Onde Encontrar Componentes Rad-Hard para Sistemas Militares e Aeroespaciais

Eletrônicos resistentes à radiação são críticos para a confiabilidade além das usinas nucleares.

Em 3 de junho de 2020, a SpaceX lançou o foguete Falcon 9 transportando astronautas da NASA para a órbita terrestre baixa pela primeira vez desde 8 de julho de 2011. O lançamento da SpaceX é histórico, pois a empresa de Elon Musk tornou-se a primeira organização privada a transportar humanos para a órbita. A corrida espacial nunca realmente terminou, mas a comercialização iminente do espaço abriu novas portas para uma variedade de empresas aeroespaciais e novas organizações construírem sistemas para a órbita terrestre baixa e além.

O que torna esses sistemas confiáveis e robustos o suficiente para suportar extremos de temperatura, choques mecânicos e outros perigos do espaço? Um perigo que é invisível para os projetistas de eletrônicos, mas reduz a vida útil, é a radiação na órbita terrestre baixa e no espaço profundo. O mesmo perigo pode ser encontrado em ambientes radioativos na Terra, como usinas nucleares, depósitos de resíduos e aceleradores de partículas. Componentes resistentes à radiação, ou componentes rad-hard, ajudarão a garantir que seu sistema tenha uma longa vida útil nesses ambientes desafiadores.

O que Torna os Componentes Rad-Hard Diferentes?

Simplemente dizer que um componente é rad-hard é uma coisa, mas existem aspectos específicos desses componentes que os tornam muito diferentes dos componentes eletrônicos típicos que você encontrará no mercado. As diferenças são encontradas no próprio design do circuito em um CI, bem como no design da embalagem.

Existem vários eventos que precisam ser considerados ao selecionar ou projetar componentes rad-hard e sistemas eletrônicos. Os componentes precisam resistir a diferentes tipos de mecanismos de dano, e vários mecanismos de dano podem dominar em diferentes ambientes. Quatro mecanismos de dano proeminentes são os seguintes:

• Dose total de ionização (TID). Esta métrica quantifica o dano por radiação sofrido por um componente devido à exposição contínua à radiação ionizante. A ionização contínua leva, no mínimo, ao acúmulo de carga e armadilhamento em óxidos semicondutores, o que aumenta a corrente de fuga e causa desvios de polarização aleatórios em blocos de circuito.

• Dano por deslocamento de prótons e nêutrons. Este efeito ocorre quando partículas subatômicas de alta energia colidem com átomos na rede semicondutora. Essas partículas de alta energia podem deslocar átomos e criar defeitos intersticiais na rede. Isso é um grande problema em dispositivos de imagem radioativa, onde defeitos induzidos em pixels levam ao aumento da corrente escura.

• Efeitos de dose transitória. Este conjunto de efeitos ocorre durante eventos de fluxo de radiação alta, como durante uma explosão nuclear. A explosão cria fotocorrentes em todo o dado semicondutor, fazendo com que transistores abram aleatoriamente e estados lógicos mudem em circuitos lógicos. Danos permanentes podem ocorrer durante pulsos longos, ou travamentos podem ocorrer durante eventos de fluxo alto de raios gama/radiação X. 

• Efeitos de eventos únicos (SEE). Esta classe de eventos inclui muitos efeitos diferentes que podem ocorrer dentro de um circuito integrado. Transistores individuais ou outras regiões de um CI podem experimentar efeitos de latchup, inversões de bits podem ocorrer em um registrador ou outra parte do sistema, queima pode ocorrer em MOSFETs polarizados diretamente, bem como outros efeitos. Eventos SEE

Diferentes tipos de radiação ionizante produzem diferentes efeitos em eletrônicos e compostos orgânicos.

Componentes resistentes à radiação são projetados para suportar alguns desses efeitos, o que dependerá do ambiente em que o dispositivo está sendo implantado. A especificação típica usada para quantificar a blindagem contra radiação é a dose absorvida total (ou TAD, medida em unidades de rad). Nem todas as métricas de TAD são criadas iguais, pois o valor de que você precisa depende do ambiente e do efeito de dano por radiação que você precisa suportar. A vida útil geral do dispositivo depende então do fluxo de radiação no ambiente (ou seja, TAD/fluxo = vida útil).

Eletrônicos Tolerantes à Radiação vs. Eletrônicos Endurecidos à Radiação

A diferença entre tolerância à radiação e componentes endurecidos à radiação pode parecer lexical, mas esses dois graus de produtos comerciais e militares são bastante diferentes. O escopo das diferenças pode incluir design de circuito, layout, processo de fabricação, embalagem ou algo completamente diferente. Os fabricantes de componentes não divulgarão sua receita secreta para tornar seus componentes tolerantes à radiação versus endurecidos à radiação.

Embora possa ser difícil ver quais processos específicos e aspectos de design tornam esses dois graus de componentes diferentes, as diferenças são vistas na especificação TAD. Componentes tolerantes à radiação geralmente são especificados como confiáveis até algum limite abaixo de 100 krad, enquanto componentes endurecidos à radiação podem ficar bem acima desse limite. Componentes tolerantes à radiação são apropriados para sistemas de menor altitude que já receberão doses menores de radiação. Isso também ajuda a satisfazer a demanda por sistemas militares e aeroespaciais de menor custo.

É importante notar que alguns processos comerciais serão inerentemente mais tolerantes ou endurecidos à radiação. SiGe é um material de transistor conhecido por sobreviver até níveis de TAD de Mrad. No entanto, se transistores SiGe são fabricados em um processo BiCMOS, o módulo CMOS será o fator limitante na tolerância à radiação de um produto; um valor de TID tão pequeno quanto 5 krad é suficiente para causar danos permanentes ao silício em componentes CMOS. Componentes bipolares tendem a ter maior tolerância do que componentes CMOS.

O microcontrolador endurecido à radiação SAMRH71 da Microchip vem em um pacote cerâmico. [Fonte: Microchip]

Opções de Componentes Endurecidos à Radiação

Nem todos os componentes de um fabricante possuem equivalentes resistentes à radiação, mas você pode encontrar os componentes resistentes à radiação de que precisa quando usa o motor de busca de eletrônicos adequado. Fabricantes que estão visando o mercado resistente à radiação listarão "radiation hardened" em suas descrições de tagline; pesquisar este termo ajudará a reduzir para uma lista curta de componentes candidatos. Esses componentes têm uma demanda menor, por isso tendem a ser bastante caros, mas seu sistema terá uma vida útil muito mais longa com esses componentes mais robustos.

Alguns componentes resistentes à radiação comumente citados são FPGAs da Xilinx, microcontroladores de sinal misto da Texas Instruments, e uma variedade de produtos da Renesas. O conjunto atual de padrões militares sobre componentes resistentes à radiação é o MIL-PRF-38535; empresas que receberam a certificação Classe Y sob este padrão são confirmadas por terem atendido ou excedido os padrões de confiabilidade MIL. Certifique-se de procurar conformidade com este padrão ou certificação se você está procurando por componentes resistentes à radiação.

Quando você precisar encontrar componentes resistentes à radiação para o seu próximo sistema militar ou aeroespacial, use os recursos de busca de peças no Octopart. O motor de busca no Octopart inclui recursos de filtragem que ajudam a restringir por palavra-chave, fabricante, especificações e ciclo de vida. Você pode começar a procurar por ICs resistentes à radiação usando nossa página de categoria de circuitos integrados.

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