Диссертация (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 14

Основная задача этого блокарегистрации данных иобеспечение возможности обработки полученной информации в ЭВМ[88].Для защиты дорогостоящего блока АЦП от пробоя образца в схеме усиленияприняты специальные меры по его защите. Общая блок схема и внешний видпредставлены на рис 4.2 и 4.3:89Рисунок 4.2 Внешний вид измерительной ячейкиРисунок 4.3 Блок-схема измерительной ячейкиДинамический вакуум в рабочей камере поддерживается на уровне2.10-5 мм рт.ст. последовательной работой форвакуумного и диффузионногонасосов. Охлаждение ловушки диффузионного насоса жидким азотомпозволяет повысить степень вакуума до 7  10-4 Па.Конструкция измерительной ячейки представлена на рис. 4.4.90Коэффициент обратного отражения электронов от материала заслонки1 был измерен при помощи цилиндра Фарадея 5 и для всех возможныхзначений ускоряющих напряжений и токов оказался равным 0,3.

Образецполимера 4, вырезанный из пленки с помощью шаблона, представляет собойкруг диаметром 40 мм с симметрично напыленными серебрянымиэлектродамидиаметром 32 мм. Сопротивление напыленных слоев непревышает 5 Ом. Контакт с напыленными электродами обеспечивается припомощи стальных вкладышей и самарий-кобальтовых магнитов. Надежностьконтактовпроверялипослекаждойустановкиобразца,измеряясопротивление между парой магнитов и парой вкладышей .Крометого,передоткачкойкамерыобразцыпредварительноиспытывали на электрическую прочность при напряженности электрическогополя 2107 В/м.Измерительная система заключает в себе диафрагму для контроляпоступленияэлектронногопучкаиеготокасподсоединеннымосциллографом, цилиндр Фарадея с контактами и помещенным внутрьобразцом, а также заслонку с подсоединенным к ней питанием иосциллографом первичного контроля пучка.91Рисунок 4.4 Поток электронов задерживается заслонкой 1 и ограничивается диафрагмой 2,затем попадая на образец 4 с напыленными серебряными электродами 3 и цилиндромФарадея 5Рисунок 4.5 Схема усилителя сигналов на ОУ OP177 c использованием защитного TVSдиода UCLAMP3301DУсиление сигнала происходит в отдельном блоке, на микросхемахоперационных усилителей, схема представлена на рис 4.592Операционныйпостоянноготокаусилительсочень–этобольшимдифференциальныйкоэффициентомусилительусиленияинесимметричным входом, всегда подключенный по схеме с обратной связью.В нашем случае используется усиление по напряжению в схеме синвертирующим подключением.

Коэффициент усиления задается паройсопротивлений в схеме подключения [89]. В теории, он мог бы быть скольугодно большим, однако это невозможно – операционный усилитель несможет усилить сигнал больше уровня подаваемого на него напряженияпитания.[90] Современные ОУ предъявляют достаточно гибкие требованияпо питанию, нами были выбраны прецизионные усилители OP177 фирмыAnalog Devices. Два усилителя подключены последовательно, таким образомпервый работает как усилитель с коэффициентом усиления 20, а второй, какповторитель – с коэффициентом 1. Микросхемы на плате находятсянепосредственно в вакуумной камере в полностью заэкранированномкорпусе, ввиду этого питание подается через отдельный разъем.

Внешнийвид приведен на рисунке 4.6.93Рисунок 4.6. Блок усиления сигналов в экранеДля защиты микросхем и АЦП был использован TVS (transient voltagesuppression)-диод UCLAMP3301D [91] Полупроводниковые TVS-диоды —полупроводниковые приборы с резко выраженной нелинейной вольтампернойхарактеристикой,подавляющиеимпульсныеэлектрическиеперенапряжения, амплитуда которых превышает напряжения лавинногопробоя диода.В нормальном рабочем режиме TVS-диод должен быть «невидим», тоесть не влиять на работу защищаемой цепи до момента возникновенияимпульса перенапряжения.

Электрические характеристики TVS-диода недолжны оказывать никакого влияния на нормальное функционированиецепи.Во время действия импульса перенапряжения TVS-диод ограничиваетвыброс напряжения до безопасного [92], в то время как опасный токпротекает через диод на землю, минуя защищаемую цепь. Не следует путать94TVS-диоды с кремниевыми стабилитронами (диодами Зенера). TVS-диодыразработаныипредназначеныдлязащитыотмощныхимпульсовперенапряжения, в то время как кремниевые стабилитроны предназначеныдля регулирования напряжения и не рассчитаны на работу при значительныхимпульсных нагрузках.TVS-диодобладаетвысокимбыстродействиемвотличиеотгазоразрядных ограничителей (разрядников), которые из-за значительноговремени срабатывания (более 0,15 мкс) не решают проблемы защиты многихполупроводниковых приборов и микросхем, поскольку для них недопустимыначальные выбросы напряжения, пропускаемые разрядниками.Преимуществом TVS-диодов перед разрядниками является еще то, чтонапряжение пробоя у них ниже напряжения ограничения (у разрядников онозначительно выше напряжения поддержания разряда), поэтому при ихприменении защищаемые ими цепи не шунтируются после прохожденияимпульса тока переходного процесса, как это имеет место у разрядников.4.4Исследованиематериаловпутемихоблучениямоноэнергетическими потокамиИнтенсивное использование пучков моноэнергетических электронов сэнергией в интервале 20−50 кэВ с целью изучения объемного заряженияполимерных пленок и внутренних электрических полей в них началось ссередины 1970-х годов, в основном трудами Гросса и сотрудниками.

