Où trouver des composants durcis aux radiations pour les systèmes militaires et aérospatiaux

Les électroniques durcies aux radiations sont cruciales pour la fiabilité au-delà des centrales nucléaires.

Le 3 juin 2020, SpaceX a lancé la fusée Falcon 9 transportant des astronautes de la NASA en orbite basse terrestre pour la première fois depuis le 8 juillet 2011. Le lancement de SpaceX est historique puisque la société d'Elon Musk est devenue la première organisation privée à transporter des humains en orbite. La course à l'espace ne s'est jamais vraiment terminée, mais la commercialisation prochaine de l'espace a ouvert de nouvelles portes à une variété d'entreprises aérospatiales et de nouvelles organisations pour construire des systèmes pour l'orbite basse terrestre et au-delà.

Qu'est-ce qui rend ces systèmes fiables et assez robustes pour résister aux extrêmes de température, aux chocs mécaniques et autres dangers de l'espace ? Un danger invisible pour les concepteurs d'électronique mais qui réduit la durée de vie est le rayonnement en orbite basse terrestre et dans l'espace profond. Le même danger peut être trouvé dans des environnements radioactifs sur terre, tels que les centrales nucléaires, les dépôts de déchets et les accélérateurs de particules. Les composants durcis aux radiations, ou composants rad-hard, aideront à garantir que votre système ait une longue durée de vie dans ces environnements particulièrement difficiles.

Qu'est-ce qui rend les composants Rad-Hard différents ?

Dire simplement qu'un composant est rad-hard est une chose, mais il existe des aspects spécifiques de ces composants qui les rendent très différents des composants électroniques typiques que vous trouverez sur le marché. Les différences se trouvent dans la conception réelle du circuit dans un CI, ainsi que dans la conception de l'emballage.

Il existe de nombreux événements à prendre en compte lors de la sélection ou de la conception de composants et de systèmes électroniques rad-hard. Les composants doivent résister à différents types de mécanismes de dommages, et divers mécanismes de dommages peuvent dominer dans différents environnements. Quatre mécanismes de dommages importants sont les suivants :

• Dose d'ionisation totale (TID). Cette métrique quantifie les dommages par radiation subis par un composant en raison d'une exposition continue à des radiations ionisantes. L'ionisation continue conduit, au minimum, à l'accumulation de charge et au piégeage dans les oxydes semi-conducteurs, ce qui augmente le courant de fuite et provoque des décalages de polarisation aléatoires dans les blocs de circuits.

• Dommages par déplacement de protons et de neutrons. Cet effet se produit lorsque des particules subatomiques à haute énergie entrent en collision avec des atomes dans le réseau semi-conducteur. Ces particules à haute énergie peuvent déplacer des atomes et créer des défauts interstitiels dans le réseau. C'est un problème majeur dans les dispositifs d'imagerie radioactive, où les défauts induits dans les pixels conduisent à une augmentation du courant obscur.

• Effets de dose transitoire. Cet ensemble d'effets se produit lors d'événements de flux de radiation élevés, comme lors d'une explosion nucléaire. L'explosion crée des photocourants dans tout le die semi-conducteur, provoquant l'ouverture aléatoire de transistors et le changement d'états logiques dans les circuits logiques. Des dommages permanents peuvent survenir lors de longues impulsions, ou des verrouillages peuvent se produire lors d'événements de flux de rayons gamma / rayons X élevés. 

• Effets d'événements uniques (SEE). Cette classe d'événements comprend de nombreux effets différents qui peuvent se produire au sein d'un circuit intégré. Des transistors individuels ou d'autres régions d'un CI peuvent subir des effets de verrouillage, des inversions de bits peuvent se produire dans un registre ou une autre partie du système, une destruction peut survenir dans des MOSFETs polarisés en direct, ainsi que d'autres effets. Les événements SEE

Différents types de rayonnements ionisants produisent différents effets sur l'électronique et les composés organiques.

