Ослабление потоков электронов радиационных поясов земли защитными экранами на основе композита W-CU

Экраны локальной радиационной защиты (ЭЛРЗ) применяются для снижения дозовых нагрузок на электронную компонентную базу космических аппаратов (КА) от потоков электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ). Суть метода применения ЭЛРЗ заключается в интегрировании защитных экранов в металлокерамические корпуса электронных компонентов с недостаточным уровнем радиационной стойкости [1–6]. Метод просто реализуем в блоках радиоэлектронных средств третьего поколения, где используется монтаж корпусированных электронных компонентов на платы. [6]. Экраны локальной радиационной защиты изготовляют на основе материалов с большим порядковым номером и высокой плотностью (вольфрам, тантал, композит W-Cu и др.), что позволяет при незначительных изменениях конструкции и габаритных размеров существенно повысить защитные функции корпуса интегральных микросхем.

В блоках радиоэлектронных средств авиакосмической техники четвертого поколения используется бескорпусной монтаж кристаллов активных элементов на коммутационные платы [7]. Несколько микросборок в виде таких плат помещают в металлический корпус-экран, герметизируемый либо по торцам, либо по верхней крышке. Связь с другими блоками осуществляется через разъемы в боковых стенках. Помимо бескорпусных микросборок в корпус блока могут монтироваться пассивные электронные компоненты, которые, например, нельзя выполнить в пленочном исполнении. Если это каркасные катушки индуктивности, то высота боковых стенок такого корпуса составляет от 10 и более миллиметров [7]. Подобного типа гибридные корпуса необходимы для различного рода мощных источников вторичного электропитания, преобразователей напряжения и др.

Цель настоящей работы – показать расчетными методами возможные способы снижения уровня поглощенной дозы кристаллами активных элементов с помощью экранов радиационной защиты на основе композита W-Cu в гибридных металлических корпусах радиоэлектронной аппаратуры при воздействии электронов радиационных поясов Земли.

Определение поглощенных доз D проводилось для шести кремниевых кристаллов (активных элементов), обозначенных в данной работе как транзисторы VT1–VT6. Кристаллы транзисторов смонтированы по бескорпусной технологии в центральной области (VT5), по краям (VT1, VT3 и VT6) и в углах (VT2 и VT4) коммутационной платы (рис. 1, а ). Размер каждого кристалла составляет 0,90 × 0,90 × 0,24 мм3. Размер платы и положение каждого кристалла на ней указаны на рис. 1, а . Отметим, что тип активных элементов и размеры их кристаллов выбраны произвольно, и для определения значения D не играют существенной роли. Из расчетной модели исключены пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, каркасные катушки индуктивности и т. д.), способные создать некоторую теневую защиту активным элементам от ионизирующих излучений. Это позволяет рассматривать защитные свойства только стенок корпуса и встроенных радиационных экранов.

Плата с транзисторами помещена в металлический корпус пенального типа, герметизируемый по верхней крышке. Внутренние размеры нижнего и верхнего оснований корпуса соответствуют размерам платы. Исследовались три типа корпусов: без экранов радиационной защиты (тип I) (рис. 1, b ), с экранами (тип II) (рис. 1, c ) и с экранами оптимизированной конструкции (тип III) (рис. 1, d ). Внешние размеры всех корпусов практически совпадают и показаны на рис. 1, b – d . Имеется лишь незначительное различие по высоте: у корпуса типа I она составляет 10,0 мм, а у типов II и III – 9,8 мм. Боковые стенки всех корпусов изготовлены из сплава НК29 (ковар) толщиной 1,2 мм.

Верхнее и нижнее основания корпуса типа I также выполнены из ковара, толщины которых показаны на рис. 1, b . У корпусов типов II и III усиление защиты проведено только для крышки и основания, что проще реализовать технически в процессе изготовления серийных гибридных корпусов. Основание обоих корпусов с радиационными экранами (см. рис. 1, c и d ) имеет толщину 1,2 мм и состоит из слоя композита W-Cu толщиной 0,8 мм между двумя слоями меди по 0,2 мм толщиной для усиления теплоотводящих свойств.

Рис. 1. Расположение кристаллов кремния на плате (а) и вертикальные сечения корпусов типа I (b), II (c) и III (d)

Рис.2. Фотография корпуса и крышки с установленными радиационными экранами.

