напряжениями
питания. Надо сказать, что при возникновении ТЭ даже при отключении питания возможна подпитка тиристорной
структуры по входам ИС. Поэтому при
парировании ТЭ необходимо переводить входы ИС в состояние высокого
импеданса, что означает необходимость
синхронизации работы источника питания и аппаратуры функционального
контроля. По этой причине в качестве
источников питания целесообразно использование специализированных плат
National Instruments, которые, как и платы ввода-вывода, имеют хорошую программную поддержку в среде LabView.
Это позволяет разрабатывать в LabView
единые программы для парирования ТЭ
и осуществления ФК, а возможность
установки всех этих плат в один крейт
обеспечивает удобство организации испытательного комплекса.
Часто для контроля условий при испытаниях необходимо использовать разнообразные датчики. Например, как
было сказано выше, при испытаниях
на ускорителях ионов часто возникает
необходимость контроля температуры образцов. Для этого используются
датчики температуры. Кроме того, потенциально возможно взаимодействие
с регистрирующей аппаратурой ускорителя и автоматическая регистрация
данных по флюенсу частиц и интенсивности пучка. В лазерных имитационных
испытаниях часто используется так
называемый блок контроля лазерного
излучения, который предоставляет информацию об энергии и длительности
лазерного импульса.
Работа всей этой аппаратуры должна
быть синхронизована, причем особенно это важно для лазерных имитационных испытаний. Лазерные испытания имеют несколько этапов: сканирование кристалла ИС лазерным пучком и локализация чувствительных по
ТЭ областей; получение зависимости
пороговой энергии возникновения
ТЭ от диаметра пятна, которое образует на кристалле падающий пучок;
получение зависимости параметров
импульса ионизационной реакции в
цепи питания ИС от энергии лазер-
15
SPEC_2011_SPT-1.indd 15
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 2. Упрощенная схема архитектуры распределенного приложения
автоматизации
ного излучения и, наконец, проверка
живучести – выдержка ИС в состоянии ТЭ в течение заданных промежутков времени и последующая проверка
ее работоспособности. И здесь уже
необходима синхронизация работы
ИП, лазерного имитатора, аппаратуры
ФК и используемого для наблюдения
импульса ионизационной реакции осциллографа.
Архитектура приложения
Для автоматизации испытаний вполне
логично использовать программную
объектную модель, в которой каждому
прибору (ИП, лазерный имитатор, осциллограф и т.д.) соответствует объект,
т.е. экземпляр определенного класса
.NET [2]. Программа, автоматизирующая работу оборудования, построена
из набора отдельных программ (сборок .NET), каждая из которых управляет своей частью аппаратуры (рис. 2).
Также имеется головная программаклиент, которая пользуется услугами
программ, отвечающих за аппаратуру
и предоставляющих главной программе
доступ к своим объектам.
Надо заметить, что большое количество аппаратуры, а также условия проведения эксперимента зачастую не
позволяют подключить ее всю к одному компьютеру. Тогда оборудование
распределяют между несколькими
компьютерами, соединенными в сеть.
Желательно, чтобы для главной программы-клиента объекты, предоставляемые другими программами, были прозрачны, т.е. обращение к их свойствам
и методам происходило одинаково вне
зависимости от того, находятся ли они
на удаленной машине или на локальной.
Такую прозрачность обеспечивает технология .NET Remoting [3]. Для примера рассмотрим случай удаленного взаимодействия с лазерным имитатором.
На компьютере, к которому подключен
лазерный имитатор, запускается приложение-сервер, которое создает объект
лазерного имитатора и регистрирует
его в инфраструктуре Remoting. Этому
объекту также присваивается унифицированный идентификатор ресурса
(URI), который, в частности, содержит
в себе IP-адрес машины, на которой
расположен объект и номер сетевого
порта. Клиентское приложение запрашивает удаленный объект с помощью
этого идентификатора (URI определен
программно и потому заранее известен
клиенту). В его адресном пространстве
создается прокси-объект, который имеет те же методы и свойства, что и реальный объект, но при их вызове клиентом
он обращается к удаленному объекту
по сети. Этот объект выполняет требуемые действия и, опять же по сети, воз-
Рис. 3. Создание объекта ИП в проекте LabView
16
SPEC_2011_SPT-1.indd 16
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вращает результат прокси-объекту, а
тот, в свою очередь, – клиенту (рис. 2).
Зачастую
программы,
управляющие оборудованием, реализованы на
LabView, поэтому возникает необходимость встраивания их в описанную
архитектуру. Эта задача решается
внедрением объектов .NET в проекты
на LabView (рис. 3). LabView позволяет загружать сборку .NET и создавать
описанные в ней объекты и вызывать их методы, обращаться к полям и
свойствам, а также подписываться на
события [4]. На рис. 3 показана часть
проекта LabView, в которой создается
объект источника питания. Вся логика
работы источника питания, подсчета и
парирования ТЭ может быть реализована в самом объекте .NET, а для непосредственного управления источником
питания National Instruments (задание
напряжений, ограничения тока, включение и отключение каналов) через
подписку на события могут вызывать-
ся подпрограммы, реализованные в
LabView с использованием библиотечных функций поддержки соответствующих аппаратных средств.
Заключение
Tехнология .NET Remoting хорошо
подходит для автоматизации производственных процессов, требующих
синхронной работы оборудо-вания, со-
единенного в локальную сеть. В работе
показана возможная реализация автоматизации испытаний на стойкость к
воздействию отдельных ядерных частиц. Возможность создавать объекты
.NET в таких средах разработки как
Lab View позволяет включить в процесс автоматизации средства функционального контроля на основе модульных приборов National
Instruments
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. − М.:
Радио и связь, 2004. − 320 с.
2. Рихтер Дж. CLR via C#. Программирование на платформе Microsoft .NET
Framework 2.0 на языке C#. Мастер-класс. −М.: Русская Редакция, 2007. − 656 с.
3. Морган Сара, Райан Билл, Хорн Шеннон, Бломсма Марк. Разработка распределенных приложений на платформе Microsoft .Net Framework: Учебный курс
Microsoft. − М.: Русская Редакция, 2008. − 608 с.
4. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabView для всех. − М.: ДМК Пресс, 2008. − 880 с.
ВАСИЛЬЕВ1 Алексей Леонидович, к.т.н.;
ПЕЧЕНКИН2 Александр Александрович;
ЧУМАКОВ3 Александр Иннокентьевич, д.т.н.;
ЯНЕНКО4 Андрей Викторович, к.т.н.; АРТАМОНОВ5 Алексей Сергеевич, к.т.н.
ВЕРИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИС
НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ
ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ИМПУЛЬСНОЙ ГАММА-УСТАНОВКИ
Представлена методика калибровки лазерных имитационных испытаний микросхем по локальным одиночным ионизационным эффектам с использованием малогабаритной импульсной гаммы-установки. Проведена апробация методики, и
показана возможность повышения точности оценок эквивалентных значений линейных потерь энергии (ЛПЭ) для микросхем, выполненных по различным технологиям.
Technique of laser simulation tests verification using pulsed X-ray simulator is presented. Approbation technique is performed and
opportunity of improving the accuracy estimations equivalent LET for various IC’s technologies is shown.
Ш
ирокое применение интегральных схем (ИС) в бортовой аппаратуре космических аппаратов требует
оценки их чувствительности к воздействию отдельных ядерных частиц [1 – 3]. Эффективный метод оценки этой чувствительности основан на применении сфокусированного
лазерного излучения пикосекундной длительности [3 – 6].
Одним из недостатков этого метода является необходимость
учета потерь лазерного излучения при его отражении слоями металлизации, поглощении в слоях поликремния и т.п.,
1
3
которые в современных БИС могут достигать более 90%. Развитый в настоящее времени способ учета этих эффектов по
ионизационному отклику в цепи питания дает в ряде случаев
ощутимую погрешность из-за неопределенности в значениях
некоторых электрофизических параметров подложки [7]. В
настоящей работе предлагается развитие этого метода, основанного на дополнительных испытаниях по методике локального облучения на импульсном ускорителе электронов в режиме генерации гамма-излучения.
− с.н.с. «ОАО ЭНПО «СПЭЛС»; 2 − м.н.с. «ОАО ЭНПО «СПЭЛС»;
– профессор НИЯУ «МИФИ»; 4 − доцент НИЯУ «МИФИ»; 5 – доцент НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 17
17
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
С практической точки зрения наиболее удобным параметром
для проведения верификации служит импульсная реакция
цепи питания при локальном облучении фрагментов микросхем. В целях исключения влияния режима работы целесообразно эти измерения проводить в режиме короткого замыкания всех выводов ИС. При проведении этой процедуры
рекомендуется:
♦ использовать интегратор с постоянной времени не менее
10 мкс в целях исключения влияния длительности и формы
импульса ионизирующего излучения (ИИ);
♦ ограничить амплитуду сигнала ионизационной реакции
(ИР) на уровне 0,2…0,3 В в целях исключения влияния отпирания p-n-переходов и влияния нелинейных эффектов.
Ионизационная реакция ИС, под которой понимается переходная реакция цепи питания ΔU(t), в случае воздействия
импульсного ионизирующего излучения и применения интегратора описывается соотношением:
зационной реакции (ΔUl ≈ ΔUa) при облучении на гамма-установке локальным пятном площадью Ala (предполагается, что
оснастка используется при обоих измерениях одна и та же);
Ca, Cl – емкости в цепи интегратора при проведении измерений на гамма-установке и лазерном имитаторе.
Таким образом, коэффициент пропорциональности между поглощенной энергией и энергией лазерного излучения
равен:
.
В связи с относительно большим диаметром коллиматора и
возможными вариациями коэффициента оптических потерь
по площади ИС необходимо на последующих этапах определять калибровочные коэффициенты kii для каждой i-й чувствительной области при диаметре лазерного пятна из диапазона 20…100 мкм. Значение коэффициента потерь для исследуемой области оценивается из соотношения:
(1)
где ΔQ – величина собранного заряда на интеграторе; R, C –
эквивалентные параметры интегратора; t – текущее время;
C = Cin+Cic; Cic – эквивалентная емкость ИС; Cin – емкость
интегратора. Оценку величины заряда при локальном облучении на импульсной гамма-установке можно провести из
соотношения:
(2)
где ΔQа_u – величина собранного заряда на интеграторе при облучении; q – заряд электрона (1,6×10-19 Кл);
go – скорость генерации (4,3×1013 пар/(рад×см3 в кремнии));
Ala – площадь коллиматора; AИС – площадь ИС; Le – эффективная длина собирания носителей заряда; Da – эквивалентная суммарная доза; Ка – коэффициент ослабления
излучения слоем защиты.
Проведя дополнительные измерения при полностью перекрытом коллиматоре, можно учесть излучение, проходящее
через слой защиты, и оценить ионизационную реакцию ΔUа
только от локального радиационного воздействия, проходящего через коллиматор.
Аналогично можно провести оценку заряда при локальном
облучении на лазерном имитаторе:
(3)
где ki – величина коэффициента пропорциональности между энергией лазерного излучения (ЛИ) и суммарной дозой с
учетом коэффициента оптических потерь; Jl – энергия лазерного излучения.
Путем сравнения амплитуд ионизационных реакций (1)…(3)
можно определить коэффициент пропорциональности ki из
соотношения:
q ⋅ g o ⋅ Ala ⋅ Le ⋅ Da ⋅
ΔU l Cl
⋅
≈ q ⋅ g o ⋅ ki ⋅ Le ⋅ J lco ,
ΔUa C a
(4)
где Ul – амплитуда ИР при локальном лазерном облучении;
Jlcо – значение энергии лазерного излучения, при которой
получается приблизительно то же значение амплитуды иони-
(5)
kii = ki ⋅
ΔUli Jlc ,
⋅
ΔUl Jli
(6)
где Uli – амплитуда ИР i-й области с уменьшенным диаметром при энергии ЛИ, равной Jli.
Рассмотренная методика калибровки позволяет оценить пороговые значения ЛПЭ ионов по результатам испытаний на
лазерной установке со сфокусированным лучом. Расчет ЛПЭ
производится из величины поглощенной дозы и пороговой
энергии лазерного излучения для возникновения эффекта
Jlio, которая, в свою очередь, определяется из зависимости
пороговой энергии лазерного излучения от диаметра [7].
С учетом того, что эквивалентное значение ЛПЭ выражается
через значение поглощенной дозы 1 рад = 6,25×104 МэВ/мг,
итоговое соотношение для определения ЛПЭ преобразуется
к виду:
LEToi ≈ 6 25 ⋅104 ⋅ Da ⋅ Ala ⋅
ΔU li Cli J loi
⋅ ⋅
ΔUa C a Jl
(7)
Важно отметить, что в ряде ИС с относительно однородными элементами и слоями металлизации, например, для
большинства современных цифровых микросхем, можно
отказаться от облучения на гамма-установке через коллиматор и проводить облучение всей микросхемы. В этом
случае в соотношении (7) вместо площади коллиматора
необходимо будет использовать площадь кристалла ИС
AИС.
Экспериментальная апробация предложенной методики
проводилась на малогабаритной импульсной гамма-установке «АРСА» и пикосекундном лазерном имитаторе ПИКО-3.
Структурная схема экспериментальной установки показана
на рис. 1
Измерение параметров ионизационной реакции на установке «АРСА» проводится в следующей последовательности:
♦ при мощности дозы порядка 109 рад/с анализируется ИР
в цепи питания на токосъемном резисторе при облучении
всей поверхности кристалла ИС (необходимо убедиться,
что в этой области отсутствуют нелинейные эффекты); в
случае отсутствия такой уверенности уменьшается мощность дозы ИИ и проводится контроль при меньшей мощности дозы;
18
SPEC_2011_SPT-1.indd 18
16.01.2012 13:26:45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
а
б
Рис. 2. БИС TMS320. Ионизационные реакции в цепи питания при локальном облучении: а) установка «АРСА» –
облучение через коллиматор с уровнем воздействия 1,5×109 ед/с; б) лазерная установка ПИКО-3
♦ при этой же интенсивности снимается осциллограмма сигнала на интеграторе при облучении пучком всей поверхности кристалла ИС;
♦ на этой же интенсивности устанавливается коллиматор и
измеряется ионизационная реакция ИС в 2…3 характерных точках поверхности кристалла ИС.
На следующем этапе проводится измерение ионизационной реакции на лазерном имитаторе при тех же условиях
локального воздействия (диаметр пятна, характеристики
интегратора):
♦ определяется энергия лазерного излучения, при которой
характеристики ионизационной реакции в цепи питания
совпадают с полученной на гамма-установке (допускает-
ся измерения проводить при меньших уровнях лазерного
воздействия, если ее энергия близка к пороговым энергиям повреждения поверхности кристалла ИС);
♦ оценивается интегральный коэффициент калибровки (соотношение (5));
♦ определяются локальные коэффициенты калибровки при
облучении локальных чувствительных областей с диаметром оптического пятна 20…100 мкм (соотношение (6)).
Разработанная методика была апробирована на ряде ИС. В
качестве примера на рис. 2 и рис. 3. показаны типовые ионизационные реакции, полученные на МУ «АРСА» и лазерном
имитаторе для процессора цифровой обработки сигнала типа
TMS320C (рис. 2) и ОЗУ типа K6R4008 (рис. 3), первая из ко-
19
SPEC_2011_SPT-1.indd 19
16.01.2012 13:26:46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
а
б
Рис. 3. БИС ОЗУ K6R4008. Ионизационные реакции в цепи питания при локальном облучении:
а) установка «АРСА» – облучение через коллиматор с уровнем воздействия 4×108 ед/с;
б) лазерная установка ПИКО-3
торых выполнена на эпитаксиальных, а вторая – на монокремниевых структурах. Проведенные оценки показали, что в
данных ИС коэффициент оптических потерь достигает значения 4 и 3 соответственно.
Из сравнения результатов, представленных на рис. 2, 3, видно, что для получения сопоставимых уровней ионизационного отклика при воздействии на БИС, выполненных на эпитаксиальных структурах (рис. 2), требуются уровни воздействия
в 5 – 10 раз выше, чем для БИС, выполненных на монокремниевых структурах (рис. 3).
Разработанная методика позволяет проводить верификацию лазерных имитационных испытаний ИС на стойкость
к воздействию отдельных ядерных частиц с использованием
импульсных гамма-установок и определять эквивалентные
значения ЛПЭ для схем, выполненных по различным технологиям (объемной, эпитаксиальной, тонкопленочной и т.п.).
Предложенная методика позволяет существенно увеличить
точность оценки ЛПЭ по сравнению с методом, основанным
на анализе только ионизационного отклика при локальном
лазерном воздействии [7]
Литература
1. Messenger G.C., Ash M.S. Single Event Phenomena. − N.Y.: Chapman&Hall, 1997. − 368 p.
2. The Radiation Design Handbook. European Space Agency. ESTEC, Noordwijk, the Nederland, 1993. − 444 p.
3. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. − М.: Радио и связь, 2004. − 320 с.
4. Allen G. R. Compendium of Test Results of Single Event Effects Conducted by the Jet Propulsion Laboratory./ 2008 IEEE Radiation
Effects Data Workshop Record.
5. Pouget V. Fundamentals of laser SEE testing and recent trends / RALFDAY 2009, EADS France, Suresnes, 11th September.
6. Jones R. et al. Comparison between SRAM SEE cross-section from ion beam testing with those obtained using a new picosecond
pulsed laser facility./ IEEE Trans. on Nucl. Sci., 2000. − V. NS-47. −№ 4. − PР. 539 − 544.
7. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Баранов С.В., Васильев А.Л., Яненко А.В. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./ Микроэлектроника, 2008. − Т. 37. − № 1. − С. 45 − 51.
20
SPEC_2011_SPT-1.indd 20
16.01.2012 13:26:46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АХМЕТОВ1 Алексей Олегович
ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ
ОДНОПЛАТНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ
ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
Представлены методика и результаты исследований радиационных эффектов, возникающих в одноплатных компьютерах при воздействии отдельных ядерных частиц. Методика учитывает специфику одноплатных компьютеров – большое
число микросхем с различной чувствительностью к воздействию отдельных ядерных частиц, – и позволяет сократить
время облучения без потери информативности.
Ключевые слова: ОЯЧ, тиристорный эффект, одноплатный компьютер.
The technique and some results of Single Event Effects research of embedded computers are presented. Embedded computers consist
of many integrated circuits with different Single Event Effects sensitivity, and the suggested research technique allows reducing
irradiation time without test data loss.
Keywords: SEE, latchup, embedded computer.
В
настоящее время в космической
аппаратуре (КА) стали широко
применяться одноплатные компьютеры (ОК), что приводит к необходимости оценки их чувствительности к
воздействию отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) космического пространства перед установкой в КА. Проводить оценку чувствительности ОК
к воздействию ОЯЧ по методикам,
разработанным для интегральных
схем (ИС), не всегда возможно в силу
конструктивных особенностей ОК и
разнообразия режимов работы. Поэтому необходимо проанализировать
особенности проведения функционального контроля и методик облучения ОК на ускорителях ОЯЧ.
модулей и развитая программная поддержка. В качестве примера рассмотрим типичный процессорный модуль в
форм-факторе PC/104 – CME137686LX
фирмы RTD Embedded Technologies
(рис. 1). В его состав входит большое
число ИС, потенциально подверженных негативному воздействию ОЯЧ. К
таким ИС, в первую очередь, относятся
КМОП-микросхемы большой степени
интеграции (БИС): микропроцессоры,
контроллеры, ОЗУ, ПЗУ и т.д. Как показал анализ модуля CME137686LX, в
его состав входит всего около 50 микросхем, из них можно предварительно
выделить около десяти, в которых могут наблюдаться одиночные сбои (ОС)
и тиристорные эффекты (ТЭ) при воздействии ОЯЧ.
Функциональный контроль
в ходе исследований
Для проведения функционального контроля (ФК) ОК можно предложить два
подхода:
Объект исследования
ОК представляют собой законченные
управляющие устройства в стандартном (PC/104, PCI, PXI, E-brain) или специальном конструктивном исполнении. На базе ОК возможно построение
высокопроизводительных цифровых
систем, дополнительные модули позволяют обрабатывать аналоговые сигналы, осуществлять цифровой ввод/
вывод, управлять силовой электроникой и многое другое. Плюсом построения данных систем является изначальная ориентация ОК на промышленное
применение (широкий температурный
диапазон, вибростойкость и т.д.), широкая номенклатура дополнительных
1
u
Рис. 1. Структурная схема одноплатного компьютера CME137686LX
– аспирант кафедры «Электроника» НИЯУ «МИФИ»
21
SPEC_2011_SPT-1.indd 21
16.01.2012 13:26:46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
♦ интерфейсы USB, COM, Ethernet –
передача данных с последующей проверкой.
Второй подход – тестирование отдельных микросхем в составе ОК
(ОЗУ, Flash-память, интерфейсные
контроллеры и т.д.), – не всегда может
быть реализован из-за программной
недоступности регистров конкретной
ИС или из-за схемы включения в данном устройстве. В табл. 1 приведены
примеры реализации ФК различных
ОК, которые исследовались на стойкость к ОЯЧ. При наличии видео-подсистемы организация ФК сводится к
написанию тестовой программы (производится установка операционной
системы и написание программы на
языке C++), при ее отсутствии – в
ОК реализуется перенаправление видеоданных через COM-порт и отладка
тестовой программы осуществляется
на другом компьютере.
1) использование штатных режимов
работы ОК с максимально полным
тестированием всех ИС, входящих в
его состав;
2) локальный ФК ИС в составе ОК.
При реализации первого подхода возможности ФК отдельных ИС в составе
ОК весьма ограничены и определяются возможными режимами работы
этих ИС в различных режимах работы
самого ОК. Более того, тестирование
отдельных ИС в составе ОК может оказаться просто невозможным. В связи с
этим тестирование ОК производится в
штатном режиме функционирования с
реализацией набора тестов. В качестве
примера можно рассмотреть функциональный контроль ОК CME137686LX.
На ОК была установлена операционная система MS Windows 2000 и реализована система удаленного доступа,
позволяющая регистрировать сбои
в процессе тестирования. В ходе ФК
проводилась проверка следующих ИС:
♦ процессор – тестирование различных режимов работы, команды
MMX и SSE;
♦ видеоподсистема – тесты 2D и 3D
графики;
♦ Flash-диск – запись и чтение данных;
♦ ОЗУ – тест свободной памяти в режиме запись/чтение;
Методы испытаний и
испытательные установки
Исследования ОК на стойкость к воздействию ОЯЧ проводились с использованием следующих испытательных
установок [3–6]:
♦ ускоритель тяжелых заряженных
частиц (ТЗЧ);
♦ ускоритель протонов;
♦ лазерный имитатор.
Из-за малых пробегов ионов в материале корпуса при работе на ускорителях
ТЗЧ необходимо проводить предварительную декапсуляцию ИС в составе
ОК. Декапсуляция производится химическим травлением части корпуса
над кристаллом с последующим ФК.
Возможные проблемы связаны с тем,
что не всегда удается сохранить работоспособность ОК после декапсуляции
нескольких ИС. Кроме того, одновременная декапсуляция сразу нескольких
ИС в составе ОК не целесообразна, так
как в этом случае отказ одной из них в
процессе облучения может привести
к отказу всего ОК, что сделает невозможным дальнейшие исследования.
В то же время положительной особенностью ускорителей ТЗЧ является
большая область облучения (порядка
50 см2), что позволяет облучать типичные ОК, как правило, всего за четыре
сеанса (по два на каждую сторону для
модуля размерами 10×10 см) и дать относительно оперативную оценку чувствительности к воздействию ОЯЧ ОК в
целом. Кроме того, ускорители ТЗЧ при
использовании ионов с различными
значениями линейных потерь энергии
(ЛПЭ) в кремнии (от единиц до десятков Мэв·см2/мг) позволяют получить
USB
Flash
Ethernet
IDE
PS/2
PCI
MIL-STD
1553
CME136686LX333HR-256
+
+
+
+
+
+
+
-
-
CME137686LX333HR-256
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
+
+
-
+
+
-
-
Cmi5486DXLC66HR
-
+
-
+
-
+
+
-
-
TA1-SMART-01-M
-
+
-
+
-
-
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
Процессорные модули
PR-Z16-LC-ST
PC-104
UART
Функциональный состав
VGA
Исполнение
Таблица 1. Организация ФК одноплатных компьютеров
EB-425-E2
E-Brain
HLV300-128DV
-
+
+
+
+
+
-
+
-
ФК
установлена операционная
система и реализованы локальный ФК (процессора, ОЗУ,
Ethernet контроллера) и штатный режим работы
используется перенаправление
видеоданных через COM-порт,
реализован штатный режим
работы
используется перенаправление
видеоданных через COM-порт,
разработана специализированная материнская плата, штатный режим работы
22
SPEC_2011_SPT-1.indd 22
16.01.2012 13:26:46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зависимость сечения тиристорных эффектов и одиночных сбоев от ЛПЭ, а из
нее – оценку частоты возникновения
ТЭ и ОС в КА.
Протоны с энергией ~1 ГэВ обладают
высокой проникающей способностью,
это позволяет устанавливать сразу несколько образцов на оси пучка ускорителя и не требует вакуумирования рабочей зоны (в отличие от ускорителей
ТЗЧ). К недостаткам ускорителей протонов стоит отнести меры радиационной безопасности на них – необходимо контролировать наведенную активность в образцах (актуально для ОК с
большой степенью металлизации и для
ИС с позолоченными выводами). Значения ЛПЭ от вторичных ядерных частиц
в кремнии при воздействии протонами
с энергией больше 200 МэВ не превышают 14 МэВ·см2/мг, поэтому при отсутствии ТЭ и ОС требуются дополнительные исследования на ускорителях
ТЗЧ или лазерных имитаторах.
Лазерные имитаторы позволяют избежать проблем моделирующих установок, однако требуют декапсуляции ИС
и калибровки на моделирующих установках.
Рассмотрим специфику исследований
чувствительности ОК к воздействию
ОЯЧ на примере ОК CME137686LX.
Исследования проводились на синхроциклотроне Петербургского института
ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН. Стенд для установки исследуемых образцов позволяет проводить
одновременное облучение различных
образцов (около десяти). Пучок протонов имеет диаметр 20 мм и энергию
1 ГэВ. Связь с измерительным залом
осуществлялась по локальной сети.
Для локального сканирования кристаллов ИС применялся комплекс ПИКО-3
(ОАО «ЭНПО «СПЭЛС») с пикосекундным лазерным излучателем PL2201.
Блок фокусировки позволял получить
пятно с диаметром не более 3 мкм.
Методики исследований
Облучение всех микросхем, входящих
в состав ОК, связано с большими временными затратами, что при работе на
моделирующих установках неоправданно. Поэтому при работе на ускорителях
протонов целесообразно использование
следующих методических решений.
♦ Облучение потенциально нестой-
ких БИС (рис. 2а), которые выбраны на основе имеющихся данных по
стойкости, технологии производства
и стойкости аналогов. Как показала
практика исследований ОК на ускорителе протонов, при облучении потенциально нестойких БИС модуля
приходится выделять 10 – 20 областей, что требует такого же числа сеансов облучения (один сеанс облучения – дневная рабочая смена при
флюенсе за сеанс 7×1010 протон/см2).
Этот подход позволяет дать наиболее
достоверную оценку стойкости ОК к
воздействию ОЯЧ при значительных
временных затратах.
♦ Облучение с торца модуля (рис. 2б)
в двух перпендикулярных направлениях. Данный подход заключается в
выявлении на первом этапе координат ИС, чувствительных к воздействию ОЯЧ, а на втором этапе – к
дальнейшему их исследованию. На
выявление чувствительных ИС требуется порядка 10 сеансов, дальнейшее их исследование возможно проводить на лазерных имитаторах или
локальным воздействием протонов
на чувствительные области. Следует
отметить, что при таком подходе наведенная активность оказывается гораздо больше, чем в первом случае,
так как протоны облучают весь ОК
(с установленными радиаторами и
разъемами).
♦ Облучение с торца модуля в одном
направлении. Такой подход требует порядка 4 – 6 сеансов облучения,
что существенно меньше, чем в двух
предыдущих случаях. Его реализация позволяет в несколько раз снизить временные затраты и может
применяться при определении чувствительности к ОЯЧ устройства в целом. Однако он не дает информации
о чувствительности отдельных ИС.
При длительном облучении образцов
ОК протонами может наблюдаться дозовая деградация параметров и функциональные сбои и отказы ОК, это
необходимо учитывать при облучении
большого числа областей ОК.
Лазерные имитаторы выгодно отличаются от моделирующих установок
удобством их использования. Установки позволяют в лабораторных условиях и в автоматическом режиме проводить сканирование кристалла ИС и
фиксировать возникающие ТЭ и ОС.
При проведении исследований ОК на
лазерных установках необходимо последовательно проводить декапсуляцию
ИС с последующим их сканированием. Обычно на лазерных имитаторах
проводится исследование «живучести» ИС и ОК в целом при длительной
выдержке в состоянии ТЭ. Данные исследования позволяют спроектировать
устройства защиты ОК от ТЭ в составе
КА (парирование ТЭ за определенное
время) и дать гарантию безотказной
работы КА на орбите.
Возможности
параметрического контроля
для определения ТЭ
При исследовании влияния ОЯЧ на
ОК возникает трудность идентификации ТЭ на фоне большого тока потребления (0,5 – 1,0 А) и бросков тока в
процессе нормального функционирования ОК. Типовая зависимость тока
потребления ОК от флюенса протонов представлена на рис. 3. Значения
тока ТЭ, возникающего в современных СБИС, может не превышать 100
а
б
Рис. 2. Маркировка зон облучения ОК
CME137686LX:
а) – локальное облучение БИС модуля
(центральный процессор, чипсет,
Flash-память, ОЗУ, контроллеры
интерфейсов и т.д.);
б) – локальное облучение с торца
23
SPEC_2011_SPT-1.indd 23
16.01.2012 13:26:46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 3. График зависимости тока потребления ОК CME136686LX при локальном облучении
протонами с энергией 1 ГэВ
мА, что не всегда заметно на фоне
скачкообразного изменения рабочего
тока потребления ОК. Решением данной проблемы может служить предварительная регистрация (запись)
«эталонного» тока потребления ОК в
различных режимах его работы и последующее сравнение тока потребления в ходе облучения с «эталонным».
Данный подход позволит выделить ТЭ
из общего тока потребления, а также
выделить скачки тока потребления
ОК при переходе в другие режимы
работы, не связанные с ТЭ. Возможен
перевод ОК в режим низкого энергопотребления со стабильным током,
на фоне которого детектирование ТЭ
не представляет трудности, однако в
данном случае можно получить информацию только о ТЭ без исследования ОС.