Les composants résistants aux radiations sont conçus pour résister à quelques-uns de ces effets, qui dépendront de l'environnement dans lequel l'appareil est déployé. La spécification typique utilisée pour quantifier le durcissement par radiation est la dose absorbée totale (ou TAD, mesurée en unités de rad). Tous les métriques TAD ne sont pas créés égaux car la valeur dont vous avez besoin dépend de l'environnement et de l'effet des dommages par radiation que vous devez supporter. La durée de vie globale de l'appareil dépend alors du flux de radiation dans l'environnement (c'est-à-dire, TAD/flux = durée de vie).

Électronique tolérante aux radiations vs électronique durcie aux radiations

La différence entre la tolérance aux radiations et les composants durcis aux radiations peut sembler être lexicale, mais ces deux grades de produits commerciaux et militaires sont tout à fait différents. Le champ des différences pourrait inclure la conception de circuits, la disposition, le processus de fabrication, l'emballage ou quelque chose d'entièrement différent. Les fabricants de composants ne divulgueront pas leur recette secrète pour rendre leurs composants tolérants aux radiations vs durcis aux radiations.

Bien qu'il puisse être difficile de voir quels processus spécifiques et aspects de conception rendent ces deux grades de composants différents, les différences se voient dans la spécification TAD. Les composants tolérants aux radiations sont généralement spécifiés comme fiables jusqu'à une limite inférieure à 100 krad, tandis que les composants durcis aux radiations peuvent bien dépasser cette limite. Les composants tolérants aux radiations conviennent aux systèmes de plus basse altitude qui recevront déjà des doses plus faibles de radiation. Cela aide également à satisfaire la demande pour des systèmes militaires et aérospatiaux à moindre coût.

Il est important de noter que certains processus commerciaux seront intrinsèquement plus tolérants ou durcis aux radiations. SiGe est un matériau de transistor connu pour survivre jusqu'à des niveaux de TAD de Mrad. Cependant, si les transistors SiGe sont fabriqués dans un processus BiCMOS, le module CMOS sera le facteur limitant sur la tolérance aux radiations d'un produit ; une valeur TID aussi petite que 5 krad suffit à causer des dommages permanents au silicium dans les composants CMOS. Les composants bipolaires ont tendance à avoir une tolérance plus élevée que les composants CMOS.

Le microcontrôleur rad-hard SAMRH71 de Microchip est livré dans un boîtier en céramique. [Source: Microchip]

Options de composants durcis aux radiations

Tous les composants d'un fabricant n'ont pas d'équivalents durcis aux radiations, mais vous pouvez trouver les composants durcis aux radiations dont vous avez besoin lorsque vous utilisez le bon moteur de recherche électronique. Les fabricants qui ciblent le marché durci aux radiations indiqueront « radiation hardened » dans la description de leur slogan ; rechercher ce terme vous aidera à réduire votre sélection à une courte liste de composants candidats. Ces composants sont moins demandés, donc ils ont tendance à être assez chers, mais votre système aura une durée de vie beaucoup plus longue avec ces composants plus robustes.

Certains composants durcis aux radiations fréquemment cités incluent les FPGA de Xilinx, les microcontrôleurs à signaux mixtes de Texas Instruments, et une variété de produits de Renesas. L'ensemble actuel de normes militaires sur les composants durcis aux radiations est le MIL-PRF-38535 ; les entreprises ayant obtenu la certification Classe Y selon cette norme sont confirmées avoir rencontré ou dépassé les normes de fiabilité MIL. Assurez-vous de vérifier la conformité à cette norme ou la certification si vous recherchez des composants durcis aux radiations.

Lorsque vous avez besoin de trouver des composants durcis aux radiations pour votre prochain système militaire ou aérospatial, utilisez les fonctionnalités de recherche de pièces dans Octopart. Le moteur de recherche dans Octopart inclut des fonctionnalités de filtration qui vous aident à affiner par mot-clé, fabricant, spécifications et cycle de vie. Vous pouvez commencer à rechercher des CI durcis aux radiations en utilisant notre page de catégorie de circuits intégrés.

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