軍事および航空宇宙システム用の放射線耐性コンポーネントを見つける場所

放射線耐性のある電子機器は、原子力発電所を超えた信頼性にとって重要です。

2020年6月3日、SpaceXは、2011年7月8日以来初めて、NASAの宇宙飛行士を低地球軌道に運ぶFalcon 9ロケットを打ち上げました。SpaceXの打ち上げは、Elon Muskの会社が人間を軌道に運ぶ最初の民間組織となったため、歴史的なものです。宇宙競争は実際には終わっていませんが、宇宙の商業化が進むにつれて、さまざまな航空宇宙会社や新しい組織が低地球軌道やそれを超えたシステムを構築するための新たな扉が開かれました。

これらのシステムが温度の極端、機械的衝撃、および宇宙の他の危険に耐えることができる信頼性と頑丈さを提供するものは何でしょうか？電子設計者には見えないが寿命を縮める危険の一つが、低地球軌道や深宇宙の放射線です。同じ危険は、原子力発電所、廃棄物貯蔵施設、粒子加速器など、地球上の放射性環境でも見られます。放射線耐性コンポーネント、または放射線硬化コンポーネントは、これらの特別に困難な環境でシステムが長寿命を持つことを保証するのに役立ちます。

放射線耐性コンポーネントの違いは何ですか？

単にコンポーネントが放射線耐性であると言うのは一つのことですが、これらのコンポーネントが市場で見つかる典型的な電子コンポーネントと非常に異なる特定の側面があります。違いは、IC内の実際の回路設計だけでなく、パッケージング設計にも見られます。

放射線耐性コンポーネントや電子システムを選択または設計する際に考慮する必要がある多くのイベントがあります。コンポーネントは、異なるタイプの損傷メカニズムに耐える必要があり、さまざまな損傷メカニズムが異なる環境で支配的になる場合があります。以下に、主要な損傷メカニズムを4つ挙げます：

• 全電離線量 (TID)。 この指標は、イオン化放射線への連続的な曝露によってコンポーネントが受ける放射線損傷を定量化します。連続的なイオン化は、最小限、半導体酸化物内の電荷の蓄積とトラッピングを引き起こし、リーク電流を増加させ、回路ブロック内のランダムなバイアスオフセットを引き起こします。

• 陽子および中性子の変位損傷。 この効果は、高エネルギーの亜原子粒子が半導体格子内の原子と衝突するときに発生します。これらの高エネルギー粒子は、原子を移動させ、格子内に間隙欠陥を作り出すことができます。これは、画素内で誘発される欠陥が暗電流を増加させる放射線イメージングデバイスにおいて大きな問題です。

• 瞬間線量効果。 この一連の効果は、核爆発などの高放射線フラックスイベント中に発生します。爆発は半導体ダイ全体に光電流を作り出し、トランジスタがランダムに開き、論理回路の論理状態が変化します。長いパルス中に永久的な損傷が発生するか、または高ガンマ線/ X線フラックスイベント中にラッチアップが発生する可能性があります。

• 単一イベント効果（SEE）。このイベントのクラスには、集積回路内で発生する可能性のある多くの異なる効果が含まれます。個々のトランジスタやICの他の領域は、ラッチアップ効果を経験したり、レジスターやシステムの他の部分でビットフリップが発生したり、順方向バイアスされたMOSFETでバーンアウトが発生したり、その他の効果が発生することがあります。SEEイベント

異なるタイプの電離放射線は、電子機器と有機化合物に異なる効果をもたらします。

放射線耐性コンポーネントは、これらの効果のいくつかに耐えるように設計されていますが、これはデバイスが展開される環境に依存します。放射線硬化を定量化するために使用される典型的な仕様は、総吸収線量（TAD、単位はrad）です。すべてのTADメトリックが同等に作成されているわけではなく、必要な値は環境と耐える必要がある放射線損傷効果に依存します。その後、デバイスの全体的な寿命は環境内の放射線フラックス（つまり、TAD/フラックス=寿命）に依存します。

放射線耐性と放射線硬化電子機器

放射線耐性と放射線硬化コンポーネントの違いは、語彙的に見えるかもしれませんが、これら2つのグレードの商業および軍事製品はかなり異なります。違いの範囲は、回路設計、レイアウト、製造プロセス、パッケージング、またはまったく別のものを含むことがあります。コンポーネントメーカーは、放射線耐性と放射線硬化コンポーネントを作るための秘密のレシピを公開しません。

これら2つのグレードのコンポーネントを異なるものにする特定のプロセスと設計の側面を見るのは難しいかもしれませんが、違いはTAD仕様で見られます。放射線耐性コンポーネントは通常、100 krad未満のある限界まで信頼性があると指定されていますが、放射線硬化コンポーネントはこの限界をはるかに超えることができます。放射線耐性コンポーネントは、すでに放射線の低い線量を受け取る低高度システムに適しています。これはまた、低コストの軍事および航空宇宙システムへの要求を満たすのにも役立ちます。

一部の商業プロセスは、本質的に放射線耐性または硬化していることに注意することが重要です。SiGeは、TADレベルのMradまで生き残ることが知られているトランジスタ材料の1つです。しかし、SiGeトランジスタがBiCMOSプロセスで製造されている場合、CMOSモジュールが製品の放射線耐性の限界要因になります。TID値が5 kradでもCMOSコンポーネントのシリコンに永久的な損傷を引き起こすのに十分です。バイポーラコンポーネントは、CMOSコンポーネントよりも高い耐性を持つ傾向があります。

MicrochipからのSAMRH71放射線硬化マイクロコントローラは、セラミックパッケージで提供されます。[出典: Microchip]

放射線硬化コンポーネントのオプション

メーカーから提供される全てのコンポーネントに放射線耐性のものがあるわけではありませんが、適切な電子部品検索エンジンを使用すれば、必要な放射線耐性コンポーネントを見つけることができます。放射線耐性市場をターゲットにしているメーカーは、そのタグラインの説明に「radiation hardened」をリストしています。この用語を検索することで、候補となるコンポーネントのリストを絞り込むことができます。これらのコンポーネントは需要が少ないため、かなり高価になる傾向がありますが、これらのより頑丈なコンポーネントを使用することで、システムの寿命が大幅に延びます。

一般的に引用される放射線耐性コンポーネントには、XilinxのFPGA、テキサス・インスツルメンツの混合信号マイクロコントローラ、Renesasの様々な製品があります。放射線耐性コンポーネントに関する現行の軍事規格はMIL-PRF-38535で、この基準の下でClass Y認証を受けた企業は、MILの信頼性基準を満たしたか、それを超えたことが確認されています。放射線耐性コンポーネントを探している場合は、この基準や認証に適合しているかどうかを確認することが重要です。

次の軍事または航空宇宙システム用の放射線耐性コンポーネントを探す必要がある場合は、Octopartの部品検索機能を使用してください。Octopartの検索エンジンには、キーワード、メーカー、仕様、ライフサイクルによって絞り込むのに役立つフィルタリング機能が含まれています。統合回路カテゴリーページを使用して、放射線耐性ICの検索を開始できます。

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