Заключение
Исследование чувствительности ОК
к воздействию ОЯЧ существенно отличается от исследований отдельных
ИС и требует дополнительных ресур-
сов и предварительного анализа данных для выявления чувствительных
элементов. При подготовке и проведении исследований в каждом конкретном случае необходимо искать
компромисс между информативностью (данные по ОС и ТЭ в отдельных
ИС или в ОК в целом) и временем облучения. Предложенный метод сравнения токов ОК со значениями, полученными до облучения в различных
режимах работы, будет экспериментально проверен в ходе дальнейших
исследований
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. – М.: Радио и связь, 2004.
2. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. – М.: Радио и связь, 1994.
3. ОСТ 11 073.013-83 часть 10.
4. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б. и др. Сканирующий лазерный комплекс ПИКО-3 для моделирования ионизационных эффектов в ИС. / Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009. Научно-технический сборник. – М.: МИФИ, 2009. – С. 181, 182.
5. Абросимов Н.К., Воробьев А.С., Иванов Е.М. и др. Ускорительный комплекс ПИЯФ: испытания ЭКБ. / Петербургский журнал электроники, 2009. − №1 (58) − С. 31 − 43.
6. Ватуев А.С., Гульбекян Г.Г., В.В. Емельянов и др. Отработка методики испытаний изделий полупроводниковой электроники на воздействие тяжелых заряженных частиц на циклотроне У-400. / Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009. Научно-технический сборник. – М.: МИФИ, 2009. – С. 147, 148.
24
SPEC_2011_SPT-1.indd 24
16.01.2012 13:26:47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КЕССАРИНСКИЙ1 Леонид Николаевич;
БОЙЧЕНКО2 Дмитрий Владимирович, к.т.н.
ЭФФЕКТЫ ОТ ОТДЕЛЬНЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ
ВО ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ
Разработана схемотехническая модель реакции вторичного источника питания на воздействия одиночных ядерных частиц. Получены результаты экспериментальных исследований радиационного поведения ВИП на циклотроне «У-400М».
Ключевые слова: ОЯЧ, тиристорный эффект, одиночный сбой, импульсный вторичный источник питания.
The SEE model of pulse-width modulation DC/DC power converters is presented. The SEE experiments data in DC/DC power
converters is obtained. The analysis of DC/DC parts’ SEE sensitivity is presented.
Keywords: SEE, latchup, SET, switch converter.
И
сточник вторичного питания (ВИП)
является одним из ключевых блоков космических бортовых систем, который, помимо обеспечения питания
основных узлов, выполняет функции
защиты от перегрузок, обеспечения
нескольких номиналов питания с требуемой точностью и др. Большинство
современных ВИП для космического
применения спроектированы на основе
гибридных импульсных стабилизаторов напряжения, включающих мощные
транзисторы, контроллеры широтноимпульсной модуляции (ШИМ), трансформаторы, оптопары и др.
Считается [1], что наиболее чувствительными к эффектам воздействия отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) являются микросхемы высокой степени интеграции и мощные МОП транзисторы
с вертикальным каналом. Проведенные
исследования показали, что при определенных условиях и гибридные ВИП
могут обладать низкими уровнями стойкости с воздействию ОЯЧ.
В качестве объекта исследований была
выбрана классическая схема ВИП на
основе импульсного преобразователя
напряжения по понижающей схеме.
Обобщенная модель в среде Multisim
(National Instruments) приведена на
рис. 1. Дальнейшие результаты представлены для модели с элементами из
табл. 1. Выбор элементов максимально
приближен к схемотехнике современных ВИП (в частности к ИВЭП27).
На первом этапе моделирования анализировались эффекты от ОЯЧ в типовых элементах, представленных в
модели ВИП. Изменение выходных
характеристик узлов, состоящих из
чувствительных элементов, определялось по литературным данным [1 – 6]
1
и оригинальным экспериментальным
результатам. После этого воздействие ОЯЧ на каждый функциональный
блок моделировалось соответствующим изменением его выходных характеристик в рамках среды моделирования NI Multisim. Основная задача моделирования поведения ВИП при воздействии ОЯЧ – определить наиболее
чувствительный узел модели, радиационное поведение которого приводит к
изменению параметров ВИП в целом
[8 – 10].
Результаты моделирования показали,
что наиболее чувствительными к воздействию ОЯЧ элементами классического ВИП являются ШИМ-контроллер
и мощный транзистор. Одиночные высокочастотные переходные процессы в
оптопаре мало влияют на работу ВИП,
во-первых, из-за делителя сигнала, вовторых, из-за настраиваемого порога
срабатывания усилителя ошибки. Одиночные сбои в стабилитроне также не
приводят к потере функционирования
ВИП.
Таблица 1. Основные элементы моделируемого ВИП
Описание
Регулируемый стабилитрон
ШИМ-контроллер
Оптопара
МОП-транзистор
Элемент
TL431
UC3843
MOC8101
IRF520
Рис. 1. Модель импульсного понижающего ВИП, выполненная в среде Multisim
(National Instruments)
− инженер ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»; 2 − начальник НТК-3 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»
25
SPEC_2011_SPT-1.indd 25
16.01.2012 13:26:47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
а
б
в
Рис. 2. Результаты моделирования выходного напряжения ВИП для
разных значений ОЯЧ отклика ШИМ-контроллера. Выходное напряжение
преобразователя (синяя линия), которое изменяется при пропадании
управляющего сигнала ШИМ (серая линия)
Рис. 3. Результаты измерения выходного напряжения образца 5,0 В
(вскрыт ШИМ-контроллер и МОП транзистор) от времени облучения
ионами криптона
Мощный полевой транзистор, работающий в ключевом режиме, может реагировать на воздействие ОЯЧ кратковременными всплесками напряжения
на стоке или истоке во время нахождения в закрытом состоянии. Такие
скачки напряжения длятся не более
одного периода работы транзистора и
практически не влияют на уровень выходного напряжения. Кроме обратимых эффектов, могут проявляться необратимые эффекты – прокол подза-
творного диэлектрика, пробой канала
транзистора. Необратимые эффекты
приводят к катастрофическому отказу
транзистора и ВИП в целом.
Схемотехнически типовой ШИМ-контроллер состоит из усилителя ошибки
(компаратора), генератора импульсов,
логики формирования выходного сигнала на основе показаний усилителя
ошибки. Потеря одного импульса от
воздействия частицы на генератор не
приводит к заметному изменению выходного напряжения. Потеря серии
импульсов вследствие эффектов ОЯЧ в
компараторе напряжений может серьезно повлиять на работу ВИП в целом.
Считается [2 – 4], что именно особенности компаратора напряжений влияют
на форму и длительность отклика выходного напряжения при воздействии
ОЯЧ, длительность которого может достигать сотен микросекунд.
На рис. 2 показаны результаты моделирования отклика выходного напряжения ВИП для разных значений длительности ОЯЧ-отклика ШИМ-контроллера. Видно, что при длительности
отклика до единиц микросекунд изменение выходного напряжения ВИП не
превышает 10%.
Таким образом, моделирование показало, что ОЯЧ-отклики, способные
влиять на функционирование ВИП
могут возникнуть либо в аналоговой
части ШИМ-контроллера, либо в схеме
управления МОП транзистора.
Экспериментальные
исследования
проводились на ускорителе ионов «У400М» (ОИЯИ, г. Дубна). Облучение
проводилось ионами криптона с энергией 300 МэВ и величиной линейной потери энергии (ЛПЭ) 40 МэВ.см2/мг.
В ходе эксперимента применялась методика локального воздействия ионов
с перекрыванием пучка частиц экраном. В качестве объектов исследований
использовались два модуля ИВЭП27 с
номиналом выходного напряжения 5,0
и 3,3 В. У образца 5,0 В от защитного
компаунда были очищены кристаллы
как ШИМ-контроллера, так и мощного
МОП транзистора. У образца 3,3 В –
только МОП транзистор.
Измерения проводились с использованием автоматизированного аппаратно-программного измерительного
комплекса на базе серии PXI (National
Instruments). Управление измерительным шасси выполнялось програм-
26
SPEC_2011_SPT-1.indd 26
16.01.2012 13:26:47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Результаты измерения выходного напряжения образца 3,3 В
(вскрыт МОП транзистор) от времени облучения ионами криптона
Рис. 5. Одиночные скачки выходного напряжения ВИП ИВЭП27
при воздействии ТЗЧ
мным обеспечением в среде LabVIEW
(National Instruments).
В ходе эксперимента каждые 25 мс
проводился контроль тока потребления и уровня выходного напряжения
ВИП ИВЭП27. Результаты измерений
выходного напряжения образцов 5,0 В
и 3,3 В приведены на рис. 3, 4.
В образце ВИП 5,0 В с очищенными
кристаллами ШИМ-контроллера и
мощного МОП транзистора наблюдались одиночные эффекты, выраженные в скачках выходного напряжения
амплитудой до 1 В и длительностью
25...50 мс (рис. 3). После 58 секунд от
начала облучения при флюенсе порядка 6,4E+5 см-2 наблюдался катастрофический отказ образца, проявившийся в
падении выходного напряжения с 5 до 0
В. Незначительное увеличение тока потребления после катастрофического отказа образца говорит о том, что дозовая
деградация мощного МОП транзистора
не является доминирующим фактором
отказа. Возможной причиной отказа
могут быть как прокол подзатворного
диэлектрика ключевого транзистора,
так и отказ ШИМ-контроллера («залипание» выходного сигнала в одном из
логических состояний) [3 – 6].
Образец ВИП 3,3 В с очищенным кри-
сталлом только мощного МОП транзистора оказался не чувствительным к
воздействию ОЯЧ при углах между нормалью плоскости схемы и направлением пучка ионов: 0° и 60°. В обоих случаях
ток потребления и выходное напряжение образца не изменялись в течение
всего облучения ионами криптона.
Проведенные экспериментальные исследования воздействия ОЯЧ на
ИВЭП27 хорошо согласуются с результатами моделирования в среде
Multisim, и подтверждают правильность методики предварительного выбора чувствительных блоков гибридной схемы ВИП
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической
радиации на интегральные схемы. –
М.: Радио и связь, 2004. – 320 с.
2. Testing Guidelines for Single Event
Transient. Testing of Linear Devices./
Poivey C., Buchner S., Howard J., LaBel
K./ NASA Goddard Space Flight Center, 2003.
3. Total-Dose and Single-Event Effects in
Switching DC/DC Power Converters./
Adell P.C., Schrimpf R.D., Choi B.K.,
Holman W.T., Attwood J.P., Cirba C.R.,
Galloway K.F./ IEEE Trans. Nucl. Sci.,
2002. − Vol. NS-49. − № 6. – PP. 3217
− 3221.
4. Total-Dose and Single-Event Effects in
DC-DC Converter Control Circuitry./
Adell P.C., Schrimpf R.D., Holman W.T.,
Boch J., Stacey J., Ribero P., Sternberg
A., Galloway K.F./ IEEE Trans. Nucl.
Sci., 2003. − Vol. NS-50. − № 6. – PP.
1867 − 1872.
5. Бойченко Д.В., Братко Д.В., Кессаринский Л.Н. Исследование радиационного поведения стабилизаторов напряжения разного типа./ Научная сессия МИФИ-2008. Сб. науч.
трудов. Т. 8 – М.: МИФИ, 2008. –
С. 59 − 60.
6. Кессаринский Л.Н., Бойченко Д.В.,
Вавилов В.А. Исследование стойкости импульсных стабилизаторов к
действию ионизирующего излучения и тяжелых заряженных частиц./
10-я Российская научно-техническая
конференция «Электроника, микрои наноэлектроника». Сб. научн. трудов./ Под ред. В.Я. Стенина. − М.:
МИФИ, 2008. − С.187 − 190.
7. Киргизова А.В., Скоробогатов П.К.,
Никифоров А.Ю., Кессаринский
Л.Н., Давыдов Г.Г., Петров А.Г. Моделирование ионизационной реакции элементов КМОП КНС микросхем при импульсном ионизирующем
воздействии. / Микроэлектроника.
– М.: Наука, 2008. – том 37. – №1.
– С. 28 – 44.
8. Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. и др. Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования эффектов одиночных сбоев
в элементах современной микроэлектроники./ Микроэлектроника,
2003. – Том 32. – № 2.
9. Chumakov
A.I.,
Nikiforov
A.Y.,
Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K.
IC’s Radiation Effects Modeling
and Estimation./ Microelectronics
Reliability, 2000. – V. 40. – № 12.
10. Nikiforov A.Y., Chumakov A.I.
Simulation of space radiation effects in
microelectronic parts./ Effects of space
weather on technology infrastructure,
2004. – Kluwer Academic Publishers,
Netherlands.
27
SPEC_2011_SPT-1.indd 27
16.01.2012 13:26:47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
ЕЛЕСИН1 Вадим Владимирович, к.т.н.;
НИКИФОРОВ2 Александр Юрьевич, д.т.н.;
ТЕЛЕЦ3 Виталий Арсентьевич, д.т.н.; ЧУКОВ4 Георгий Викторович
КОМПЛЕКС МЕТОДИЧЕСКИХ, АППАРАТНЫХ И
ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
СВЧ ИС В УСЛОВИЯХ ИСПЫТАНИЙ НА РАДИАЦИОННУЮ
СТОЙКОСТЬ
Представлен комплекс методических, аппаратных и программных средств для автоматизированных исследований параметров полупроводниковых СВЧ ИС в условиях испытаний на радиационную стойкость.
Ключевые слова: СВЧ-электроника, измерительный комплекс, радиационные исследования.
Test and measurement automated system for radiation hardness control of microwave semiconductor devices and ICs has been
presented and described.
Keywords: RF and MW electronics, RF measurement system, radiation effects.
С
огласно результатам исследований [1, 2], адекватная оценка показателей радиационной стойкости
современных монолитных СВЧ интегральных схем (ИС) требует контроля
всего набора информативных параметров ИС в процессе испытаний. Оперативный и состоятельный, с метрологической точки зрения, контроль
информативных параметров СВЧ ИС
обеспечивается комплексом средств,
включающих в себя методики исследований, автоматизированный СВЧ
аппаратно-программный измерительный комплекс (АПИК), специальную
СВЧ измерительную оснастку, приспособленных для совместного применения с радиационными моделирующими установками и имитаторами.
Структурная схема АПИК показана
на рис. 1 и включает в себя анализаторы цепей и сигналов с функциями
измерения амплитудного и фазового
шумов, аналоговые, векторные и функциональные генераторы, измеритель
мощности, осциллографы, мультиметр
и источники питания, объединенных
в сеть стандарта GPIB (General Purpose
Interface Bus) под управлением ПК.
АПИК
АПИК позволяет проводить контроль
и измерение параметров полного набора СВЧ электрорадиоизделий (ЭРИ),
входящих в состав приемопередающих
трактов частотного диапазона до 26 ГГц:
малошумящих усилителей и усилите-
лей мощности, смесителей, синтезаторов частот, генераторов, управляемых
напряжением (ГУН), и систем ФАПЧ,
аттенюаторов и фазовращателей, фильтров, делителей частоты и мощности,
модуляторов, демодуляторов и др. Частотные диапазоны измеряемых параметров показаны на рис. 2.
Управление АПИК осуществляется посредством единого интерфейсного программного обеспечения (ПО) на ПК, а
процесс контроля параметров ЭРИ разбивается на несколько этапов.
1 В соответствии с разработанной
программой-методикой исследований
инженер-испытатель выбирает тип
ЭРИ, вводит предполагаемые значения
основных параметров исследуемой ИС
(напряжение питания, максимальный
Рис. 1. Структура аппаратно-программного измерительного комплекса
1
28
3
– доцент НИЯУ «МИФИ»; 2 – профессор НИЯУ «МИФИ», ген. директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
– профессор НИЯУ «МИФИ», ген. директор ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» 4 – аспирант НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 28
16.01.2012 13:26:48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Система измеряемых параметров СВЧ ЭРИ в частотном диапазоне
ток потребления, максимальная входная мощность и т.п.), выбирает параметры для контроля и нормы на них.
2 Интерфейсное ПО формирует перечень необходимых измерительных
приборов, рассчитывает их оптимальные настройки и выводит рекомендации по конфигурации СВЧ измерительного тракта. При необходимости
в автоматизированном режиме проводится калибровка оборудования.
3 В соответствии с выбранной конфигурацией инженер-испытатель собирает СВЧ измерительный тракт и
подключает исследуемый объект.
4 Под управлением интерфейсного
ПО проводится настройка измерительного оборудования и запускается процесс измерений по заранее запрограммированному сценарию, индивидуальному для каждого типа ЭРИ, по окончанию которого проводится считывание
результатов из памяти приборов. В случае неправильной сборки измерительного тракта или выхода контролируемого параметра за установленные нормы
(например, превышение тока потребления) процесс измерений автоматически
прерывается, схема обесточивается,
на экран выводится предупреждение.
Если такой режим является допустимым, пользователь может разрешить
продолжение процесса измерений.
5 После окончания цикла измерений
средствами интерфейсного ПО про-
исходит предварительная обработка
результатов с выводом их в графическом и табличном виде. Для оперативной оценки полученных результатов
предусмотрены инструменты работы с
данными (функции маркеров и проч.),
а также сохранения и восстановления
настроек, результатов измерений.
Проведение процессов настойки оборудования, измерений, сбора и обработки информации в автоматизированном режиме существенно (в разы)
сокращает время контроля информативных параметров СВЧ ИС во время
исследований и минимизирует риск
ошибки. Например, для измерения
полного набора параметров генераторов, управляемых напряжением,
обеспечен десятикратный выигрыш во
времени [3], что особенно важно при
радиационных испытаниях с контролем параметров-критериев за время,
ограниченное процессами отжига.
Обеспечение совместной синхронной
работы АПИК с лабораторными имитаторами является важным элементом
комплекса, поскольку позволяет проводить радиационные исследования и
испытания в автоматизированном режиме, когда управление имитатором
(переключение режимов, включение/
выключение излучения) полностью передается интерфейсному ПО АПИК.
Исследования параметров СВЧ ЭРИ
в диапазоне температур от –60 до
+150° C, в том числе совместно с лабораторными источниками радиационного воздействия, проводятся с использованием лабораторных стендов
задания температуры СЗТ-0201 и СЗТ0401, разработанные ОАО «ЭНПО
«СПЭЛС» [4]. Их компактные размеры
и конструктивное исполнение допускают размещение в непосредственной близости с измерительным оборудованием и использование обычных
измерительных кабельных сборок минимальной длины, что повышает точность и достоверность результатов.
СВЧ измерительная
оснастка
Подключение исследуемого образца к
коаксиальному СВЧ измерительному
тракту требует применения специальных измерительных оснасток (ИО),
обеспечивающих измерение и контроль параметров исследуемого ЭРИ в
широкой полосе частот. Обычно такие
оснастки изготавливаются на основе
печатных плат, в качестве диэлектрического материала которых используют поликор, Rogers, Arlon, Taconic и
другие материалы, охарактеризованные производителем до 10…18 ГГц.
СВЧ ИО делятся на универсальные
и специализированные. Первые состоят из двух частей: универсального
металлического основания с коакси-
29
SPEC_2011_SPT-1.indd 29
16.01.2012 13:26:48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
а
б
Рис. 3. Внешний вид
универсальной ИО (а) и кассета со
специализированными ИО (б)
а
ально-микрополосковыми переходами (КМП) и плат-вставок с установленными образцами, как показано
на рис. 3а. Использование универсальных ИО существенно снижает
трудозатраты на сборку оснастки и
повышает точность и воспроизводимость результатов за счет использования качественных СВЧ КМП с
большим сроком службы. К недостаткам универсальных ИО можно
отнести большую стоимость и сроки
изготовления, а также значительные
габаритные размеры, усложняющие
одновременное облучение нескольких образцов при испытаниях. В этой
связи при радиационных испытаниях
зачастую применяются специализированные ИО небольшого размера,
позволяющие одновременное облучение нескольких образцов посредством сборки 2…4 оснасток в одну кассету, как показано на рис. 3б.
В условиях роста числа российских
СВЧ дизайн-центров, ориентированных на разработку и выпуск радиационно-стойкой
аппаратуры
военного и космического назначения, актуальной становится задача
оценки уровней стойкости СВЧ ИС
на ранних этапах проектирования
для отработки схемотехнических,
топологических и конструктивных
способов повышения радиационной
стойкости, что зачастую подразумевает испытания некорпусированных образцов (кристаллов). В этом
случае широко распространенными
методами исследований являются использование зондовых станций или
разварка кристаллов в ИО. Использо-
вание зондовых станций в условиях
радиационного эксперимента сопряжено с большим числом технических
трудностей и целесообразно только
при радиационной разбраковке полупроводниковых пластин до этапа
резки кристаллов. В остальных случаях предпочтительнее разварка кристаллов проволочками в стандартные
корпуса либо на специально подготовленные печатные платы.
Внешний вид кристалла в корпусе
показан на рис. 4а. Корпус с разваренным кристаллом стандартным образом устанавливается на печатную
плату ИО. Исследования серийных
отечественных корпусов показали,
что некоторые корпуса могут использоваться в диапазоне частот до 5 ГГц и
выше [5], в то время как зарубежные
корпуса, например типа QFN, успешно используются до К-диапазона [6].
Особо остро ощущается отсутствие
отечественных серийных многовыводных корпусов (более 14 выводов)
для смешанных СВЧ ИС с цифровым
управлением.
В условиях недоступности корпусов,
удовлетворяющих требованиям по
диапазону рабочих частот, конфигурации и числу выводов, возможна
разварка непосредственно в ИО. При
этом кристалл устанавливается на поверхность или в углубление на печатной плате, а его контактные площадки развариваются проволочками на
печатные проводники, как показано
на рис. 4б.
Отказ от использования корпуса экономит место на печатной плате, практически снимает ограничение на ко-
б
Рис. 4. Внешний вид разварки кристалла в корпус типа QFN (а) и на печатную плату (б)
30
SPEC_2011_SPT-1.indd 30
16.01.2012 13:26:48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 5. Внешний вид специализированной ИО (а) и частотные зависимости S21
(б) транзистора ATF-36077 в режиме усилителя.
личество контактных площадок (выводов), а также позволяет значительно уменьшить количество паразитных
элементов и длину разварочных проволочек, паразитная индуктивность
которых может приводить к деградации характеристик и нарушению условий устойчивости исследуемых СВЧ
ЭРИ. Одновременно с этим разварка в
ИО обладает рядом существенных недостатков, среди которых особые требования к подготовке печатной платы
(золочение проводников в местах разварки), невозможность оперативной
замены образца в измерительной оснастке, а также отсутствие защиты исследуемого объекта от механических
повреждений.
Повышение точности измерений в
процессе испытаний и экспериментальных исследований параметров
СВЧ ЭРИ немыслимо без грамотного
определения и исключения систематических ошибок вследствие вносимых потерь, рассогласования и фазового набега. Основными источниками
систематических ошибок являются
неидеальности ИО, элементы коаксиального измерительного тракта и измерительное оборудование. Существует несколько методов определения
и исключения ошибок. Наибольшее
распространение получили два из
них: калибровка и математическое
исключение ошибок (МИО или deembedding). На практике часто применяется их комбинация.
Суть первого состоит в проведении
предварительных измерений с заменой исследуемого образца на не-
кий калибровочный стандарт (набор
стандартов) с известными характеристиками, на основе которых математический аппарат, заложенный в
измерительное оборудование, соответствующим образом корректирует
результаты дальнейших измерений.
Существует несколько наборов калибровочных стандартов, широкое
распространение из которых получили два: SOLT (Short-Open-Load-Thru
– короткое замыкание, холостой
ход, согласованная нагрузка и перемычка) и TRL (Thru-Reflect-Line –
перемычка, отражение, линия) [7].
В некоторых случаях, например, при
измерениях коэффициента шума,
достаточно провести сокращенную
процедуру калибровки с использованием одного стандарта «перемычка» [8].
Между тем, ввиду сложности изготовления калибровочных стандартов в
формате используемой ИО и широкого распространения широкополосных
калибровочных наборов в коаксиальном базисе, как правило, калибровку
целесообразно применять для учета и
исключения ошибок, вносимых коаксиальным измерительным трактом и
оборудованием. При этом для исключения влияния элементов ИО (в том
числе корпуса и разварочных проволочек) применяют метод МИО, основанный на математическом исключении ошибок из результатов измерений
средствами САПР на основе известной
модели ИО, полученной либо непосредственным измерением, либо моделированием.
В качестве примера на рис. 5а показаны внешний вид специализированной ИО, спроектированной для
проведения радиационных испытаний сверхмалошумящего СВЧ-транзистора ATF-36077 (фирма Avago,
США) в режиме усилителя. Хорошее
соответствие результатов расчета (по
модели производителя) и измерений
частотных зависимостей |S21| усилителя, показанное на рис. 5б, обеспечено применением методов калибровки
и МИО средствами САПР Advanced
Design System.
В
результате
целенаправленной
работы в испытательном центре
ИЭПЭ НИЯУ МИФИ и ОАО «ЭНПО
«СПЭЛС» создан комплекс методических, аппаратных и программных
средств, обеспечивающий контроль и
измерение большинства информативных параметров СВЧ ЭРИ в диапазоне
частот до 20 ГГц. Комплекс объединяет
в своем составе контрольно-измерительное оборудование фирмы Agilent,
программные средства автоматизации измерений, СВЧ САПР Advanced
Design System, специализированную
измерительную оснастку, методики
измерений и обработки экспериментальных данных. Комплекс позволяет проводить исследования СВЧ ЭРИ
в диапазоне температур от –60 до
+150° C, совместим с источниками радиационного воздействия.
Ежегодно с использованием указанного комплекса проводятся исследования справочных параметров и
квалификационные испытания на
радиационную стойкость не менее 50
31
SPEC_2011_SPT-1.indd 31
16.01.2012 13:26:49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
типов СВЧ ИС и БИС, разработанных
зарубежными фирмами и российскими предприятиями и организациями: Peregrine, Analog Devices, MiniCircuits, Hittite, Agilent, ФГУП «НПЦ
«НИИИС», ФГУП «НИИМА «Про-
гресс», ЗАО «ПКК «Миландр», ФГУП
«НПП «Пульсар», ОАО «НИИМЭ и
Микрон» и др.
Авторы выражают признательность
Громову Д.В., Назаровой Г.Н., Кузнецову А.Г. (ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» и
ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»), Прилепскому С.А. (Российское представительство компании «Аджилент Текнолоджиз») и Васильеву В.И. (ФГУП «НПП
«Исток») за помощь, ценные замечания и интерес к работе
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы. – М.: Радио и связь, 2004. – 320 с.
2. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В, Кабальнов Ю.А., Титаренко А.А. Исследование СВЧ характеристик отечественной КНИ КМОП технологии с нормами 0,35 мкм./ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. науч. тр. – М: МИФИ,
2011. – С. 90 – 101.
3. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В. Маршрут исследований ИС многоразрядных фазовращателей и аттенюаторов
для АФАР СВЧ диапазона./ Известия вузов. Электроника, 2011. – № 4 (90). – С. 78 – 85.
4. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Учет влияния температуры на адекватность лазерного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в ПП и ИС./Микроэлектроника, 2008. – Том 37. – № 1. – С. 18 – 27.
5. Чуков Г.В., Назарова Г.Н., Елесин В.В. Исследование СВЧ характеристик отечественного металлостеклянного корпуса
401.14-5 производства ОКБ «МАРС». / Научная сессия МИФИ-2009: Аннотации докладов./ В 3 т. − Т.1. − M.: МИФИ,
2009. − C. 181.
6. Техническое описание на смеситель HMC798LC4./ http://www.hittite.com/products/view.html/view/HMC798LC4.
7. Елесин В.В., Чуков Г.В. Сравнительный анализ методик измерения S-параметров некоаксиальных СВЧ устройств./ Научная сессия МИФИ-2008: Сб. научных трудов./ В 15 т. – М.:МИФИ, 2008.
8. Методические рекомендации по измерению коэффициента шума./ http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/59528255E.pdf.
КАЛАШНИКОВ1 Олег Арсеньевич, к.т.н., доцент;
НИКИФОРОВ2 Александр Юрьевич, д.т.н.
МЕТОДИКА СЕРТИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ БОРТОВОЙ КОСМИЧЕСКОЙ
АППАРАТУРЫ ПО СТОЙКОСТИ К ДОЗОВОМУ
ВОЗДЕЙСТВИЮ
Предложена методика сертификации электронной компонентной базы бортовой космической аппаратуры по стойкости
к дозовому воздействию, основанная на выборе рационального состава испытаний с учетом предварительного анализа
уровней стойкости компонентов. Применение методики позволяет существенно уменьшить трудоемкость сертификации без снижения достоверности оценки.
Ключевые слова: космическое излучение, интегральные схемы, дозовые эффекты.
Total dose certification technique of electronic components for space applications is proposed. It is based on the components total
dose hardness preliminary analysis and on following selection of the reasonable tests set. This technique allows to reduce dramatically
the certification cost without estimations reliability reduction.
Keywords: space irradiation, integrated circuits, total dose effects.
С
пецифика современной космической аппаратуры (КА) заключается в том, что в ней широко применяется
электронная компонентная база (ЭКБ)
иностранного производства (ИП). И
хотя в последние годы ситуация несколько меняется, в целом доля ЭКБ
ИП в КА превышает 90% и в ближай1
32
2
шее время вряд ли существенно снизится. При этом компоненты классов
Space, Military и RadHard закупаются
редко, большая часть закупаемых и
устанавливаемых в КА компонентов –
класса Industrial. Это означает, что информация по радиационной стойкости
ЭКБ у разработчика аппаратуры отсут-
ствует и возникает необходимость соответствующей сертификации используемых компонентов.
При эксплуатации в космосе основными радиационными факторами, воздействующими на аппаратуру, являются:
1) накопление дозы, главным образом
от воздействующих на аппаратуру
− начальник НТК-2 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
− профессор НИЯУ МИФИ, генеральный директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»
SPEC_2011_SPT-1.indd 32
16.01.2012 13:26:49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электронов и протонов космического пространства;
2) одиночные эффекты (в том числе и
катастрофические) от ядерных частиц и протонов космического пространства.
Хотя эти эффекты действуют на аппаратуру совместно, оценку их влияния
методически и технически целесообразно проводить раздельно, так как
значимого взаимного влияния данных
эффектов не выявлено. В статье будут
рассмотрены методические аспекты
сертификации ЭКБ КА по стойкости
только к дозовому воздействию. Методические подходы к сертификации
ЭКБ по одиночным эффектам проанализированы в [1 – 3].
Сертификация КА на соответствие
модели эксплуатации по дозовой стойкости может проводиться либо по результатам радиационных испытаний
образцов КА, либо по наличию данных
о стойкости всех входящих в нее комплектующих изделий ЭКБ, каждое из
которых должно обеспечивать заданный уровень стойкости КА с некоторым коэффициентом запаса (на практике – трехкратным).
