308

Глава 11 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

11.1МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК

11.1.1Метод прогнозирования работоспособности ЭРИ к воздействию электрических и тепловых нагрузок в КА негерметичного исполнения

Методы прогнозирования работоспособности ЭРИ к воздействию электрических и тепловых нагрузок должны быть разделены на две части в зависимости от гарантируемой по ТУ наработки ЭРИ:

•для ЭРИ, удовлетворяющих требованиям по наработке, предъявляемой к КА;

•для ЭРИ с недостаточной наработкой.

Данное различие вызвано тем, что для первого случая известна и приведе-

на в ТУ максимально допустимая температура кристалла (активной области) ЭРИ, а для второго она требует определения и чаще всего экспериментальными методами.

В отношении к тепловым эффектам все применяемые в КА ЭРИ можно условно разделить на три группы:

•к первой группе относятся ЭРИ, конструкция которых обеспечивает (в идеальном случае) равенство температуры корпуса ЭРИ и температуры посадочного места. Это - мощные транзисторы, диоды, микросхемы, в конструкции которых предусмотрено крепление на теплоотводах. Для этих ЭРИ оценивается возможность обеспечения работоспособности при заданной температуре корпуса;

•ко второй группе относятся ЭРИ, тепловые режимы которых существенно зависят от конкретных способов монтажа в аппаратуре. Работоспособность их, особенно, при пониженном давлении (для негерметичных КА) часто может быть гарантирована только при обеспечении снижения до-

309

пустимой мощности рассеяния. Это касается резисторов, маломощных транзисторов, диодов, оптоэлектронных приборов, ИС и т.д.;

•третья группа - это не тепловыделяющие ЭРИ: конденсаторы, изделия пьезоэлектроники, герконы, изделия из ферритов и магнитодиэлектрики и т.д.

Допустимые тепловые и электрические режимы работы ЭРИ определяются максимально допустимой температурой кристалла (для полупроводниковых ЭРИ), резистивного элемента (для резисторов) и так далее. В общем виде эту температуру можно определить как температуру активной области ЭРИ. Температура активной области есть функция от коэффициента нагрузки и температуры, в качестве которой в герметичном КА выступает температура окружающей среды, а в негерметичном - температура посадочного места ЭРИ:

Тс = f (Т, Kн ) , где

Тс - температура активной области (p-n перехода и т.д.) ЭРИ, °С;

Т - температура окружающей среды (посадочного места), °С;

Кн - коэффициент электрической нагрузки.

Температура активной области ЭРИ определяется из выражения:

Тс = Т + Т , где

Т- перегрев ЭРИ за счет выделяемой электрической мощности.

Всвою очередь

Т= Rt Ptot Kн , где

Rt - суммарное тепловое сопротивление рабочий элемент ЭРИ – среда для герметичных КА и рабочий элемент -посадочное место для негерметичного КА, °С/Вт;

Рtotмощность рассеяния ЭРИ в нормальных условиях, Вт.

Из приведенного ясно, что температура активной области (p-n перехода и т.д.) ЭРИ будет определяться соотношением:

Тс =T + Rt Ptot Kн

вкотором Тс есть величина "абсолютная", определенная либо из данных ТУ либо по результатам экспериментов. Переменными величинами в данном

310

выражении являются температура среды (посадочного места) Т и суммарное тепловое сопротивление Rt. Температура среды зависит от принятой системы терморегулирования (для герметичных КА), температура посадочного места (для негерметичных КА) - от конструкции КА, от величины мощности, выделяемой аппаратурой, от режима ее работы и должна определяться для каждой конкретной БА, и по отношению к ЭРИ выступает как внешнее воздействие. Поэтому величиной остающейся в "распоряжении" разработчика БА, с целью обеспечения максимальной допустимой мощности ЭРИ, а значит в итоге и минимальных массогабаритных характеристик БА, является суммарное тепловое сопротивление: активная область ЭРИ – окружающая среда (посадочное место).

