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  电子元器件和系统加固
出处:嵌入式技术网 时间: 2007-11-15

概念定义: 电子元器件和系统在高能核辐射环境中要受到中子、γ射线辐照及瞬时效应等的影响,为了提高核环境下工作的电子元器件和系统的有效性和适应性,需对电子元器件和系统进行抗核加固研究,主要是提高电子元器件和系统的自身的抗核加固能力。 研究范围:主要包括:1.各种电子元器件的抗核辐射能力;2.大规模、超大规模集成电路的抗核辐射能力;3.屏蔽技术的研究。

(一) 发展过程 50年代末--60年代末 需求动力: 随着核打击技术和核防护技术的发展,使得军用电子元器件和系统、导弹上使用的电子元器件和系统、以及卫星上的电子元器件和系统的抗核加固能力的研究工作越来越重要,它是保障导弹、卫星和各种军事装备与武器的生存能力、应变能力和作战能力的基础。 主要特点: 1.基础研究和国防应用研究活动都十分活跃,研究内容广泛,成果层出不穷。 2.各国政府都十分重视此领域的研究活动,投入了大量的资金,军用、民用的电子元器件和系统都得到发展。 70年代初--70年代末 需求动力: 核武器的发展对电子元器件和系统的抗核加固能力提出了更高的要求;电子技术的发展不仅直接对武器系统的先进性产生影响,而且还影响着民用电子工业的发展。为此,各国都投入大量资金开展此领域的研究工作。 主要特点: 1.就世界各国的发展来看,此阶段为电子技术的高速发展阶段,但就美国而言,此时的发展速度较前一时期慢。 2.美国国防部曾一度削减了对电子元器件和系统的投资,这不仅使电子技术的发展受到影响,而且使其武器系统的先进性的明显优势也迅速消失。 3.对分立元件的抗辐射容限、阈值、极限等都进行了系统的试验,加固技术也逐渐成熟。 70年代末--90年代初 需求动力: 为加速军用电子系统、航天器上的电子系统和导弹上的电子系统的抗辐射能力的提高,满足军事和航空航天工业的需要,各国政府都投入大量资金支持该领域的研究工作。 主要特点: 1.投资多、发展快,即各国政府对电子元器件和系统的发展的投资多,这不仅能够促进军用电子技术的发展,而且还能推动民用电子工业的发展;在大量投资的基础上,水平提高得较快,成果转化为军事应用,使各系统的整体水平不断提高。 2.竞争激烈、各有优势,即:由于各国都十分重视该领域的研究工作,使得某一国很难形成垄断,呈现出激烈的竞争局面。 3.注重大规模集成电路和超大规模集成电路的加固研究工作。 

(二) 现有水平及发展趋势  为了保证军事、航空航天和空间系统在核辐射环境下的生存能力、应变能力和作战能力,国外十分重视对电子元器件和系统的抗辐射能力的研究。国外不仅对分立元件的抗核辐射容限、阈值等进行了系统性研究,而且对大规模集成电路和超大规模集成电路也作了类似的实验研究。 80年代初期通常使用的电子元器件和系统的加固技术为常规或介质隔离的双极加固技术,该技术是第一种能满足需要的、成熟的高水平加固水平,但在集成度方面远比新技术低。尽管硅双极加固技术在不断的改进、提高,在一些场合也得到应用,但它已逐渐被新技术所替代。 体硅CMOS(互补金属氧化物半导体器件)技术是继双极技术之后的一种加固技术。CMOS器件结构本身的特殊性使其具有很高的抗中子辐射的固有能力。由于SDI计划中的卫星或导弹对地球周围或其它地方发生的核爆事件必须瞬时作出反应,以空间为基础的电子系统要进行极大量的计算,其器件所要达到的信息存储能力是前所未有的,小容量存储器(4K位和16K位)是远不能胜任的,所以,由IBM公司和霍尼维尔(Honeywell)公司采用在晶体管周围作一硅墙或硅槽的隔离方法制出的抗辐射的体硅CMOS64K位静态随机存取存储器(SRAM),使人们对已冷落了的体硅CMOS加固技术已刮目相看了。体硅CMOS在工艺技术方面也不断发展,IBM公司已突破1.0μm,正向1.0~0.5μm进军;IBM和Honeywell公司正在研制256K位的SRAM。 SOS-CMOS技术是在合成蓝宝石绝缘衬底上制作硅CMOS集成电路。使用SOS技术制出的器件具有很高的抗辐射能力,比体硅CMOS器件高10~100倍。目前SOS技术中的器件设计规则为1.25μm,专家估计这已挖掘出该技术的全部潜力。在SOS材料方面,美国的一些公司都从日本进口。该技术存在的问题与材料有关。 SOI-CMOS技术是近年来成熟起来的一种加固技术,其芯片成品率为SOS的两倍,其备用功耗比体硅CMOS小三个数量级。德克萨斯仪器公司、哈里斯公司等采用该技术已制出64K位的SRAM,其性能和抗辐射能力都与SOS的相当。该技术存在的问题是在衬底内部制作绝缘层所需要的离子注入设备十分昂贵。 GaAs(砷化镓)器件的速度比其它技术制作的相应器件快5~10倍,且抗总剂量辐射能力也无与伦比,故该技术在军用领域十分受重视。采用先进工艺制造的GaAs器件的加固水平极高,如:抗总剂量能力为107~108rad(GaAs);瞬时翻转为1014~1011rad(GaAs)/s;单粒子翻转为~10-7故障/bit-d;抗中子辐照能力为~1016n/cm2。 就电子元器件和系统的加固技术的发展看,其未来的发展趋势和特点是:A.高技术、高投资;B.加固技术竞争激烈,老技术得以改进、提高,新技术迅速成熟;C.砷化镓技术仍引人注目,工艺方法急待发展与提高。  在电子元器件和系统的抗核加固技术领域中,美、日、西欧、前苏联等国的技术发展较快,居于世界前列。其中,美、前苏联两国的战略导弹的抗核加固水平已经达到安全半径为距爆心2~3km,即其内的电子元器件和系统的加固水平为:抗中子能力为6×1014n/cm2水平,抗γ射线总剂量为~106rad(Si)水平。 在双极型和CMOS型器件的抗辐射加固技术方面,各国的技术差距较少,而在新型的GaAs技术方面则存在着明显的距离,日本的GaAs技术已居于世界领先,美国次之,前苏联在该领域与美、日存在着一定的距离。为了缩短美国与日本的距离,美国已投资建立生产线以生产出美国最大的、最复杂的GaAs存储器和逻辑芯片,并特别强调了降低芯片废品率的重要性。  投资状况: 自1983年以来,电子元器件和系统的加固工作受到高度重视,美国自1984年以来已投资25亿美元,1990年度拨额0.52亿美元。美国对军用电子器件芯片的投资估计为每年30亿美元,其中抗辐射加固芯片的投资额约占5%,即每年约为1.5亿美元,用于研究芯片经受总剂量、剂量率、中子辐射及单粒子效应的综合能力。美国国防部于1991年对GaAs技术投资2.25亿美元,用于降低单片微波集成电路的成本,以及CAD、组装、测试等技术。 

(三) 主要研究机构  美国霍尼韦尔航空航天系统公司电子设备部(Honeywell Space&Ariation System Electron Component),主攻技术及工程: 主要研制用于卫星的机电设备和电磁运动控制器件。  哈里斯公司(Harris Corporation),主攻技术及工程:主攻技术:半导体、通讯、电子系统等。  得克萨斯仪器公司(Texas Instruments Incorporated),主攻技术及工程:主攻技术:元器件、数字产品、电子防御产品等。



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