Dove trovare componenti Rad-Hard per sistemi militari e aerospaziali

L'elettronica rad-hard è fondamentale per l'affidabilità oltre le centrali nucleari.

Il 3 giugno 2020, SpaceX ha lanciato il razzo Falcon 9 trasportando astronauti della NASA in orbita terrestre bassa per la prima volta dal 8 luglio 2011. Il lancio di SpaceX è storico poiché la compagnia di Elon Musk è diventata la prima organizzazione privata a trasportare esseri umani in orbita. La corsa allo spazio non è mai realmente terminata, ma la prossima commercializzazione dello spazio ha aperto nuove porte per una varietà di aziende aerospaziali e nuove organizzazioni per costruire sistemi per l'orbita terrestre bassa e oltre.

Cosa rende questi sistemi affidabili e robusti abbastanza da resistere agli estremi di temperatura, agli shock meccanici e ad altri pericoli dello spazio? Un pericolo invisibile ai progettisti di elettronica ma che riduce la durata è la radiazione in orbita terrestre bassa e nello spazio profondo. Lo stesso pericolo si può trovare in ambienti radioattivi sulla terra, come centrali nucleari, depositi di rifiuti e acceleratori di particelle. I componenti induriti dalle radiazioni, o componenti rad-hard, aiuteranno a garantire che il tuo sistema abbia una lunga durata in questi ambienti unicamente impegnativi.

Cosa rende diversi i componenti Rad-Hard?

Dire semplicemente che un componente è rad-hard è una cosa, ma ci sono aspetti specifici di questi componenti che li rendono molto diversi dai tipici componenti elettronici che troverai sul mercato. Le differenze si trovano nel design effettivo del circuito in un IC, così come nel design del packaging.

Ci sono numerosi eventi che devono essere considerati quando si selezionano o si progettano componenti rad-hard e sistemi elettronici. I componenti devono resistere a diversi tipi di meccanismi di danno, e vari meccanismi di danno possono dominare in ambienti diversi. Quattro meccanismi di danno prominenti sono i seguenti:

• Dose totale di ionizzazione (TID). Questa metrica quantifica il danno da radiazione subito da un componente a causa dell'esposizione continua a radiazioni ionizzanti. L'ionizzazione continua porta, al minimo, all'accumulo di carica e al trappolamento negli ossidi dei semiconduttori, che aumenta la corrente di perdita e causa offset di polarizzazione casuali nei blocchi di circuito.

• Danno da spostamento di protoni e neutroni. Questo effetto si verifica quando particelle subatomiche ad alta energia collidono con atomi nel reticolo del semiconduttore. Queste particelle ad alta energia possono spostare atomi e creare difetti interstiziali nel reticolo. Questo è un grosso problema nei dispositivi di imaging radioattivo, dove i difetti indotti nei pixel portano ad un aumento della corrente oscura.

• Effetti della dose transitoria. Questo insieme di effetti si verifica durante eventi di flusso di radiazioni elevato, come durante un'esplosione nucleare. L'esplosione crea fotocorrenti in tutto il die del semiconduttore, causando l'apertura casuale dei transistor e il cambiamento degli stati logici nei circuiti logici. Danneggiamenti permanenti possono verificarsi durante impulsi lunghi, o si possono verificare latchup durante eventi di flusso elevato di raggi gamma/raggi X. 

• Effetti di singoli eventi (SEE). Questa classe di eventi include molti effetti diversi che possono verificarsi all'interno di un circuito integrato. I transistor individuali o altre regioni di un CI possono sperimentare effetti di latchup, possono verificarsi inversioni di bit in un registro o altra parte del sistema, può verificarsi il burnout in MOSFET polarizzati in diretta MOSFETs, così come altri effetti. Gli eventi SEE

Diversi tipi di radiazioni ionizzanti producono effetti diversi su elettronica e composti organici.