Плотность материала композита W-Cu равна 16,5 г/см3, а суммарная массовая толщина основания с защитным экраном и слоями меди – 1,67 г/см2. Верхние крышки корпусов, изготовленные из ковара толщиной 0,9 мм, усилены дополнительным слоем композита W-Cu толщиной 0,55 мм до суммарной массовой толщины, равной 1,67 г/см2. Основным отличием между корпусами типов II и III является различное положение верхнего защитного слоя W-Cu относительно основания. В первом случае он располагается непосредственно под крышкой корпуса (см. рис. 1, c ), а во втором – на высоте 1,2 мм от основания корпуса, т. е. приближен к активным элементам на расстояние ~1 мм (см. рис. 1, d ). Указанное значение высоты в данной модели выбрано произвольно. Положение экрана относительно основания в реальных корпусах может быть другим, так как будет зависеть от толщины и типа печатной платы, а также размеров элементов навесного монтажа. Оно будет отличаться, например, для одно- и двухсторонних, а также многослойных печатных плат. В настоящее время существует большое число конструктивно-технологических разновидностей печатных плат, и все их невозможно рассмотреть в рамках настоящей работы. Учитывая то, что коммутационная плата в весьма незначительной степени ослабляет поток ионизирующего излучения по

сравнению с основанием и другими стенками корпуса, она, так же как и пассивные компоненты, исключена из расчетной модели, т. е. кристаллы транзисторов расположены на основаниях корпусов всех трех типов согласно рис. 1, а .

Суммарная поглощенная доза D рассчитывалась по формуле [8]:

где φ( E ) – дифференциальный спектр электронов; D 0( E ) – поглощенная доза в зависимости от энергии Е электронов; Φ – флюенс электронов.

Величина поглощенной дозы от электронного излучения на единичный флюенс в формуле (1) фактически определяет уровень поглощенной дозы от одного электрона.

С помощью программного комплекса Geant4 v.10.5 методом Монте-Карло [9] для каждого значения энергии Е из спектра электронов рассчитывалась поглощенная доза D 0 в каждом кристалле кремния для всех типов корпусов. Корпуса размещались в изотропном поле электронного излучения с флюенсом Φ = 4,1 ∙ 106 см–2. При этом учитывался вклад от вторичных электронов и тормозного излучения. Далее в соответствие с формулой (1) методом численного интегрирования были получены значения суммарных поглощенных доз D в кристаллах кремния за 1 сут. В настоящей работе расчеты проводились для круговой орбиты с углом наклонения i = 30° высотой H = 8000 км. Дифференциальные спектры электронов φ( E ) при максимуме и минимуме солнечной активности (С. а.) были получены с помощью программы OMERE 5.3 [10].

Полученные в результате моделирования зависимости D 0( E ) для кристаллов кремниевых транзисторов в корпусах трех типов представлены на рис. 3. Для каждого типа корпуса показаны семейства из шести зависимостей, которые на графике наиболее заметно различаются для корпуса типа III. Для корпусов типов I и II кривые D 0( E ) всех шести активных элементов платы лежат достаточно близко.

Согласно представленным результатам можно заключить, что все зависимости D 0( E ) имеют одинаковый вид, а именно: с ростом энергии электронов значение поглощенной дозы растет нелинейно. При этом до определенной энергии электронов значение D 0 совсем незначительно. Для корпуса типа I значение этой «пороговой» энергии составляет порядка 1,2 МэВ, а для типов II и III – 2,0 МэВ. Не вызывает особых возражений и то, что электроны с энергией ниже «пороговой» полностью тормозятся стенками корпусов, а накопленная кристаллами доза определяется исключительно низкоэнергетичным вторичным излучением, сгенерированным при взаимодействии первичных электронов с атомами материала стенок. Такой результат согласуется с данными экстраполированного пробега электронов в веществе. Так, у корпуса типа I крышка из ковара имеет наименьшую по сравнению с остальными стенками массовую толщину, равную 0,59 г/см2, и ей соответствует длина экстраполированного пробега электронов с E = 1 МэВ в Fe [11]. Боковые стенки двух других корпусов имеют массовую толщину 1,0 г/см2. В то же время длина экстраполированного пробега электронов с E = 1,5 МэВ в Fe составляет 0,96 г/см2. При этом для электронов с E = 2,0 МэВ длина экстраполированного пробега в Fe равна 1,31 г/см2, а в W – 1,55 г/см2 [11]. Следовательно, электроны с энергией до 2 МэВ активно поглощаются корпусами II и III типов.

