Проблемы проектирования передовой электроники для использования в космосе

Тема применения электроники в космосе всегда увлекала меня, как и понимание причин, по которым частицы могут повредить цепи. В этой статье мы рассмотрим, как бета- и гамма-частицы могут на короткий промежуток времени (что обычно называется одиночным импульсом излучения — Single Event Effect, SEE) создать большой ток в конструкции, который, если его не учитывать, может необратимо повредить ее. Мы рассмотрим способ, который я использовал при анализе своих проектов для оценки ширины пика тока при известной линейной потере энергии (которая, как правило, является параметром конструкции). Этот способ не всегда применим, но как только вы поймете механизм, который создает нежелательные пиковые токи, у вас будут все средства, необходимые для конструирования радиационно-стойкой электроники.

Что мы собираемся изучить

• Как предотвратить разрушения схем из-за частиц высокой энергии, попадающих на базу или затвор электронного устройства.
• Что такое одиночный импульс излучения.
• Как алюминий помогает защитить электронные цепи.
• Как частицы взаимодействуют с металлами и кремнием.

Эта сложная тема, которую в одной статье не раскрыть полностью. Когда я начал писать об этой теме, я думал, что удастся уместить всё одну статью, но затем понял, что для этого необходимо удалить слишком много ключевых моментов, поэтому я решил разделить статью на две. В этой части мы рассмотрим самый базовый механизм одиночного импульса излучения. В следующей статье мы посмотрим, как использовать ПО Altium/SPICE для анализа схожих сценариев. Помните, что мы собираемся здесь посмотреть лишь на верхушку айсберга.

При написании этой статьи я предполагал, что читатель не является экспертом в физике или микроэлектронике — мы опустим некоторые детали, но сохраним суть.

Итак, начнем наши изыскания.

Когда спутник запускают в космос, он облучается частицами различных типов. Некоторые из этих частиц ионизированы (т.е. у них есть заряд, например частицы альфа+ и бета-), в то время как у других частиц заряда нет (например фотоны: гамма-лучи, рентгеновские лучи).

Поскольку ионизированные частицы имеют более низкую энергию, чем гамма-частицы и рентгеновское излучение, значительная их часть может поглощаться при попадании на слой металла, такого как алюминий или золото. Частицы, не поглощенные алюминием (как правило, бета, гамма и рентгеновские лучи), могут попасть на электронные компоненты, и часть их может создать нежелательное поведение, что называется одиночным импульсом излучения (см. рис. 1).

Рис. 1. Как частицы различных типов поглощаются различными материалами.

На рис. 1 мы видим, что тяжелые ионы и электроны могут поглощаться алюминием. Частицы с более высокой энергией могут пройти сквозь, и часть их может попасть на чувствительные электронные компоненты, что вызывает одиночный импульс излучения.

Небольшое примечание: в прошлом я видел алюминиевые пластины, установленные над компонентами для их защиты. Это может быть хорошо для низкоорбитальных спутников, но это также создает новые проблемы (см. рис. 2). Давайте посмотрим на них.

Рис. 2. Когда бета-частица попадает на подложку, она может быть захвачена. Это может создать большой заряд, который при превышении определенного уровня будет разряжен через микросхему, что разрушит её.

У решения, показанного на рис. 2, есть две проблемы:

1. Первая проблема заключается в том, что ионизированные частицы захватываются алюминиевой подложкой, и за продолжительный период может накопиться заряд, что создает сильное электрическое поле (кВ/м), и этот заряд может утечь через вывод микросхемы, которую мы пытаемся защитить. Таким образом, при использовании такого решения нужно создать путь разряда между алюминиевой подложкой и землей. Есть несколько способов, как можно это сделать. Один из них – припаять провод между подложкой и контактной площадкой на плате, которая подключена к земле (через резистор).
2. Второй проблемой является то, что алюминиевая подложка утяжеляет микросхему, и она также может вызвать сложности при виброиспытаниях. Поэтому будьте внимательны, если используете такое решение! Проверяйте всё!

Теперь посмотрим, как частица может создать большой ток в конструкции. Рассмотрим пример на рис. 3 и 4 (здесь показан биполярный транзистор, но те же самые проблемы применимы и к полевым транзисторам).

Рис.3. Нормальные условия, когда Vin = 0 В: NPN-транзистор закрыт, PNP-транзистор открыт, и ток относительно мал (зависит от нагрузки).

На рис. 3 мы видим, что каскад работает как надо, т.е. мы прикладываем низкое (высокое) напряжение к его входу, и на выходе получаем высокое (низкое) напряжение. Но что случится, если частица с достаточно большой энергией попадет на базу NPN-транзистора? Чтобы понять это, давайте посмотрим на рис. 4. Предположим, что Vin всё ещё равно нулю и что частица падает на базу NPN-транзистора. Если ток, созданный под воздействием частицы, достаточно высок, то будет создан ток в коллекторе, и через каскад будет протекать очень большой ток, что может вызвать разрушение самого каскада.

Рис. 4. Когда частица попадает на базу NPN-транзистора, она может открыть NPN-транзистор. Это вызовет большой ток, который может разрушить цепь.

Итак, теперь мы знаем один из множества механизмов, который может повредить электронику.

Что мы изучим далее?

• Что такое линейная потеря энергии
• Как оценить общий заряд, попадающий на базу, при известной линейной потере энергии
• Как с помощью решений Altium оценить отклонение и продолжительность тока.

Хотите узнать больше, как Altium может помочь при проектировании плат? Поговорите с экспертом Altium и узнайте, как проектировать платы для аэрокосмической отрасли в унифицированной среде Altium Designer^®.