碳化硅电子器件可以在金星上工作而无需保护和冷却


右图:1982年3月1日,Venera-13着陆器在金星表面进行了软着陆,并从相机上取下了保护盖。 左:尝试取样维纳斯土壤

金星的特征是极端恶劣的环境条件。 由于存在大量温室气体,因此存在极高的温度(约460°C)和约9.4 MPa的压力,约为地球压力的90倍。 另一个问题是大气中的SO 2浓度高(表面约180 ppm)。 该浓度足以形成数十公里厚的致密酸云。

由于这些问题,过去和现在的航天器的开发人员必须采取非常规措施来保护硅微电路:它们是功能强大的高压外壳和/或冷却系统,可以保护关键的电子设备。 安装保护装置会大大增加设备的质量和执行任务的成本。 有了这样的保护,地球设备在金星表面的运行时间的绝对记录为2小时7分钟。 该记录属于行星际站Venera-13 ,重量为1644千克的下降飞机和750千克的着陆舱。


登陆模块“ Venus-13”

来自NASA研究中心的一组工程师 J. G. Glenna提出了用于电子电路的新材料 ,它将大大提高设备的使用寿命并降低任务成本。 对于电子产品的制造,他们建议使用新材料。

近年来,已经对碳化硅(4H-SiC)芯片的可靠性进行了一些令人印象深刻的实验。 在先前的一项实验中,来自Glenn中心的同一小组使用24个场效应晶体管制造了微电路,这些晶体管具有基于过渡的栅极( JFET ),两层金属互连和一个陶瓷外壳。 切屑在烤箱中于500°C的温度下稳定运行1000小时。 但是这些实验是在地球大气层中进行的,所以现在该小组已经准备了另一项实验,这次是在酸性环境中并在压力下进行的。

制造了两个用于JFET碳化硅环形振荡器的集成电路。 选择环形发生器主要是因为它们与最少数量的金属互连一起工作(除标准+ V DD ,GND和-V SS以外还有一个输出信号作为电源)。 另外,这是用于演示逻辑集成电路的公认标准,即使在明显的电噪声条件下,也可以区分其输出信号。

为了进行测试,制造了三级和十一级环形发电机。 将它们放在与金星表面对应的大气条件的物理和化学条件下没有任何保护。 经验是在NASA研究中心的极端环境条件实验室中进行的。 J. G. Glenn-装在800升NASA格伦极限环境钻机 (GEER)中。


美国宇航局研究中心的GEER相机。 J. G. Glenn在极端环境条件下测试设备

为了在测试期间从芯片上读取读数,在摄像头中设计了一种特殊的直通探头,探头的末端在摄像头中。 该图显示了测试之前和之后带有11级环形发生器集成电路的探头的这一端。



将微电路装在3×3 mm的外壳中,四根镍201合金制成的电缆接收电信号,绝缘材料为陶瓷绝热材料,并用压碎的氧化镁包裹在Inconel 600制成的外壳中。耐热玻璃Ferro 1180A的固化周期。

在探头的一端安装了一个带孔的盖子,金星的酸性气氛穿过该盖子。 可以在顶部(网格屏幕)的照片(b)中看到它。

在送入金星即GEER室之前,集成电路和探头在460°C至480°C的地球大气环境的炉子中工作了47小时以上,然后又在中等温度的GEER室中工作了56小时在氮气气氛中和9.0 MPa的压力下为460°C。 仅在将SO 2送入腔室并增加压力之后。

金星大气模拟器中的实验持续了21.7天。 摄像机的芯片发出的信号通过一条14米长的电缆传输到安全位置的计算机控制的仪器中。 以相同的方式将24 V电源传输到它们。



如图所示,三级环形发生器以1.26±0.05 MHz的稳定频率在521小时的实验中完全工作,而11级发生器在245±5 KHz的频率下工作了109个小时,此后信号开始衰减并消失。 161小时 但是,实验后对微电路的研究表明,它仍处于完全运行和功能状态。


实验阶段结束时,在GEER室中的11级环形发生器的结果(上)和从中提取后的结果(下)

该科学文章于2016年12月发表AIP Advances (doi:10.1063 / 1.4973429)杂志上。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN401469/


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