Дальнейший рост энергии падающих на стенки корпуса первичных электронов выше «порогового» значения ведет к увеличению энергии и количества частиц, достигающих кристаллы кремния, в результате чего наблюдается существенное возрастание значения D 0 (см. рис. 3). Зависимости D 0( Е ) для корпусов с дополнительными радиационными экранами (II и III типы) лежат значительно ниже, чем таковые для корпуса типа I. Это обусловлено большими значениями суммарных массовых толщин (1,67 г/см2) крышек и оснований корпусов со слоями композита W-Cu.

Опускание слоя композита W-Cu к основанию в конструкции корпуса типа III приводит к существенному увеличению массовой толщины вышележащих частей всех боковых стенок. Здесь электронам необходимо преодолеть не только эти стенки, но и защитный слой композита, чтобы попасть в кристаллы активных элементов (см. рис. 1, d ). Несложно оценить, что суммарная массовая толщина указанных элементов корпуса возрастает до 2,7–3,5 г/см2. При этом суммарные массовые толщины остальных элементов (крышка, основание и части боковых стенок, лежащие ниже слоя композита W-Cu,) остаются такими же, как и у корпуса типа II. Из вышесказанного становится понятно, почему на графике (см. рис. 3) зависимости D 0( Е ) кристаллов транзисторов в корпусе типа III лежат ниже таких же зависимостей, рассчитанных для корпуса типа II.

Рис. 3. Зависимости D 0( E ) для кристаллов кремниевых транзисторов в корпусах трех типов при облучении электронами флюенсом Φ = 4,1 ∙ 106 см–2

Таким образом, можно сделать вывод, что наибольшей эффективностью защиты активных элементов от потоков электронов радиационных поясов Земли обладает корпус типа III. Это полностью подтверждается данными по вычислению в соответствии с формулой (1) суммарных поглощенных доз D в кристаллах кремниевых транзисторов (таблица).

Суммарные поглощенные дозы в кристаллах кремниевых транзисторов, расположенных в корпусах всех типов, от электронов круговой орбиты с углом наклонения i = 30° и высотой H = 8000 км при минимуме и максимуме солнечной активности.

Эффективность радиационной защиты электронных компонентов корпусами от воздействия электронов Ke можно оценить из отношений

Ke =D I/ Dsh , (2)

где D I – накопленная доза кристаллами кремния в корпусе без радиационного экрана типа I, а Dsh – накопленная доза в корпусе с радиационными экранами. Эффективность экранирования корпусом типа II составляет 3,5–3,7 при минимуме солнечной активности и 3,9–4,1 при ее максимуме. Соответственно эффективность экранирования корпусом типа III составляет 6,8–9,3 при минимуме и 7,6–10,7 при максимуме С. а.

В заключение следует отметить тот факт, что значения D кристаллов транзисторов в корпусе типа III явно зависят от их положения на коммутационной плате (см. таблицу). Максимальная разница в накопленной дозе активными элементами в корпусе типа III при минимуме и максимуме солнечной активности составляет 25 и 27 % соответственно. При этом такая же разница для корпусов типов I и II равняется 2–3 % и сопоставима со статистической погрешностью моделирования. Столь большое различие в значениях D для корпуса типа III также вытекает и из расхождениях кривых D 0( E ) (см. рис. 3). Если расположить транзисторы по мере удаленности от двух ближайших боковых стенок (см. рис. 1, а ): VT2 (1,27 и 1,52 мм), VT4 (1,3 и 2,15 мм), VT1 (1,27 и 4,47 мм), VT6 (1,65 и 5,15 мм), VT3 (2,15 и 4,10 мм), VT5 (3,55 и 5,15 мм), то такой порядок соответствует монотонному уменьшению их значения D (см. таблицу). Указанная закономерность позволяет дать следующее объяснение полученным результатам. Выше уже отмечалось, что у корпусов типов II и III массовые толщины крышки и основания больше толщины боковых стенок. Суммарное количество излучения (первичные и вторичные электроны, а также тормозные гамма-кванты), падающего на кристалл от любой стороны корпуса, определяется телесным углом, под которым эта сторона видна из точки расположения кристалла. Очевидно, что величина телесного угла увеличивается с уменьшением расстояния между кристаллом и боковой стенкой, и значение D должно возрастать, что и наблюдается при расчетах для корпуса типа III (см. таблицу). С помощью геометрических построений несложно показать, что этот эффект уменьшается с увеличением высоты стенок, что подтверждается полученными результатами для корпуса типа II.

