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

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.

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).

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.

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 КГц 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.

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