Электроника из карбида кремния может работать на Венере без защиты и охлаждения


f7cefb0457aa3082cd0893e27e381d02.jpg
Справа: 1 марта 1982 года посадочный модуль «Венера-13» совершил мягкую посадку на поверхность Венеры и сбросил защитную крышку с камеры. Слева: попытка взять пробу венерианского грунта

Венера отличается крайне враждебными природными условиями. Из-за большого количества парниковых газов там крайне высокая температура (около 460°C) и давление около 9,4 МПа, примерно в 90 раз больше земного. Дополнительная проблема заключается в высокой концентрации SO2 в атмосфере (около 180 ppm у поверхности). Этой концентрации достаточно для формирования плотных кислотных облаков толщиной в десятки километров.

Из-за таких проблем разработчикам прошлых и нынешних космических аппаратов приходится внедрять экстраординарные меры для защиты кремниевых микросхем: это мощные корпусы высокого давления и/или системы охлаждения для защиты критически важной электроники. Установка защиты сильно повышает массу аппарата и стоимость миссии. С такой защитой абсолютный рекорд по времени работы на поверхности Венеры для земного аппарата составляет 2 часа 7 минут. Рекорд принадлежит межпланетной станции «Венера-13», спускаемый аппарат массой 1644 кг, посадочный модуль 750 кг.
a5ddd7329a42d7aa5928dee35c10f030.jpg
Посадочный модуль «Венера-13»

Группа инженеров из Исследовательского центра НАСА им. Дж. Г. Гленна предложила новый материал для электронных схем, который позволит кардинально повысить выживаемость аппарата и снизить стоимость миссии. Для изготовления электроники они предлагают использовать новый материал.

В последние годы состоялось несколько впечатляющих экспериментов с надёжностью микросхем из карбида кремния (4H-SiC). В одном из предыдущих опытов та же группа из центра Гленна изготовила микросхемы из 24 полевых транзисторов с затвором на основе перехода (JFET), двумя уровнями металлических межсоединений и керамическим корпусом. Микросхемы устойчиво функционировали в печи при температуре 500°C в течение 1000 часов. Но те опыты проводились в земной атмосфере, поэтому сейчас группа подготовила ещё один эксперимент, на этот раз в кислотной атмосфере и под давлением.

Были изготовлены две интегральные схемы кольцевых генераторов на транзисторах JFET из карбида кремния. Кольцевые генераторы выбрали в первую очередь, потому что они работают с минимальным количеством металлических межсоединений (один выходной сигнал в придачу у стандартным +VDD, GND, и -VSS на питание). К тому же это принятый стандарт для демонстрации логических интегральных схем, их выходной сигнал можно различить даже в условиях существенных электрических помех.

Для тестирования изготовили трёх- и 11-ступенчатый кольцевые генераторы. Их без всякой защиты поместили в физические и химически условия, соответствующие атмосферным условиям на поверхности Венеры. Опыт проходил в лаборатории экстремальных условий окружающей среды Исследовательского центра НАСА им. Дж. Г. Гленна — в камере объёмом 800 литров NASA Glenn Extreme Environments Rig (GEER).

cd4a12472815c02bb80e7aea24066c18.jpg
Камера GEER в Исследовательском центре НАСА им. Дж. Г. Гленна для тестирования оборудования в экстремальных условиях внешней среды

Чтобы снимать показания с чипа во время тестирования в камере был сконструирован специальный сквозной зонд, конец которого находился в камере. На иллюстрации показан этот конец зонда с интегральной схемой 11-ступенчатого кольцевого генератора до и после тестирования.

857e905ac529d8443624dba4b4fbf291.jpg

Микросхему упаковали в корпус 3×3 мм, электрические сигналы получали кабелю из четырёх проводов из сплава Nickel 201. Изоляция проводов выполнена из керамической теплоизоляции с дроблёным оксидом магния в оболочке из Инконеля 600. Чтобы изолировать зонд в камере GEER, концы с обеих сторон запечатали многократными циклами вулканизации жаропрочного стекла Ferro 1180A.

На один конец зонда установили крышку с отверстиями, через которые внутрь проникала кислотная атмосфера Венеры. Её видно на фотографии (b) вверху (Mesh Screen).

Перед отправкой «на Венеру», то есть в камеру GEER, интегральные схемы и зонды отработали более 47 часов в печи с земной атмосферой при температуре от 460°С до 480°С, а затем ещё 56 часов в камере GEER с умеренными условиями — температурой 460°С, в азотной атмосфере и под давлением 9,0 МПа. Только после этого в камеру подали SO2 и подняли давление.

Опыт в симуляторе венерианской атмосферы продолжался 21,7 суток. Сигналы от чипов из камеры по 14-метровому кабелю передавались на инструменты под компьютерным управлением, расположенные в безопасном месте. Питание 24 В на них передавалось таким же способом.

43932ef20909564983b8853fe39c7ac6.jpg

Как показано на графике, 3-ступенчатый кольцевой генератор отработал полностью 521 час эксперимента на стабильной частоте 1,26±0,05 МГц, а 11-ступенчатый отработал на частоте 245±5 МГц около 109 часов, после чего сигнал начал затухать и пропал через 161 час. Однако изучение микросхемы после эксперимента показало, что она осталась в полностью рабочем и функциональном состоянии.

d38d2d34d9b4742f4e687d7d895ba2ed.jpg
Результат работы 11-ступенчатого кольцевого генератора в камере GEER (вверху) и после извлечения из неё в конце эксперимента (внизу)

Научная статья опубликована в декабре 2016 года в журнале AIP Advances (doi:  10.1063/1.4973429).

© Geektimes