Для более полного анализа зависимости значения D от положения кристаллов активных элементов на плате необходимо сравнить спектры рассеянных первичных и сгенерированных вторичных электронов, а также тормозных гамма-квантов всеми стенками и защитными экранами корпуса для каждого транзистора. Следует отметить, что одной из возможных причин зависимости значения D от положения кристалла на плате в корпусе типа III может быть также эффект теневого экранирования транзисторами друг друга. При этом изменение размеров корпуса может существенно изменить вид полей ионизирующих излучений. Все эти особенности требуют проведения дополнительных исследований.

Таким образом, с помощью программного комплекса Geant4 рассмотрены способы снижения уровня поглощенной дозы D кристаллами активных элементов с использованием экранов радиационной защиты на основе композита W-Cu в гибридных металлических корпусах блоков радиоэлектронных средств четвертого поколения при воздействии электронов круговой орбиты с углом наклонения i = 30° высотой H = 8000 км. Показано, что увеличение массовой толщины основания и крышки корпусов экранами до значения 1,67 г/см2 позволяет снизить дозовую нагрузку в 3,5–3,7 раза при минимуме и 3,9–4,1 раза при максимуме солнечной активности. Оптимизация защиты путем опускания верхнего слоя композита W-Cu к основанию до высоты 1,2 мм уменьшает значение D в 6,8–9,3 раза при минимуме и 7,6–10,7 раза при максимуме солнечной активности.

Список использованных источников:

1. Новые материалы локальной радиационной защиты / Г. Ефремов [и др.] // Физика и химия обработки материалов. – 2003. – № 1. – С. 34–37.
2. Заболотный, В. Т. Оптимальные составы для локальной защиты бортовой электроники от космической радиации / В. Т. Заболотный, Е. Е. Старостин, А. В. Кочетков // Физика и химия обработки материалов. – 2008. – № 5. – С. 15–18.
3. Специализированные радиационно-защитные корпуса для изделий микроэлектроники / Н. А. Василенков [и др.] // Технологии в электронной промышленности. – 2015. – № 4.– С. 85–88.
4. EffectivenessofIСshieldedpackagesagainstspaceradiation / J. P. Spratt [et al.] // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 1997 – Vol. 44, № 6. – P. 2018–2025.https://doi.org/10.1109/23.658984.
5. Shielding considerations for satellite microelectronics / W. S. Fan [et al.] // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 1996. – Vol. 43, № 6. – P. 2790–2796. https://doi.org/10.1109/23.556868.
6. Экраны локальной радиационной защиты изделий микроэлектронной техники / Ю. В. Богатырев [и др.] // Вопр. атом.науки и техники. Сер. Физика радиац. воздействия на радиоэлектрон. аппаратуру.– 2014. – Вып. 4. – С. 53–56.
7. Белоусов, Е. Л. Конструирование блоков бортовой авиационной аппаратуры связи / Е. Л. Белоусов, М. Н. Ушкар. – Н. Новгород: НГТУ, 2005. – 237 с.
8. Чумаков, А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы / А. И. Чумаков. – М.: Радио и связь, 2004. – 320 с.
9. Geant4 [Electronic resource] // Geant4 Collaboration. – Mode of access: http://geant4.web.cern.ch/. – Date of access: 20.09.2019.
10. OMERE 5.3. [Electronic resource] // TRAD Tests & Radiations. – Mode of access: https://www.trad.fr/en/space/omere-software/. – Date of access: 15.11.2019.
11. Баранов, В. Ф. Дозиметрия электронного излучения / В. Ф. Баранов. – М.: Атомиздат, 1974. – 232 с.