Wo man strahlungsharte Komponenten für militärische und Luft- und Raumfahrtsysteme findet

Strahlungsfeste Elektronik ist entscheidend für die Zuverlässigkeit über Kernkraftwerke hinaus.

Am 3. Juni 2020 startete SpaceX die Falcon 9-Rakete, die NASA-Astronauten zum ersten Mal seit dem 8. Juli 2011 in eine niedrige Erdumlaufbahn brachte. Der SpaceX-Start ist historisch, da Elon Musks Unternehmen die erste private Organisation wurde, die Menschen in die Umlaufbahn brachte. Das Weltraumrennen hat nie wirklich geendet, aber die bevorstehende Kommerzialisierung des Weltraums hat neue Türen für eine Vielzahl von Luft- und Raumfahrtunternehmen und neuen Organisationen geöffnet, um Systeme für die niedrige Erdumlaufbahn und darüber hinaus zu bauen.

Was macht diese Systeme zuverlässig und robust genug, um Temperatur-Extreme, mechanische Schocks und andere Gefahren des Weltraums zu überstehen? Eine Gefahr, die für Elektronikdesigner unsichtbar ist, aber die Lebensdauer reduziert, ist Strahlung in niedriger Erdumlaufbahn und im tiefen Weltraum. Die gleiche Gefahr findet sich auch in radioaktiven Umgebungen auf der Erde, wie Kernkraftwerken, Abfalllagern und Teilchenbeschleunigern. Strahlungsfeste Komponenten, oder strahlungsharte Komponenten, werden helfen sicherzustellen, dass Ihr System eine lange Lebensdauer in diesen einzigartig herausfordernden Umgebungen hat.

Was macht strahlungsharte Komponenten anders?

Einfach zu sagen, eine Komponente ist strahlungsfest, ist eine Sache, aber es gibt spezifische Aspekte dieser Komponenten, die sie sehr unterschiedlich von typischen elektronischen Komponenten machen, die Sie auf dem Markt finden. Die Unterschiede finden sich im tatsächlichen Schaltungsentwurf in einem IC sowie im Verpackungsdesign.

Es gibt zahlreiche Ereignisse, die berücksichtigt werden müssen, wenn man strahlungsfeste Komponenten und elektronische Systeme auswählt oder entwirft. Die Komponenten müssen verschiedenen Arten von Schadensmechanismen widerstehen können, und verschiedene Schadensmechanismen können in unterschiedlichen Umgebungen dominieren. Vier prominente Schadensmechanismen sind wie folgt:

• Gesamtionisierungsdosis (TID). Diese Metrik quantifiziert den Strahlungsschaden, den eine Komponente durch kontinuierliche Exposition gegenüber ionisierender Strahlung erleidet. Kontinuierliche Ionisierung führt mindestens zu Ladungsaufbau und Einfangen in Halbleiteroxiden, was den Leckstrom erhöht und zufällige Bias-Verschiebungen in Schaltungsbereichen verursacht.

• Protonen- und Neutronenversetzungsschäden. Dieser Effekt tritt auf, wenn hochenergetische subatomare Partikel mit Atomen im Halbleitergitter kollidieren. Diese hochenergetischen Partikel können Atome versetzen und Zwischengitterdefekte im Gitter erzeugen. Dies ist ein großes Problem bei radioaktiven Bildgebungsgeräten, wo durch Defekte induzierte Pixel zu erhöhtem Dunkelstrom führen.

• Transiente Dosis-Effekte. Diese Effekte treten während Ereignissen mit hohem Strahlungsfluss auf, wie beispielsweise bei einer nuklearen Explosion. Die Explosion erzeugt Photostrom durch das Halbleiter-Die, was dazu führt, dass Transistoren zufällig öffnen und logische Zustände in Logikschaltungen sich ändern. Permanente Schäden können während langer Pulse auftreten, oder Verriegelungen können während Ereignissen mit hohem Gammastrahlen-/Röntgenstrahlenfluss auftreten. 

• Einzelereigniseffekte (SEE). Diese Klasse von Ereignissen umfasst viele verschiedene Effekte, die in einem integrierten Schaltkreis auftreten können. Einzelne Transistoren oder andere Bereiche eines IC können Latchup-Effekte erfahren, Bit-Flips können in einem Register oder einem anderen Teil des Systems auftreten, Ausbrennen kann bei in Durchlassrichtung vorgespannten MOSFETs geschehen, sowie andere Effekte. SEE-Ereignisse

Verschiedene Arten ionisierender Strahlung erzeugen unterschiedliche Effekte auf Elektronik und organische Verbindungen.