Дозовые испытания КА вполне реализуемы на практике, однако данный
подход сопряжен с потенциальными
проблемами.
Во-первых,
имеются
технические
сложности: необходимо в ходе радиационных воздействий обеспечить равномерность облучения всего прибора,
реализовать полноценный контроль его
работоспособности, обеспечить статистическую достоверность результатов в
условиях испытаний малого числа образцов (на практике – одного).
Во-вторых, относительно информативным является только положительный
результат таких испытаний. Действительно, если после набора заданной
дозы образец КА полностью работоспособен, можно говорить о том, что
сертификация прошла успешно. А
если результат отрицательный? Как
определить, какой именно компонент
отказал? Выбрасывать весь прибор и
начинать проектирование заново?
В-третьих, объем полезной информации, полученной в результате радиационных испытаний аппарата в целом,
ничтожен даже в случае их успешного завершения. Мы не знаем ничего о
стойкости узлов и компонентов, об их
влиянии на работу или отказ прибора, о запасах по стойкости. Поэтому
невозможно дать рекомендации разработчикам по применению этих же
компонентов в других приборах, где
будут не только другие требования по
радиационной стойкости, но и другие
условия применения, режимы работы
компонентов.
Поэтому существенно более эффективным является предварительный
анализ дозовой стойкости всех типов
ЭКБ в составе КА – в дальнейшем
речь пойдет о сертификации именно
компонентов, а не КА в целом.
В ходе решения собственно задачи
сертификации ЭКБ – оценки соответствия заданным требованиям по
радиационной стойкости – решаются
следующие сопутствующие задачи:
1) определение фактических уровней
стойкости ЭКБ;
2) оценка запасов по стойкости относительно заданных требований;
3) исследование влияния режимов и
условий работы компонентов на их
дозовую стойкость.
Основной проблемой здесь является
большой объем радиационных испытаний, которые необходимо провести.
Действительно, типичная спецификация КА содержит сотни, а иногда – и
тысячи компонентов. Все их испытать
в рамках разумных сроков и ресурсов
обычно нереально.
Следует отметить, что объектом сертификации является не тип, а закупочная партия ЭКБ ИП, что не позволяет
априорно распространить результаты
сертификации образцов ЭКБ одного и
того же типа, но применяемых в составе различных образцов КА.
Для того чтобы уйти от абсурдной ситуации с необходимостью испытаний
тысяч компонентов (причем для каждого нового образца КА), следует на начальном этапе сертификации провести
предварительный анализ номенклатуры и определить рациональный объем
испытаний.
Прежде всего, проводятся предварительные оценка и прогнозирование
уровней стойкости всей номенклатуры
ЭКБ. Оценка проводится по результатам ранее проведенных испытаний,
причем здесь основным вопросом является доверие к этим результатам.
Вопрос снимается, если оценка проводится квалифицированным испыта-
тельным центром, имеющим солидную
базу собственных испытаний. Для каждого типа ЭКБ определяется предварительное (прогнозное) значение уровня
стойкости DПРЕДВ. Вопрос о необходимости испытаний каждого компонента решается на основе соотношения
между заданным уровнем требований
DТРЕБ и предварительной оценкой DПРЕДВ
с учетом коэффициента запаса:
при DПРЕДВ > КЗАП × DТРЕБ
испытания можно не проводить,
при DПРЕДВ < КЗАП × DТРЕБ
испытания необходимы.
(1)
Коэффициент запаса КЗАП характеризует степень риска предварительной
оценки и определяется источником информации о ранее проведенных испытаниях и уровне стойкости. Выше было
отмечено, что, в первую очередь, следует опираться на собственные результаты, однако это не всегда возможно
– информационных ресурсов испытательного центра (ИЦ) может оказаться
недостаточно, и не следует игнорировать другие информационные источники. В первую очередь, это указанные
в сопроводительной документации
справочные данные изготовителя, но
информация о радиационной стойкости дается только для компонентов классов Space, Military и RadHard, а их доля,
как уже говорилось, невелика. Поэтому
имеет смысл привлекать информацию
из научно-технических публикаций,
отчетов по результатам испытаний,
справочников, бюллетеней и т.д.
Но и на этом возможности информационного поиска не исчерпываются.
Номенклатура современной ЭКБ настолько широка, а микроэлектроника
так динамично развивается, что вероятность обнаружения данных о радиационной стойкости конкретного компонента может быть крайне мала, зато
есть данные о результатах испытаний
ближайшего аналога. Аналог – это
компонент того же производителя, что
и исходный, близкий по функциональным и конструктивно-технологическим параметрам.
Вопрос корректного выбора аналога
для распространения результатов его
испытаний достаточно деликатный,
творческий, с трудом формализуется
и требует привлечения экспертных методов. Действительно, утверждение о
33
SPEC_2011_SPT-1.indd 33
16.01.2012 13:26:49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 1. Распределения значений коэффициентов достоверности
предварительной оценки дозовой стойкости ЭКБ
Таблица 1. Значения коэффициентов запаса предварительной
оценки дозовой стойкости ЭКБ
Информационный
источник
Значение КЗАП
1
2
3
4
5
6
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
7,0
возможности переноса данных о стойкости одного компонента на другой,
пусть и похожий, должно быть обосновано. Вот несколько примеров удачно
выбранных аналогов: ПЛИС XC95144
и XC95288 (Xilinx) различаются числом
функциональных блоков, микросхемы
флэш-памяти AM29F016 и AM29F032
(AMD) – информационной емкостью,
сигнальные процессоры ADSP-2181
и ADSP-2185 (Analog Devices) – предельной тактовой частотой, стабилизаторы напряжения LT1763CS8-3.3 и
LT1763CS8-5 (Linear Technology) – выходным напряжением.
Наименьшие сомнения относительно
возможности распространения результатов радиационных испытаний
аналогов возникают в случае пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, дроссели и т.п.
Здесь имеется огромный потенциал
по радикальному сокращению объема
испытаний. Действительно, специфи-
кации приборов содержат, как правило, десятки, а то и сотни однотипных
компонентов, различающихся только
номиналом (например, в составе только одного из блоков современного КА
имеется более 170 типономиналов резисторов CR 0603 фирмы Bourns). Для
оценки их стойкости достаточно иметь
данные об одном-двух типономиналах.
Таким
образом,
предварительная
оценка дозовой стойкости ЭКБ производится по различным данным – от
собственных результатов ранее проведенных испытаний до информации
о стойкости аналога из научных публикаций. Разумеется, степень доверия
к этим данным совершенно разная, и
именно достоверность предварительной оценки должен отражать коэффициент запаса КЗАП из соотношения (1).
На практике мы выделяем шесть видов
информационных источников, используемых для предварительного анализа
радиационной стойкости ЭКБ КА:
1) результаты собственных испытаний
данного компонента (база данных
ИЦ);
2) информация производителя данного
компонента (спецификация);
3) результаты собственных испытаний
аналога (база данных ИЦ);
4) информация производителя аналога
(спецификация);
5) информация о стойкости данного
компонента из статей, отчетов, справочников;
6) информация о стойкости аналога из
статей, отчетов, справочников.
Если информационный поиск по всем
этим источникам не дает возможности
оценить радиационную стойкость компонента, его необходимо испытывать.
Ясно, что коэффициент запаса для
первого случая должен быть меньше,
чем для шестого, но необходима обоснованная количественная оценка значений коэффициентов запаса. Для ее
получения были проведены исследования по определению достоверности предварительных оценок дозовой
стойкости, полученных из всех шести
информационных источников. Предварительные оценки, сделанные до
испытаний, сравнивались с реальными
результатами испытаний (уровнями
стойкости). Всего проанализированы
данные по 41 типу ЭКБ.
Введем коэффициент достоверности
предварительной оценки KДОСТ, который определим как отношение реального уровня стойкости DОТК к значению
предварительной оценки DПРЕДВ (или наоборот, в целях нормировки):
max (DОТК, DПРЕДВ)
KДОСТ = ----------------------------------------------------.
min (DОТК , DПРЕДВ)
(2)
Коэффициент достоверности по размерности и смыслу совпадает с коэффициентом запаса из (1), что позволяет использовать его для количественных оценок значений КЗАП. Значению
KДОСТ = 1 соответствует абсолютная
достоверность предварительной оценки. Ясно, что даже при использовании
собственных результатов предыдущих
радиационных испытаний данного
компонента абсолютная достоверность
невозможна (из-за разброса показателей стойкости между производственными партиями).
На рис. 1 приведены распределения
значений KДОСТ для всех шести информационных источников. Указаны
34
SPEC_2011_SPT-1.indd 34
16.01.2012 13:26:49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Снижение относительного числа испытываемых активных
компонентов
а
в
б
г
Рис. 3. Процедура идентификации образцов:
а) – сравнение внешнего вида; б) – сравнение рентгеновских фотографий
кристаллов; в) – декапсуляция корпусов; г) – сравнение кристаллов и
маркировок
средние значения коэффициентов
достоверности и значения дисперсий.
Хотя статистический материал совсем невелик, но четко прослеживается
тенденция уменьшения достоверности
при снижении «надежности» источника информации, а также при переходе
к оценке по аналогу.
Значения коэффициентов запаса
КЗАП, определенные на основе этих
данных, приведены в табл. 1. Заключение о необходимости радиацион-
ных испытаний делается с учетом
коэффициентов запаса по соотношению (1).
Отказ от полного и переход к рациональному объему испытаний позволяет существенно (иногда в десятки раз)
сократить затраты на радиационные
испытания ЭКБ. Эффективность такого перехода напрямую зависит от
информационной обеспеченности ИЦ,
причем, в первую очередь, – результатами собственных испытаний. Непре-
рывный процесс пополнения информационной базы ИЦ по мере проведения все новых и новых радиационных
испытаний приводит к возможностям
постепенного сокращения рационального объема испытаний без потери
достоверности сертификации в целом,
особенно для единой кооперации разработчиков и изготовителей КА. На
рис. 2 отмечены значения относительного числа испытываемых активных
компонентов (микросхем и транзисторов) при сертификациях ЭКБ различных КА, проведенных в ОАО «ЭНПО
«СПЭЛС» за последние годы. Видно,
что эта доля постепенно снижается по
мере наполнения базы данных ИЦ.
Очевидно, что рациональный состав
испытаний зависит от заданных требований по поглощенной дозе DТРЕБ. При
сертификации ЭКБ на уровень 50 крад
приходится испытывать практически всю номенклатуру. Наоборот, при
низких требованиях (на рис. 2 точка с
уровнем требований 1 крад) обычно
достаточно испытать лишь несколько
потенциально наименее стойких компонентов. Линия тренда на рис. 2 проведена для средних требований по поглощенной дозе – 5...10 крад.
Условием распространения результатов ранее проведенных испытаний на
образцы новой партии является идентичность компонентов. Поэтому обязательной составной частью предварительного анализа является процедура
идентификации образцов, которая
включает в себя (рис. 3):
1) сравнение внешнего вида (маркировок корпуса),
2) рентгеновское фотографирование
образцов и сравнение рентгеновских фотографий кристаллов,
3) декапсуляция корпусов (удаление
крышек) и сравнение кристаллов,
4) сравнение маркировок кристаллов.
Предложенная методика позволяет
существенно сократить объем радиационных испытаний до рационального
– минимально необходимого и достаточного, – но не предполагает совсем
отказаться от них. Основным способом сертификации ЭКБ по-прежнему
остаются радиационные испытания,
причем выбор из всей номенклатуры
только потенциально наиболее чувствительных компонентов дает возможность полностью сосредоточить ресурсы на тщательной подготовке и прове-
35
SPEC_2011_SPT-1.indd 35
16.01.2012 13:26:49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
дении их испытаний в целях получения
максимально возможной информации
об особенностях дозового радиационного поведения.
Радиационные испытания современной ЭКБ в ходе их сертификации для
применения в КА имеют ряд специфических особенностей, которые непосредственно вытекают из приведенных
в начале статьи задач сертификации.
Во-первых, для определения фактических уровней стойкости и запасов
относительно заданных требований
испытания следует проводить не до
уровня DТРЕБ, а до функционального
отказа компонента. Кроме того, необходимо реализовать контроль работоспособности компонента в процессе
облучения в промежуточных точках,
т.е. должны определяться зависимости
всех информативных контролируемых
параметров от накопленной дозы.
Во-вторых, в ходе испытаний необходимо, насколько это возможно, исследовать влияние функциональных и
электрических режимов работы компонента на его радиационную стойкость. Этим достигается не только
определение фактической стойкости
компонента в наиболее критичном режиме («наихудший случай»), но и оценка стойкости для условий конкретного
применения в аппаратуре.
Вообще, проблема эффективного контроля работоспособности современных функционально сложных микросхем при их радиационных испытаниях постепенно выходит на первый
план и становится определяющей как
в обеспечении достоверности, так и в
трудоемкости испытаний в целом. Связано это с огромным функциональным
разнообразием современной ЭКБ,
широким спектром проявлений радиационных отказов, необходимостью
сочетать функциональный контроль с
параметрическим, а также такой специфической проблемой радиационных
испытаний, как жестко ограниченное
время, выделяемое на контроль работоспособности в процессе облучения.
Свои ограничения накладывают и используемые для облучения компонентов радиационные установки (радиационная опасность, дистанционный
характер измерений, высокий уровень
электромагнитных помех).
Приведем несколько характерных примеров для иллюстрации особенностей и
Рис. 4. Дозовая деградация характеристики преобразования
АЦП ADS2807Y (Texas Instr.)
Рис. 5. Зависимости скорости чтения трех образцов микромодулей
флэш-памяти SLCF128MM1 (STEC) от поглощенной дозы
36
SPEC_2011_SPT-1.indd 36
16.01.2012 13:26:50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Зависимости тока потребления и числа ошибок кэш-памяти двух
образцов процессора IDT79R3081E (IDT) от поглощенной дозы
а
б
Рис. 7. Зависимости тока потребления (а) и выходного напряжения
логического «0» (б) ПЛИС EPM570T100 (Altera) от поглощенной дозы
разнообразия дозовых отказов различных функциональных групп современных микросхем [4, 5]. На рис. 4 показаны статические характеристики преобразования аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ADS2807Y (Texas
Instr.) при двух значениях поглощенной
дозы. Искажение характеристики преобразования АЦП приводит к ухудшению его точностных параметров.
Дозовые зависимости скорости чтения
микромодулей
флэш-памяти SLCF128MM1 (STEC) показаны на
рис. 5. Даже при снижении скорости
чтения в пять раз функционирование
микромодулей сохраняется в полном
объеме, поэтому без динамического
контроля работоспособности на предельных частотах оценка уровня стойкости этих микромодулей оказалась бы
неверной.
Как уже говорилось, специфика дозового поведения большинства функционально сложных микросхем проявляется в том, что функциональные отказы сопровождаются параметрическими. На рис. 6 показан одновременный
рост тока потребления и числа ошибок
в кэш-памяти процессора IDT79R3081E
(IDT) при облучении.
На рис. 7 приведены зависимости тока
потребления и выходного напряжения
логического «0» ПЛИС EPM570T100
(Altera) от поглощенной дозы. Видно,
что моменты функциональных отказов совпадают с резким изменением
значений параметров микросхем. С
одной стороны, это свидетельствует о
необходимости обязательного сочетания функционального и параметрического контроля сложных микросхем
при радиационных испытаниях. С другой, – дает некоторую возможность
использовать дозовые зависимости
электрических параметров в качестве
индикатора функционального отказа.
Требования к техническим средствам
контроля работоспособности ЭКБ в
ходе радиационных испытаний вытекают как из параметров и характеристик испытываемых компонентов,
так и из специфики радиационного
эксперимента. В настоящее время
задачи функционального и параметрического контроля ЭКБ при радиационных испытаниях в ОАО «ЭНПО
«СПЭЛС» решаются с помощью системы на основе аппаратных блоков
фирмы National Instruments и среды
37
SPEC_2011_SPT-1.indd 37
16.01.2012 13:26:50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 8. Система контроля работоспособности ЭКБ при радиационных
испытаниях на основе аппаратных блоков фирмы National Instruments
и среды программирования LabView
программирования LabView (рис. 8).
Система обеспечивает следующие характеристики:
♦ частота тактирования – до 150 МГц;
♦ количество выводов – до 200 (без
учета возможностей наращивания);
♦ согласование уровней логических
сигналов в диапазоне от 1,0 до 5,0 В;
♦ наличие внутренней памяти;
♦ возможность управления радиационными установками;
♦ сопряжение с персональным компьютером.
В состав системы входят блоки аналогового и цифрового ввода-вывода,
высокоскоростного цифрового ввода-
вывода, цифровой мультиметр, осциллограф, программируемый источник
питания. Виртуальные приборы для реализации функционального и параметрического контроля ЭКБ, создаваемые
в среде LabView, позволяют задавать
режимы контроля, осуществлять математическую обработку полученных
результатов, формировать наглядные
отчеты с графиками и статистической
информацией.
Таким образом, предложенная методика сертификации ЭКБ КА по стойкости к дозовому воздействию включает
следующие этапы:
1) анализ заданных требований по
стойкости и предварительная оценка уровней стойкости компонентов;
2) выбор рационального объема и условий испытаний;
3) подготовка и проведение испытаний
выбранных компонентов;
4) обработка результатов испытаний и
подготовка сводного заключения о
соответствии ЭКБ заданным требованиям.
Применение предложенного методического подхода позволяет гарантировать
достоверность сертификации в условиях рациональных технико-экономических показателей, т.е. обеспечения минимально необходимых и достаточных
объема и соответственно трудоемкости
работ, при акценте на информативные
испытания наиболее чувствительных
компонентов во всех существенных режимах и условиях их работы
Литература
1. Беляков В.В., Чумаков А.И., Никифоров А.Ю. и др. Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования эффектов одиночных сбоев в элементах современной микроэлектроники./ Микроэлектроника, 2003. – Т. 32. – № 2. – С. 134 – 151.
2. Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н. и др. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному
эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц./Микроэлектроника, 2008. – Т. 37. – № 1. – С. 45 – 51.
3. Чумаков А.И., Васильев А.Л., Козлов А.А. и др. Прогнозирование локальных радиационных эффектов в ИС при воздействии
факторов космического пространства./ Микроэлектроника, 2010. – Т. 39. – № 2. – С. 85 – 90.
4. Калашников О.А., Некрасов П.В., Соколов М.Н. и др. Экспериментальные исследования радиационного поведения микросхем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем –
Стойкость-2006». – М.: МИФИ, 2006. – С. 259 – 260.
5. Ершова Е.В., Калашников О.А. Обзор сравнительных результатов радиационных испытаний интегральных схем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009». – М.: МИФИ, 2009. – С. 236 – 239.
38
SPEC_2011_SPT-1.indd 38
16.01.2012 13:26:50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОГОЯН1 Армен Вагоевич, к.т.н.; АРТАМОНОВ2 Алексей Сергеевич, к.т.н;
БОГДАНОВ3 Юрий Иванович, д. ф.-м.н.;
НИКИФОРОВ4 Александр Юрьевич, д.т.н
МЕТОД ИСПЫТАНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
НА СТОЙКОСТЬ К ДОЗОВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
ГАММА- И РЕНТГЕНОВСКИХ ИСТОЧНИКОВ
Предлагается метод совместных испытаний электронной компонентной базы на стойкость к дозовому воздействию на
основе рационального сочетания гамма- и рентгеновских испытательных установок. Определена область применимости
данного метода, приведен пошаговый алгоритм процедуры совместных испытаний, дан пример использования данного
метода.
Ключевые слова: поглощенная доза, радиационная стойкость, калибровка.
The total dose hardness assurance test method for electronic devices based on the rational use of gamma and X-ray facilities is
developed. The area of applicability of the method is specified, the step-by-step algorithm of the testing procedure is presented.
Keywords: Total dose, radiation hardness, calibration
И
спытания электронной компонентной базы (ЭКБ) –
интегральных схем (ИС), полупроводниковых приборов, изделий твердотельной СВЧ-электроники и электронных модулей на стойкость к воздействию радиационных
факторов по требованию нормативных документов могут
проводиться с использованием моделирующих и/или имитирующих установок.
Моделирующие установки (МУ) – источники дестабилизирующих воздействий, имеющие единую физическую
природу и близкие характеристики с воздействующими в
реальных условиях специальными факторами. Испытания
ЭКБ с использованием МУ (ускорителей, реакторов, изотопных и других источников) основаны на обеспечении
эквивалентного воспроизведения характеристик реальных
радиационных факторов и эффектов их воздействия при
испытательных воздействиях МУ.
С момента постановки задачи радиационных испытаний
ЭКБ и примерно до середины 80-х гг. прошлого века основным источником стационарных дозовых воздействий
являлись МУ на основе изотопных источников Co60. Изотопные МУ представляют собой уникальные сложные технические устройства с массивной биологической защитой
персонала, обычно сооружавшиеся по индивидуальным
проектам. Высокая энергия гамма-квантов (около 1 МэВ)
определяет их высокую проникающую способность и слабую зависимость поглощенной дозы в активных областях
ЭКБ от конструктивно-технологических особенностей
объектов.
Источниками испытательных гамма-воздействий, кроме
изотопных источников, могут являться ускорители электронов (в режиме генерации гамма-излучения), а также
ядерные реакторы.
Развитие элементной базы, а также рост быстродействия
и функциональной сложности ЭКБ выявил существенный
недостаток МУ – значительное расстояние (2…15 м) от объ1
4
екта испытаний до измерительной аппаратуры. Эта особенность МУ, связанная с наличием мощной биологической
защиты, существенно ограничивала объем контролируемых
параметров ЭКБ в процессе воздействия, снижала достоверность испытаний, так как значительная часть информативных параметров ЭКБ (в т.ч. прецизионных, быстродействия)
принципиально не удавалось определить в условиях дистанционных измерений. Невысокие доступность и пропускная
способность гамма-установок и отсутствие возможности
оперативной проверки всех необходимых режимов и условий работы ЭКБ непосредственно в условиях облучения
обусловило недостаточную технико-экономическую эффективность испытаний.
В целях преодоления указанного недостатка изотопных
МУ в нашей стране и за рубежом в конце 80-х – начале
90-х гг. прошлого века начали развиваться имитационные методы испытаний на базе относительно низкоэнергетичных
(10…100 кэВ) и компактных рентгеновских источников. Так,
рентгеновские имитаторы (например, фирмы Aracor, США)
установлены во многих ведущих зарубежных лабораториях
и организациях, занимающихся испытаниями ЭКБ на радиационную стойкость. В нашей стране ведущая роль в создании
и применении рентгеновских имитаторов принадлежит ОАО
«ЭНПО «СПЭЛС».
Имитирующие установки (имитаторы) – источники дестабилизирующих воздействий различной физической природы, обеспечивающие проявление и адекватное моделирование в изделиях доминирующих эффектов, вызываемых
воздействием радиационных факторов в реальных условиях. Испытания с использованием имитаторов основаны на
обеспечении эквивалентного воспроизведения при имитирующих воздействиях характера изменения параметров,
отказов и сбоев ЭКБ по сравнению со специальными факторами в реальных условиях по критерию адекватности моделирования доминирующих эффектов.
– доцент НИЯУ «МИФИ»; 2 – доцент НИЯУ «МИФИ»; 3 – Зав. лабораторией Физико-технологического института РАН;
– профессор НИЯУ «МИФИ», генеральный директор ЭНПО «СПЭЛС».
SPEC_2011_SPT-1.indd 39
39
16.01.2012 13:26:51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Процесс внедрения рентгеновских имитационных установок
в практику испытаний ЭКБ на стойкость к дозовому воздействию сопровождался теоретическими и экспериментальными
исследованиями по обоснованию эквивалентности эффектов
дозовых воздействий различных видов излучений [1 – 17],
в результате которых как в нашей стране, так и за рубежом,
рентгеновские имитационные установки были включены в
действующие стандарты испытаний ЭКБ [18 – 21].
Особенности применения рентгеновских
установок
Основной проблемой применения имитационных установок на базе рентгеновских источников является низкая энергия и соответственно проникающая способность
рентгеновского излучения, значимая зависимость поглощенной дозы в активных областях от конструктивно-технологических особенностей объектов и связанная с этим
необходимость квалифицированного определения количественных характеристик эквивалентного дозового воздействия (дозиметрического сопровождения) с учетом технологического разнообразия современных ЭКБ, конструкций корпусов и т.п.
В настоящее время значительное число объектов испытаний
представляют собой ЭКБ иностранного производства (ИП),
применяющиеся в космической аппаратуре (КА). Предприятия – разработчики КА стараются максимально уменьшить
(до 3…5) число образцов ЭКБ каждого типа в выборке, передаваемой на испытание. При этом большинство типов ЭКБ
имеют пластиковые корпуса. Сложность дозиметрического
сопровождения испытаний данных объектов вызвана невозможностью в большинстве случаев получить у предприятия
– изготовителя ЭКБ данные о конструктивных особенностях, технологии, химическом составе корпуса и т.п. Расчетные методы, которые можно было применять для ЭКБ отечественных производителей при наличии информации о конструкции и химическом составе корпуса и технологических
особенностях активных элементов, практически не работают
в случае ЭКБ ИП.
Таким образом, в работе предлагается метод совместных
испытаний ЭКБ на стойкость к дозовому воздействию на
гамма- и рентгеновских установках, позволяющий сочетать
достоинства МУ и имитаторов.
Область применения метода совместных
испытаний
Метод испытаний ЭКБ на радиационную стойкость по дозовым эффектам с совместным использованием гамма- и
рентгеновских установок разработан в целях уточнения и
развития метода дозиметрического сопровождения рентгеновских имитационных испытаний, изложенного в [11],
и распространяется на кремниевые ЭКБ в корпусном или
бескорпусном исполнениях в КМОП (на монокремниевых,
эпатаксиальных, кремний-на-сапфире и кремний-на-изоляторе структурах), биполярных, и БиКМОП (включая SiGe)
элементно-технологических базисах.
К испытаниям допускаются ЭКБ, удовлетворяющие следующим условиям:
♦ количество образцов в выборке не менее 3;
♦ выборка образцов для испытаний произведена из одной
производственной партии, и достоверно установлена
идентичность образцов в выборке.
Метод калибровки
Основным методом дозиметрического сопровождения рентгеновских имитационных испытаний является метод «калибровки», в соответствии с которым из всей совокупности
радиационно чувствительных параметров изделия выбирается один – qk, который называется «калибровочным»
и наиболее полно характеризует радиационный отклик изделия в целом. При этом считается, что эквивалентная поглощенная доза рентгеновского излучения соответствует
поглощенной дозе γ-излучения (Dγ), если обе они вызывают
тождественное изменение значения калибровочного параметра при одинаковых условиях проведения испытаний
(режим, температура, временной интервал от момента начала облучения до проведения измерений): Dэ(qk) = Dγ(qk).
Функция Dγ(qk) называется калибровочной зависимостью и
определяется по результатам испытаний изделия на гаммаустановке. Данная зависимость является градуировочной
для дозиметра рентгеновского излучения, в качестве которого используется само испытуемое изделие.
В качестве калибровочного параметра qк выбирают такой
электрический параметр изделия, изменение которого
при воздействии ионизирующего излучения определяется дозовыми (поверхностными ионизационными) эффектами. К дополнительным требованиям при выборе калибровочного параметра относятся простота измерений при
проведении испытаний на МУ, наименьшая подверженность воздействию электромагнитных помех и наводок,
наибольшие чувствительность к Dγ и протяженность линейного или хотя бы «плавного» монотонного участка зависимости qк = qк(Dγ).
Алгоритм проведения совместных
испытаний
Испытания ЭКБ на дозовую стойкость с использованием
гамма- и рентгеновской установок проводятся по следующему алгоритму.
1 Прогнозирование уровня радиационной стойкости ЭКБ
и выбор наиболее критичного режима функционирования.
Прогнозирование осуществляется приведенными ниже (в
порядке убывания значимости) способами:
♦ по собственным результатам ранее проведенных испытаний ЭКБ данного типа (типономинала) и данного предприятия-изготовителя;
♦ по результатам ранее проведенных испытаний ЭКБ данного типа (типономинала) и данного предприятия-изготовителя другими испытательными центрами;
♦ по результатам ранее проведенных испытаний конструктивных аналогов ЭКБ данного предприятия-изготовителя;
♦ по результатам ранее проведенных испытаний функциональных аналогов данных функциональных групп ЭКБ
различных предприятий-изготовителей;
♦ по конструкционным данным ЭКБ.
40
SPEC_2011_SPT-1.indd 40
16.01.2012 13:26:51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Результатом прогнозирования является предварительный
выбор калибровочного параметра из заданных в программе-методике испытаний контролируемых параметров, выбор критического (наиболее радиационно чувствительного)
электрического режима и режима функционирования.
В случае отсутствия технически обоснованного заключения
о параметрах критического электрического режима рекомендуемым является электрический режим, соответствующий максимально допустимому в соответствии с ТУ напряжению питания.
2 Анализ конструкции ЭКБ и расчетная оценка коэффициента ослабления корпусом (защитным покрытием) дозового воздействия от рентгеновского излучения. Оценка
коэффициента ослабления производится расчетным путем
на основе данных о типе, толщине и химическом составе
корпуса (защитного покрытия) ЭКБ.
3 Облучение одного образца ЭКБ на рентгеновском имитаторе с контролем заданных в программе-методике испытаний параметров-критериев в выбранном режиме функционирования в нормальных климатических условиях.
Для предварительно выбранного калибровочного параметра и параметров-критериев требуется определение зависимости q = q(DX).
Мощность поглощенной дозы рентгеновского излучения на
поверхности кристалла с учетом расчетной оценки коэффициента ослабления должна находиться в диапазоне мощностей доз МУ, которая будет использоваться для калибровки.
Облучение проводится до отказа по большинству параметров-критериев или до уровня воздействия, при котором радиационно-индуцированное изменение начального значения
предварительно выбранного калибровочного параметра и
параметров-критериев, превышает погрешность измерения
более чем в 100 раз. При выборе режимов облучения необходимо стремиться к выполнению условия tобл > 10× tизм, где
tобл – полное время облучения, tизм – суммарное время измерений параметров в процессе облучения.
В случае малой радиационной чувствительности калибровочного параметра и других параметров-критериев (изменение начального значения менее стократной погрешности
измерения) определение уровня стойкости проводится по
результатам испытаний сокращенной выборки (но не менее
2 шт.) на МУ с учетом требований РД 319.03.31-99.
4 Облучение одного образца ЭКБ на МУ с контролем заданных параметров-критериев в выбранном режиме функционирования в нормальных климатических условиях.
Для предварительно выбранного калибровочного параметра и параметров-критериев требуется определение зависимости q = q(Dγ).
