Dónde Encontrar Componentes Rad-Hard para Sistemas Militares y Aeroespaciales

La electrónica resistente a la radiación es crítica para la fiabilidad más allá de las centrales nucleares.

El 3 de junio de 2020, SpaceX lanzó el cohete Falcon 9 llevando astronautas de la NASA a la órbita terrestre baja por primera vez desde el 8 de julio de 2011. El lanzamiento de SpaceX es histórico ya que la compañía de Elon Musk se convirtió en la primera organización privada en llevar humanos a la órbita. La carrera espacial nunca realmente terminó, pero la próxima comercialización del espacio ha abierto nuevas puertas para una variedad de compañías aeroespaciales y nuevas organizaciones para construir sistemas para la órbita terrestre baja y más allá.

¿Qué hace que estos sistemas sean fiables y lo suficientemente robustos para soportar extremos de temperatura, choques mecánicos y otros peligros del espacio? Un peligro que es invisible para los diseñadores de electrónica pero reduce la vida útil es la radiación en la órbita terrestre baja y el espacio profundo. El mismo peligro se puede encontrar en ambientes radioactivos en la tierra, como plantas de energía nuclear, repositorios de residuos y aceleradores de partículas. Los componentes endurecidos por radiación, o componentes rad-hard, ayudarán a asegurar que su sistema tenga una larga vida útil en estos entornos desafiantes únicos.

¿Qué hace diferentes a los componentes Rad-Hard?

Simplemente decir que un componente es rad-hard es una cosa, pero hay aspectos específicos de estos componentes que los hacen muy diferentes de los componentes electrónicos típicos que encontrará en el mercado. Las diferencias se encuentran en el diseño del circuito real en un IC, así como en el diseño del empaque.

Hay numerosos eventos que deben considerarse al seleccionar o diseñar componentes rad-hard y sistemas electrónicos. Los componentes necesitan resistir diferentes tipos de mecanismos de daño, y varios mecanismos de daño pueden dominar en diferentes ambientes. Cuatro mecanismos de daño prominentes son los siguientes:

• Dosis total de ionización (TID). Esta métrica cuantifica el daño por radiación sostenido por un componente debido a la exposición continua a radiación ionizante. La ionización continua lleva, como mínimo, a la acumulación de carga y atrapamiento en óxidos semiconductores, lo que aumenta la corriente de fuga y causa desviaciones de polarización aleatorias en bloques de circuitos.

• Daño por desplazamiento de protones y neutrones. Este efecto ocurre cuando partículas subatómicas de alta energía colisionan con átomos en la red semiconductor. Estas partículas de alta energía pueden desplazar átomos y crear defectos intersticiales en la red. Este es un problema mayor en dispositivos de imagen radioactiva, donde los defectos inducidos en píxeles conducen a un aumento de la corriente oscura.

• Efectos de dosis transitoria. Este conjunto de efectos ocurre durante eventos de flujo de radiación alta, como durante una explosión nuclear. La explosión crea fotocorrientes a través del dado semiconductor, causando que los transistores se abran aleatoriamente y los estados lógicos cambien en circuitos lógicos. Puede ocurrir daño permanente durante pulsos largos, o se pueden producir bloqueos durante eventos de flujo alto de rayos gamma/x-ray. 

• Efectos de eventos únicos (SEE). Esta clase de eventos incluye muchos efectos diferentes que pueden ocurrir dentro de un circuito integrado. Transistores individuales u otras regiones de un CI pueden experimentar efectos de enganche, pueden ocurrir cambios de bits en un registro u otra parte del sistema, puede ocurrir la quema en MOSFETs polarizados en directo MOSFETs, así como otros efectos. Los eventos SEE

Diferentes tipos de radiación ionizante producen diferentes efectos en la electrónica y los compuestos orgánicos.