I componenti rad-hard sono progettati per resistere ad alcuni di questi effetti, che dipenderanno dall'ambiente in cui il dispositivo viene dispiegato. La specifica tipica utilizzata per quantificare l'irradiamento è la dose assorbita totale (o TAD, misurata in unità di rad). Tutte le metriche TAD non sono create uguali poiché il valore di cui hai bisogno dipende dall'ambiente e dall'effetto del danno da radiazione che devi sopportare. La durata complessiva del dispositivo dipende quindi dal flusso di radiazioni nell'ambiente (cioè, TAD/flusso = durata).

Elettronica Tollerante alle Radiazioni vs Elettronica Indurita alle Radiazioni

La differenza tra tolleranza alle radiazioni e componenti rad-hard può sembrare lessicale, ma questi due gradi di prodotti commerciali e militari sono molto diversi. L'ambito delle differenze potrebbe includere il design del circuito, il layout, il processo di fabbricazione, il packaging o qualcos'altro completamente. I produttori di componenti non divulgheranno la loro ricetta segreta per rendere i loro componenti tolleranti alle radiazioni vs rad-hard.

Sebbene possa essere difficile vedere quali processi specifici e aspetti di design rendono questi due gradi di componenti diversi, le differenze si vedono nella specifica TAD. I componenti tolleranti alle radiazioni sono solitamente specificati come affidabili fino a un limite inferiore a 100 krad, mentre i componenti rad-hard possono ben superare questo limite. I componenti tolleranti alle radiazioni sono adatti per sistemi a bassa quota che riceveranno già dosi inferiori di radiazioni. Questo aiuta anche a soddisfare la spinta verso sistemi militari e aerospaziali a costi più bassi.

È importante notare che alcuni processi commerciali saranno intrinsecamente più tolleranti o induriti alle radiazioni. SiGe è un materiale per transistor noto per sopravvivere fino a livelli di TAD di Mrad. Tuttavia, se i transistor SiGe sono fabbricati in un processo BiCMOS, il modulo CMOS sarà il fattore limitante sulla tolleranza alle radiazioni di un prodotto; un valore TID piccolo come 5 krad è sufficiente per causare danni permanenti al silicio nei componenti CMOS. I componenti bipolari tendono ad avere una tolleranza maggiore rispetto ai componenti CMOS.

Il microcontrollore rad-hard SAMRH71 di Microchip viene fornito in un pacchetto ceramico. [Fonte: Microchip]

Opzioni di Componenti Rad-Hard

Non tutti i componenti di un produttore hanno equivalenti rad-hard, ma puoi trovare i componenti rad-hard di cui hai bisogno quando utilizzi il motore di ricerca elettronica giusto. I produttori che puntano al mercato rad-hard elencheranno "radiation hardened" nelle loro descrizioni; cercare questo termine ti aiuterà a restringere la lista a un breve elenco di componenti candidati. Questi componenti sono meno richiesti quindi tendono ad essere piuttosto costosi, ma il tuo sistema avrà una durata molto più lunga con questi componenti più robusti.

Alcuni componenti rad-hard comunemente citati sono i FPGA di Xilinx, microcontrollori a segnale misto di Texas Instruments, e una varietà di prodotti di Renesas. L'attuale insieme di standard militari sui componenti rad-hard è MIL-PRF-38535; le aziende che hanno ottenuto la certificazione Classe Y secondo questo standard sono confermate aver soddisfatto o superato gli standard di affidabilità MIL. Assicurati di cercare la conformità a questo standard o la certificazione se stai cercando componenti rad-hard.

Quando hai bisogno di trovare componenti rad-hard per il tuo prossimo sistema militare o aerospaziale, utilizza le funzionalità di ricerca di parti in Octopart. Il motore di ricerca in Octopart include funzionalità di filtraggio che ti aiutano a restringere la ricerca per parola chiave, produttore, specifiche e ciclo di vita. Puoi iniziare a cercare IC rad-hard utilizzando la nostra pagina di categoria dei circuiti integrati.

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