Мощность поглощенной дозы гамма-излучения должна находиться в диапазоне 0,5…2,0 от мощности поглощенной
дозы рентгеновского излучения на поверхности кристалла с
учетом расчетной оценки коэффициента ослабления.
Облучение проводится до уровня Dγ0, при котором происходит отказ хотя бы по одному параметру-критерию, либо радиационно-индуцированное изменение начального значения
калибровочного параметра и параметров-критериев, превышает погрешность измерения более чем в 100 раз. Определение мощности поглощенной дозы производится стандартными дозиметрическими средствами МУ. При выборе режимов
облучения необходимо стремиться к выполнению условия
tобл > 10 × tизм, где tобл – полное время облучения, tизм – суммарное время измерений параметров в процессе облучения.
5 Сравнительный анализ результатов испытаний на рентгеновском имитаторе и гамма-установке, принятие решения о
допустимости проведения испытаний на рентгеновском имитаторе и определение калибровочного коэффициента.
Условия применимости метода
совместных испытаний
Метод совместных испытаний может применяться в случае,
если существует калибровочное преобразование вида
Dγ = kDX,
(1)
где k – коэффициент, относительно которого имеет место
приближенное подобие зависимостей qk(DX) и qк(Dγ) :
(2)
где δ – относительная инструментальная погрешность измерения величины q (указанная в паспорте средства измерения); qkγ(Dγ) – зависимость приращения критериального
параметра от уровня поглощенной дозы Dγ, полученная на
МУ (п.4); qkX(DX) – зависимость приращения критериального параметра от уровня воздействия DX, полученная на
рентгеновском имитаторе (п.3). Определение коэффициента k зависимости (1) может производиться методом наименьших квадратов.
Проверка выполнения условия (2) должна проводиться не
менее, чем в двух точках, по дозе Dγ. При выполнении условия (2) принимается решение о применимости метода калибровочной дозиметрии.
Проводятся испытания группы образцов № 1 объемом nγ на
МУ и группы №2 объемом nХ на рентгеновском имитаторе,
nX > nγ. Испытания обеих групп проводятся в одинаковом
электрическом режиме и в одинаковых климатических
условиях.
Методика определения коэффициента k зависит от характера изменения функций qγi(Dγ), где i- номер образца в группе 1: i = 1…nγ.
В качестве калибровочного целесообразно выбирать параметр, относительное приращение которого является наибольшим. При наличии нескольких параметров-критериев
с близкими (до 20%) относительными значениями приращений – нижеследующие пункты выполняются для каждого
параметра.
В случае если в интервале доз 0…Dγ0 зависимость qγi(Dγ) имеет максимум в окрестности точки Dγi max, она нормируется на значение qγi l, измеренное в точке Dγi l , ближайшей к
Dγi max. Если в интервале доз 0… Dγ0 зависимость qγi(Dγ) имеет
несколько максимумов, следует выбирать главный максимум. При отсутствии максимума нормировка зависимости
не производится.
Выбирается калибровочный уровень значения параметра
q0. Калибровочный уровень целесообразно выбирать близким к значению, соответствующему границе допуска на параметр, установленной для объекта испытаний.
41
SPEC_2011_SPT-1.indd 41
16.01.2012 13:26:51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Для j-го образца группы № 1, j=1…nγ, по экспериментальной
зависимости qγj(Dγ) определяется значение дозы Dγj из условия
(3)
При необходимости для определения величины Dγj из неравенства (3) может применяться линейная интерполяция зависимости qγj(Dγ). Аналогично определяются значения DXi ,
i = 1…nX для группы № 2.
Вычисляется точечная оценка k – коэффициента калибровки:
k=
Dγ
DX
,
(4а)
nX
DX = 1
nX
∑D
Dγ = n1
γ
nγ
Xi
i =1
∑D
i =1
γi
,
(4б)
.
(4в)
При наличии нескольких параметров-критериев с близкими
относительными значениями приращений в качестве калибровочного выбирается параметр, для которого значение величины
nX
δ = δ X2 + δ γ2 ≡
1
nX
∑(
DXi − DX
i =1
DX
)
nγ
2
+
2
1
nγ
∑(D
γi
i =1
Dγ
− Dγ
2
)
2
(4г)
является наименьшим.
Вычисляется нижняя граница kL доверительного интервала
коэффициента калибровки:
kL =
k − Q1k 2 + Q2 − Q1Q2 ,
(1 − Q1 )
(5)
nX
Q1 =
t 1−α ,n
∑(D
1⎞
⎛ 1
+ ⎟
⎜
( nX + nγ − 2) ⎜⎝ nX nγ ⎟⎠
2
X
+ nγ − 2
Xi
− DX
i =1
DX
nγ
X + nγ − 2
(
2
2
∑ Dγ i − Dγ
⎛ 1
1 ⎞ i =1
2
Q2 =
+
⎜
⎟
( nX + nγ − 2 ) ⎜⎝ nX nγ ⎟⎠ DX 2
t 1−α ,n
)
)
,
В качестве примера применения метода совместных испытаний рассмотрим испытания типовой микросхемы
– HEF4013BT. ИС HEF4013BT (фирма-изготовитель NXP
Semiconductors) представляет собой сдвоенный D-триггер,
выполненный по КМОП-технологии.
Определим коэффициент калибровки для ИС HEF4013BT.
В процессе облучения контролировалось функционирование, и измерялись зависимости параметров – критериев годности (UOH, IOH, IOL, ICCH, ICCL) от уровня воздействия
(рис. 1).
Далее необходимо провести анализ применимости метода.
С этой целью проводится облучение микросхемы на гаммаустановке (образец 13) и источнике рентгеновского излучения (образец 6). На рис. 2 показаны результаты совмещения
зависимостей приращения тока потребления в режиме SET
для указанных образцов. Поиск коэффициента калибровочного преобразования вида (1) проводился методом наименьших квадратов. При значении k = 0,0328 соотношение (2)
выполняется уже при условии δ = 0 не менее чем при трех
значениях уровня воздействия. Таким образом, можно сделать вывод о том, что метод совместных испытаний применим к данному объекту.
Далее проводится облучение двух групп микросхем. Первая
группа (2 образца, включая № 13) облучается на гамма-установке, вторая группа (5 образцов, включая № 6) – на рентгеновской установке.
В качестве калибровочного параметра выбирается ток потребления в состоянии SET (ICCH). Поскольку зависимость
приращения параметра от уровня воздействия является монотонной, ее нормировка не производится.
Выбирается калибровочный уровень значения параметра
q0 = 3 мА. Для j-го образца группы 1, j = 1…nγ, по экспериментальной зависимости qγj(Dγ) определяется значение дозы Dγj
из условия (рис. 3):
qγ j ( Dγ j ) − q0
q0
2
,
где t 1− α , N – квантиль распределения Стьюдента с N степе2
нями свободы, отвечающий уровню значимости α/2. Уровень
доверия (доверительная вероятность) P = 1 – α определяется
нормативно-технической документацией. Если его значение
не установлено, оно принимается равным 0,95 [22]. В качестве коэффициента калибровки принимается значение K = kL.
Отношение k/kL > 1 играет роль нормы испытаний [22], которая оказывается зависящей от количества образцов в выборке. При этом относительная погрешность дозиметрии Δ будет
определяться относительными погрешностями дозиметрии
гамма-излучения (Δγ) и рентгеновского излучения (ΔX):
Δ = (1 + Δγ ) (1 + Δ X ) − 1 ≈ Δγ + Δ X .
Пример применения метода
совместных испытаний
(6)
Оценку соответствия изделий заданным требованиям проводят согласно требованиям ГОСТ РВ 20.57.415 и [22].
<δ .
В результате Dγ = {51,6; 44,6}. Аналогично определяются значения DXi , I = 1…nX, для группы 2: DX={1734, 1733, 1521, 1488,
1569}.
Вычисляется точечная оценка k – коэффициента калибровки:
DX = 1609; Dγ = 48,1; k =
Dγ
= 0, 0299.
DX
Вычисляется нижняя граница kL доверительного интервала коэффициента калибровки при P = 0,95: K = kL = 0,025.
Относительная погрешность измерения длительности облучения на источнике рентгеновского излучения ΔX при автоматическом управлении источником составляет менее 1%,
поэтому погрешность дозиметрии испытаний определяется
относительной погрешностью дозиметрии гамма-излучения Δγ, которая согласно паспорту системы дозиметрического сопровождения составляет 15%.
В случае обоснованной применимости рентгеновских испытаний оценка информативных параметров ЭКБ, недоступных для условий измерения гамма-установки, прово-
42
SPEC_2011_SPT-1.indd 42
16.01.2012 13:26:51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
г
Рис. 1. Экспериментальные зависимости некоторых параметров HEF4013BT от уровня воздействия:
а) UOH; б) IOH; IOL, в) ICCH; г) ICCL
Рис. 2. Совмещение зависимостей приращения тока
потребления в режиме SET, полученных при облучении
HEF4013BT на гамма-установке (образец 13) и источнике
рентгеновского излучения (образец 6) при k = 0,0328
Рис. 3. Определение уровней воздействия Di,
соответствующих заданным критериям q0
43
SPEC_2011_SPT-1.indd 43
16.01.2012 13:26:51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
дится на рентгеновском источнике, в противном случае
весь комплекс работ проводится на гамма-установке.
Выводы и заключение
Метод испытаний ЭКБ на радиационную стойкость по дозовым эффектам с совместным использованием гамма- и рентгеновских установок уточняет и развивает метод дозиметрического сопровождения рентгеновских имитационных испытаний, изложенный в нормативных документах. Применение
описанного метода позволяет повысить достоверность дозиметрического сопровождения рентгеновских имитационных
испытаний и в полной мере сочетать в одном цикле испытаний возможности и достоинства как моделирующих установок, обеспечивающих достоверность испытаний по адекватности испытательных воздействий, так и рентгеновских
имитаторов, позволяющих определить все информативные
параметры ЭКБ (в том числе прецизионные и быстродействия), проверить все необходимые режимы и условия работы
ЭКБ непосредственно в условиях облучения. Достоинством
предлагаемого метода совместных испытаний ЭКБ является
возможность работы с малыми выборками объектов, а также
наличие четких критериев применимости
Литература
1. Fleetwood, D.M., Winokur, P.S., Schwank, J.R. Using
laboratory X-ray and cobalt-60 irradiations to predict CMOS
device response in strategic and space environments. / IEEE
Transaction on Nuclear Science, 1988. – Vol 35. – PP. 1497
– 1505.
2. Palkuti L.J, LePage J.J. X-Ray Wafer Probe for Total Dose
Testing. /IEEE Transaction on Nuclear Science, 1982. – Vol
29. – PP. 1832 – 1837.
3. Fleetwood D.M., Beegle R.W., Sexton F.W., Winokur P.S.,
Miller S.L., Treece R.K., Schwank J.R., Jones R.V., McWhorter
P.J. Using a 10-keV X-Ray Source for Hardness Assurance. /
IEEE Transaction on Nuclear Science, 1986. – Vol 33. – PP.
1330 – 1336.
4. Dozier C.M., Brown D.B., Throckmorton J.L., Ma D.I. Defect
Production in SiO2 by X-Ray and Co-60 Radiations. / IEEE
Transaction on Nuclear Science, 1985. – Vol 35. – PP. 4363
– 4368.
5. Oldham T.R., McGarrity J.M. Comparison of Co-60 Response
and 10 keV X-ray Response in MOS Capacitors. // IEEE Trans,
1983. – Vol. NS-30. – N 6. – P. 4377.
6. Имитационное экспериментальное моделирование для
оценки и прогнозирования радиационной стойкости
ИЭТ. / Е.Р. Аствацатурьян, А.Ю. Никифоров, А.И. Чумаков и др. / Вестник РАДТЕХ, 1991. – № 2. – С. 44 – 47.
7. Система имитационной оценки и прогнозирования показателей радиационной стойкости интегральных
схем./ М.И. Критенко, А.Ю.Никифоров, В.А. Телец и др.
Радиационные процессы в электронике, 1994. – С. 145 –
146.
8. Основные положения концепции создания и внедрения
имитационных методов оценки и прогнозирования ради-
ационной стойкости ППП и ИС./ А.Ю.Никифоров, П.К.
Скоробогатов, В.А.Телец, А.И.Чумаков и др./ Вопросы
атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных
воздействий на РЭА, 1994. – Вып. 3 – 4.
9. IC space radiation effects experimental simulation and
estimation methods./ Chumakov A.I., Nikiforov A.Y., Telets
V.A., Sogoyan A.V./ Radiation Measurements, 1999. – V. 30.
10. IC’s Radiation Effects Modeling and Estimation./ Chumakov
A.I., Nikiforov A.Y., Pershenkov V.S., Skorobogatov P.K. /
Microelectronics Reliability, 2000. – V. 40. – № 12.
11. Методы прогнозирования эффектов полной дозы в элементах современной микроэлектроники./ Беляков В.В.,
Першенков В.С., Зебрев Г.И., Согоян А.В., Чумаков А.И.,
Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. /Микроэлектроника, 2003. – Т. 32. – № 1. – С. 31 – 46.
12. Nikiforov A.Y., Chumakov A.I. Simulation of space radiation
effects in microelectronic parts./ Effects of space weather
on technology infrastructure, 2004 – Kluwer Academic
Publishers, Netherlands.
13. Никифоров А.Ю., Согоян А.В. Моделирование дозовых
эффектов в паразитных МОП-структурах КМОП БИС
при воздействии высокоинтенсивного импульсного ионизирующего излучения./Микроэлектроника, 2004. – Т.
33. – № 2. – С. 108 – 121.
14. Поверхностные радиационные эффекты в интегральных
схемах./Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Чумаков А.И. и др./
Модель космоса: Научно-информационное издание: в 2
т. – Т. 2: Воздействие космической среды на материалы
и оборудование космических аппаратов. – М.: КДУ, 2007.
15. Методы испытаний на стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства и импульсную электрическую прочность./ Никифоров А.Ю.,
Чумаков А.И., Скоробогатов П.К., Телец В.А., Улимов В.Н.
и др./ Модель космоса: Научно-информационное издание: в 2 т. – Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. – М.:
КДУ, 2007.
16. Методика оперативного неразрушающего контроля
дозовой стойкости КМОП БИС на КНС структурах./
Давыдов Г.Г., Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Киргизова
А.В., Петров А.Г., Седаков А.Ю., Яшанин И.Б./ Микроэлектроника, 2008. – Т. 37. – № 1. – С. 67 – 77.
17. Согоян А.В. Оценка стойкости КМОП СБИС к фактору
поглощенной дозы при воздействии импульсного излучения./ Микроэлектроника, 2011. – Т. 40. – № 3. – С. 200
– 208.
18. ASTM F1467 – 11 Standard Guide for Use of an X-Ray Tester
(≈10 keV Photons) in Ionizing Radiation Effects Testing of
Semiconductor Devices and Microcircuits.
19. ASTM E666 – 09 Standard Practice for Calculating Absorbed
Dose From Gamma or X Radiation.
20. Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытаний./ РД В 319.03.22-97.
21. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Испытания на стойкость к воздействию специальных факторов и импульсную электрическую прочность. /ОСТ 11
073.013 (ч. 10).
22. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Рациональный состав и последовательность испытаний
на соответствие заданным требованиям по РС./ РД В
319.03.31-99.
44
SPEC_2011_SPT-1.indd 44
16.01.2012 13:26:51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КАЛАШНИКОВ1 Олег Арсеньевич, к.т.н., доцент;
АРТАМОНОВ2 Алексей Сергеевич, к.т.н.;
БОБРОВСКИЙ3 Дмитрий Владимирович;
БОЙЧЕНКО4 Дмитрий Владимирович, к.т.н.;
5
КЕССАРИНСКИЙ Леонид Николаевич; НЕКРАСОВ6 Павел Владимирович, к.т.н;
УЛАНОВА7 Анастасия Владиславовна, к.т.н.
СТАТИСТИЧЕСКИЙ РАЗБРОС ПОКАЗАТЕЛЕЙ
РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
СХЕМ ИНОСТРАННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Представлен анализ разбросов значений доз отказа интегральных схем иностранного производства различных фирмпроизводителей. Установлено, что весьма распространены более чем двукратные разбросы доз отказа одной партии интегральных схем. Приведено распределение разбросов по фирмам – производителям интегральных схем.
The analysis of the failure total doses variation of different foreign manufacturers integrated circuits is presented. More than double
difference of the failure total doses within a party proved to be rather typical. The variations distribution for different manufacturers
is presented.
О
бъемы выборок интегральных схем иностранного
производства (ИС ИП) для проведения радиационных испытаний в ходе сертификации для применения в
космической аппаратуре, как правило, не превышают 5
образцов (нередко всего 2 – 3 образца). Такие ограничения аргументируются как проблемами закупки, так и
предположением о высокой стабильности параметров
ИС ИП одной партии, в том числе показателей радиационной стойкости.
В целях анализа достоверности данного предположения проведен обзор результатов дозовых радиационных
испытаний более чем ста партий разных типов ИС ИП,
которые проводились в 2003 – 2010 гг. В каждом случае
вычислялся разброс доз отказа образцов испытываемой
партии как отношение максимальной дозы отказа к минимальной:
Рис. 1. Дозовые зависимости тока потребления в
активном режиме ИС конфигурационного постоянного
запоминающего устройства (ПЗУ) EPC1LI20N (Altera)
Рис. 2. Дозовые зависимости выходного напряжения
образцов ИС линейного стабилизатора напряжения
LT1117IST-3.3 (Linear Technology)
R = (DMAX / DMIN – 1)×100%.
(1)
В ходе анализа выявлены как случаи полного отсутствия разброса (R = 0 с точностью до погрешности дозиметрии и с учетом дискретности процедуры облучения и контроля), так и
случаи более чем двукратного разброса доз отказа (R > 100%,
таких результатов около 12%). Отмечен случай более чем
тридцатикратного расхождения доз отказа двух образцов
одной выборки (K6R4016V1D, Samsung). Некоторые примеры
зависимостей критериальных параметров ИС, характеризующие разбросы доз отказа, показаны на рис. 1 – 5 [1 – 4].
1
− начальник НТК-2 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 2 – доцент НИЯУ «МИФИ»; 3 – научный сотрудник ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
− начальник НТК-3 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 5 − инженер ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
6
– старший научный сотрудник ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 7 – старший научный сотрудник ОАО «ЭНПО СПЭЛС».
4
SPEC_2011_SPT-1.indd 45
45
16.01.2012 13:26:52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 3. Дозовые зависимости токов потребления
образцов ОЗУ AS7C4096-15JI (Austin)
Рис. 4. Дозовые зависимости токов потребления образцов
ИС SNJ54ABT162245WD (Texas Instruments)
Дозовые зависимости тока потребления образцов БИС
конфигурационного постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) EPC1LI20N (ф. Altera) показаны на рис. 1. Видно,
что зависимости практически накладываются друг на друга, и разброс практически отсутствует (R = 3%).
Распространенной является ситуация, характеризующаяся
однотипной кинетикой радиационной деградации параметров различных образцов испытываемой партии ИС при различии исходных (до облучения) значений критического параметра (т.е. параметра, наиболее чувствительного к воздействию радиации и определяющего стойкость микросхемы).
Причем нередко даже незначительный разброс исходных
значений параметров приводит к существенному разбросу
доз отказа образцов. На рис. 2 в качестве примера показаны дозовые зависимости выходных напряжений образцов
линейного стабилизатора напряжения LT1117IST-3.3 (Linear
Technology). Несмотря на незначительный разброс исходных значений выходных напряжений (не более 1%) и сход-
Рис. 5. Дозовые зависимости токов потребления образцов
ИС SNJ54ABT125W (Texas Instruments)
Рис. 6. Распределение разбросов доз отказа
Рис. 7. Распределение разбросов доз отказа
по фирмам-производителям ИС
46
SPEC_2011_SPT-1.indd 46
16.01.2012 13:26:52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ный характер их дозовой деградации, разброс значений доз
отказа составляет 140% (т.е. различие между наиболее стойким и наименее стойким образцами – почти 2,5 раза).
Другая распространенная ситуация – различное радиационное поведение критического параметра у разных образцов одной партии микросхем. Несколько примеров приведены на рис. 3 – 5. В этих случаях разброс доз отказа может
существенно превышать 100%. В примере, показанном на
рис. 5, разброс трудно определить, т.к. один из образцов не
отказывает.
На рис. 6 показана гистограмма распределения разбросов
доз отказа всех испытанных ИС ИП [5]. Установлено, что в
40% случаев разброс не превышает погрешности дозиметрии (т.е. 20%). Разброс доз отказа еще 30% ИС не превышает 50%. В диапазоне значений разброса от 50% до 100%
находятся еще 18% ИС, а у оставшихся 12% ИС разброс доз
отказа оказался более чем двукратным.
Интерес представляет анализ разбросов доз отказа ИС
ИП разных производителей (рис. 7). Число различных партий ИС каждой из представленных на рис. 7 фирм-производителей составляло не менее 7. Видно, что стабильность показателей радиационной стойкости у разных
фирм существенно различается. При этом можно отметить, что в целом разброс доз отказа сложных цифровых
СБИС ниже, чем аналоговых и простых логических ИС.
В то же время статистического материала недостаточно для рекомендаций по определению размера выборки
для радиационных испытаний ИС конкретных производителей.
Таким образом, представляются необоснованными предположение об априорно высокой стабильности показателей радиационной стойкости ИС ИП и основанное на этом
предположении сокращение размеров выборок для радиационных испытаний Литература
1. Калашников О.А., Некрасов П.В., Демидов А.А. Функциональный контроль микропроцессоров при проведении радиационных испытаний./ Приборы и техника эксперимента, 2009. – № 2. – С. 48 – 52.
2. Калашников О.А., Некрасов П.В., Соколов М.Н. и др. Экспериментальные исследования радиационного поведения микросхем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем –
Стойкость-2006». – М.: МИФИ, 2006. – С. 259 – 260.
3. Бобровский Д.В., Калашников О.А. Исследование дозовых радиационных эффектов ПЛИС Xlinx./ Научно-технический
сборник «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2007». – М.: МИФИ, 2007. – С. 203 – 205.
4. Ершова Е.В., Калашников О.А. Обзор сравнительных результатов радиационных испытаний интегральных схем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009». – М.: МИФИ, 2009. – С. 236 – 239.
5. Калашников О.А. Анализ разбросов показателей радиационной стойкости интегральных схем иностранного производства./ Научно-технический сборник «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость-2009». – М.: МИФИ,
2009. – С. 23 – 24.
ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ АВТОРОВ
I. Требования к авторским материалам
1.Текст: ■ формат Microsoft Word; ■ поля документа – все по 2 см; ■ шрифт – Times New Roman, кегль 12; ■ межстрочный
интервал – 1,5 (в таблицах – 1,0); ■ текст должен быть без отступов и переносов; ■ страницы должны быть пронумерованы –
внизу справа
2. Рисунки (схемы, графики и т.п.), формулы – должны быть выполнены либо средствами Microsoft Word, либо в форматах EPS
(предпочтительно), CDR, AI.
3. Фото – присылаются отдельными файлами в форматах TIFF (предпочтительно), PSD, IPEG, с разрешением не менее 300 dpi.
4. Список литературы должен быть представлен в соответствии с действующим ГОСТом
II. Сведения об авторах
■ Фамилия, полное имя и отчество автора (авторов, если их несколько); ■ ученая степень и ученое звание автора (авторов); ■
контактный телефон и E-mail автора (авторов); ■ места работы (учебы) и должности всех авторов1)
III. Аннотация
■ Статья должна сопровождаться краткой аннотацией и списком ключевых слов на русском и английском языках.
IV. Общая информация
■ Публикации принимаются только оригинальные статьи (ранее нигде не публиковавшиеся); ■ все научные статьи проходят
обязательное рецензирование; ■ авторы несут ответственность за недостоверные сведения, содержащиеся в их материалах; ■
за публикации не рекламного характера плата не взимается.
1)
− по желанию авторов их места работы и должности могут не публиковаться в журнале, но эти сведения обязательно должны
быть в редакции.
47
SPEC_2011_SPT-1.indd 47
16.01.2012 13:26:52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
БОЙЧЕНКО1 Дмитрий Владимирович, к.т.н.;
КЕССАРИНСКИЙ Леонид Николаевич; ПЕЧЕНКИНА3 Дарья Витальевна
2
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА
УРОВЕНЬ ДОЗОВОЙ СТОЙКОСТИ АНАЛОГОВЫХ
КОММУТАТОРОВ
Исследованы особенности влияния режима облучения на радиационное поведение аналоговых ключей и коммутаторов
(АКК). Показано существенное влияние режима на уровень радиационной стойкости АКК.
Ключевые слова: дозовый эффект, облучение, аналоговый коммутатор.
The influence of the electrical conditions on analog switches’ total dose behavior is investigated. The major difference in analog
switches radiation hardness due to irradiation and measurement conditions is revealed.
Keywords: total dose effect, irradiation, analog switch.
Р
азличные аналоговые ключи и коммутаторы широко применяются в
системах сбора и обработки информации, в том числе в космической аппаратуре (рис. 1). Однако в представленных
в литературе данных по радиационной
ключ), либо передается по другому каналу (мультиплексор).
Влияние режима работы МОП транзистора во время воздействия ионизирующего излучения на его радиационное
поведение рассмотрено достаточно
а
подробно как иностранными [1 3], так
и отечественными [4, 5] авторами. Однако современные коммутаторы, помимо основных элементов, также дополняются схемами защиты от перенапряжения, статического пробоя, напряже-
б
в
Рис. 1. Функциональные схемы типичных АКК: а) аналоговый мультиплексор 4-в-1; б) аналоговый ключ;
в) аналоговый мультиплексор 8-в-1
стойкости АКК отсутствует анализ общих закономерностей их радиационного поведения.
Большинство современных АКК построены на основе мощных МОП
транзисторов, работающих ключевом
режиме. На рис. 2 показана типовая
структурная схема канала АКК. В зависимости от уровня управляющего
сигнала проходной МОП транзистор
находится либо в открытом состоянии
– сигнал передается с входа на выход,
либо в закрытом состоянии – сигнал либо не передается (аналоговый
1
48
3
Рис. 2. Структурная схема канала аналогового коммутатора
− начальник НТК-3 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 2 − инженер ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
− аспирант НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 48
16.01.2012 13:26:52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Принципиальная схема аналогового ключа MAX4622
D
Рис. 4. Зависимость тока потребления источника положительной
полярности ИС MAX4622ESE от дозы облучения
ния обратной полярности, короткого
замыкания и т.д. На рис. 3 представлена
принципиальная схема аналогового
ключа MAX4622 (фирма Maxim).
В данной работе были проведены исследования дозовой деградации широкого набора АКК как отечественного, так и иностранного производства
(табл. 1). В процессе облучения контролировались следующие параметры
АКК: сопротивление открытого канала, токи утечки аналоговых входа и
выхода, токи потребления от источни-
ков положительной и отрицательной
полярности. Как показывает практика радиационных исследований,
представленный набор параметров
является минимально возможным.
Каждый из указанных параметров
может оказаться критериальным при
определении уровня дозовой стойкости АКК [8, 9].
Экспериментальные исследования проводились с использованием как моделирующих установок (линейный ускоритель электронов «У31/33» (НИЯУ
«МИФИ»), работающий в режиме
тормозного гамма-излучения), так и
имитационными методами (рентгеновские установки типа «РЕИМ-2» (ОАО
«ЭНПО «СПЭЛС»)). Рациональное использование имитационных методов существенно повышает информативность
исследований, так как позволяет обойти
ограничения моделирующих установок
в части электромагнитных наводок и
помех.
Для аналоговых коммутаторов режимы
работы условно можно разделить на
два: «закрытый» – соответствует закрытому состоянию каналов передачи
сигнала, «открытый» – соответствует
открытому состоянию. Параметры исследуемых микросхем также можно
разделить на две группы в соответствии с тем режимом, при котором они
измеряются.
Анализ результатов показывает, что
режим работы коммутатора в ходе облучения существенно влияет на темпы
деградации параметров. Если микросхема облучается в «закрытом» режиме, то наиболее сильно деградируют
параметры, измеряемые при «открытом» включении, и наоборот.
Интегральная схема аналоговых ключей MAX4622ESE представляет собой
два двойных низкоомных ключа. В
ходе эксперимента образцы облучались как в «закрытом», так и в «открытом» состоянии. В «открытом»
состоянии измерялось только сопротивление канала. В «закрытом» – все
параметры, в том числе токи потребления.
Сопротивление открытого канала ИС
MAX4622ESE практически не изменялось от уровня воздействия для обоих
режимов облучения. Так как режим
измерения всех остальных параметров
соответствовал «закрытому» состоянию, образцы, облучавшиеся «закрытыми», показали низкий темп деградации характеристик. В то же время параметры коммутаторов, облучавшихся
«открытыми», уже на малых уровнях
воздействия превысили максимально
допустимые значения. На рис. 4 показана зависимость тока потребления
источника положительной полярности
ИС MAX4622ESE от величины поглощенной дозы. График наглядно демонстрирует существенную зависимость
темпов деградации параметров ИС от
режима работы в процессе облучения.
49
SPEC_2011_SPT-1.indd 49
16.01.2012 13:26:52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Таблица 1. Объекты исследований
ИС
Изготовитель
Тип
MAX303ESE+
аналоговый ключ
MAX354EWE
аналоговый мультиплексор
MAX4508ESE+
аналоговый мультиплексор
Maxim
MAX4508MJE
аналоговый мультиплексор
MAX4622ESE+
аналоговый ключ
MAX358EWE
аналоговый мультиплексор
MAX4614ESD
аналоговый ключ
ADG333ABRZ
аналоговый ключ
ADG433ABR
аналоговый ключ
ADG436BR
аналоговый ключ
Analog devices
ADG452BR
аналоговый ключ
ADG506AKRZ
аналоговый мультиплексор
ADG508FBRN
аналоговый мультиплексор
ADG779BKS
аналоговый мультиплексор
590КН3
591КН3
аналоговый мультиплексор
ЗАО «Светлана
полупроводники»
1127КН6
аналоговый мультиплексор
аналоговый мультиплексор
D
Рис. 5. Зависимость тока потребления источника положительной
полярности ИС MAX4508ESE от дозы облучения
Микросхема MAX4508ESE представляет собой аналоговый мультиплексор
8-в-1. В процессе облучения также применялись два режима. На рис. 5 приведена зависимость тока потребления
источника положительной полярности
ИС MAX4508ESE от дозы облучения.
Режим измерения токов потребления
данной ИС соответствует закрытому
режиму работы ИС. Данный график
так же подтверждает ранее описанную
закономерность.
