Где найти радиационно-стойкие компоненты для военных и аэрокосмических систем

Электроника, устойчивая к радиации, критически важна для надежности не только в атомных электростанциях.

3 июня 2020 года SpaceX запустила ракету Falcon 9, которая впервые с 8 июля 2011 года вывела астронавтов NASA на низкую околоземную орбиту. Запуск SpaceX стал историческим, поскольку компания Илона Маска стала первой частной организацией, отправившей людей на орбиту. Космическая гонка на самом деле никогда не заканчивалась, но предстоящая коммерциализация космоса открыла новые возможности для различных аэрокосмических компаний и новых организаций для создания систем для низкой околоземной орбиты и дальше.

Что делает эти системы надежными и достаточно прочными, чтобы выдерживать экстремальные температуры, механические удары и другие опасности космоса? Одна из опасностей, невидимая для разработчиков электроники, но сокращающая срок службы, - это радиация на низкой околоземной орбите и в глубоком космосе. Та же опасность может быть обнаружена в радиоактивных средах на Земле, таких как атомные электростанции, хранилища отходов и ускорители частиц. Компоненты, устойчивые к радиации, или компоненты rad-hard, помогут обеспечить вашей системе долгий срок службы в этих уникально сложных условиях.

Чем отличаются компоненты, устойчивые к радиации?

Просто сказать, что компонент устойчив к радиации - это одно, но есть конкретные аспекты этих компонентов, которые делают их очень отличными от типичных электронных компонентов, которые вы найдете на рынке. Различия обнаруживаются как в самом дизайне схемы в ИС, так и в дизайне упаковки.

Существует множество событий, которые необходимо учитывать при выборе или проектировании компонентов, устойчивых к радиации, и электронных систем. Компоненты должны выдерживать различные типы механизмов повреждения, и различные механизмы повреждения могут доминировать в разных средах. Четыре выдающихся механизма повреждения следующие:

• Общая ионизационная доза (TID). Этот показатель количественно определяет повреждение от радиации, полученное компонентом из-за непрерывного воздействия ионизирующего излучения. Непрерывная ионизация приводит, как минимум, к накоплению заряда и ловушке в оксидах полупроводников, что увеличивает ток утечки и вызывает случайные смещения смещения в блоках схемы.

• Повреждение от протонов и нейтронов. Этот эффект происходит, когда высокоэнергетические субатомные частицы сталкиваются с атомами в решетке полупроводника. Эти высокоэнергетические частицы могут смещать атомы и создавать межузельные дефекты в решетке. Это серьезная проблема в устройствах радиоактивного изображения, где дефекты, индуцированные в пикселях, приводят к увеличению темнового тока.

• Эффекты кратковременной дозы. Этот набор эффектов происходит во время событий с высоким потоком радиации, таких как во время ядерного взрыва. Взрыв создает фототоки по всему полупроводниковому кристаллу, заставляя транзисторы случайным образом открываться и логические состояния изменяться в логических схемах. Постоянные повреждения могут произойти во время длительных импульсов, или могут произойти защелкивания во время событий с высоким потоком гамма-лучей/рентгеновских лучей. 

• Эффекты единичных событий (SEE). Этот класс событий включает в себя множество различных эффектов, которые могут происходить в интегральной схеме. Отдельные транзисторы или другие области ИС могут испытывать эффекты защелкивания, в регистре или другой части системы могут происходить сбои битов, в прямо смещенных MOSFET может произойти выгорание, а также другие эффекты. События SEE

Различные типы ионизирующего излучения оказывают различное воздействие на электронику и органические соединения.

Компоненты, устойчивые к радиации, разработаны для выдерживания некоторых из этих эффектов, что будет зависеть от среды, в которой используется устройство. Типичная спецификация, используемая для количественной оценки радиационной стойкости, - это общая поглощенная доза (или TAD, измеряемая в единицах рад). Все метрики TAD не созданы равными, поскольку значение, которое вам нужно, зависит от среды и эффекта повреждения от излучения, которому вы должны противостоять. Общий срок службы устройства затем зависит от потока радиации в среде (т.е. TAD/поток = срок службы).

Электроника, устойчивая к радиации, против укрепленной от радиации

Разница между устойчивостью к радиации и компонентами, укрепленными от радиации, может показаться лексической, но эти два класса коммерческих и военных продуктов сильно различаются. Сфера различий может включать в себя дизайн схемы, компоновку, процесс производства, упаковку или что-то совершенно другое. Производители компонентов не раскроют свой секретный состав для создания своих компонентов, устойчивых к радиации, против укрепленных от радиации.

Хотя может быть сложно увидеть, какие конкретные процессы и аспекты дизайна делают эти два класса компонентов разными, различия видны в спецификации TAD. Компоненты, устойчивые к радиации, обычно специфицируются как надежные до некоторого предела ниже 100 крад, в то время как компоненты, укрепленные от радиации, могут находиться значительно выше этого предела. Компоненты, устойчивые к радиации, подходят для систем на более низких высотах, которые и так получают меньшие дозы радиации. Это также помогает удовлетворить стремление к снижению стоимости военных и аэрокосмических систем.

Важно отметить, что некоторые коммерческие процессы будут по своей сути более устойчивы к радиации или укреплены. SiGe - это один из материалов транзисторов, известных своей способностью выдерживать уровни TAD до Mrad. Однако, если транзисторы SiGe изготовлены в процессе BiCMOS, модуль CMOS будет ограничивающим фактором по устойчивости к радиации продукта; значение TID всего в 5 крад достаточно, чтобы вызвать постоянное повреждение кремния в компонентах CMOS. Биполярные компоненты, как правило, имеют более высокую устойчивость, чем компоненты CMOS.

Микроконтроллер SAMRH71 от Microchip поставляется в керамическом корпусе. [Источник: Microchip]

Варианты компонентов, укрепленных от радиации

Не все компоненты от производителя имеют радиационно-стойкие аналоги, но вы можете найти необходимые радиационно-стойкие компоненты, если используете правильный поисковик электронных компонентов. Производители, нацеленные на рынок радиационно-стойких компонентов, будут указывать в описаниях "radiation hardened"; поиск по этому термину поможет вам сузить список до небольшого числа подходящих компонентов. Эти компоненты встречаются реже, поэтому они обычно довольно дорогие, но ваша система будет иметь гораздо более долгий срок службы с этими более надежными компонентами.

Среди часто упоминаемых радиационно-стойких компонентов - FPGA от Xilinx, смешанные сигнальные микроконтроллеры от Texas Instruments и разнообразие продуктов от Renesas. Действующий набор военных стандартов по радиационно-стойким компонентам - MIL-PRF-38535; компании, получившие сертификацию класса Y по этому стандарту, подтверждены как соответствующие или превосходящие стандарты надежности MIL. Обязательно обращайте внимание на соответствие этому стандарту или сертификацию, если вы ищете радиационно-стойкие компоненты.

Когда вам нужно найти радиационно-стойкие компоненты для вашей следующей военной или космической системы, используйте функции поиска деталей в Octopart. Поисковик в Octopart включает функции фильтрации, которые помогают сузить поиск по ключевым словам, производителю, спецификациям и жизненному циклу. Вы можете начать поиск радиационно-стойких ИС, используя нашу страницу категории интегральных схем.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.