Strahlungsfeste Komponenten sind darauf ausgelegt, einige dieser Effekte zu widerstehen, was von der Umgebung abhängt, in der das Gerät eingesetzt wird. Die typische Spezifikation, die zur Quantifizierung der Strahlungsfestigkeit verwendet wird, ist die Gesamtabsorptionsdosis (oder TAD, gemessen in Einheiten von rad). Nicht alle TAD-Metriken sind gleich, da der Wert, den Sie benötigen, von der Umgebung und dem Strahlungsschadenseffekt abhängt, dem Sie widerstehen müssen. Die Gesamtlebensdauer des Geräts hängt dann vom Strahlungsfluss in der Umgebung ab (d.h., TAD/Fluss = Lebensdauer).

Strahlungstolerante vs. Strahlungsfeste Elektronik

Der Unterschied zwischen strahlungstoleranten und strahlungsfesten Komponenten mag lexikalisch erscheinen, doch diese beiden Klassen von kommerziellen und militärischen Produkten sind sehr unterschiedlich. Der Umfang der Unterschiede könnte Schaltungsdesign, Layout, Herstellungsprozess, Verpackung oder etwas völlig anderes umfassen. Komponentenhersteller werden ihr Geheimrezept für die Herstellung ihrer strahlungstoleranten vs. strahlungsfesten Komponenten nicht preisgeben.

Obwohl es schwierig sein kann zu sehen, welche spezifischen Prozesse und Designaspekte diese beiden Klassen von Komponenten unterscheiden, sind die Unterschiede in der TAD-Spezifikation zu sehen. Strahlungstolerante Komponenten sind in der Regel als zuverlässig bis zu einem Limit unter 100 krad spezifiziert, während strahlungsfeste Komponenten weit über diesem Limit liegen können. Strahlungstolerante Komponenten eignen sich für Systeme in niedrigerer Höhe, die bereits geringere Strahlungsdosen erhalten. Dies hilft auch, den Antrieb für kostengünstigere militärische und Luft- und Raumfahrtsysteme zu befriedigen.

Es ist wichtig zu beachten, dass einige kommerzielle Prozesse von Natur aus strahlungstoleranter oder -fester sein werden. SiGe ist ein Transistormaterial, von dem bekannt ist, dass es bis zu Mrad-Niveaus von TAD überlebt. Wenn jedoch SiGe-Transistoren in einem BiCMOS-Prozess hergestellt werden, wird das CMOS-Modul der begrenzende Faktor für die Strahlungstoleranz eines Produkts sein; ein TID-Wert von nur 5 krad reicht aus, um dauerhaften Schaden an Silizium in CMOS-Komponenten zu verursachen. Bipolare Komponenten tendieren dazu, eine höhere Toleranz als CMOS-Komponenten zu haben.

Der strahlungsfeste Mikrocontroller SAMRH71 von Microchip wird in einem Keramikgehäuse geliefert. [Quelle: Microchip]

Optionen für strahlungsfeste Komponenten

Nicht alle Komponenten eines Herstellers haben strahlungsfeste Äquivalente, aber Sie können die strahlungsfesten Komponenten finden, die Sie benötigen, wenn Sie die richtige Elektronik-Suchmaschine verwenden. Hersteller, die den strahlungsfesten Markt anvisieren, werden „strahlungsfest“ in ihren Schlagwortbeschreibungen auflisten; die Suche nach diesem Begriff hilft Ihnen, sich auf eine kurze Liste von Kandidatenkomponenten zu konzentrieren. Diese Komponenten sind weniger gefragt, daher tendieren sie dazu, ziemlich teuer zu sein, aber Ihr System wird mit diesen robusteren Komponenten eine viel längere Lebensdauer haben.

Einige häufig genannte strahlungsfeste Komponenten sind Xilinx FPGAs, mixed-signal Mikrocontroller von Texas Instruments und eine Vielfalt von Produkten von Renesas. Der aktuelle Satz von Militärstandards für strahlungsfeste Komponenten ist MIL-PRF-38535; Unternehmen, die unter diesem Standard die Klasse Y-Zertifizierung erhalten haben, sind bestätigt, die MIL-Zuverlässigkeitsstandards erfüllt oder übertroffen zu haben. Achten Sie unbedingt auf die Einhaltung dieses Standards oder die Zertifizierung, wenn Sie nach strahlungsfesten Komponenten suchen.

Wenn Sie strahlungsfeste Komponenten für Ihr nächstes militärisches oder Luft- und Raumfahrtsystem benötigen, nutzen Sie die Teilesuchfunktionen in Octopart. Die Suchmaschine in Octopart umfasst Filterfunktionen, die Ihnen helfen, nach Stichwort, Hersteller, Spezifikationen und Lebenszyklus einzugrenzen. Sie können mit unserer integrierten Schaltkreiskategorie-Seite mit der Suche nach strahlungsfesten ICs beginnen.

Bleiben Sie mit unseren neuesten Artikeln auf dem Laufenden, indem Sie sich für unseren Newsletter anmelden.