Микросхема MAX354EWE – аналоговый мультиплексор 8-в-1. Токи утечки
входа и выхода, а также ток потребления от источника отрицательной
полярности данной ИС измеряются в
«закрытом» режиме работы. Параметры сопротивление открытого канала и
ток потребления от источника положительной полярности – в «открытом»
состоянии.
На рис. 6, 7 приведены зависимости
токов потребления ИС MAX354EWE
от дозы. Результаты показывают, что
если ток потребления от положительного источника являлся критериальным параметром для образца, облучавшегося «закрытым», то у образца,
облучавшегося «открытым», он практически не менялся в ходе набора
дозы. Аналогичные выводы можно
сделать и для отрицательного тока
потребления.
Следовательно, темп деградации параметров АКК зависит не столько от
свойств самой микросхемы, сколько от
электрического режима работы ИС в
ходе облучения.
Анализ результатов испытаний более
чем 15 разных типов АКК показывает
существенное различие (до порядка)
50
SPEC_2011_SPT-1.indd 50
16.01.2012 13:26:53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литература
D
Рис. 6. Зависимость тока потребления источника положительной
полярности ИС MAX354EWE от дозы облучения
D
Рис. 7. Зависимость тока потребления источника отрицательной
полярности ИС MAX354EWE от дозы облучения
темпов деградации критериальных
параметров в зависимости от режима работы в процессе облучения.
Облучение в статическом режиме,
противоположном режиму измерения критериального параметра, позволяет получить наибольшую дозовую деградацию и наименьший уровень параметрической стойкости. В
общем случае для повышения достоверности получаемых экспериментальных данных в процессе облучения необходимо, либо контролировать все критичные режимы работы
аналоговых коммутаторов либо проводить измерения только в реальных
режимах эксплуатации интегральной
схемы 1. Total-Ionizing-Dose Effects in Modern
CMOS Technologies / Barnaby H.J. /
IEEE Trans. Nucl. Sci., 2006. − Vol. NS53. − № 6. – PP. 3103 − 3121.
2. Radiation-induced edge effects in deep
submicron CMOS transistors / Faccio
F., Cervelli G. / IEEE Trans. Nucl. Sci.,
2005. − Vol. NS-52. − № 6. – PP. 2413 −
2420.
3. Enhanced TID Susceptibility in Sub-100
nm Bulk CMOS I/O Transistors and
Circuits / Barnaby H.J., Holbert K.E.,
McLain M. et al./ IEEE Trans. Nucl.
Sci., 2007. − Vol. NS-54. − № 6. – PP.
2210 − 2217.
4. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в
КМОП ИС. − М.: Радио и связь, 1994.
− 164 с.
5. Чумаков А.И. Действие космической
радиации на интегральные схемы. –
М.: Радио и связь, 2004. – 320 с.
6. Бойченко Д.В., Братко Д.В., Кессаринский Л.Н. Исследование радиационного поведения стабилизаторов напряжения разного типа.
/ Научная сессия МИФИ-2008. Сб.
науч. трудов. Т. 8 – М.: МИФИ, 2008.
– С.59 − 60.
7. Кессаринский Л.Н., Бойченко Д.В.,
Шведов С.В. Сравнительное исследование радиационного поведения
аналоговых ИС./ Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн.
трудов / Под ред. В.Я. Стенина. − М.:
МИФИ, 2007. − С. 272 − 275.
8. Методы прогнозирования эффектов
полной дозы в элементах современной микроэлектроники./ Чумаков
А.И., Никифоров А.Ю., Скоробогатов
П.К. и др. – Микроэлектроника, 2003.
– Том 32. – № 1.
9. Методы испытаний на стойкость
к воздействию радиационных факторов космического пространства
и импульсную электрическую прочность./ Никифоров А.Ю., Чумаков
А.И., Скоробогатов П.К., Телец В.А.,
Улимов В.Н. и др./ Модель космоса.
Научно-информационное издание.
– В 2 т. – Т.2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов.
– М.: КДУ, 2007.
51
SPEC_2011_SPT-1.indd 51
16.01.2012 13:26:53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
ОРЛОВ1 Андрей Александрович; УЛАНОВА2 Анастасия Владиславовна, к.т.н.;
БОРУЗДИНА3 Анна Борисовна
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ
МИКРОСХЕМ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫХ
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ
УСТРОЙСТВ
Рассматривается динамика развития энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств (FRAM). Приведены результаты радиационных исследований зарубежных образцов FRAM при импульсном и дозовом воздействиях. Экспериментально подтверждено предположение о том, что уровень радиационной стойкости FRAM определяется стойкостью КМОП периферии.
Ключевые слова: сегнетоэлектрическое оперативно-запоминающее устройство, FRAM, сегнетоактивная керамика типа
PZT, радиационная стойкость, импульсное и стационарное излучения.
Development of nonvolatile ferroelectric memories (FeRAM) is considered. The results of FeRAM transient and total dose irradiation
behavior are represented. It was experimentally shown that the FeRAM radiation hardness is defined by underlying CMOS.
Keywords: Ferroelectric memory, ferroelectric random-access memory, piezoelectric ceramic PZT, radiation hardness, transient and
total dose radiation.
В
настоящее время можно наблюдать возросший интерес разработчиков аппаратуры к запоминающим
устройствам (ЗУ) на основе сегнетоэлектрических материалов. Под «ферроэлектрической памятью» понимаются энергонезависимые сегнетоэлектрические ЗУ с произвольной выборкой (FRAM – Ferroelectric RAM).
Микросхемы FRAM выпускаются компанией Ramtron и рядом ведущих иностранных фирм: Texas Instruments,
Rohm, Fujitsu, Toshiba, Samsung, Hitachi,
NEC, Asahi Chemical, Infineon. Количество современных и перспективных
отечественных образцов аппаратуры,
в которых применяются FRAM, постоянно увеличивается. В частности, они
используются в блоке определения пространственной ориентации изделий в
инерциальной геоцентрической системе координат звезд, в аппаратуре радионавигации, в блоке управления системой наведения антенн, в комплексе автоматики и стабилизации, командно-измерительной системе, бортовом информационно-вычислительном комплексе,
аппаратуре дальномерно-доплеровской
системы, аппаратуре сбора и передачи
специальной информации, бортовом
синхронизирующем устройстве.
По информации фирм – изготовителей и поставщиков FRAM их можно
1
52
3
отнести к высоконадежным компонентам по устойчивости к внешним
воздействующим факторам. Так в
[1] указывается, что разработанные
FRAM «отвечают всем требованиям
по различным видам вооружения».
Однако данные по радиационным
исследованиям и испытаниям FRAM
в иностранной литературе представлены недостаточно полно и касаются
стойкости к отдельным ядерным частицам [1], а в отечественных публикациях практически отсутствуют, что
требует проведения дополнительных
исследований.
Основные этапы развития
и принцип работы FRAM
Стимулом для разработки новой энергонезависимой памяти в 1980-х годах
послужила необходимость создания
конкурентно-способных микросхем,
т.е. энергонезависимых схем со свойствами оперативных запоминающих устройств (ОЗУ). Данное развитие стало
возможно благодаря известным физическим свойствам сегнетоэлектриков
и успехам, полученным при создании
традиционных ЗУ на основе полупроводниковой технологии.
Основные этапы развития FRAM приведены в табл. 1.
Основным материалом для элементов FRAM – сегнетоэлектрических
транзисторов (ferroelectric transistor) и
конденсаторов (ferroelectric capacitor)
– являются смешанные полиметаллические оксиды, спекаемые в сегнетоактивные керамики. Наиболее распространенным является семейство
PZT (Perovskite lead zirconate titanate)
с общей формулой Pb(ZrxTi1-x)O3. Сегнетоэлектрики, используемые при
создании конденсаторных элементов
FRAM, представляют собой особую
группу кристаллических диэлектриков, обладающих в отсутствии внешнего электрического поля в определенном интервале температур и давлений
спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, направление которой может
быть изменено электрическим полем.
Принцип работы FRAM заключается в
следующем [3 – 5]. При приложении
электрического поля к сегнетоэлектрическому кристаллу центральный атом
движется в направлении поля. Перемещение атома в пределах кристалла
сопровождается затратами энергии на
преодоление потенциального барьера,
результатом чего является спонтанная
поляризация кристалла. Схема управления накопителем позволяет определить величину заряда и состояние ячейки памяти (ЯП). После исчезновения
– начальник отдела филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России»; 2 − старший научный сотрудник ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
– инженер ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
SPEC_2011_SPT-1.indd 52
16.01.2012 13:26:53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1. Основные этапы развития FRAM [2]
Год
1984
1989
1992
1992
1992−1993
1993−2001
1993−1997
1998−1999
2001
2001−2006
2004−2006
2006
Событие
Открытие материала перовскита. Фирма RAMTRON (США)
приступила к разработке технологии производства ЗУ типа
FRAM
Введена в эксплуатацию первая фабрика для производства
FRAM
RAMTRON получен работающий образец FRAM при использовании титаната свинца PZT (Perovskite lead Zirconate
Titanate) с общей формулой Pb(ZrxTi1-x)O3
Разработки отечественных экспериментальных FRAM
(ОАО «НИИМЭ и Микрон)
RAMTRON освоено производство 4 Kб FRAM с архитектурой
2Т-2С
Плоскостная архитектура ячеек памяти 2Т-2С
RAMTRON освоено производство 16−64 Kб FRAM
(нормы 1 мкм)
RAMTRON выданы лицензии на производство FRAM 256 Кб
компаниям Rohm (1 мкм) и Fujitsu (0,5 мкм)
RAMTRON освоено производство FRAM 1 Мб с технологическими нормами 0,35 мкм. RAMTRON перешла от структуры
ЯП 2T-2С к структуре ЯП 1Т-1С
Плоскостная архитектура ЯП 1Т-1С
Иностранные образцы FRAM с технологическими нормами
0,18 мкм
Иностранные образцы FRAM с технологическими нормами
0,13 мкм
2006
Ярусная архитектура (Stacked) ЯП 1Т-1С
2004−2009
RAMTRON освоено производство FRAM 4-8 Мб с технологическими нормами 0,18−0,13 мкм
2009
TOSHIBA на конференции ISSCC 2009 (International SolidState Circuits Conference, Международной конференции,
посвященной новейшим разработкам в областях
твердотельных схем и систем на кристалле), представила
высокоскоростную 128 Мб FRAM с высокой плотностью
компоновки. В новых чипах, построенных по 0,13 мкм
технологии, единичные ячейки памяти имеют площадь
0,252 мкм2, скорость записи-чтения составляет 1,6 Гб/с,
время цикла – 83 нс, время доступа – 43 нс
2009−2010
Fujitsu Laboratories и Fujitsu Limited совместно с Токийским
технологическим институтом на основе модифицированного
композита феррита висмута (BiFeO3, или BFO) при технологических нормах 0,065 мкм разработали 256 Мб FRAM
2010
Серийно освоена архитектура (3D) ЯП 1Т-1С с возможностью
построения FRAM 16−32 Мб, время выборки 90 нс
поля центральный атом остается в том
же положении, определяя состояние
ЯП. FRAM не нуждается в регенерации
и после отключения питания сохраняет
свое содержимое.
По энергетическому значению состояния «0» и «1» далеко разнесены, что
позволяет произвести их однозначную
идентификацию. При чтении из ЯП
прикладывается электрическое поле и
измеряется энергия, затрачиваемая на
изменение поляризации. Наличие или
отсутствие затрат энергии оценивается
как двоичная информация. В процессе
чтения происходит разрушение информации, поэтому вслед за чтением автоматически включается цикл регенерации. Время восстановления состояния
ячейки памяти составляет менее 100 нс.
Этот механизм существенно отличается
от используемой в других типах энергонезависимой памяти технологии плавающего затвора. Для записи в ячейку
EEPROM требуются единицы миллисекунд, а время записи в ячейку FRAM составляет менее 150 нс. На определение
поляризации при чтении или изменение при записи в ячейку FRAM требуется около 1 нс, при меньших мощностях
по сравнению с ОЗУ.
На данный момент имеется большое
количество всевозможнейших комбинаций основных элементов, из которых
строится ячейка памяти, – сегнетоэлектрических транзистора и конденсатора. Но при рассмотрении этих комбинаций можно выявить 4 основных
типа, которые являются базовыми,
все остальные типы ячеек FRAM являются лишь их комбинациями. Это
однотранзисторная ячейка 1Т FRAM,
одноконденсаторная ячейка 1С FRAM,
называемая еще SFRAM (statically read,
non-volatile, ferroelectric random access
memory), наиболее распространенная
транзисторно-конденсаторная ячейка
1Т-1С [2] и наиболее стабильная из всех
вышеперечисленных двойная ячейка
2T-2C FRAM [6].
В настоящее время благодаря совместным разработкам компаний Toshiba
и Infineon Technologies AG в серийно
изготавливаемых за рубежом микросхемах FRAM используются в основном
ячейки памяти типа 1T-1C [2], т.к. они
более компактны и позволяют спроектировать схемы большей информационной емкости. Этот тип FRAM очень
близок по структуре к обычному динамическому запоминающему устройству
(DRAM). Основное отличие от DRAM
состоит в наличии сегнетоэлектрического конденсатора и в способе подключения ячейки к общей структуре.
Конструкции ячеек 1Т-1С FRAM показаны на рис. 1. Основным элементом в
структуре 1Т-1С, отвечающим за запись
данных, является конденсатор. Запись
происходит после открытия транзистора. Следовательно, имеется некая временная константа, включающая время
срабатывания транзистора плюс время
поляризации конденсатора. Именно эта
53
SPEC_2011_SPT-1.indd 53
16.01.2012 13:26:53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
а
Рис. 2. Электрическая схема ячейки
2Т-2С FRAM
б
Рис. 1. Конструкции ячеек 1Т-1С FRAM: планарная конструкция (а) и
вертикальная конструкция ячейки (б)
константа определяет скорость работы
FRAM ЗУ. Естественно, что для каждого
сегнетоэлектрика эта константа будет
разной, следовательно, главной задачей
исследователей на ближайшее время
будет поиск материалов и легирующих
добавок, для которых эта временная
константа будет наименьшей.
Однако конструкция ячеек 1Т-1С FRAM
обладает одним очень существенным
недостатком – на шине записи-считывания (в литературе встречается сокращение BL [7]) при считывании формируется слабый недифференциальный
информационный сигнал. Обработка
такого сигнала требует построения
достаточно сложной схемы формирования опорного сигнала и усилителей
считывания. Схемы такого типа обладают низкой помехозащищенностью, и
возможность их применения в технике
специального назначения ограничена.
Другой проблемой при проектировании
сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти является взаимное влияние
друг на друга различных ячеек в массиве при срабатывании общей шины
управления нижними обкладками сегнетоэлектрических конденсаторов (в
литературе встречается сокращение PL
[7]). Необходимо также отметить, что
использование ячеек памяти типа 1T-1C
требует применения высококачественных сегнетоэлектрических материалов,
обладающих стабильными электрофизическими параметрами, и стабильных
параметров всех остальных структур
кристалла [8].
Поэтому в микросхемах, предназначенных для использования в аппаратуре специального назначения, можно
рекомендовать использование ячеек
памяти с двумя сегнетоэлектрическими
элементами. У данного типа памяти элементарная ячейка представляет собой
сдвоенные ячейки 1T-1C типа. Ячейка
такого типа, в которой каждому биту
соответствует индивидуальный опорный бит, позволяет определять разницу
зарядов с высокой точностью. А благо-
даря считыванию дифференциального
сигнала ячейки исключается влияние
разброса параметров конденсаторов
ячеек [5]. Электрическая схема ячейки
2Т-2С представлена на рис. 2.
В данной конструкции ячейка 2T-2C
подключена к управляющей линии (словарная шина) и линии управления поляризацией (общая шина), но линия данных разделена на две раздельные линии
(разрядная и дополнительная разрядная
шины), соответственно запись-чтение
на сегнетоэлектрические конденсаторы
производится раздельно. Данные, записываемые в эти два конденсатора, дублируются, что приводит к увеличению
надежности хранения данных.
Помимо конденсаторов присутствует усилитель, необходимый для считывания данных из ячейки 2T-2C.
Усилитель и две структуры 1T-1C
увеличивают размер ячейки 2T-2C
по сравнению с 1T-1C. Крупнейшим
фирмам-производителям, занимающимся разработкой и производством
данного типа памяти, таким как NEC,
Matsushita и Fujitsu, не удалось пока
получить чипы с объемом информации свыше 1 Мб, в то время как для
1Т-1С структуры созданы уже промышленно выпускаемые чипы с емкостью свыше 32 Мб.
Основным преимуществом памяти
2T-2C FRAM является высокая надежность. Ячейка устойчива к воздействию магнитных и электромагнитных
полей, не теряет информацию под действием ионизирующих излучений [2].
На основе таких ЯП в ОАО «Ангстрем»
в 2009 г. сделана попытка реализовать
FRAM емкостью 256 бит. Стоит отме-
54
SPEC_2011_SPT-1.indd 54
16.01.2012 13:26:53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
в
б
г
Рис. 3. Типичные осциллограммы импульсной реакции выходных напряжений
низкого (а, б) и высокого (в, г) логических уровней FRAM 2 при уровне
импульсного воздействия 7,0×109 ед/с (а, в) и 1,0×1010 ед/с (б, г)
Рис. 4. Изменения тока потребления в режиме хранения
FRAM 1, FRAM 2 и КМОП ОЗУ 256 К при стационарном воздействии.
Среднее значение начального тока ICCS составляет: для FRAM 1 – 3,4 мкА,
для FRAM 2 – 0,4 мкА, для КМОП ОЗУ 256К – 10 мкА
тить, что полученная емкость данного
FRAM накопителя является недостаточной для применения в перспективной
аппаратуре.
С учетом интереса разработчиков аппаратуры к запоминающим устройствам на основе сегнетоэлектрических
материалов необходимо проведение
исследований радиационной стойкости данных типов памяти при импульсных и дозовых воздействиях.
Результаты исследований
FRAM при радиационных
воздействиях
Целью исследований являлись оценка
уровней стойкости и определение характера деградации основных парамет-
ров микросхем FRAM при импульсном
и дозовом воздействиях ионизующих
излучений.
Объектом исследований являлись микросхемы FRAM информационной емкостью 256 Кбит (организация 32К×8
бит): FRAM 1 – FM18L08-70-SG (фирма Ramtron) и FRAM 2 – MB85R256H
(фирма Fujitsu Semiconductor). Контролируемыми в процессе исследований
параметрами являлись: выходные напряжения логических нуля (UOL) и единицы (UOH), токи потребления в режиме
хранения (ICCS), функционирование, тиристорный эффект (ТЭ) и катастрофические отказы (КО). Исследования проводились на лазерном («РАДОН-5» [9,
10]) и рентгеновском («РЕИМ» [9, 11])
имитаторах с калибровкой уровней воз-
действия на моделирующих установках
«АРСА» и «У-31/33» соответственно.
Контроль работоспособности микросхем и измерение электрических
параметров осуществлялись с использованием специализированного аппаратного комплекса фирмы National
Instruments, основу которого составляла измерительная модульная платформа PXI-1033 в составе FPGA модуля
PXI-7953R. Управление осуществлялось посредством виртуального прибора, разработанного с использованием
программного обеспечения LabView.
В результате исследований установлено, что для FRAM 1 и FRAM 2 КО, ТЭ
и сбоев информации в накопителе не
наблюдалось при уровнях импульсных
воздействий вплоть до 7,5×1011 рад(Si)/с.
Сбои наблюдались при контроле выходного напряжения в режиме статического считывания из ячейки при импульсном ионизирующем воздействии.
Сбои выражались в переключении
выходного уровня в противоположное
состояние (рис. 3). Уровень бессбойной
работы составил 7,0×109ед/с. Повторное считывание без перезаписи ячейки
приводило к восстановлению информации и верному считыванию, что может
свидетельствовать о сбое в выходных
КМОП-каскадах усилителя считывания, а не в накопителе.
Таким образом, можно предположить,
что при импульсном ионизирующем
воздействии накопитель не сбивается,
сбои наблюдаются в усилителе считывания.
Уровень функционального отказа
(УФО) при дозовом воздействии составил: для FRAM 1 – 4,8×104 ед, для
FRAM 2 – 1,8×104 ед.
В ходе проведения функционального
контроля применялись линейные алгоритмы типа «Марш» сложностью 10N и
выше, которые в сочетании с алгоритмами меньшей сложности («Шахматы» и
пр.) позволяли выявлять ошибки в периферийных схемах и оценить их вклад в
общее число отказов. В результате было
выявлено, что наблюдавшиеся ошибки
связаны с отказом КМОП периферии.
В работе [10] установлено, что для образцов FRAM FM1608 и FM1808 при поглощенной дозе 12,5 крад (Si) наблюдаются частичные ошибки в считывании
с полной потерей функционирования
при воздействии 25 крад(Si). Испытания
проводились на гамма-установке Co-60.
55
SPEC_2011_SPT-1.indd 55
16.01.2012 13:26:53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Выходные уровни и динамический ток
потребления в процессе дозового воздействия изменялись слабо. Наиболее
чувствительным параметром при дозовом воздействии является статический
ток потребления в режиме хранения,
его изменения в процессе воздействия
отражены на рис. 4. Там же для сравнения приведены аналогичные зависимости для КМОП ОЗУ 256 Кбит.
Таким образом, уровень радиационной стойкости FRAM к импульсному
ионизирующему излучению не выше,
а к дозовому воздействию даже ниже,
чем стойкость ОЗУ, выполненной по
стандартной КМОП технологии. Данное обстоятельство предположительно может быть связано с тем, что радиационная стойкость FRAM определяется стойкостью КМОП периферии
[2]. Для повышения уровня стойкости
можно рекомендовать применение
технологии изготовления КМОП элементов FRAM по радиационно-стойкому КМОП технологическому процес-
су или на КНС/КНИ технологических
базисах [13].
Заключение
Микросхемы FRAM позволяют в настоящее время рассматривать их как
эффективное решение для применения
в качестве энергонезависимого запоминающего устройства в современных и
перспективных образцах аппаратуры.
Зарубежная технология изготовления
FRAM позволяет получать образцы
с информационной емкостью 16 –
32 Мб с временем выборки 90 нс по
технологическим нормам не более 0,18
мкм. Отечественные образцы FRAM,
освоенные в серийном производстве,
отсутствуют. В микросхемах, предназначенных для использования в аппаратуре специального назначения, можно
рекомендовать использование FRAM с
помехозащищенными ячейками памяти с двумя сегнетоэлектрическими элементами типа 2T-2C. Для FRAM (1Т-1С),
изготовленных по стандартному КМОП
технологическому процессу, уровень
импульсной радиационной стойкости
составляет не более 1010 рад(Si)/с (наблюдаются сбои в периферии, накопитель не сбивается до уровня не менее
1011 рад(Si)/с). Отсутствие стирания
информации из накопителя позволяет
использовать FRAM как стойкое ядро
при импульсных ионизирующих излучениях вместо схем ОЗУ по технологии КНИ/КНС. Дозовая стойкость
исследованных образцов FRAM фирмы
Ramtron не превышает 15 – 50 крад(Si)
и также определяется отказами в периферийных КМОП-элементах. Для
повышения уровня стойкости можно
рекомендовать применение технологии
изготовления КМОП-элементов FRAM
по радиационно стойкому КМОП технологическому процессу или на КНС/
КНИ технологических базисах.
Исследования проведены при частичной поддержке ФЦП «Кадры», ГК
№ П1101 Литература
1. George C. Messenger and Floyd N. Coppage R&D «Associates Ferroelectric memories: a possible answer to the hardened nonvolatile
question»./ IEEE Transactions on Nuclear Science, December 1988. − Vol. 35. − No. 6.
2. Http://www.ramtron.com.
3. Добрусенко С. Элементная база электроники. Сегнетоэлектрические ОЗУ фирмы Ramtron. Быстроразвивающаяся
ЭНП./ Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2003. − № 4.
4. Вихарев Л. Перспективные технологии производства памяти. Современное состояние./ Компоненты и технологии,
2006. – № 12.
5. Зайцев И. Что же с памятью FRAM стало?/ Компоненты и технологии, 2007. − № 8.
6. Ali Sheikholeslami, MEMBER, IEEE, AND P. Glenn Gulak, SENIOR MEMBER, IEEE. PROCEEDINGS OF THE IEEE. A Survey of
Circuit Innovations in Ferroelectric Random-Access Memories. Nо. 5, MAY 2000.
7. Такиев А. Будущие технологии памяти: FeRAM изнутри. /3D News, 2003. − № 2.
8. Воротилов К.А., Сигов А.С. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства технологии и материалы./ Нано- и микросистемная техника, 2008 − № 10. − С. 30 − 42.
9. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных схемах. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 256 с.
10. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Физические основы лазерного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах и ИС: нелинейная модель./ Микроэлектроника, 2006. – Т. 35. – № 3. – С.
164 – 177.
11. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты в КМОП ИС. − М.: Радио и связь, 1994. − 164 с.
12. TID Testing of Ferroelectric Nonvolatile RAM, D. N. Nguyen, and L. Z. Scheick, 2000 Proceedings of the IEEE, May 2000. − Vol. 88.
− No. 5. − PP. 667 – 689.
13. Давыдов Г.Г., Согоян А.В., Никифоров А.Ю., Киргизова А.В., Петров А.Г., Седаков А.Ю., Яшанин И.Б. Методика оперативного неразрушающего контроля дозовой стойкости КМОП БИС на КНС структурах./ Микроэлектроника, 2008.
– Том 37. – № 1. – С. 67 – 77.
14. http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/13434/1/01-2372.pdf.
56
SPEC_2011_SPT-1.indd 56
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОРЛОВ1 Андрей Александрович; СОГОЯН2 Армен Вагоевич, к.т.н.;
ГЕРАСИМОВ3 Владимир Федорович, к.т.н.
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МИКРОСХЕМ ПАМЯТИ
НА СИГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассматриваются особенности поведения базовых ячеек микросхем сигнетоэлектрической памяти при воздействии импульсного рентгеновского излучения с энергией 10…100 кэВ. На основании совместного численного решения системы уравнений термоупругости с учетом пьезоэффекта получены оценки порогов отказов микросхем FRAM.
The characteristics of the dose rate behavior of the FRAM under x-ray pulse irradiation of 10…100 keV are investigated. FRAM dose
rate threshold levels are estimated under numerical solution of the thermoelasticity and piezoelectricity equation.
У
никальные физические свойства
сегнетоэлектрических материалов,
такие как наличие спонтанной поляризации, переключаемой внешним полем;
позволили создать на их основе новый
класс сегнетоэлектрических запоминающих устройств (FRAM) с практически
неограниченным числом циклов записи-считывания информации, большим
быстродействием и сроком сохранности данных, с низкой потребляемой
мощностью и потенциально высокой
радиационной стойкостью [1 – 3].
В существующих на сегодняшний день
серийно выпускаемых FRAM ячейки
памяти конструктивно представляют собой конденсаторные структуры,
для изготовления которых используются сегнетоэлектрические материалы цирконат-титанат свинца (РZТ
– Pb(Zr, Ti)O3) или танталат висмута
стронция (SBT – SrBi2Ta2O9). В качестве материала электродов в основном
применяется Pt с подслоями Ti, TiО2 в
комбинации с Ir.
Наличие в конструкции FRAM материалов с большими атомными номерами
при воздействии рентгеновского излучения (РИ) с энергиями в диапазоне
10…100 кэВ может приводить к существенной неоднородности энерговыделения в структурах ячеек памяти и появлению особенностей реакции FRAM на
эти воздействия по сравнению со стандартными запоминающими устройствами (ЗУ) на основе КМОП-технологии. Эти особенности при импульсном
воздействии РИ определяются, с одной
стороны, возникновением в структурах ячеек памяти термомеханических
1
3
и тепловых эффектов, а с другой, – наличием у сегнетоэлектриков спонтанной поляризации и пьезоэлектрических свойств.
Возникающие при импульсном воздействии РИ на сегнетоэлектрик термомеханические эффекты, проявляющиеся
в виде волн механических напряжений,
могут приводить вследствие пьезоэлектрического эффекта к появлению импульсов напряжения на обкладках конденсатора ячейки памяти, воздействующих на сопряженные МОП-структуры.
В то же время значительное энерговыделение при поглощении РИ в материале сегнетоэлектрика и платиновых
обкладках конденсатора ячеек памяти
может привести к нагреву сегнетоэлектрика до температуры Кюри (РZТ
– TK ~ 290° C) и выше, и, как следствие,
к его термической деполяризации и нарушению состояния ячейки.
В [4 – 5] показано, что значительная
деполяризация (на 50 % и более) у пьезокерамик происходит уже при термообработке в области температур меньше TK и завершается при небольшом
перегреве выше TK.
Величина максимально возможного
нагрева элементов структуры может
быть определена в первом приближении по формуле:
ΔTmax ~ D/c,
(1)
где: D – доза, поглощенная в пленке,
с – удельная теплоемкость (для PZT
с = 350 Дж/кг×К). Возможную при этом
амплитуду импульса напряжения ΔU
на обкладках сегнетоэлектрического
конденсатора ячейки можно приближенно оценить из соотношения:
ΔU ~
(2)
где: P – модуль вектора поляризации;
S – площадь обкладок; C – емкость
конденсатора; ε – максимальный компонент тензора диэлектрической проницаемости; α – коэффициент линейного теплового расширения; E – модуль Юнга; d33 – характерное значение
пьезоэлектрического коэффициента.
Для характерных значений параметров
при флюенсе РИ 1 кал/см2 амплитуда
импульса ΔU составит около 0,3 В.
В целях уточнения радиационного отклика ячейки FRAM проводилось моделирование процессов теплопереноса
и эволюции механических напряжений
в сегнетоэлектрическом конденсаторе на примере структуры Si (5 мкм) /
Pt (0,05 мкм)/ PZT (0,15 мкм)/ Pt (0,2
мкм) / Si (5 мкм) площадью 1×1 мкм2
при воздействии импульса РИ. Длительность импульса принималась равной 10
нс, средняя энергия квантов составляла
40 кэВ при потоке энергии в диапазоне 1 … 10 кал/см2. Численное решение
уравнений термоупругости осуществлялось в системе COMSOL.
На рис. 1 в качестве примера приведены расчетные зависимости температуры сегнетоэлектрического слоя вблизи
нижней обкладки (а) и потенциала на
верхней обкладке (б) от времени при
воздействии импульса РИ с потоком
энергии 1 кал/см2.
В результате проведенного моделирования установлено следующее.
– начальник отдела филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России»; 2 – доцент НИЯУ «МИФИ»;
– в.н.с. филиала ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России».
