Gdzie znaleźć komponenty odporne na promieniowanie dla systemów wojskowych i lotniczo-kosmicznych

Elektronika odporna na promieniowanie jest kluczowa dla niezawodności poza elektrowniami jądrowymi.

3 czerwca 2020 roku, SpaceX wystrzelił rakietę Falcon 9, która po raz pierwszy od 8 lipca 2011 roku wyniosła astronautów NASA na niską orbitę okołoziemską. Start SpaceX jest historyczny, ponieważ firma Elona Muska stała się pierwszą prywatną organizacją, która wysłała ludzi na orbitę. Wyścig kosmiczny nigdy się nie zakończył, ale nadchodząca komercjalizacja przestrzeni kosmicznej otworzyła nowe drzwi dla różnych firm z branży lotniczej i kosmicznej oraz nowych organizacji do budowania systemów na niskiej orbicie okołoziemskiej i poza nią.

Co sprawia, że te systemy są niezawodne i wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać ekstremalne temperatury, wstrząsy mechaniczne i inne zagrożenia kosmosu? Jednym z zagrożeń, niewidocznym dla projektantów elektroniki, ale skracającym żywotność, jest promieniowanie na niskiej orbicie okołoziemskiej i w głębokim kosmosie. To samo zagrożenie można znaleźć w środowiskach radioaktywnych na Ziemi, takich jak elektrownie jądrowe, składowiska odpadów i akceleratory cząstek. Komponenty odporne na promieniowanie, czyli komponenty rad-hard, pomogą zapewnić długą żywotność twojego systemu w tych wyjątkowo trudnych środowiskach.

Co odróżnia komponenty rad-hard?

Stwierdzenie, że komponent jest rad-hard to jedno, ale istnieją konkretne aspekty tych komponentów, które czynią je bardzo różnymi od typowych komponentów elektronicznych, które można znaleźć na rynku. Różnice te znajdują się w rzeczywistym projekcie układu w układzie scalonym, jak również w projekcie opakowania.

Istnieje wiele zdarzeń, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze lub projektowaniu komponentów rad-hard i systemów elektronicznych. Komponenty muszą wytrzymać różne typy mechanizmów uszkodzeń, a różne mechanizmy uszkodzeń mogą dominować w różnych środowiskach. Cztery wybitne mechanizmy uszkodzeń to:

• Całkowita dawka jonizacji (TID). Ta metryka kwantyfikuje uszkodzenia promieniowaniem, których doznaje komponent w wyniku ciągłej ekspozycji na promieniowanie jonizujące. Ciągła jonizacja prowadzi przynajmniej do gromadzenia się ładunku i pułapkowania w tlenkach półprzewodników, co zwiększa prąd upływu i powoduje losowe przesunięcia polaryzacji w blokach obwodów.

• Uszkodzenia przemieszczenia przez protony i neutrony. Efekt ten występuje, gdy wysokoenergetyczne cząstki subatomowe zderzają się z atomami w sieci krystalicznej półprzewodnika. Te wysokoenergetyczne cząstki mogą przemieszczać atomy i tworzyć defekty międzywęzłowe w sieci. Jest to poważny problem w urządzeniach do obrazowania radioaktywnego, gdzie indukowane defekty w pikselach prowadzą do zwiększonego prądu ciemnego.

• Przejściowe efekty dawki. Zestaw efektów występuje podczas zdarzeń o wysokim strumieniu promieniowania, takich jak podczas wybuchu jądrowego. Wybuch tworzy fotoprądy w całym półprzewodnikowym die, powodując losowe otwieranie się tranzystorów i zmiany stanów logicznych w obwodach logicznych. Trwałe uszkodzenia mogą wystąpić podczas długich impulsów, lub zacięcia mogą wystąpić podczas zdarzeń o wysokim strumieniu promieniowania gamma / rentgenowskiego. 

• Skutki pojedynczego zdarzenia (SEE). Ta klasa zdarzeń obejmuje wiele różnych efektów, które mogą wystąpić w układzie scalonym. Poszczególne tranzystory lub inne obszary układu scalonego mogą doświadczyć efektów zatrzaskiwania, w rejestrze lub innej części systemu mogą wystąpić przekłamania bitów, w przewodzących MOSFETach może dojść do przepalenia, jak również do innych efektów. Zdarzenia SEE

Różne typy promieniowania jonizującego wywołują różne efekty na elektronice i związkach organicznych.