[93−96].Дляполученияпучковмоноэнергетическихэлектроновприменялиэлектронные пушки, облучение проводили в вакууме при комнатнойтемпературе,вкачествеобразцовиспользовалидвухстороннеметаллизированные пленки полимеров, а измеряли токи, стекающие спереднего (облучаемого) и тыльного электродов (в случае, когда пробегэлектронов был меньше толщины пленки, метод получил названиерасщепленного цилиндра Фарадея).

Проведенные исследования позволили95оценить радиационную электропроводность (РЭ) полимеров, а также поля вобъеме полимера. Оказалось, что в толстом органическом стекле при егооблучении электронами с энергией порядка 2 МэВ достигались пробойныезначения поля (5−7) МВ/см и наблюдался объемный пробой на один изэлектродов с образованием характерного дерева пробоя (фигур Лихтенберга).Однако уже в начале 1980-х годов центр тяжести этих исследованийсместился на изучение условий образования электростатических разрядов(ЭСР) при облучении односторонне металлизированных полимерных пленок,облучаемых моноэнергетическими электронами с энергией 20-30 кэВ состороны открытой поверхности (тыльный электрод заземлялся) [97].

Такоесмещение акцента исследований диктовалось запросами космическойтехники.Выяснилось,чтонакосмическихаппаратах(КА)нагеостационарной орбите происходит дифференциальная зарядка поверхностии наблюдаются многочисленные разряды, приводящие к сбою аппаратуры, ав ряде случаев и выходу всего КА из строя. Причиной дифференциальнойзарядки служат потоки электронов с энергией 1-100 кэВ, возникающие вмомент магнитной суббури и достигающие значений порядка 1 нА/см2 дляэлектронов с энергией порядка 20 кэВ [98].Основной задачей этих исследований стало выяснение причинвозникновения ЭСР и зависимости энергии этих разрядов от условийоблучения (энергия электронов, плотность потока, наличие или отсутствиеУФ-света, температура и степень вакуума).

Было установлено, что ЭСРопределенно могут быть двух типов: возникающие при объемном пробоеполимера на подложку (ЭСР-ОП) и при скользящем пробое вдоль открытойповерхности полимера на ближайший заземленный металлический объект(ЭСР-СП), будь это граница раздела полимера и металла или конструкциявакуумной камеры. Оба эти вида разрядов хорошо известны из физикиэлектрического пробоя твердых, жидких или газообразных диэлектриков.964.5 Методика исследований на электризуемостьРисунок 4.7 Многофункциональная установка для исследований материалов наэлектризуемостьРазработанная методика испытаний образцов на электризуемостьсостоит из следующих этапов или отдельных операций, показанных нарисунке 4.7.a) Наметаллическуюподложку(3)устанавливаетсяобразец(2)испытуемого материала.

При этом принимаются исчерпывающие мерыпо качественной металлизации всех проводящих элементов этогообразца.b) Осуществляется откачка вакуумной камеры (8) для достижениятребуемого значения вакуума 5·10-6 мм рт ст.c) Устанавливается требуемая энергия и плотность тока пучка электроновдля электронной пушки (1). Для полного учета методических факторовизмеряется распределение плотности тока пучка электронов вплоскостиобразца.приспособления(5)СэтойцельюперемещаетсяприпомощицилиндрнесложногоФарадея(7)с97ограничивающей диафрагмой диаметром 2 мм в двух взаимноперпендикулярных направлениях по радиусу электронного пучка ирегистрируется ток цилиндра в различных точках. Неравномерностьплотности пучка по площади образца не превышает 25 % в рабочейобласти, что вполне удовлетворяет поставленным задачам.d) Через интервалы времени 10с, 20с и 60с проводятся измеренияповерхностного потенциала (4,5).

Датчик для измерения потенциалаповерхности выполнен на основе динамического конденсатора и имеетвозможность перемещения в требуемую точку над поверхностьюоблучаемогообразцаконструкционногоматериала.Приэтомопределяется время достижения максимального потенциала.e) Облучение каждого образца проводится в течение 30 минут, при этомавтоматическификсируютсяЭСРнаповерхностиобразца.Количественные измерения параметров ЭСР проводятся с помощьюпояса Роговского (6), нагруженного на 50-омный резистор иподключенного к одному из каналов осциллографа Tektronix-3032B.Пояс Роговского (бесконтактный трансформаторный датчик тока)предназначен для бесконтактного измерения быстро изменяющегося(импульсов) тока в проводнике [99,100]f) Погрешность измерения величиныповерхностного потенциала непревышает 10%, параметры ЭСР определяются с погрешностью 20%.В результате экспериментальных работ получено, что значениеповерхностного потенциала всех образцов модельных диэлектриков непревысило 20 В, разряды ЭСР не наблюдались, в отличие от сравнительныхтестов с чистым диэлектриком (парафином), где наблюдались выраженныеразряды с частотой 2-5 раз в минуту уже к третьей минуте с началаоблучения.Выводы к 4 главе.