SPEC_2011_SPT-1.indd 57
PS
d
~
d 33α E ΔTmax ,
C ε 0ε
57
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
а
б
Рис. 1. Зависимости температуры сегнетоэлектрического слоя вблизи нижней обкладки (а) и
потенциала на верхней обкладке (б) от времени при уровне флюенса энергии 1 кал/см2
Установлено, что при воздействии импульсного РИ с уровнями до 10 кал/см2
возникающие в структуре термомеханические напряжения и генерируемые
ими импульсы напряжения на обкладках конденсатора с сегнетоэлектрическим диэлектриком не превышают
2…3 В и не являются критичными для
сопряженных МОП-структур. Критический нагрев платиновых обкладок и
вещества цирконата-титаната свинца
до температуры Кюри (TK ~ 290° C) достигается при уровнях потока энергии
РИ порядка 3…5 кал/см2.
Полученный результат согласуется с
имеющимися
экспериментальными
данными воздействия РИ на легкоплавкие (оловянисто свинцовые, висмутовые и др.) и тугоплавкие (серебросодержащие) припои. В частности,
критические уровни РИ, приводящие
к расплавлению легкоплавких припоев
составляют порядка 2…3 кал/см2. Для
серебросодержащих припоев эти уровни находятся в диапазоне 8…10 кал/см2.
Критичные уровни, при которых плавятся внутренние межсоединения, выполненные из золотой проволоки диаметром 40…60 мкм, составляют порядка
10 кал/см2.
Представленные выше результаты моделирования позволяют сделать вывод,
что при воздействии РИ в FRAM могут
возникать специфические по отношению к традиционным технологиям ЗУ
отказы, вызываемые термическими эффектами, которые должны учитываться разработчиками аппаратуры. Стой-
кость серийных FRAM к воздействию
РИ по тепловым и термомеханическим
эффектам составляет порядка 1,5 кал/
см2, что не ниже стойкости других ИС.
Заключение
В процессе воздействия импульсного РИ на сегнетоэлектрик накопителя
FRAM происходят: нагрев элементов
ячейки; термомеханические процессы,
а также процессы объемной и поверхностной ионизационной проводимости
диэлектрика.
В результате воздействия импульсного РИ:
♦ до флюенса порядка 1 кал/см2 не обнаружено значительных радиацион-
но-индуцированных импульсов напряжения на конденсаторах ячеек
памяти, связанных с генерацией и
распределением механических возмущений;
♦ при уровне флюенса более 10 кал/
см2 возникают волны механических
напряжений, которые, в свою очередь, могут приводить к генерации
уже заметных импульсов напряжений на обкладках конденсатора с сегнетоэлектрическим диэлектриком и
отказу сопряженных МОП-структур;
при этом может происходить радиационный нагрев платиновых обкладок и вещества цирконата-титаната свинца до температуры Кюри
(TK ~ 290° C) Литература
1. Валеев А.С., Дягилев В.Н., Львович А.А. и др. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства./ Электронная промышленность, 1994. – Вып. 6. –
С. 75 – 79.
2. R.E.Jones Jr., P.Zurcher, P.Chu и др. Memory applications based on ferroelectric and
high-permittivity dielectric thin films./ Microelectronic Engineering, 1995. – V. 29. –
PP. 3 – 11.
3. Валеев А., Воротилов К. Сегнетоэлектрические пленки. Возможность интеграции с технологией ИС. /Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1998. –
Т. 3 – 4. – С. 75 – 78.
4. Мухтеремов Д.Н., Пешиков Е.В. Физика и химия твердого тела. – М.: Изд. НИФХИ им. Л.Я. Карпова, 1972. – Вып. 3.
5. Мухтеремов Д.Н., Пешиков Е.В. Методы радиационных воздействий в исследовании структуры и свойств твердых тел. – Ташкент: Фан, 1971. – 65 с.
58
SPEC_2011_SPT-1.indd 58
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОЖЕГИН1 Юрий Анатольевич, к.т.н.; НИКИФОРОВ2 Александр Юрьевич, д.т.н.;
ТЕЛЕЦ3 Виталий Арсеньевич, д.т.н.; УВАРКИН4 Денис Сергеевич;
ПЫХТИНА5 Анна Сергеевна
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
РАДИАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
Рассмотрены основные направления развития системы управления качеством Испытательного центра ИЭПЭ НИЯУ
«МИФИ» – ОАО «ЭНПО «СПЭЛС». Определен перечень задач, которые необходимо решить для их реализации, и пути
решения этих задач.
Ключевые слова: радиационные испытания, управление качеством, электронная компонентная база
В
современных условиях к электронной компонентной базе (ЭКБ),
применяемой в промышленности для
создания высокотехнологичных систем и аппаратуры, в первую очередь,
космической и военной, предъявляются все более жесткие требования по
условиям эксплуатации, в том числе по
условиям радиационного воздействия.
Это вынуждает предприятия более ответственно относиться к используемой
в аппаратуре ЭКБ, обращать пристальное внимание на ее сертификацию, в
том числе на радиационную стойкость.
В свою очередь, такой подход приводит
к постоянно возрастающей нагрузке на
сертификационные и испытательные
центры, а разнообразие решаемых создаваемой аппаратурой задач и стремление к ее миниатюризации – к существенному увеличению количества
типов изделий ЭКБ, поставляемых на
радиационные испытания. В этих условиях все более значимую роль начинает играть совершенствование системы
управления качеством на всех стадиях
процесса выполнения работ по подготовке и проведению испытаний.
В целом задачи, которые должна решать система управления качеством
на предприятии (или система менеджмента качества в терминологии нормативных документов), определены
в государственных стандартах [1, 2].
Единые для всех испытательных центров вопросы обеспечения качества
радиационных испытаний изложены
ранее в [3], а в данной работе развиты
рассмотренные авторами в [4] особенности развития системы управления
качеством испытаний в Испытательном центре ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» –
ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» (далее по тексту – Испытательный центр).
К основным особенностям, в наибольшей степени оказывающим влияние на
качество конечного продукта радиационных испытаний при их подготовке и
проведении, следует отнести:
♦ разнообразие классов испытываемой ЭКБ: от относительно простых
пассивных элементов и полупроводниковых приборов до процессоров
и многофункциональных микросборок, включая микроэлектромеханические системы;
♦ разнообразие типов испытываемой
ЭКБ: доля повторно испытываемых
типов изделий не превышает 5%;
♦ разнообразие объемов выполняемых работ: от проведения исследований одного типа изделий до сертификации перечней, насчитывающих
в некоторых случаях несколько тысяч типономиналов;
♦ смещение общего объема испытаний в сторону усложнения и комплексирования методов и способов
их проведения;
♦ увеличение количества контролируемых в процессе испытаний параметров ЭКБ;
♦ необходимость проведения тщательного входного контроля и иден-
тификации подлинности поступающих на испытания образцов в целях
обоснованного выбора метода оценки стойкости и повышения достоверности проводимых испытаний;
♦ все более жесткие требования к
уменьшению сроков проведения
испытаний и предоставления отчетной документации при увеличении
объема первичной (получаемой непосредственно в процессе испытаний) информации;
♦ необходимость проведения мероприятий по анализу результатов испытаний с выдачей рекомендаций по парированию отказов в аппаратуре.
Для учета этих особенностей в Испытательном центре эффективно действует Служба сопровождения проектов
и контроля качества, причем спектр
и объем решаемых ею практических
задач далеко выходит за рамки минимальных требований к системе менеджмента качества, определяемых
нормативными документами.
Система внутренней нормативной документации испытательного центра
определяет основные процессы и операции технологии испытаний, а также
основные точки контроля, от входного
контроля образцов до контроля договорной и отчетной документации.
В рамках системы проводится:
♦ контроль подготовки договорных
документов на соответствие требованиям законодательства и требованиям заказчика;
1
– начальник Службы сопровождения проектов ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;
– профессор НИЯУ «МИФИ» генеральный директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 3 – директор ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»;
4
– начальник группы автоматизации ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»; 5 – младший научный сотрудник ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
2
SPEC_2011_SPT-1.indd 59
59
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 1. Типовая схема информационных потоков при выполнении договора на проведение испытаний (сертификации)
ЭКБ в Испытательном центре ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ» – ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»
♦ контроль своевременности и комплектности поставки образцов на испытания;
♦ сплошной входной контроль и идентификация образцов, в том числе
контроль упаковки и маркировки,
фотографирование и рентгеноскопия образцов, при необходимости
также декапсуляция (удаление крышек) корпусов и документирование
маркировки кристалла;
♦ сплошной контроль качества методической (программы-методики) и
отчетной (протоколы испытаний)
документации;
♦ контроль сроков представления отчетных документов и документов о
закрытии выполняемых договоров.
Перспективными направлениями развития системы можно считать:
1) создание современного высокотехнологичного автоматизированного
комплекса на основе CASE-технологий, объединяющей в себе договорную и отчетную информацию в
привязке к поступающим на испытания образцам;
2) создание комплекса дистанционного (сетевого) визуального и
приборного контроля проведения
испытаний на основе современных
интернет-технологий;
3) разработку и создание автоматизированного комплекса контроля и
анализа испытываемой продукции
по результатам испытаний.
Основными задачами, которые в настоящее время решаются и близки к
завершению по первому направлению, являются:
♦ анализ информационных потоков
на предприятии при взаимодействии с заказчиками, при подготовке договорной документации и при
подготовке и проведении исследований и испытаний. В качестве
примера на рис. 1 приведена типовая схема информационных потоков при выполнении договора, выполненная в стандарте IDEF1, в
соответствии с которым стрелками обозначаются информационные потоки, а прямоугольниками
– процессы (действия), производимые над информационными потоками;
♦ разработка структуры базы данных
с учетом проведенного анализа информационных потоков и требований государственных и внутренних
нормативных документов;
♦ разработка мер защиты информации базы данных от несанкционированного доступа;
♦ выбор программно-аппаратной реализации для функционирования
комплекса;
♦ разработка пользовательского интерфейса;
♦ разработка и реализация алгоритмов выборки информации из базы
данных в зависимости от ее потребителей;
♦ наполнение базы данных исходной
информацией;
♦ привязка данных, хранящихся в базе,
к электронным эквивалентам твердых копий договорных и отчетных
материалов (включая утвержденные
общие и частные программы-методики и протоколы испытаний, заключения по результатам расчетно-экспериментальных оценок и заключения
по результатам испытаний, научнотехнические отчеты и т.д.);
♦ тестирование и коррекция структуры базы данных и алгоритмов обработки информации по результатам
опытной эксплуатации.
Накопленный опыт эксплуатации прототипа системы показал, что ключевыми параметрами, позволяющими
создавать однозначную связь между
различными базами данных при проведении испытаний, должны являться
договор с заказчиком и типономинал
испытываемого образца ЭКБ.
60
SPEC_2011_SPT-1.indd 60
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Структурная схема реализации системы контроля испытаний
Следует отметить, что наиболее важной, с точки зрения потребителя, особенностью данного направления является точно определенный юридический статус всех используемых информационных ресурсов, так как обеспечивается однозначная привязка сводных данных к конкретным образцам
и партиям, техническим требованиям,
параметрам-критериям годности, методическим и техническим особенностям испытаний, а также конкретным
первичным результатам всех измерений, изложенных соответственно в
программах-методиках и протоколах
испытаний. При этом программы-методики и протоколы испытаний используются в качестве информационного
ресурса только после их согласования
установленным порядком.
Второе направление, хотя и достаточно
широко используется в современных
системах управления, в том числе основанных на ERP-технологиях, вместе
с тем является прорывным в области
радиационных испытаний. Оно основывается на том, что современные
приборные комплексы для проведения
испытаний, регистрации, анализа и
обработки первичной (приборной) информации работают под управлением
компьютеров, а современные интернет-технологии позволяют компьютерам обмениваться данными в режиме
реального времени.
Современные технологии позволяют осуществлять непосредственный
online-контроль процедуры проведения и первичных результатов испыта-
ний (включая рабочие показания всех
приборов) со стороны руководства
предприятием, управленческого персонала, службы управления качеством
продукции, военного представительства или потребителя (которые при
этом могут находиться за тысячи километров от испытательного комплекса). Это особенно значимо в условиях
длительного эксперимента (например,
при проведении испытаний в условиях
низкой интенсивности радиационных
источников), а также в ходе выездных
испытаний на удаленных базах.
Технический облик такой системы
контроля испытаний представляется
следующим.
1. Со стороны Испытательного центра:
♦ комплекс автоматизированных рабочих мест (стационарных или мобильных) для проведения испытаний (например, на основе оборудования фирмы National Instruments),
управляемых компьютерами;
♦ комплекс средств визуального наблюдения, в качестве которых могут
использоваться веб-камеры;
♦ комплекс средств маршрутизации
потоков данных и их защиты от несанкционированного доступа;
♦ комплекс средств хранения данных
(кластер серверов), в котором хранятся первичные данные измерений, а также необходимая видеоинформация.
2. Со стороны потребителя: персональный компьютер со штатными средствами удаленного доступа операционных
систем, широкополосным доступом в
интернет и специализированным программным обеспечением для дешифровки поступающей информации.
Структурная схема разрабатываемой
системы приведена на рис. 2.
Практическая реализация такой системы не требует значимых материальных
затрат от потребителя или контролера
(за исключением необходимости высокоскоростного (широкополосного)
доступа в интернет), и в то же время
позволяет его представителям непосредственно участвовать в испытаниях
по собственным заказам с получением
всех первичных материалов в режиме
реального времени.
В ходе реализации системы контроля
испытаний должны быть решены следующие задачи:
♦ оснащение испытательных рабочих
мест современным оборудованием,
работающим под управлением персональных компьютеров, средствами сетевого информационного обмена и средствами визуализации. В
настоящее время Испытательный
центр оснащен 16-ю рабочими местами, удовлетворяющими этим критериям, в ближайшее время количество рабочих мест планируется
увеличить до 20;
♦ создание распределенной локальной сети, объединяющей испытательные рабочие места;
♦ создание шлюза из локальной сети
в интернет с защитой передаваемой
информации;
♦ выбор программного обеспечения
для надежного шифрования данных;
♦ разработка интерфейсного программного обеспечения для повышения
удобства работы с принимаемой на
стороне потребителя информацией;
♦ создание кластера серверов для хранения и защиты от изменения первичной испытательной информации;
♦ создание базы данных внутренних
и внешних потребителей с разграничением доступа к информации;
♦ создание надежной системы защиты информации от несанкционированного доступа.
Первые четыре из указанных задач в настоящее время решены, ведется работа
над оставшимися задачами. Пилотный
вариант системы прошел апробацию в
Испытательном центре ИЭПЭ НИЯУ
«МИФИ» – ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
Реализация системы контроля испыта-
61
SPEC_2011_SPT-1.indd 61
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 3. Зависимость тока потребления ПЛИС XC5210-5PC84I от дозового
воздействия для разных партий ПЛИС с различными размерами кристаллов
ний в режиме реального времени с возможностью доступа внешних потребителей планируется в течение 1 – 2 лет.
Реализация системы контроля испытаний в режиме реального времени в
полном объеме позволит потребителям и контролирующим органам непосредственно со своего рабочего места
получать, протоколировать, сохранять
первичную приборную и визуальную
информацию, а по существу реально
участвовать в испытаниях с возможностью непосредственного оперативного решения всех спорных вопросов
по условиям и результатам испытаний,
в том числе в режиме видеоконференций.
Основой третьего направления является экспериментально установленная
корреляция техпроцесса изготовителя
и характера радиационного отклика
ЭКБ [6]. В качестве примера на рис. 3
приведены рентгенограммы и зависимость тока потребления от дозового
воздействия для двух образцов ПЛИС
XC5210-5PC84I, выполненных по разным технологиям и имеющим разные
размеры кристаллов, но поставленных
на испытания как одна закупочная партия. Из анализа приведенных зависимостей видно, что в целом характер зависимости сохраняется, что может свидетельствовать о близости топологии либо
техпроцессов изготовления образцов, в
то же время численные значения различаются более чем в 1,5 раза.
Выявленные в ходе радиационных испытаний закономерности откликов
предлагается использовать для иденти-
фикации изделий микроэлектроники и
определения некачественной или несоответствующей продукции.
Характер радиационного отклика может также быть использован для контроля стабильности продукции в случаях испытаний разных партий однотипных изделий одного изготовителя.
В определенных случаях результаты
испытаний различных партий микросхем могут быть верифицированы
между собой по характеру зависимостей параметров от уровня воздействующих факторов и результатам анализа
эквивалентности кристаллов, включая
рентгенографию и визуальный анализ
топологии.
Для доказательного решения указанной проблемы необходимо:
♦ провести теоретические исследования по обоснованию и возможным
ограничениям предлагаемого метода идентификации (верификации)
результатов;
♦ провести анализ имеющихся экспериментальных данных по зависимостям параметров ЭРИ от радиационных воздействий;
♦ выбрать и обосновать наиболее информативные измеряемые параметры ЭРИ для контроля;
♦ на основе обобщения имеющейся информации создать банк данных типовых радиационных откликов ЭРИ;
♦ разработать и оттестировать методику проверки результатов испытаний с использованием типовых радиационных откликов.
Решение этой проблемы позволит
повысить достоверность и качество результатов испытаний, выявлять
возможную некачественную или несоответствующую продукцию в тех
случаях, когда стандартные методы
выявления не срабатывают, использовать накопленные опыт и результаты
для сокращения сроков проведения
испытаний.
В перспективе все три указанные системы планируется объединить в единый информационно-испытательный
комплекс Литература
1. ГОСТ Р ИСО 9001-2008.
2. ГОСТ РВ 15.002-2003.
3. Развитие системы управления качеством в сфере испытаний электронной
компонентной базы на радиационную стойкость./ Никифоров А.Ю., Телец
В.А./ В сб.: Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2011».
– М.: МИФИ, 2011. – вып.14. – С. 7 – 8.
4. Особенности и перспективы развития системы контроля качества испытательного центра ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» – ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»./ Ю.А. Ожегин, А.Ю. Никифоров, В.А. Телец, А.С. Пыхтина./ Доклады Х Международной
юбилейной конференции «Электронная компонентная база космических систем» 25.09. – 01.10.2011 г. – Адлер, 2011. – С. 142 – 145.
5. IDEF1 Information Modeling, Richard J. Mayer, Knowledge Based Systems Inc.,
1992.
6. Идентификация изделий микроэлектроники и полупроводниковых приборов по радиационному отклику./ Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Телец В.А./ В сб.: «Электроника, микро- и наноэлектроника». – М.: МИФИ,
2006. – С. 140 – 144.
62
SPEC_2011_SPT-1.indd 62
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
НИКИФОРОВ1 Александр Юрьевич, д.т.н.
ЗАБЛУЖДЕНИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ В ОБЛАСТИ
ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ
ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
Представлен взгляд на основные заблуждения в области оценки радиационной стойкости электронной компонентной
базы космических систем.
The sight at the basic errors in the field of an estimation of radiating firmness of electronic componental base of space systems is
presented.
Т
ребование радиационной стойкости электронной компонентной
базы (ЭКБ) сегодня является одним
из наиболее критичных и дорогостоящих для потребителя ЭКБ, в частности – разработчика космических
систем. Поэтому особенно важно
сосредоточить усилия на реальных
проблемах и не тратить ресурсы на
борьбу с надуманными трудностями. В области оценки радиационной
стойкости ЭКБ существуют многочисленные стереотипы, иллюзии и
заблуждения, которые оказываются
очень живучими в умах специалистов, причастных к радиационной
тематике, но, как правило, не практикующих лично в области оценки радиационной стойкости ЭКБ.
Ниже рассмотрены лишь некоторые
характерные заблуждения, с которыми наши специалисты регулярно сталкиваются в процессе своей повседневной практической деятельности.
Заблуждение 1 («Элитарность»): «Проблематика радиационной стойкости
доступна лишь узкому кругу «посвященных», а обычному потребителю
ЭКБ – разработчику аппаратуры – не
стоит и пытаться разобраться, лучше держаться от нее подальше».
Действительно, в течение десятилетий
закрытый характер основополагающих стандартов в области требований и методов оценки радиационной
стойкости ЭКБ, а также сосредоточенность практической работы на
удаленных испытательных базах вызывала дистанцированность, если не
сказать «оторванность», процессов
создания ЭКБ и аппаратуры от радиационных испытаний. Примитивизм
способов дистанционного контроля
1
работоспособности ЭКБ при испытаниях минимального числа образцов в
условиях надуманных и искусственно упрощенных до бессмысленности
схем включения и режимов работы, а
также существенных наводок и помех
обуславливал трудности интерпретации полученных результатов, их крайне низкую методическую и статистическую достоверность. Абсолютный
приоритет контрольных испытаний
по принципу «годен – не годен» практически не давала разработчикам
позитивной информации по характеру отказов изделий и возможности их
парирования на всех этапах создания
ЭКБ и аппаратуры.
Однако уже в течение более десятилетия большинство отечественных радиационных испытаний (ОРИ) направлены на получение и предоставление
потребителям всей необходимой и достаточной фактической информации
о характере радиационного поведения ЭКБ по всем основным информативным параметрам в зависимости от
режимов и условий их эксплуатации,
позволяющей оценить механизмы отказов, имеющиеся запасы по радиационной стойкости для каждой модели
применения и защиты в аппаратуре,
выбрать эффективные методы парирования отказов, – то есть ОРИ максимально адаптированы к потребностям
разработчиков ЭКБ и аппаратуры.
Таким образом, по имеющемуся опыту, большинство разработчиков аппаратуры при желании легко находят общий язык и нормально взаимодействуют со специалистами по радиационной стойкости ЭКБ. Основные технические задачи, требующие решения в
ходе оценки радиационной стойкости
ЭКБ, совершенно конкретны, могут
быть внятно технически сформулированы, алгоритмизированы и решены
с задействованием конечных и разумных ресурсов.
Оценка радиационной стойкости
ЭКБ должна проводиться в привязке
к объекту с обоснованным выбором
параметров и критериев годности в
реальных режимах и условиях эксплуатации. Поэтому конструктивное взаимодействие испытателя с потребителем ЭКБ на этапе подготовки
испытаний и анализа результатов (в
какой-либо форме) крайне желательно. В целом наши специалисты по радиационной стойкости максимально
содействуют и помогают (без ущерба
для объективности) разработчикам
аппаратуры и ЭКБ, прекрасно понимая, кто для кого работает.
Заблуждение 2 («Испытывать все»):
«Стойкость ЭКБ может быть подтверждена исключительно по результатам радиационных испытаний, поэтому необходимо испытывать всю
номенклатуру (100% типов) ЭКБ, применяемую в аппаратуре».
Данная позиция совершенно безыдейна – поскольку результат в реальности оказывается «нулевым». Номенклатура ЭКБ среднего спутника содержит около 1500…2000 наименований,
бездумно испытывать все заявленные
типы совершенно нецелесообразно. В
результате предварительного анализа
каждого типа ЭКБ применительно к
конкретному заказу (модели применения) всю используемую номенклатуру
ЭКБ можно (и нужно!) разложить по
трем «корзинам»:
1) типы, уверенно соответствующие
требованиям по стойкости;
– профессор НИЯУ «МИФИ», генеральный директор ОАО «ЭНПО «СПЭЛС».
63
SPEC_2011_SPT-1.indd 63
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
2) типы, заведомо не соответствующие
требованиям по стойкости;
3) типы, находящиеся на границе требований, т.е. в зоне риска.
Квалифицированный анализ номенклатуры ЭКБ (в части особенностей конструктивно-технологического исполнения, результатов ранее проведенных
испытаний и др.) позволяет обоснованно выбрать те типы, радиационные испытания которых не информативны и
избыточны – для оценки их радиационной стойкости целесообразно использовать
расчетно-экспериментальные
методы без непосредственного проведения радиационных испытаний (под
ответственность либо разработчика
аппаратуры, либо испытательного центра). Доля таких изделий в значительной степени определяется полнотой и
конкретными уровнями требований по
стойкости (для космической аппаратуры зависит от орбиты и срока активного функционирования).
Остальные типы ЭКБ действительно необходимо испытывать, обращая
внимание на информативность параметров-критериев годности, режимы
и условия работы изделия в процессе
испытаний (в сопоставлении с условиями эксплуатации). В результате испытаний важно получить не столько
формальный вывод «годен» или «не
годен», а определить реальные экспериментальные зависимости всех информативных параметров годности от
уровней радиационных воздействий
и сопоставить полученные значения
в контрольных точках с критериями
годности. По результатам проводится
анализ и парирование влияния отказов
с учетом возможности резервирования, сеансности работы в пассивном
и активном режимах, возможности
уточнения электрических режимов работы, норм на параметры, введения дополнительной пассивной защиты или
внешней схемы управления режимом
(сброс напряжения питания при тиристорном эффекте, генератор смещения
подложки и др.).
Таким образом, в каждом случае необходимо обосновано определить необходимый и достаточный объем испытаний,
что требует квалификации и информационной вооруженности участников
процесса принятия решения.
Заблуждение 3 («Типовые представители»): «В целях снижения объема ис-
пытаний можно разбить всю заданную
номенклатуру ЭКБ по группам подобия
и, назначив «типовые представители»
в каждой группе, провести радиационные испытания лишь этих представителей, а полученные результаты распространить на все типы ЭКБ данной
группы».
Данный подход имеет давнюю историю – еще в 80-е гг. при разработке на
Ангстреме первой отечественной радиационно стойкой серии 1526 сдача ОКР
по разработке 16-ти типов проводилась
по результатам испытаний лишь трех
избранных типов микросхем, которые
были приняты в качестве «типовых
представителей». Многочисленные последующие примеры испытаний различных типов ИС одних и тех же серий
(1526, 564В, 1554, 1594, 5514, 5503 и др.),
изготовленных в один и тот же период
времени на одних и тех же предприятиях, показали существенные различия
в уровнях радиационной стойкости и
характерах откликов среди близких
типов микросхем, в том числе по катастрофическим отказам.
Вопрос о корректном выборе «аналогов» и возможности взаимного распространения результатов их радиационных испытаний для микросхем иностранного производства – еще более
проблемный, так как микросхемы даже
одного предприятия-разработчика и
одного функционального назначения
могут быть изготовлены на совершенно
разных производствах по разным проектным нормам. Более того, даже разные производственные партии одного
типа микросхемы могут иметь значимо
различные уровни стойкости.
Очевидно, что испытания по типовым
представителям позволяют добиться
желанного соответствия проведенного
испытательным центром объема радиационных испытаний и выделенных
на них заказчиком ресурсов. Однако
на практике подход к оценке радиационной стойкости по «типовым представителям» не работает и дает ложные
результаты оценки.
На практике это выливается либо в
необоснованное, по сути – случайное
распространение положительных результатов испытаний типовых представителей на всю неоднородную по
радиационной стойкости группу типов, либо в априорном забраковывании всех типов в группе при отрица-
тельных результатах испытаний отдельных выбранных типов. Конфликты
с потребителями, причем как по положительным, так и по отрицательным
вердиктам о стойкости ЭКБ, полученным в результате таких «расчетноэкспериментальных оценок» и явно
противоречащим результатам прямых
радиационных испытаний, сегодня
обычны в инженерной практике отдельных испытательных центров.
Заблуждение 4 («Что нам стоит дом
построить»): «Любое предприятие
– поставщик ЭКБ или испытательный центр – при желании способны
научиться проводить радиационные
испытания ЭКБ на собственной базе,
важно лишь закупить оборудование и
убедить заказчика в собственной потенции».
В ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» постоянно
поступают предложения изготовить и
поставить заказчику испытательное
оборудование, передать методики и
технологии испытаний, обучить специалистов… В единичных случаях это
оказывается оправданным – и то лишь
на какое-то время, а в большинстве случаев, к сожалению, ведет к профанации. Предприятия, получив минимальный комплекс оборудования и общие
представления о методиках проведения
испытаний, уже не утруждают себя необходимостью создания полной инфраструктуры испытательного центра. В
частности, ОАО «Ангстрем» уже более
года самостоятельно проводит все радиационные испытания собственной продукции с практически неподдающимися экспертизе и оценке результатами.
При этом порядок дозиметрического
сопровождения и в целом методические
аспекты испытаний, на наш взгляд, не
выдерживает никакой критики, но потребителей продукции вполне устраивают. Нередко закупка нескольких
единиц испытательного оборудования
и получение аттестата аккредитации
испытательной лаборатории вызывает
иллюзию возможности самостоятельно
проводить все радиационные испытания своей продукции. Имеются попытки некоторых предприятий – разработчиков космических систем создать
альтернативные региональные центры
радиационных испытаний ЭКБ для
собственных нужд, причем, как правило, без учета накопленного в стране
опыта. Например, наши партнерские
64
SPEC_2011_SPT-1.indd 64
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
предложения совместно проанализировать причины по меньшей мере спорных результатов испытаний ряда типов
отечественных ЭКБ, впервые полученных испытательным центром «Полюс»
(г. Томск), не встретили понимания.
А между тем, по их сообщениям, большинство испытанных ими серийных
микросхем не соответствуют требованиям ТУ по радиационной стойкости,
что, на наш взгляд, нельзя оставить без
внимания. Но проанализировать эти
заявления нельзя, как нам объяснили,
– по причине конфиденциальности
принятых подходов и полученных результатов. Все-таки думается, что для
самостоятельного выполнения работ по
радиационной стойкости ЭКБ необходимо иметь не только оборудование, но
и квалифицированный персонал, технологию, опыт, в целом – школу испытаний, которая нарабатывается годами.
Не открою ничего нового, но каждый
должен заниматься своим делом и отвечать за его результаты.
Заблуждение 5 («В каждом монастыре
– свой устав»): «Наличие особенностей применения ЭКБ в целевой аппаратуре обосновывает целесообразность
создания ведомственной системы
нормативных документов по радиационной стойкости ЭКБ с приоритетом
над стандартами государственными
и других ведомств».
Прошедшая смена государственного заказчика оборонной продукции в части
ЭКБ (Минобороны на Минпромторг)
вовсе не означает изменения действующей общей системы задания и контроля технических требований. Поэтому
вызывает возражение декларируемый
представителями некоторых предприятий приоритет ведомственных стандартов в области оценки радиационной
стойкости ЭКБ. Представляется, что
система задания и подтверждения требований радиационной стойкости ЭКБ
должна охватывать все этапы жизненного цикла изделия (разработку, производство и применение), а не только этап
эксплуатации в видовой аппаратуре.
Иначе ведомственные подходы к оценке радиационной стойкости, например,
при разработке или эксплуатации ЭКБ,
станут противоречить общим требованиям к ЭКБ как продукции оборонного
назначения. Нужно разделять общие,
унифицированные требования по радиационной стойкости ЭКБ, приоритет-
ные для всех потребителей, и частные
ведомственные требования к ЭКБ, которые по отношению к общим являются
дополнительными (это не означает, что
не обязательны к исполнению).
Заблуждение 6 («Заграница нам поможет»): «Основным подходом для
обеспечения радиационной стойкости
аппаратуры является переход от коммерческой и индустриальной к радиационно стойкой ЭКБ иностранного
производства».