Подход к обеспечению допустимых тепловых режимов ЭРИ изложен в справочнике [29] однако практическое использование для ЭРИ, применяемых в негерметичных КА, затруднено:

•рекомендации по снижению электрических нагрузок приведены только для некоторых конкретных типов ЭРИ при их монтаже пайкой за выводы;

•не учтено необходимое снижение допустимой температуры кристалла ИС с учетом длительной работоспособности;

•не содержится подхода к правилам применения ЭРИ при различных вариантах монтажа, что неизбежно приведет к занижению допустимой элек-

трической нагрузки ЭРИ, а значит к увеличению массогабаритных характеристик БА.

Поэтому ниже предложен более детальный подход к обеспечению допустимых электрических и тепловых режимов ЭРИ, применяемых в негерметичных КА, с учетом различных способов монтажа и температур посадочных мест ЭРИ.

По установившимся правилам оценку работоспособности ЭРИ в условиях пониженного давления до 10-13 мм рт.ст. по тепловым эффектам проводят исходя из следующих предпосылок:

•в соответствии с [95] для ЭРИ, предназначенных для эксплуатации при давлении Р=10-9 мм рт.ст., допускается проводить испытания при Р=10 -6 мм рт.ст.;

311

•в соответствии с ОТУ на ИС и полупроводниковые приборы [96, 97] допускается их применение в условиях пониженного давления до 10-13 мм рт.ст. при соблюдении конструктивных мер, обеспечивающих температурный режим, установленный в НТД. Так в справочнике [98] указано, что для моделирования теплового воздействия космического вакуума с

погрешностью 1% достаточно создать в вакуумной камере давление Р =10- 3 мм рт. ст. При этом теплоотвод за счет теплопроводности воздуха и конвекции пренебрежимо мал и отвод тепла осуществляется только кондуктивным методом.

Однако непосредственное воздействие вакуума может проявиться и в возникновении электрических разрядов между выводами ЭРИ и в сублимации материалов, из которых они изготовлены.

Возникновение электрических разрядов связано с электрической прочностью среды (закон Пашена), которая минимальна в области давлений от 30 до 102 мм. рт. ст. и составляет не менее 300 В [29]. Таким образом в электрических цепях с напряжением менее 300 В статического электрического пробоя быть не может, а бортовое напряжение (23 ÷ 34)В.

Явление сублимации материалов не окажет влияния на работоспособность ЭРИ, так как положительная максимальная температура, при которой этот процесс имеет практическое значение значительно (не менее чем в 10 раз) превышает температуру ЭРИ в герметичном и негерметизированном КА [99].

Таким образом, проблема эксплуатации ЭРИ при давлении до Р=10-13 мм рт.ст. (по тепловым эффектам) сводится к обеспечению нормированного теплового режима.

В дальнейших рассуждениях сделано следующее допущение: теплообмен излучением пренебрежительно мал по сравнению с кондукцией по конструкции.

Принципиально возможны два варианта монтажа ЭРИ:

•крепление только за выводы пайкой;

•крепление за выводы пайкой с приклейкой корпуса к печатной плате. Для данных вариантов монтажа можно привести эквивалентные тепловые

модели:

Крепление за выводы пайкой:

Крепление за выводы пайкой с приклейкой корпуса к печатной плате:

Rtпл1 - тепловое сопротивление печатной платы под выводами ЭРИ, °С/Вт;

Тпл - температура печатной платы, °С;

Rtвыв - тепловое сопротивление выводов ЭРИ, °С/Вт;

Rtпл2 - тепловое сопротивление печатной платы под корпусом ЭРИ, °С/Вт; Rtс-кор - тепловое сопротивление рабочий элемент ЭРИ - корпус ЭРИ °С/Вт.

В свою очередь тепловые сопротивления определяются из выражений:

j, jk - толщина печатной платы, слоя клея под ЭРИ соответственно, м; n- число выводов ЭРИ;

S, Sэри - площадь печатной платы под выводами ЭРИ и площадь корпуса ЭРИ со стороны печатной платы, м2;