Los componentes resistentes a la radiación están diseñados para soportar algunos de estos efectos, lo cual dependerá del entorno en el que se despliegue el dispositivo. La especificación típica utilizada para cuantificar la endurecimiento por radiación es la dosis absorbida total (o TAD, medida en unidades de rad). No todas las métricas de TAD se crean iguales ya que el valor que necesita depende del entorno y del efecto del daño por radiación que necesita soportar. La vida útil total del dispositivo depende entonces del flujo de radiación en el entorno (es decir, TAD/flujo = vida útil).

Electrónica Tolerante a la Radiación vs. Electrónica Endurecida por Radiación

La diferencia entre la tolerancia a la radiación vs. componentes endurecidos por radiación puede parecer léxica, pero estos dos grados de productos comerciales y militares son bastante diferentes. El alcance de las diferencias podría incluir el diseño del circuito, la disposición, el proceso de fabricación, el empaquetado o algo completamente diferente. Los fabricantes de componentes no revelarán su receta secreta para hacer sus componentes tolerantes a la radiación vs. endurecidos por radiación.

Aunque puede ser difícil ver qué procesos específicos y aspectos de diseño hacen que estos dos grados de componentes sean diferentes, las diferencias se ven en la especificación de TAD. Los componentes tolerantes a la radiación generalmente se especifican como confiables hasta cierto límite por debajo de 100 krad, mientras que los componentes endurecidos por radiación pueden estar bien por encima de este límite. Los componentes tolerantes a la radiación son apropiados para sistemas de menor altitud que ya recibirán dosis más bajas de radiación. Esto también ayuda a satisfacer la demanda de sistemas militares y aeroespaciales de menor costo.

Es importante notar que algunos procesos comerciales serán inherentemente más tolerantes a la radiación o endurecidos. SiGe es un material de transistor que se sabe sobrevive hasta niveles de TAD de Mrad. Sin embargo, si los transistores SiGe se fabrican en un proceso BiCMOS, el módulo CMOS será el factor limitante en la tolerancia a la radiación de un producto; un valor de TID tan pequeño como 5 krad es suficiente para causar daño permanente al silicio en componentes CMOS. Los componentes bipolares tienden a tener una mayor tolerancia que los componentes CMOS.

El microcontrolador endurecido por radiación SAMRH71 de Microchip viene en un paquete de cerámica. [Fuente: Microchip]

Opciones de Componentes Endurecidos por Radiación

No todos los componentes de un fabricante tienen equivalentes endurecidos contra radiación, pero puedes encontrar los componentes endurecidos contra radiación que necesitas cuando usas el motor de búsqueda de electrónica adecuado. Los fabricantes que apuntan al mercado endurecido contra radiación listarán "endurecido contra radiación" en las descripciones de sus eslogan; buscar este término te ayudará a reducir a una lista corta de componentes candidatos. Estos componentes tienen una demanda más baja por lo que tienden a ser bastante caros, pero tu sistema tendrá una vida útil mucho más larga con estos componentes más robustos.

Algunos componentes endurecidos contra radiación comúnmente citados son los FPGAs de Xilinx, microcontroladores de señal mixta de Texas Instruments, y una variedad de productos de Renesas. El conjunto actual de estándares militares sobre componentes endurecidos contra radiación es MIL-PRF-38535; las empresas que reciben la certificación Clase Y bajo este estándar están confirmadas de haber cumplido o superado los estándares de fiabilidad MIL. Asegúrate de buscar la conformidad con este estándar o certificación si estás buscando componentes endurecidos contra radiación.

Cuando necesites encontrar componentes endurecidos contra radiación para tu próximo sistema militar o aeroespacial, utiliza las funciones de búsqueda de partes en Octopart. El motor de búsqueda en Octopart incluye características de filtración que te ayudan a reducir por palabra clave, fabricante, especificaciones y ciclo de vida. Puedes comenzar a buscar ICs endurecidos contra radiación usando nuestra página de categoría de circuitos integrados.

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