На наш взгляд, это очень проблемный
путь, так как высокая стоимость (тысячи – десятки тысяч долларов за образец) в сочетании с низкой доступностью (экспортные ограничения) и различиями в действующих нормативных
документах оставляют разработчика
аппаратуры заложником ситуации…
Далеко не во всех случаях запись в спецификации или сопроводительной документации об уровне стойкости ЭКБ
подтверждается проведенными результатами радиационных испытаний по
отечественным стандартам – в качестве примера можно провести микросхемы с защитными покрытиями корпусов
по технологии RAD-PACK. Указанный
в спецификации и буклетах уровень
дозовой стойкости относится только к
дозе от электронов на геостационарной
орбите, а во всех остальных условиях
применения требует уточнения в десятки раз. Зарубежные стандарты в отличие от отечественных не предполагают испытания в диапазоне температур
среды, вообще методические детали
испытаний в большинстве случаев не
доступны потребителям.
Предлагаемые к рассмотрению варианты изготовления отечественных
радиационно стойких микросхем на
основе кристаллов иностранного производства (также отнюдь не дешевых)
принципиально реализуемы, но пока
не имеют ни одного тестового (демонстрационного) прецедента.
Приоритетным направлением здесь
представляется развитие номенклатуры отечественных современных радиационно стойких микросхем – результаты НИИСИ РАН показывают, что это
вполне осуществимо. Представляется
положительным и первый опыт создания субмикронных изделий микроэлектроники на КНИ-структурах на новом
производстве «Микрона». Но трудно
ожидать здесь реального результата без
доброжелательной поддержки, помощи
и непосредственного участия в развитии этого направления со стороны разработчиков космической аппаратуры.
Важно отметить, что далеко не всегда
применение ЭКБ иностранного производства (ИП) в аппаратуре определяется ее передовым техническим уровнем
или иными достоинствами. В частности,
наш опыт показывает массовое применение в ответственной технике самых
обычных логических микросхем, значительная часть которых отказывает
при радиационных испытаниях. При
этом отечественными предприятиями
(ОП), куда условно можно отнести и
белорусский «Интеграл», предлагается
широкая номенклатура радиационно
стойких функциональных аналогов этого «мусора» (табл. 1).
Таким образом, считаем совершенно необходимым проводить на ранних этапах
проектирования аппаратуры экспертно-аналитическую работу по выбору
номенклатуры ЭКБ, в том числе с учетом потенциальной способности удовлетворить требования по радиационной
стойкости и с априорным приоритетом
отечественных микросхем при сопоставимым техническом уровне. Хотелось
бы предостеречь отечественных разра-
Таблица 1. Серии логических микросхем ИП и их отечественные аналоги
Серия ЭКБ ИП
Серия ЭКБ ОП
Предприятие
74АС
1554,
5514БЦ2
ОАО «Интеграл»,
ОАО «Ангстрем»
74АСТ
1594
ОАО «Интеграл»
74HC
5514БЦ1
ОАО «Ангстрем»
74VHC
5584
ОАО «Интеграл»
74LVCH
5574
КТЦ «Электроника»
74LVC
5574
КТЦ «Электроника»
65
SPEC_2011_SPT-1.indd 65
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
ботчиков аппаратуры, что от доминирования в ваших закупках ЭКБ ИП до
госзакупок целых комплексов и систем
ИП – лишь один шаг…
Заблуждение 7 («Заграница нам поможет-2»): «Отечественные испытательные центры технически и
методически отстали («лаптем щи
хлебают») и вообще «заелись» (дорого
берут), поэтому проще и эффективнее
заказывать испытания в зарубежных
испытательных центрах».
Наши многочисленные контакты с зарубежными коллегами в ходе научных
конференций и переговоров выявляли
некоторые различия в нормативно-методических аспектах проведения радиационных испытаний, связанные с
различием национальных стандартов
и традиций. Но ни разу не были отмечены принципиальные разногласия по
научно-методическим аспектам обеспечения достоверности и адекватности
испытаний, проводимых каждой из
сторон. Однако провести объективное
сопоставление отечественных и зарубежных подходов и результатов пока
не получается. Наши предложения и к
отечественным предприятиям – потребителям услуг зарубежных испытательных центров и к самим центрам выполнить прямые сравнительные испытания
выбранных типов ЭКБ не нашли поддержки. Следует отметить, что из представляемых отечественному потребителю зарубежными центрами первичных
протоколов радиационных испытаний
практически нереально понять нюансы и детали процесса, а все конкретные
данные аттестации полей излучений,
методики и рабочие материалы испытаний являются конфиденциальными
и не предоставляются. Первый опыт
проведения испытаний ЭКБ на стойкость к тяжелым ионам, заказанный
одним из космических предприятий в
одном из европейских испытательных
центров, по нашим данным, не дал ожидаемых результатов в полном объеме
(выбранные зарубежными исполнителями рабочие режимы микросхем при
испытаниях значимо отличались от реальных, поэтому полученные отказы допускали различную трактовку) – часть
этих испытаний позже были заказаны
нам. Это не говоря уж о совершенно
неопределенном юридическом статусе
полученных результатов и документов
в контексте отечественных стандартов
и военной приемки. Что касается стоимости испытаний, то на самом деле в
отечественных испытательных центрах
сегодня она не выше мировой – надо
только корректно сопоставить все ее
составляющие с учетом подготовки и
проведения испытаний, а также возможности использовать полученный
результат. Совершенно не решен вопрос таможенного оформления образцов при их вывозе и последующем ввозе через таможенную границу России.
В целом практически все необходимые
радиационные испытания ЭКБ по заказам отечественных потребителей на практике могут быть проведены и успешно
проводятся отечественными испытательными центрами по отечественным
стандартам. При этом основные усилия
испытательных центров – в частности,
нашего – ОАО «ЭНПО «СПЭЛС» и
ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ», объединенных
в НОЦ «Стойкость» в рамках программы частно-государственного партнерства, сегодня направлены на обеспечение
сбалансированных для потребителей
показателей «качество – информативность – сроки – цена».
Заблуждение 8 («Но пасаран!»): «Достоверность оценки радиационной
стойкости при испытаниях ЭКБ обеспечивается исключительно эквивалентностью физической природы и
характеристик полей излучений испытательных и реальных радиационных воздействий и сводится к выбору
«правильных» способа испытаний и
испытательной установки».
Ортодоксальные специалисты по радиационным испытаниям постоянно
муссируют требование необходимости максимальной эквивалентности испытательных воздействий и натурных
радиационных воздействий. Однако
результаты многочисленных научнотехнических исследований убедительно показывают, что для достоверности
испытаний важна не столько эквивалентность собственно воздействий,
сколько эквивалентность доминирующих эффектов в объекте при испытательном и реальном воздействиях.
По опыту, наиболее полные и достоверные результаты дает комплексное
применение методов и средств испытаний с использованием рационального
сочетания моделирующих установок
(МУ) и имитаторов. При этом обеспечивается баланс технико-экономичес-
ких показателей (стоимости, сроков) и
достоверности (объема, информативности) результатов. Практика испытаний показала, что в общем случае не
удается ограничиться лишь имитаторами без использования МУ. Но и бездумное применение только лишь МУ
без имитаторов лишает потребителей
возможности получения достоверного и информативного результата из-за
невозможности измерить критичные
для целевого назначения изделия информативные параметры годности
(например, точностные или временные) в условиях дистанционного эксперимента либо из-за принципиальных
технических ограничений. Например,
если кристаллы в корпусе разварены
подложкой вверх, то при испытаниях
на воздействие короткопробежных тяжелых ионов, последние «застрянут» в
подложке задолго до активных областей прибора и отказ не будет обнаружен. В этом случае отказ эффективно
выявляется, например, сканированием
донной стороны кристалла сфокусированными лазерными импульсами пикосекундной длительности.
Кроме того, на достоверность результатов оценки стойкости радикально влияют корректность задания технических
требований по радиационной стойкости, выбор параметров и критериев годности ЭКБ при испытаниях, полнота и
информативность контроля работоспособности ЭКБ, выбор режимов и условий работы объекта при испытаниях.
Часто и необоснованно используемые
сегодня в практике радиационных испытаний примитивные схемы включения ЭКБ с контролем лишь простейших электрических параметров
(например, тока потребления), причем
в надуманных (т.е. не по ТУ) режимах
функционирования изделий, делают
полученные результаты совершенно
бессмысленными даже при полной
адекватности испытательных воздействий МУ и выверенной дозиметрии.
Однако именно такой подход неизменно вызывает бурные аплодисменты
отдельных отраслевых «экспертов» по
радиационной стойкости ЭКБ.
Заблуждение 9 («Но пасаран!-2»):
«ОАО «ЭНПО СПЭЛС» проводит все
испытания ЭКБ имитационными методами (с использованием лазерных и
рентгеновских источников)».
Должен констатировать, что это ут-
66
SPEC_2011_SPT-1.indd 66
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верждение просто не соответствует
действительности. На самом деле в
настоящее время большинство испытаний в испытательном центре ОАО
«ЭНПО «СПЭЛС» проводится на моделирующих установках – ускорителях
электронов (У31/33, РЕЛУС и АРСА) в
режиме генерации гамма-излучения.
В основном это определяется особенностями конструктивного исполнения
микросхем иностранного производства (пластиковые корпуса с различным
химическим составом и толщинами
крышек), а также недостаточным количеством образцов для статистически
обоснованной калибровки имитаторов.
Вместе с тем во всех случаях, когда либо
моделирующие установки не позволяют
выявить отказ, либо необходимы прецизионные и специальные измерения
(например, определение значений параметров годности ЦАП и АЦП, характеризующих точность и быстродействие
преобразования информации), выявление критических режимов и анализ
живучести образцов (например, после
тиристорного эффекта) – безусловно,
применяются аттестованные имитаторы. Повторно отметим, что оптимальное
сочетание достоверности и техникоэкономической эффективности обеспечивается рациональным совместным
применением всего арсенала моделирующих и имитирующих установок
без дискриминации любой из них, что
полностью соответствует основным
положениям «Базовой технологии прогнозирования, оценки и контроля радиационной стойкости изделий микроэлектроники», удостоенной Премии
Правительства Российской Федерации
в области науки и техники за 2009 г.
Проанализированный выше перечень
некоторых заблуждений и предрассудков в области оценки радиационной стойкости ЭКБ может быть при
желании легко продолжен… Причем,
наверное, самым главным заблуждением в этом ряду, порождающим многие остальные, является тезис, что для
того чтобы быть назначенным «головным» или экспертом, давать заключения, писать стандарты, разрабатывать
координационные планы и программы
работ, словом, – судить и наставлять (в
частности, как именно следует проводить оценку радиационной стойкости
ЭКБ) – совершенно необходимо быть
специалистом – т.е. иметь в этой предметной области знания и опыт… Ну,
хотя бы на уровне основных понятий и
представлений о том что представляют
собой современные объекты ЭКБ, современные испытания и современные
нормативные документы! Но это заблуждение, во-первых, является универсальным – известно, что «лечить,
учить и руководить может каждый», а,
во-вторых, к счастью, он пока не оказывает заметного влияния на «ход каравана».
Автор совершенно уверен, что это последнее заблуждение безусловно не
относится к читателям данного материала и сборника в целом! НИКИТАЕВ1 Валентин Григорьевич, д.т.н., проф.;
НАГУМАНОВА2 Юлия Рафаиловна; ПРОНИЧЕВ3 Александр Николаевич, к.т.н.;
ЧИСТОВ4 Кирилл Сергеевич, к.т.н.
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РАСПОЗНАВАНИЯ
БЛАСТНЫХ КЛЕТОК В СИСТЕМЕ
КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОСКОПИИ
В статье изложен подход к описанию бластных клеток крови. Рассмотрена концептуальная модель распознавания бластных клеток в системе компьютерной микроскопии.
Ключевые слова: концептуальная модель, компьютерная микроскопия, распознавание изображений, текстурные признаки, автоматизированный анализ клеток крови.
The paper presented an approach to the blast blood cells description. We consider the conceptual model of the blast cells recognition
in computer microscope.
Keywords: conceptual model, computer microscopy, image recognition, texture features, automated blood cells analysis.
П
ри исследовании периферической
крови пациентов с острым лейкозом врачи-гематологи сталкиваются
с задачей идентификации бластных
клеток, наблюдаемых в микроскопе.
Но, несмотря на существующие многочисленные описания разных видов
бластных клеток [1 – 3] актуальность
проблемы правильной идентификации
бластных клеток не уменьшается, так
1
3
как даже среди специалистов возникают спорные вопросы. А в условиях
территориальной удаленности гематологических центров и дефицита высококвалифицированных специалистов
на местах ситуация в области диагностики острых лейкозов может приобретать критический характер. Целью
настоящей статьи является разработка
концептуальной модели распознавания
– зав. каф. НИЯУ «МИФИ»; 2 – аспирант НИЯУ «МИФИ»;
– доцент НИЯУ «МИФИ»; 4 – доцент НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 67
бластных клеток в системах компьютерной микроскопии.
Подход к описанию
бластных клеток крови
Задача распознавания бластных клеток
крови на основе светового микроскопирования [4] сопряжена с проблемой
формирования совокупности призна-
67
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Методы описания
клеток крови
Качественный
Количественный
Комбинированный
Рис. 1. Методы описания клеток
крови
ков, описывающих клетку крови. Признаки, на основе которых проводится
распознавание бластных клеток базируются на форме, контрасте, цвете и
текстуре исследуемых объектов [5].
Можно выделить следующие подходы
к описанию клеток крови при диагностике острых лейкозов с применением
методов компьютерной микроскопии
(рис. 1):
Качественные признаки
для идентификации бластов
При оценке морфологии бластных клеток важную роль играют следующие
диагностические признаки [1 – 3]:
♦ размер клеток (микро-, мезо- и макроформы);
♦ форма клеток (округлые, вытянутые, с цитоплазматическими выростами, неправильной формы и т.д.);
♦ ядерно-цитоплазматической соотношение (низкое, умеренное, высокое);
♦ форма ядер (округлая, моноцитоидная, складчатая, неправильная т.д.);
♦ структура хроматина (грубая, гомогенная, нежносетчатая);
♦ наличие нуклеол (1 и более);
♦ цитоплазматические
включения
(азурофильная зернистость или палочки Ауэра);
♦ цвет цитоплазмы (базофильная, оксифильная).
Широкое использование качественных признаков в клинической практике обусловлено использованием традиционных визуальных методов микроскопического исследования препаратов крови. Недостатком качественных
признаков является субъективизм
оценки и невысокая точность итоговой
оценки. Современные компьютерные
анализаторы микроскопических изображений имеют возможности для проведения автоматизированного измерения количественных характеристик
клеток крови. Для этого необходимы
разработки методов, моделей, алгоритмов и программ, обеспечивающих автоматизацию указанных измерений.
Количественные признаки
для идентификации бластов
Всем качественным признакам, которые оцениваются визуально, можно
поставить в соответствие количественные признаки. Этот процесс можно
реализовать автоматически. При этом
можно выделить следующие группы
признаков: характеристики количества структурных элементов клетки (ядрышек, палочек Ауэра и т.п.), геометрические характеристики (размер и
форма структурных элементов – ядер,
цитоплазмы, ядрышек и т.п.), цветовые
(цвет ядра, цитоплазмы, зерен в цитоплазме), контрастные (относительная
интенсивность окраски цитоплазмы
и ядра клетки), текстурные (статистические характеристики пространственного распределения яркости цветовых компонентов в области ядра и
цитоплазмы). Одним из существенных
признаков бластной клетки является
нежносетчатая структура хроматина
[1]. Так как это признак качественный,
а его оценка субъективна, для автоматизации распознавания бластных
клеток необходимо использовать количественные признаки, характеризующие структуру хроматина. Поскольку
понятие «нежная сетчатость» связано
с характерным рисунком пространственного распределения яркости точек
на изображении ядра клетки, то для
количественной оценки этой характеристики предлагается использовать
текстурные признаки.
Текстурные признаки
Одним из способов оценки текстурных свойств изображений клеток крови является расчет пространственной
взаимозависимости значений яркости
пикселей изображения объекта, с помощью матрицы пространственной
смежности G. Элемент матрицы G (i, j)
определяется как количество таких пар
пикселов в изображении, у которых
i – яркость первого пиксела, а j – яр-
кость второго пиксела, при этом пара
рассматриваемых пикселов находится
на заранее установленном расстоянии
друг от друга и по заданному направлению [6]. Для того чтобы на значение показателя не влиял размер исследуемой
области применяют нормализацию
матрицы пространственной смежности. Элемент нормализованной матрицы пространственной смежности определяется следующим образом:
gij = G (i, j ) / (∑ ∑ G (i, j ) .
i
j
Если используется 8-битное кодирование яркости, то нормализованная
матрица пространственной смежности
представляет собой двумерный массив
чисел размерностью 256×256. На основе значений элементов этого массива
рассчитывают характеристики отражающие особенности пространственного распределения яркости в изображении. Для решения задачи распознавания бластных клеток предлагается
[5] использовать следующие характеристики [6].
1. Энергия (степень однородности)
ASM = ∑ ∑ gij2 ,
i
j
где gij – элемент матрицы пространственной смежности, i,j – меняются от
0 до 255(при 8-битном кодировании яркости в цифровом изображении);
2. Момент инерции
CON = ∑ ∑ (i − j ) 2 gij ;
i
j
3. Энтропия
4. Локальная однородность
5. Максимальная вероятность
Комбинированные признаки
для идентификации бластов
Совокупность качественных и количественных признаков, описывающих
клетку крови, может включать комбинации различных категорий признаков, например: морфологические, текстурные, цветовые.
68
SPEC_2011_SPT-1.indd 68
16.01.2012 13:26:54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для описания изображений клеток
крови в данной работе выбраны комбинированные признаки, что отражено в приведенной ниже концептуальной модели распознавания бластных
клеток МD:
MD = {MVH, Pr, S, Ko, Ka, Cl, Dk, Re}.
Здесь MVH – цифровое изображение
клетки крови, определяемое следующим образом. Пусть на наблюдаемом
в микроскоп изображении условно
нанесены координатные оси Х и Y, а
яркость в точках изображения описывается функцией двух координат
а=А(x,y), при этом x∈R, y∈R, а∈R , где
R – это множество вещественных чисел. Введем Xа = {x1, … , xN} – множество координат дискретных отсчетов по
оси абсцисс, N – количество дискретных отсчетов по этой оси; Yа = {y1, … , yM}
– множество координат дискретных
отсчетов по оси ординат изображения,
M – количество дискретных отсчетов
по оси ординат; Zа = {z1, … , zK} – множество значений уровней квантования яркости изображения, К – количество уровней квантования яркости.
Множество точек изображения, формирующих отсчеты для цифрового
изображения, задается декартовым
произведением Xa×Ya. А отображение
Xa×Ya→Zа определяет уровень квантования яркости изображения в дискретных отсчетах так, что
∀i,j ∃! k ∀m |А(xi, yj) ₋ zk| ≤ |А(xi, yj) ₋ zm|.
Значение k-го уровня квантования
яркости, соответствующего точке с
координатами xi, yj обозначим как
zk(xi, yj). Определим множества целых
чисел
операции выделяются области для расчета количественных признаков; Ko –
вычисление количественных признаков клетки крови; Ka – определение
качественных признаков клетки крови; Cl – классификация клетки крови
на основе полученных признаков; Dk
– дистанционное консультирование
по телемедицинской сети; Re – определение типа клетки крови.
Заключение
X ={1,…,N}, Y={1, … , M}, Z= {0, … , K-1}
и введем отображения Ха→X, Yа→Y,
Zа→Z, таким образом что
∀i,j,k (xi ↔ xdi / xdi ∈ X, yj ↔ ydj/ ydj ∈ Y,
zk ↔ zdk / zdk ∈ Z,),
где знак ↔ обозначает взаимнооднозначное соответствие. Тогда цифровое изображение определим как отображение MVH: X×Y → Z, такое что
∀i,j∃! k zdk (xdi , ydj) ↔ zk (xi , yj).
Pr – операция предобработки изображения клетки крови с целью устранения влияния искажающих изображение факторов (шум, неравномерность
фона и т.п.); S – сегментация изображения клетки крови, в результате этой
Изложен подход к описанию клеток
крови при автоматизированном анализе препаратов крови с применением компьютерной микроскопии,
основанный на использовании качественных и количественных признаков. Это позволяет снизить субъективизм в идентификации бластных клеток крови в процессе диагностики острых лейкозов. Предложена концептуальная модель распознавания бластных клеток, на основе которой разработано программное обеспечение, реализованное в
системе, внедренной в Российском
онкологическом научном центре им.
Н.Н. Блохина Российской академии
медицинских наук Литература
1. Руководство по гематологии: в 3т. Т.1. / Под ред. А.И.Воробьева. 3-е изд. Перераб. и допол. – М.: Ньюдиамед, 2002. – 280 с.
2. Клетки крови и костного мозга: Атлас/ Г.И. Козинец, З.Г. Шишканова, Т.Г. Сарычева и др./ Под ред. Г.И. Козинца. – М.:
Медицигское информационное агентство, 2004. – 203 с.
3. Луговская С.А., Морозова В.Т., Почтарь М.Е., Долгов В.В. Лабораторная гематология. – Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2006. – 224 с.
4. Компьютерные системы гематологической диагностики. Введение: Учебное пособие / В.Г. Никитаев, И.А. Воробьев, В.Н.
Блиндарь и др. М.: МИФИ, 2006. – 168 с.
5. Nikitaev V.G., Pronichev A.N., Chistov K.S. Method of computerized image analysis of blast cells at diagnostics of acute leukoses./
Procedings XII international work-shop «Medicine of XXI century». – Slovakia, Low Tatras. – January, 10-24, 2004. – PP. 27, 28.
6. Харалик Р. Статистический и структурный подходы к описанию текстур. /ТИИЭР, 1979. – Т. 67. – № 5. – С. 98 – 119.
69
SPEC_2011_SPT-1.indd 69
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
НИКИТАЕВ1 Валентин Григорьевич, д.т.н., проф.;
НАГУМАНОВА Юлия Рафаиловна; ПРОНИЧЕВ3 Александр Николаевич, к.т.н.;
ЧИСТОВ4 Кирилл Сергеевич, к.т.н.
2
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНАЯ СИСТЕМА
ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ВРАЧЕБНЫХ РЕШЕНИЙ
ПРИ ДИАГНОСТИКЕ ОСТРЫХ ЛЕЙКОЗОВ
В статье изложены трудности распознавания бластных клеток крови, рассмотрена концептуальная модель системы
поддержки принятия решений для диагностики острых лейкозов.
Ключевые слова: острый лейкоз, изображения бластных клеток, система поддержки принятия решений, экспертные методы, телемедицинская система.
The article describes the difficulties of the blood blast cells recognition, is considered the conceptual model of the decision support
system for diagnosis of acute leukemia.
Keywords: acute leukemia, blood cells images, decision support systems, expert methods, telemedicine system.
О
стрый лейкоз является скоротечным заболеванием и при отсутствии своевременного лечения быстро
приводит к смерти. Еще в недавнем
прошлом диагноз «острый лейкоз» звучал как приговор, но развитие методов и
средств диагностики и лечения данного
заболевания привносят положительные
результаты в терапию острых лейкозов.
Острый лейкоз – это злокачественное
заболевание кроветворной (гемопоэтической) ткани, морфологический
субстрат болезни представлен бластными клетками (Рис. 1 – 3) [1].
Современный алгоритм диагностики
острого лейкоза базируется на поэтапном проведении комплекса клиниколабораторных исследований, обязательным и первоочередным среди которых является исследование периферической крови на наличие бластных
клеток. Обнаружение в составе периферической крови даже одной патологической клетки является сигналом
для подозрения на острый лейкоз, при
наличии в костном мозге более 20%
бластных клеток, характеризующихся
нежно-сетчатой структурой ядерного
хроматина, больному ставят диагноз
острый лейкоз.
В состав средств, используемых при
проведении
клинико-гематологических исследований лабораторной диагностики, входят гематологические атласы и гематологические анализаторы.
Существует большое количество гематологических атласов, в которых описа1
70
3
ны варианты острого лейкоза, морфологические характеристики бластных клеток крови. Но в силу их сложной пространственно-яркостной организации
процесс идентификации бластных клеток с применением гематологических
атласов во многом носит субъективный
характер, что накладывает отпечаток на
достоверность морфологического исследования.
Гематологические анализаторы применяются в целях подсчета и анализа клеток крови, в зависимости от количества и уровня сложности определяемых
параметров, можно условно разделить
их на три группы:
Первая группа. Гематологические анализаторы, определяющие до 20 параметров, в числе которых расчетные показатели красной крови и тромбоцитов,
гистограммы распределения лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов по объему. Гематологические анализаторы
данной группы способны осуществлять
дифференцировку лейкоцитов на три
популяции: лимфоциты, средние клетки, гранулоциты [5].
Вторая группа. Анализаторы, осуществляющие дифференцировку лейкоцитов по 5 типам: нейтрофилы, эозинофилы,
базофилы,
моноциты,
лимфоциты, построение гистограмм
аналогично, как и в гематологических
анализаторах первой группы. Для дифференцировки лейкоцитов могут быть
применены различные технологии,
например, трехмерный анализ диффе-
Рис. 1. Миеобласт с п. Ауэра (М1)
Рис. 2. Миелобласт
с созреванием (М2)
Рис. 3. Монобласт (М5а)
– зав. каф. НИЯУ «МИФИ»; 2 – аспирант НИЯУ «МИФИ»;
– доцент НИЯУ «МИФИ»; 4 – доцент НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 70
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ренцировки лейкоцитов, изменение дисперсии лазерного света клетками и т.д.
При использовании последней, можно
получить следующие сведения о свойствах клетки:
♦ размер клетки;
♦ структура клетки;
♦ ядерно – цитоплазматическое соотношение;
♦ форма ядра клетки;
♦ клеточная зернистость.
Третья группа. Сложные аналитические системы, выполняющие дифференцировку лейкоцитов по 5 типам,
перечисленным для гематологических
анализаторов второй группы, а также
подсчет и анализ ретикулоцитов [5].
Гематологические анализаторы обладают следующими преимуществами: высокая производительность (до 100…120
проб в час), минимальное количество
крови для исследования (12…150 мкл),
анализ большого массива (десятки тысяч) клеток, высокая точность оценки
параметров [5].
Несмотря на все достоинства, современные анализаторы не в состоянии заменить метод микроскопической оценки клеток, особенно в силу отсутствия
способности анализировать важные диагностические признаки клеток, среди
которых основными являются: характеристики ядра (количество ядер, размер
ядер, расположение ядер), структура
хроматина, ядрышкового аппарата,
характеристики цитоплазмы (ядерноцитоплазматическое отношение, цвет,
структура, наличие цитоплазматических включений) [6].
На основе анализа функциональных
возможностей, диагностической ценности средств, используемых при проведении
клинико-гематологических
исследований, можно сделать вывод
о необходимости и важности метода
микроскопической оценки клеток периферической крови и костного мозга
при диагностике острых лейкозов. Таким образом, возникает потребность
в создании класса систем, осуществляющих поддержку принятия врачебных решений с применением световой
микроскопии. При проектировании
системы важным этапом является разработка концептуальной модели, т.к. на
ее основе строятся последующие этапы
создания системы. Но данная тема на
нашла должного отражения в литературе. Целью статьи является разработка
концептуальной модели высокотехнологичной системы поддержки принятия решений для диагностики острых
лейкозов.
Подход к формированию
концептуальной модели
системы поддержки
принятия решений для
диагностики острых лейкозов
Визуальный анализ клеток крови под
микроскопом сопряжен с рядом проблем, одной из которых, как отмечалось выше, является сложная пространственно-яркостная организация
изображений клеток крови, затрудняющая однозначную интерпретацию
результата. Кардинальным решением
данной проблемы является использование экспертных методов принятия
решений для идентификации клеток
крови. Указанный подход заключается
в совместной работе со специалистами
в области гематологии, направленной
на подготовку информации, представляющей собой коллективные оценки
врачей-экспертов. На основе этих данных сформирован набор признаков,
позволяющих определить патологическую клетку крови, и являющихся
основой для построения правил принятия решения.
Другая немаловажная проблема заключается в нехватке высококвалифицированных специалистов клинической лабораторной диагностики.
Улучшить ситуацию в данном вопросе позволит использование телемедицинских методов, заключающихся
в организации консультаций врачей
со специалистами, обладающими богатым опытом в области диагностики
острых лейкозов, в целях решения
вопросов диагностики, лечения пациентов, а также обучения врачей.
Частично решить проблему позволит
создание мощной информационной
базы по рассматриваемой предметной области в виде справочной системы. Доступ врачей к данным материалам будет способствовать разрешению части теоретических вопросов,
связанных с диагностикой острых
лейкозов.
С учетом вышеизложенного предлагается концептуальная модель автоматизированной системы поддержки
принятия решений (СППР) для диаг-
ностики острых лейкозов с применением световой микроскопии (рис. 4),
в основу которой положен интегрированный подход решения изложенных
проблем.
Предложен следующий состав системы поддержки принятия решений для
диагностики острых лейкозов.
1. Система для клинической диагностики острых лейкозов:
♦ экспертная подсистема;
♦ справочная подсистема;
♦ терминологический словарь.
2. Система для научных исследований:
♦ подсистема предобработки изображений клеток крови;
♦ подсистема описания изображений
клеток крови;
♦ подсистема классификации изображений клеток крови.
3. Система для обучения медицинского
персонала:
♦ подсистема обучения работе с СППР для диагностики острых лейкозов;
♦ методика по работе с системой для
клинической диагностики острых
лейкозов;
♦ методика по работе с системой для
научных исследований;
♦ подсистема технической поддержки
пользователей;
4. Телемедицинская система.
5. Внешние модули для системы:
♦ электронная история болезни;
♦ архив данных.
Остановимся более подробно на рассмотрении системы для клинической
диагностики острых лейкозов, телемедицинской системы.
Система для клинической
диагностики острых
лейкозов
Экспертная подсистема позволит
врачу-диагносту проводить оценку характеристик клеток крови, на основе
качественных и количественных признаков, делать заключение касательно
типа клетки крови, рекомендуемых
методов диагностики, диагноза, базируясь не только на собственных знаниях, но и используя богатый опыт высококвалифицированных специалистов,
накопленный в области гематологии.