Komponenty odporne na promieniowanie są zaprojektowane do wytrzymania niektórych z tych efektów, co będzie zależeć od środowiska, w którym urządzenie jest wdrażane. Typowa specyfikacja używana do określenia odporności na promieniowanie to całkowita dawka pochłonięta (lub TAD, mierzona w jednostkach rad). Wszystkie metryki TAD nie są jednakowo wartościowe, ponieważ wartość, której potrzebujesz, zależy od środowiska i efektu uszkodzenia promieniowaniem, któremu musisz przeciwstawić. Całkowity czas życia urządzenia zależy następnie od strumienia promieniowania w środowisku (tj. TAD/strumień = czas życia).

Elektronika odporna na promieniowanie vs. Elektronika utwardzona promieniowaniem

Różnica między tolerancją na promieniowanie a komponentami utwardzonymi promieniowaniem może wydawać się leksykalna, ale te dwa stopnie produktów komercyjnych i wojskowych są całkiem różne. Zakres różnic może obejmować projekt układu, układ, proces produkcyjny, opakowanie lub coś zupełnie innego. Producenci komponentów nie ujawnią swojego sekretnego sposobu na tworzenie swoich komponentów odpornych na promieniowanie vs. utwardzonych promieniowaniem.

Chociaż może być trudno zobaczyć, jakie konkretne procesy i aspekty projektu sprawiają, że te dwa stopnie komponentów różnią się, różnice te są widoczne w specyfikacji TAD. Komponenty odporne na promieniowanie są zwykle określane jako niezawodne do pewnego limitu poniżej 100 krad, podczas gdy komponenty utwardzone promieniowaniem mogą znacznie przekraczać ten limit. Komponenty odporne na promieniowanie są odpowiednie dla systemów na niższych wysokościach, które i tak otrzymają mniejsze dawki promieniowania. Pomaga to również zaspokoić dążenie do obniżenia kosztów wojskowych i systemów kosmicznych.

Warto zauważyć, że niektóre procesy komercyjne będą z natury bardziej odporne na promieniowanie lub utwardzone. SiGe to jeden z materiałów tranzystorowych, który jest znany z wytrzymywania poziomów TAD do Mrad. Jednakże, jeśli tranzystory SiGe są produkowane w procesie BiCMOS, moduł CMOS będzie ograniczającym czynnikiem odporności na promieniowanie produktu; wartość TID tak mała jak 5 krad wystarczy, aby spowodować trwałe uszkodzenie krzemu w komponentach CMOS. Komponenty bipolarny mają tendencję do wykazywania większej tolerancji niż komponenty CMOS.

Mikrokontroler SAMRH71 od Microchip dostępny jest w obudowie ceramicznej. [Źródło: Microchip]

Opcje komponentów utwardzonych promieniowaniem

Nie wszystkie komponenty od producenta mają swoje odpowiedniki odporne na promieniowanie, ale możesz znaleźć potrzebne Ci komponenty odporne na promieniowanie, gdy użyjesz odpowiedniej wyszukiwarki elektroniki. Producenci, którzy kierują swoje produkty na rynek odporny na promieniowanie, będą wymieniać „odporność na promieniowanie” w swoich opisach; wyszukiwanie tego terminu pomoże Ci zawęzić listę do krótkiej listy kandydatów. Te komponenty są mniej popytane, więc zazwyczaj są dość drogie, ale Twój system będzie miał znacznie dłuższą żywotność z tymi bardziej wytrzymałymi komponentami.

Niektóre powszechnie cytowane komponenty odporne na promieniowanie to FPGA Xilinx, mikrokontrolery mieszane sygnałowe od Texas Instruments oraz różnorodne produkty od Renesas. Obecny zestaw standardów wojskowych dotyczących komponentów odpornych na promieniowanie to MIL-PRF-38535; firmy nagrodzone certyfikatem klasy Y na mocy tego standardu są potwierdzone jako spełniające lub przekraczające standardy niezawodności MIL. Upewnij się, że szukasz zgodności z tym standardem lub certyfikacji, jeśli szukasz komponentów odpornych na promieniowanie.

Gdy potrzebujesz znaleźć komponenty odporne na promieniowanie do swojego następnego systemu wojskowego lub kosmicznego, użyj funkcji wyszukiwania części w Octopart. Wyszukiwarka w Octopart zawiera funkcje filtracji, które pomagają zawęzić wyszukiwanie według słowa kluczowego, producenta, specyfikacji i cyklu życia. Możesz zacząć szukać komponentów IC odpornych na promieniowanie, korzystając z naszej strony kategorii układów scalonych.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.