군사 및 항공우주 시스템을 위한 방사선 내성 부품을 어디에서 찾을 수 있나요

방사선 내성 전자기기는 핵발전소를 넘어서 신뢰성이 중요합니다.

2020년 6월 3일, SpaceX는 2011년 7월 8일 이후 처음으로 NASA 우주비행사를 저지구 궤도로 운반하는 팰컨 9 로켓을 발사했습니다. SpaceX의 발사는 엘론 머스크의 회사가 인간을 궤도로 운반한 첫 번째 민간 기관이 되면서 역사적인 사건이 되었습니다. 우주 경쟁은 실제로 끝나지 않았지만, 우주의 상업화가 다가오면서 다양한 항공우주 회사와 새로운 조직이 저지구 궤도와 그 너머의 시스템을 구축할 수 있는 새로운 문을 열었습니다.

이러한 시스템이 온도 극단, 기계적 충격 및 우주의 다른 위험에 견딜 수 있게 만드는 신뢰성과 견고함은 무엇일까요? 전자 설계자에게 보이지 않는 하나의 위험 요소는 저지구 궤도와 심우주에서의 방사선으로, 수명을 단축시킵니다. 같은 위험 요소는 핵발전소, 폐기물 저장소, 입자 가속기와 같은 지구상의 방사능 환경에서도 발견됩니다. 방사선 경화 구성 요소, 또는 방사선 내성 구성 요소는 이러한 독특하게 도전적인 환경에서 시스템이 긴 수명을 가질 수 있도록 도와줄 것입니다.

방사선 내성 구성 요소가 다른 점은 무엇인가요?

단순히 구성 요소가 방사선 내성이라고 말하는 것은 하나의 사실이지만, 이러한 구성 요소가 시장에서 찾을 수 있는 일반적인 전자 구성 요소와 매우 다른 특정 측면이 있습니다. 차이점은 IC의 실제 회로 설계뿐만 아니라 포장 설계에서도 찾을 수 있습니다.

방사선 내성 구성 요소와 전자 시스템을 선택하거나 설계할 때 고려해야 할 여러 사건이 있습니다. 구성 요소는 다양한 유형의 손상 메커니즘을 견딜 수 있어야 하며, 다양한 환경에서는 다양한 손상 메커니즘이 지배적일 수 있습니다. 네 가지 주요 손상 메커니즘은 다음과 같습니다:

• 총 이온화 용량(TID). 이 지표는 이온화 방사선에 지속적으로 노출되어 구성 요소가 입은 방사선 손상을 정량화합니다. 지속적인 이온화는 최소한 반도체 산화물 내의 전하 축적 및 포획으로 이어져 누설 전류를 증가시키고 회로 블록에서 무작위 바이어스 오프셋을 유발합니다.

• 양성자 및 중성자 변위 손상. 이 효과는 고에너지 아원자 입자가 반도체 격자 내의 원자와 충돌할 때 발생합니다. 이 고에너지 입자는 원자를 이동시키고 격자 내에 간극 결함을 생성할 수 있습니다. 이는 방사성 영상 장치에서 주요 문제로, 픽셀에서 유도된 결함으로 인해 어두운 전류가 증가합니다.

• 일시적 용량 효과. 이 일련의 효과는 핵 폭발과 같은 고방사선 유속 사건 동안 발생합니다. 폭발은 반도체 다이 전체에 광전류를 생성하여 트랜지스터가 무작위로 열리고 논리 회로에서 논리 상태가 변경됩니다. 긴 펄스 동안 영구적인 손상이 발생하거나 고 감마선/엑스선 유속 사건 동안 래치업이 발생할 수 있습니다. 

• 단일 이벤트 효과(SEEs). 이 이벤트 범주에는 집적회로 내에서 발생할 수 있는 다양한 효과들이 포함됩니다. 개별 트랜지스터나 IC의 다른 영역에서 래치업 효과가 발생할 수 있고, 레지스터나 시스템의 다른 부분에서 비트 플립이 발생할 수 있으며, 순방향 바이어스된 MOSFETs에서 소손이 발생할 수 있으며, 그 외에도 다른 효과들이 발생할 수 있습니다. SEE 이벤트들

다양한 종류의 이온화 방사선은 전자기기와 유기 화합물에 다른 효과를 미칩니다.

방사선 경화 부품은 이러한 효과 중 몇 가지를 견딜 수 있도록 설계되었으며, 이는 장치가 배치되는 환경에 따라 달라집니다. 방사선 경화를 정량화하는 데 사용되는 전형적인 사양은 총 흡수량(TAD, rad 단위로 측정)입니다. 모든 TAD 지표가 동일하게 생성되는 것은 아니며, 필요한 값은 환경과 견뎌야 할 방사선 손상 효과에 따라 달라집니다. 그러면 장치의 전체 수명은 환경에서의 방사선 플럭스에 따라 달라집니다(즉, TAD/플럭스 = 수명).

방사선 내성 대 방사선 경화 전자기기

방사선 내성과 방사선 경화 부품 사이의 차이는 어휘적으로 보일 수 있지만, 이 두 등급의 상업 및 군사 제품은 매우 다릅니다. 차이의 범위는 회로 설계, 레이아웃, 제조 공정, 포장 또는 전혀 다른 것일 수 있습니다. 부품 제조업체는 방사선 내성 대 방사선 경화 부품을 만드는 데 사용하는 비밀 재료를 공개하지 않습니다.

이 두 등급의 부품을 다르게 만드는 구체적인 공정과 설계 측면을 확인하기 어려울 수 있지만, 차이점은 TAD 사양에서 볼 수 있습니다. 방사선 내성 부품은 일반적으로 100 krad 아래의 어떤 한계까지 신뢰할 수 있도록 지정되는 반면, 방사선 경화 부품은 이 한계를 훨씬 초과할 수 있습니다. 방사선 내성 부품은 이미 더 낮은 방사선 용량을 받게 될 낮은 고도 시스템에 적합합니다. 이는 또한 저비용 군사 및 항공우주 시스템에 대한 요구를 충족시키는 데 도움이 됩니다.

일부 상업 공정이 본질적으로 더 방사선 내성이 있거나 경화될 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요합니다. SiGe는 TAD 수준이 Mrad에 이르는 것까지 견딜 수 있는 것으로 알려진 트랜지스터 재료입니다. 그러나 SiGe 트랜지스터가 BiCMOS 공정에서 제작되는 경우, CMOS 모듈이 제품의 방사선 내성에 대한 제한 요소가 될 것입니다; CMOS 부품의 실리콘에 영구적인 손상을 일으키기에 5 krad의 TID 값이 충분합니다. 바이폴라 부품은 CMOS 부품보다 더 높은 내성을 가지고 있습니다.

Microchip의 SAMRH71 방사선 경화 마이크로컨트롤러는 세라믹 패키지로 제공됩니다. [출처: Microchip]

방사선 경화 부품 옵션

모든 제조업체의 부품에 방사선 경화(rad-hard) 대응 제품이 있는 것은 아니지만, 올바른 전자 부품 검색 엔진을 사용하면 필요한 방사선 경화 부품을 찾을 수 있습니다. 방사선 경화 시장을 목표로 하는 제조업체들은 그들의 태그라인 설명에 "radiation hardened"라고 명시할 것입니다; 이 용어를 검색하면 후보 부품의 짧은 목록으로 좁혀질 것입니다. 이러한 부품들은 수요가 적어 비싼 편이지만, 이러한 더 견고한 부품들로 시스템의 수명이 훨씬 더 길어질 것입니다.

자주 언급되는 방사선 경화 부품에는 Xilinx FPGAs, 텍사스 인스트루먼트의 혼합 신호 마이크로컨트롤러, 그리고 Renesas의 다양한 제품들이 있습니다. 방사선 경화 부품에 대한 현재 군사 표준은 MIL-PRF-38535입니다; 이 표준에 따라 Class Y 인증을 받은 회사는 MIL 신뢰성 표준을 충족하거나 초과했음이 확인됩니다. 방사선 경화 부품을 구매할 때는 이 표준이나 인증에 부합하는지 확인하세요.

다음 군사 또는 항공 시스템을 위해 방사선 경화 부품을 찾을 때는 Octopart의 부품 검색 기능을 사용하세요. Octopart의 검색 엔진에는 키워드, 제조업체, 사양, 수명 주기별로 좁혀서 검색할 수 있는 필터링 기능이 포함되어 있습니다. 집적 회로 카테고리 페이지를 사용하여 방사선 경화 IC를 검색하기 시작할 수 있습니다.

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