Справочная подсистема является
важным инструментом, посредством
которого врачи смогут разрешить ряд
71
SPEC_2011_SPT-1.indd 71
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Телемедицинская
система
Система для
клинической
диагностики острых
лейкозов
Система поддержки
принятия решений для
диагностики острых
лейкозов
Внешние модули
для системы
Электронная
история
болезни
Система для
научных
исследований
Система для обучения
медицинского
персонала
Экспертная
подсистема
Подсистема
предобработки
изображений
клеток крови
Подсистема обучения
работе с СППР
для диагностики
острых лейкозов
Справочная
подсистема
Подсистема
описания
изображений
клеток крови
Методика по работе
с системой для
клинической
диагностики
острых лейкозов
Терминологический
словарь
Подсистема
классификации
изображений
клеток крови
Архив данных
Методика по работе
с системой
для научных
исследований
Подсистема
технической
поддержки
Рис. 4. Концептуальная модель системы поддержки принятия решений для диагностики острых лейкозов
теоретических вопросов по рассматриваемой группе заболеваний. Информационное пространство подсистемы
включает различные компоненты,
среди которых методические рекомендации, справочники и терминологические словари, учебные пособия, научные монографии и т.д.
Терминологический словарь, главной
функцией которого является информационная поддержка пользователя,
раскрывает понятийный аппарат гематологии. Подсистема снабжена механизмами поиска, что способствует более эффективной работе пользователя
с терминологическим словарем.
Телемедицинская система
Данная система позволит осуществлять связь между врачами клиник,
больниц, находящихся в отдалении от
крупных медицинских центров страны, в целях консультации специалистов, столкнувшихся с трудностями
при оказании медицинской помощи
пациентам с подозрением на острый
лейкоз, по вопросам диагностики,
лечения, а так же в целях обучения
врачей. Связь консультируемого с
врачом-экспертом
осуществляется
посредством специального программного обеспечения, с помощью которого участники консультации по
компьютерной сети обмениваются
информацией, примером которой могут быть: важные клинические данные
о пациенте, изображения выборки
клеток крови и т.д. Описанная модель
телемедицинской системы может
быть реализована в существующей
единой консультативно-диагностиче-
ской сети РОСАТОМ-ФМБА-МИФИ
в целях диагностики острых лейкозов
(рис. 5).
Внешние модули для системы
Электронная история болезни является источником для импорта данных
в систему поддержки принятия решений, в целях формирования более точного ответа системы.
Архив – посредством данного модуля
решается важная задача хранения данных, полученных в ходе оказания медицинской помощи пациенту с острым
лейкозом.
Хранимая
информация
включает клинические проявления, результаты проведенных исследований,
заключения врачей.
На основе представленной концептуальной модели была создана си-
72
SPEC_2011_SPT-1.indd 72
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Схема единой консультативно-диагностической сети РОСАТОМ-ФМБА-МИФИ
стема поддержки принятия решений
для диагностики острых лейкозов,
реализованная в составе комплекса
АТЛАНТ-МИКРО. Разработанная система применяется при диагностике
острых лейкозов в Российском онкологическом научном центре имени
Н.Н. Блохина Российской академии
медицинских наук.
Заключение
В результате реализации системы
разработан инструмент поддержки
принятия решений для диагностики острых лейкозов, позволяющий
проводить исследование патологической крови, используя знания и опыт
врачей-гематологов, таким образом,
найдено решение, позволяющее в
условиях нехватки высококвалифицированных специалистов, повысить
достоверность диагностики.
Система поддержки принятия решений для диагностики острых лейкозов
разрабатывалась при тесном сотрудничестве с медицинскими специалистами и успешно внедрена в Россий-
ский онкологический научный центр
имени Н.Н. Блохина Российской ака-
демии медицинских наук для решения
задач диагностики острых лейкозов Литература
1. Баранова О.Ю., Ширин А.Д. Лечение острых лейкозов у взрослых./ Вместе против рака. Врачам всех специальностей, 2006. – № 1.
2. Биомедицинский журнал «Медлайн.Ру», 2001. – Том 2. – ст. 38. – С. 160 – 162.
3. Клиническая гематология: Справочник (Серия «Спутник врача»)./ К.М. Абдулкадыров – СПб: Питер, 2006. – 448 с.
4. Острые лейкозы: диагностика, клинические особенности, лечение. Методические рекомендации./ А.Э. Ермолин, В.В. Резван, Е.А. Белоусов. – Москва, 2003.
– 34 с.
5. Луговская С.А., Морозова В.Т., Почтарь М.Е., Долгов В.В./ Лабораторная гематология – М., Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2006. – 224 с.
6. Компьютерные системы гематологической диагностики. Введение: Учебное пособие./ В.Г. Никитаев, И.А. Воробьев, В.Н. Блиндарь, М.:МИФИ, 2006.
– 168 с.
7. Никитаев В.Г., Проничев А.Н., Чистов К.С., Воробьев И.А., Зубрихина Г.Н./
Методика автоматизированного микроскопического анализа препаратов периферической крови при диагностике острых лейкозов./ Успехи современного
естествознания, 2004. – № 6. – С. 108, 109.
8. Никитаев В.Г., Проничев А.Н., Харазишвили Д.В., Чистов К.С. Модель автоматизации морфологического анализа клеток крови для диагностики и облучения./ Успехи современного естествознания, 2008. – № 8. – С. 141, 142.
73
SPEC_2011_SPT-1.indd 73
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
БЛИНДАРЬ1 Валентина Николаевна, д.б.н., проф.;
НИКИТАЕВ2 Валентин Григорьевич, д.т.н., проф.;
НАГУМАНОВА3 Юлия Рафаиловна; ПРОНИЧЕВ4 Александр Николаевич, к.т.н.;
ЧИСТОВ5 Кирилл Сергеевич, к.т.н.
ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
ОСТРЫХ ЛЕЙКОЗОВ
В статье представлена концептуальная модель экспертной системы для диагностики острых лейкозов с применением
методов компьютерной микроскопии. Рассмотрены факторы, оказывающие воздействие на результат распознавания
изображений бластных и небластных клеток.
Ключевые слова: экспертная система, влияющие факторы, распознавание изображений, база знаний, текстурный анализ.
The article presents a conceptual model of the expert system for diagnosis of acute leukemia, using methods of computer microscopy.
Are considered the factors affecting the results of image recognition of blsat and not blast blood cells.
Keywords: expert system, influence factors, image recognition, knowledge base, texture analysis.
А
ктуальность проблемы диагностики острых лейкозов обусловлена
ростом заболеваемости у населения.
Среди пациентов с гемобластозами острый лейкоз занимает лидирующую позицию, составляя около 1/3 от их общего числа [1]. 75% случаев болезни диагностируется у взрослых и 25% у детей.
Острые миелоидные лейкозы (ОМЛ)
составляют около 80% у взрослых пациентов в возрасте старше 40 лет. У детей
наиболее часто диагностируются лимфоидные формы острого лейкоза – до
90% [2].
Одним из первых этапов диагностики
острых лейкозов является исследование периферической крови на наличие
бластных клеток. Данная процедура сопряжена с рядом трудностей, главная
из которых – высокая вариабельность
бластных клеток и схожесть изображений некоторых из них с небластными
клетками, что вызывает ошибки в их
классификации (рис. 1).
Ситуация усугубляется дефицитом высококвалифицированных специалистов
– врачей гематологов. В поликлиниках
врачи в большинстве случаев исследуют нормальные мазки крови, отсюда – отсутствие необходимого опыта
анализа патологической крови, и, как
следствие, риск пропустить пациента с
острым лейкозом. В этой связи актуальна разработка экспертной системы для
диагностики острых лейкозов с применением методов компьютерной микроскопии. Отметим, что в данном случае
экспертная система служит инструментом врача-гематолога при диагностике
острых лейкозов.
1
74
3
Целью настоящей работы является
разработка концептуальной модели
экспертной системы для диагностики
острых лейкозов с применением методов компьютерной микроскопии, а
также анализ влияния факторов, оказывающих воздействие на результат
распознавания слабоформализованных
объектов (изображений бластных и небластных клеток).
Концептуальная модель
экспертной системы для
диагностики острых лейкозов
с применением методов
компьютерной микроскопии
В ходе анализа морфологических характеристик клеток периферической
крови нередко возникают спорные
случаи, когда процесс интерпретации
исследуемых объектов приобретает
характер неоднозначности. Повысить
достоверность итоговой оценки изображений клеток крови можно путем
использования экспертных методов.
Предлагаемый подход к распознаванию изображений клеток крови базируется на использовании знаний
специалистов в области гематологии
и заключается в создании экспертной
системы для диагностики острых лейкозов. В основе системы – эталонная
выборка цифровых изображений,
описания которых хранятся в базе
знаний, важным компонентом системы является аналитическая подсистема, включающая множество правил,
по которым осуществляется принятие
решения (рис. 2).
а
б
в
Рис. 1. Примеры изображений
бластных и небластных клеток:
а) – лимфоцит; б) – атипичный
мононуклеар; в) – бластные клетки
При формировании экспертами эталонной выборки изображений клеток крови, могут возникать спорные моменты
ввиду неоднозначности изображений
бластных клеток. Практика показала,
что даже один эксперт в разное время
(через неделю, месяц) может по-разному оценивать принадлежность одного и того же изображения к категории бластных или небластных клеток.
Естественно, что и у разных экспертов
зачастую возникают разные мнения
по поводу отнесения рассматриваемой
клетки к бластным или небластным. Поэтому при формировании базы знаний
экспертной системы необходимо предусмотреть процедуры оценки сходимости и воспроизводимости результатов
создания эталонной выборки.
– с.н.с., Российский онкологический научный центр им. Н.Н.Блохина РАМН; 2 – зав. каф. НИЯУ «МИФИ»;
– аспирант НИЯУ «МИФИ»; 4 – доцент НИЯУ «МИФИ»; 5 – доцент НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 74
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
к перечню возможных типов клеток
крови.
В состав экспертной системы для диагностики острых лейкозов входит
система для проведения телемедицинских консультаций, основанная на передаче данных по сети между врачомэкспертом и консультируемым (рис.
3). Благодаря телемедицинским консультациям врачи клиник и больниц,
находящихся в отдалении от крупных
медицинских центров, имеют возможность получить заключение высококвалифицированного специалиста в
сложных диагностических случаях.
Так как заключение по результатам
исследования препарата с применением экспертной системы формируется
на основе результатов компьютерной
обработки изображений, необходимо
рассмотреть факторы, влияющие на
точность измерений, выполняемых в
системе.
Исследование факторов,
влияющих на правильность
распознавания типа клеток
Рис. 2. Концептуальная модель экспертной системы СППР
для диагностики острых лейкозов
Рис. 3 Архитектура сети для проведения телемедицинских консультаций
Рис. 4. Структурная схема системы компьютерной микроскопии
Результатом работы экспертной системы является заключение о принадлежности клетки к определенному типу с
указанием вероятностной оценки. Последнее потребует создания необходимого объема репрезентативной эталонной выборки изображений клеток.
Особенностью рассматриваемой экспертной системы является то, что
наряду со знаниями экспертов, аккумулированных в ней, создается база
данных по результатам измерения
количественных признаков, полученных в результате автоматизированной обработки изображений. Далее
формируется заключение, основанное на оценке вероятности принадлежности рассматриваемой клетки
Традиционный подход к выявлению
бластных клеток в периферической
крови основан на визуальном анализе
препаратов крови методом световой
микроскопии. Изображения бластных
клеток характеризуются разнообразной и сложной структурной организацией. Это затрудняет их однозначное
определение и автоматизацию анализа. Структурная схема автоматизированной системы компьютерной микроскопии представлена на рис. 4.
Общий подход к распознаванию объектов на изображениях различной
природы основан на выполнении следующих этапов обработки информации: предобработка изображений,
описание объектов на изображении,
классификация объектов (рис. 5).
Для рассматриваемой задачи автоматизации анализа клеток крови на первом
этапе выполняются процедуры улучшения изображения, связанные с подавлением факторов, искажающих изображение (фильтрация помех, устранение
неравномерностей освещения и т.п.).
На этапе описания производится расчет признаков, характерных для объекта, на основе которых на третьем
этапе производится отнесение объекта
к тому или иному классу. Ключевым
75
SPEC_2011_SPT-1.indd 75
16.01.2012 13:26:55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
Рис. 5. Этапы обработки изображений при распознавании объекта
Рис. 6. Факторы, оказывающие доминирующее влияние на правильность
распознавания типов клеток
из этих трех этапов является этап описания. Именно от выбора признаков
и их информативности (возможности
по значению признака отнести объект
к тому или иному классу) зависит результат распознавания. Но из-за множества влияющих факторов значения
признаков даже для клеток одного типа
изменяются в некотором диапазоне.
При этом можно выделить две группы
факторов: первая – это свойства самого объекта (изображения бластов очень
разнообразны); вторая – это условия
формирования изображения (шумы
датчика, неравномерность освещения
объекта и т.п.).
Одной из задач предпроектного исследования с точки зрения анализа
объектной среды является изучение
факторов, влияющих на правильность
распознавания изображений бластных
клеток крови, и оценка возможностей
уменьшения их влияния. Среди факторов первой группы следует учитывать
вариативность изображений клеток в
крови как одного пациента, так и разных пациентов, на разной стадии развития заболеваний, в том числе, учитывая применяемое ранее лечение. С другой стороны, здесь следует учитывать
подготовку препарата – изготовление
мазка, его фиксацию, окраску, выбор
поля на препарате для исследования. Во
второй группе факторов существенное
значение имеют выбор для исследования объектива микроскопа, формата
изображения (разрешающей способности датчика), настройка освещения
и контрастности изображения в микро-
скопической системе, сфокусированность изображения, цветовой баланс
системы регистрации, влияние внешнего освещения и т.п.
Факторы, оказывающие
доминирующее влияние на
правильность распознавания
типов клеток
В результате проведенных исследований выявлен ряд факторов, оказывающих наиболее существенное влияние
на точность результатов измерений, их
можно разделить по виду источника на
три группы (рис. 6).
Для рассматриваемой системы инструментальные факторы, можно классифицировать на две группы: первая –
факторы, обусловленные физическими
процессами в используемой аппаратуре; вторая – факторы, обусловленные
влиянием внешних условий. К первой
группе инструментальных факторов относятся шум датчика изображения, цветовые, яркостные искажения камеры,
дифракционные эффекты оптической
системы микроскопа, неравномерность
спектральной характеристики осветителя в микроскопе, неравномерность
освещения препарата в поле зрения
камеры и т.п. К факторам второй группы относятся факторы, обусловленные
внешними условиями применения системы. Так, например, на регистрируемое в системе изображение препарата
могут влиять такие факторы, как наличие яркого постороннего освещения
(солнечный свет), вследствие которого
может понизиться контрастность изображения. Кроме того, к внешним факторам относится вибрация поверхности,
на которой установлен микроскоп (это
может приводить к смазу изображения
при больших экспозициях). Такие вибрации могут быть вызваны как работой
технологического оборудования в здании (насосами, вентиляторами), вызывающими постоянную вибрацию, так и
эпизодическими событиями, связанными со случайными процессами (колебания земли от проходящего транспорта
– метропоезда, трамвая, большегрузных автомобилей и др.; колебания пола
от шагов проходящих людей, от хлопков
закрывающихся дверей, колебания поверхности стола от действий пользователя – случайные толчки стола, резкие
нажатия на клавиши компьютерной
клавиатуры при наборе текста и др.).
К методическим факторам, прежде
всего, относятся модель измерения,
математические методы обработки
изображения, которые реализованы
в программном обеспечении системы,
операции дискретизации и квантования при формировании цифрового
изображения.
Группа факторов, зависящих от пользователя, связана с настройкой микроскопа (выбор объектива, положения
конденсора, полевой и апертурной
диафрагмы, накала лампы и фильтров
коррекции светового потока, предметного и покровного стекол, иммерсионного масла, положения фокусировки
объектива). Наряду с этим, к данной
группе относятся факторы, связанные
с выбором поля препарата для исследования и позиционирования объекта
исследования в поле зрения камеры, и
факторы, зависящие от пользователя
при интерактивном режиме обработки изображения (когда параметры обработки указываются пользователем в
ходе применения программного обеспечения, реализующего обработку
изображения, например выбор порога
бинаризации).
Меры по снижению
влияющих факторов
На основе данных, полученных в результате анализа объектной среды, необходимо сформировать требования к
предобработке, определяющие необходимую степень подавления искажа-
76
SPEC_2011_SPT-1.indd 76
16.01.2012 13:26:56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
добиться крайне сложно, а вероятность
правильного результата в 95% считается
хорошим достижением.
При формировании методик измерения
необходимо разрешить проблемы неоднозначности трактовки измеряемых
величин (например, размер клетки, размер ядра, учитывая многообразие форм
этих объектов). При выборе моделей измерения следует учитывать (а для этого
необходимо провести предварительные
исследования) достижимую точность
в измерении рассматриваемых параметров (например, точность измерения
ядерно-цитоплазматического отношения, являющегося одним из признаков,
широко используемых врачами для
дифференцировки клеток по типам, зависит от точности сегментации изображений ядра и цитоплазмы).
С учетом результатов предпроектных
исследований необходимо сформировать перечень измеряемых величин,
определить диапазоны их изменения
и определить требуемые точности их
измерения.
Рис. 7. Требования к экспертной системе для диагностики острых лейкозов
ющих факторов или восстановления
искаженных изображений. Соответственно к признакам, являющимся основой для классификации типов клеток, предъявляются требования в том,
чтобы различия признаков для разных
типов клеток превосходили вариабельность значений признаков внутри
одного типа клеток. Выполнение этого требования зависит как от модели
признака, так и от применяемых операций предобработки. Здесь следует
учитывать тот факт, что в условиях,
когда клетки визуально весьма похожи, значения вычисляемых признаков
тоже оказываются близкими. Поэтому
при проектировании этапов предобработки и описания необходимо в максимальной степени предпринять усилия
по подавлению искажающих факторов
и точному вычислению признаков.
Наряду с естественными факторами,
влияющими на вариабельность признаков (природные свойства объектов,
шумы электронных приборов и т.п.),
на результат распознавания влияют и
субъективные факторы, зависящие от
точности выполнения методик подготовки образцов, настройки аппарату-
ры и проведения измерений. В целях
снижения влияния этих факторов при
проектировании системы необходимо
предусмотреть разработку подсистемы
оценки качества препарата и изображения объекта, формируемого в системе.
При разработке методики проведения
измерений и обработки их результатов необходимо учитывать случайный
характер воздействия ряда факторов
(электронный шум приборов, положение объектов измерения в поле зрения,
выбор пользователем параметров обработки при использовании интерактивного режима обработки изображения и
т.п.). Уменьшение случайной составляющей в результатах измерений можно
уменьшить путем проведения многократных измерений с последующим
усреднением результата. Это приводит
к увеличению точности, но также и к
увеличению времени измерения, поэтому необходимо найти компромиссное решение между необходимой точностью и приемлемой трудоемкостью
процесса измерения. В идеале необходимо, чтобы в признаковом пространстве кластеры объектов разных типов
не пересекались, на практике же этого
Разработка требований
к экспертной системе для
диагностики острых лейкозов
Вышеприведенные факторы необходимо учитывать при разработке требований к проведению измерений с применением экспертной системы. Предлагаемая структура требований представлена на рис. 7. Можно выделить четыре
основные группы требований: общие
требования к системе, требования к
объектной среде, эксплуатационные и
пользовательские требования. Общие
требования к системе учитывают факторы, обусловленные физическими
процессами в используемой аппаратуре, а также методические факторы. Для
снижения влияния внешних условий на
точность результатов измерений разработаны эксплуатационные требования,
которые включают требования к проведению измерений, настройке аппаратуры и т.д. В целях уменьшения влияния
субъективного фактора, связанного с
ошибками при подготовке образца, выборе поля препарата для исследования,
позиционировании объекта в поле наблюдения и т.д., разработаны требования к объектной среде.
Для того чтобы обеспечить качественный контроль выполнения требований,
77
SPEC_2011_SPT-1.indd 77
16.01.2012 13:26:56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
необходимо определить класс измерительных приборов, которые будут обеспечивать необходимый контроль.
Заключение
Предложена концептуальная модель
экспертной системы при диагностике
острых лейкозов, которая снизит неоднозначность интерпретации объектов
исследования. Рассмотрены факторы,
влияющие на правильность распознавания сложноформализуемых объектов (изображений бластных и небластных клеток крови) с использованием
экспертной системы, базирующейся
на методах компьютерной микроскопии. Предложены пути по уменьшению влияющих факторов. Представлена структура требований, которые
необходимо учитывать при разработке
систем такого типа Литература
1. Руководство по гематологии: в 3т.
Т.1./ Под ред. А.И. Воробьева. 3-е изд.
Перераб. и допол. – М.: Ньюдиамед,
2002. – 280 с.
2. Клетки крови и костного мозга: Атлас./ Г.И. Козинец, З.Г. Шишканова, Т.Г.
Сарычева и др./ Под ред. Г.И.Козинца.
– М: Медицинское информационное
агентство, 2004. – 203 с
3. Луговская С.А., Морозова В.Т., Почтарь М.Е., Долгов В.В. Лабораторная
гематология. – Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2006. – 224 с.
4. Компьютерные системы гематологической диагностики. Введение:
Учебное пособие./ В.Г. Никитаев,
И.А. Воробьев, В.Н. Блиндарь и др. –
М.: МИФИ, 2006. – 168 с.
5. Nikitaev V.G., Pronichev A.N., Chistov
K.S. Method of computerized image
analysis of blast cells at diagnostics
of acute leukoses./ Procedings XII
international work-shop «Medicine of
XXI century». – Slovakia, Low Tatras,
2004. – January, 10 – 24. – PP. 27, 28.
6. Никитаев В.Г., Чистов К.С., Зубрихина Г.Н. и др. Методика автоматизированного микроскопического анализа препаратов периферической крови
при диагностике острых лейкозов./
Успехи современного естествознания, 2004. – № 6. – С. 108, 109.
7. Никитаев В.Г., Проничев А.Н., Чистов К.С. Оценка информативности
признаков бластных клеток для автоматизированной системы диагностики острых лейкозов./ Качест-
во, инновации, образование и CALS
технологии. Материалы международного симпозиума./ Под ред. проф.
В.Н. Азарова. – М.: Фонд «Качество», 2006. – С. 174.
8. Способ распознавания изображения
текстуры клеток./ Никитаев В.Г.,
Проничев А.Н., Чистов К.С., Хоркин
В.А./ Патент № 2385494.
9. Способ автоматизированного микроскопического исследования образца./ Никитаев В.Г., Проничев А.Н.,
Бердникович Е.Ю., Кучеренко И.Ю.,
Комаров В.В./ Патент № 2330265.
10. Способ микроскопического исследования образца./ Никитаев В.Г.,
Проничев А.Н., Бердникович Е.Ю.,
Петровичев Н.Н., Ротин Д.Л./ Патент № 2318201.
11. Способ микроскопического исследования образца, содержащего микрообъекты с разнородными зонами./
Никитаев В.Г., Проничев А.Н., Чистов К.С., Зайцев С.М./ Патент №
2308745.
12. Устройство для автоматического обнаружения бластных клеток в периферической крови./ Никитаев В.Г., Проничев А.Н., Чистов К.С., Кучеренко И.Ю./ Патент
№ 61890.
ДАНИЛОВ1 Алексей Владимирович;
НИКИТАЕВ2 Валентин Григорьевич, д.т.н., проф.;
НАГУМАНОВА3 Юлия Рафаиловна; ПРОНИЧЕВ4 Александр Николаевич, к.т.н.;
ЧИСТОВ5 Кирилл Сергеевич, к.т.н.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ
ТЕКСТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕТОК КРОВИ
В СИСТЕМЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МИКРОСКОПИИ
Проведение экспериментального исследования влияния фокусировки и освещенности на распознавние бластных и небластных клеток крови. Распознавание основано на текстурном анализе.
Ключевые слова: острый лейкоз, распознавание клеток крови, текстурный анализ.
A pilot study of the effect of focusing and illumination on recognition of blast and not blast blood cells. The recognition is based on
texture analysis.
Key words: acute leukemia, blood cell recognition, texture analysis.
Г
лавная проблема распознавания
бластных и небластных клеток в
процессе диагностики острых лейкозов
с применением методов компьютерной
1
78
4
микроскопии тесно связана с близостью в пространстве признаков кластеров идентифицируемых разнородных
объектов.
Целью настоящей работы является
экспериментальная оценка влияющих факторов на текстурные признаки, применяемые для описания
– студент НИЯУ «МИФИ»; 2 – зав. каф. НИЯУ «МИФИ»; 3 – аспирант НИЯУ «МИФИ»;
– доцент НИЯУ «МИФИ»; 5 – доцент НИЯУ «МИФИ».
SPEC_2011_SPT-1.indd 78
16.01.2012 13:26:56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
клеток крови в системе распознавания бластных клеток. Эксперименты
проводились на автоматизированной
системе диагностики гематологических заболеваний АТЛАНТ, созданной в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»
в содружестве с Гематологическим
научным центром и Российским онкологическим научным центром им.
Н.Н. Блохина РАМН. В состав системы АТЛАНТ входят:
♦ микроскоп (OLYMPUS) , обеспечивающий автоматическое сканирование мазка крови. Набор объективов типа планахромат с кратностью
увеличения ×4, ×10, ×20, ×40, ×100 (oil),
тринокуляр, предметный столик микроскопа с моторизованным приводом, управляемым как от компьютера, так и от джойстика (по трем
координатам: х, у, z).
♦ камера (WATEC) для регистрации
микроскопического изображения;
♦ компьютер с программным обеспечением, реализующим управление
сканированием препарата и обработку изображений клеток крови [1];
♦ формат цветного изображения
720×576×24.
В процессе проведения экспериментов
предстояло оценить влияние факторов
освещенности и фокусировки на текстурные признаки.
странственной смежности. Матрицу
смежности можно рассматривать как
оценку совместной плотности распределения вероятностей соседств
пикселей с двумя яркостями, где gij
– вероятность соседства пикселя с
яркостью i с пикселем яркости j. При
этом рассматриваются следующие
признаки:
♦ энергия (ASM)
♦ момент инерции (CON)
♦ максимальная вероятность (MPR)
♦ локальная однородность (LUN)
♦ энтропия (ENT)
♦ корреляция (CORR)
Изучаемые объекты
♦ сумма диагональных элементов (TR)
Изображения клеток, полученные с
мазков периферической крови.
Типы исследуемых клеток крови: миелобласты, монобласты, лимфоциты,
моноциты, нормоциты, нейтрофилы.
Исследуемые текстурные
признаки
В данном эксперименте проводится
анализ текстурных характеристик,
который основан на алгоритме вычисления нормированной матрице про-
Программное обеспечение
Для проведения экспериментального
исследования использовались следующие программные средства:
♦ программа для проведения съемки
и захвата отдельных кадров и серий
кадров одного изображения, число
кадров в серии 256;
Рис. 1. Изменение фактора фокусировки
♦ программа для уменьшения шума (путем усреднения серий кадров);
♦ программа для расчета текстурных
признаков и сегментации ядер.
Методика проведения
экспериментального
исследования
1 Проведение съемки. Условия проведения съемки:
а) съемка не менее 100 изображений
клеток крови с одного препарата;
б) каждая клетка снимается при пяти
положениях фокусировки (первое
положение – максимальная резкость ядра; второе положение –
сдвиг на 1 шаг относительно первого положения; третье положение
– сдвиг на 2 шага относительно
первого положения; четвертое положение – сдвиг на 3 шага относительно первого положения; пятое
положение –сдвиг на 4 шага относительно первого положения);
в) каждая клетка снимается при трех
положениях освещенности (первое положение – смещение на 1
градацию шкалы микроскопа относительно начальной (оптимальной)
съемки в более темную сторону;
второе положение – начальная
съемка, соответствует освещенности, наблюдаемой через окуляры
микроскопа; третье положение
– смещение на одну градацию
шкалы микроскопа относительно
начальной съемки в более светлую
сторону).
2 Усреднение полученных изображений в целях уменьшения шума
(в 10 раз). Усреднение проводится
после устранения смещения по трем
осям.
3 Распределение изображений клеток крови по типам. Проводится врачом-экспертом.
4 Проведение операции сегментации
ядер для полученных изображений
клеток крови.
Рис. 2. Изменение фактора
освещенности
79
SPEC_2011_SPT-1.indd 79
16.01.2012 13:26:56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Спецтехника и связь № 4-5 2011
трех типов клеток крови: нейтрофил,
миелобласт, нормоцит. Пример графических зависимостей для признака корреляция (CORR) показан на
рис. 3, 4.
Заключение
Рис. 3. Зависимость значений признака CORR (корреляция) компонента цвета
R от влияния фактора фокусировки для трех типов клеток крови
Рис. 4. Зависимость значений признака CORR (корреляция) компонента цвета
R от влияния фактора освещенности для трех типов клеток крови
5 Вычисление текстурных признаков для полученных изображений ядер
клеток крови.
6 Построение графиков экспериментальных зависимостей.
На рис. 1 представлен пример изображения клетки крови типа нормоцит при пяти положениях фокусировки.
На рис. 2. Приведен пример изображений ядра нормоцита при трех значениях освещенности.
По результатам экспериментальных
исследований были построены графики зависимости среднего значения каждого из приведенных выше
текстурных признаков от рассмотренных влияющих факторов для
Полученные экспериментальные результаты по анализу влияния фокусировки и освещенности на текстурные
признаки в системе распознавания
бластных клеток с применением методов компьютерной микроскопии позволяют для рассматриваемых типов
клеток крови (нейтрофил, миелобласт,
нормоцит) сделать следующие выводы.
1 Наилучшее распознавание обеспечивает положение 1 фокусировки –
максимально резкое (рис. 1), при этом
допустимо отклонение фокусировки до
положения 2, а освещенность должна
соответствовать положению 2 (рис. 2).
2 Самый устойчивый текстурный
признак из рассмотренной группы
при уменьшении освещенности – локальная однородность (LUN) – 17%,
самый неустойчивый – максимальная вероятность (MPR) – 56%.
3 Самый устойчивый признак при
увеличении освещенности – энергия
(ASM) – 17%, самый неустойчивый –
корреляция (CORR) – 56%.
4 Вариабельность признаков при изменении освещенности находится в
пределах 17 – 56%.
5 При небольших изменениях фокусировки (незаметных для глаза) значения признаков меняются незначительно (6 – 8%)
6 При заметном для глаза изменении
четкости значения признаков существенно изменяются (30 – 60%).
7 Наибольшую устойчивость при изменении фокусировки проявил признак момент инерции (CON) – < 2% Литература
1. Компьютерные системы гематологической диагностики. Введение:
Учебное пособие./ В.Г. Никитаев,
И.А. Воробьев, В.Н. Блиндарь. – М.:
МИФИ, 2006. – 168 с.
80
SPEC_2011_SPT-1.indd 80
16.01.2012 13:26:56
Документ
Категория
Другое
Просмотров
356
Размер файла
8 427 Кб
Теги
спецтехника, 346, 2011, связи
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа