Nơi Tìm Kiếm Các Linh Kiện Chống Bức Xạ cho Hệ thống Quân sự và Hàng không vũ trụ

Điện tử chịu bức xạ là yếu tố quan trọng cho độ tin cậy vượt ra ngoài các nhà máy điện hạt nhân.

Vào ngày 3 tháng 6 năm 2020, SpaceX đã phóng tên lửa Falcon 9 chở các phi hành gia NASA vào quỹ đạo trái đất thấp lần đầu tiên kể từ ngày 8 tháng 7 năm 2011. Việc phóng của SpaceX là một sự kiện lịch sử khi công ty của Elon Musk trở thành tổ chức tư nhân đầu tiên đưa con người vào quỹ đạo. Cuộc đua vào vũ trụ chưa bao giờ thực sự kết thúc, nhưng việc thương mại hóa không gian đã mở ra cánh cửa mới cho nhiều công ty hàng không vũ trụ và các tổ chức mới để xây dựng hệ thống cho quỹ đạo trái đất thấp và xa hơn.

Điều gì làm cho những hệ thống này đáng tin cậy và đủ mạnh để chịu đựng được các điều kiện cực đoan về nhiệt độ, sốc cơ học và các mối nguy hiểm khác của không gian? Một mối nguy hiểm không thể nhìn thấy bằng mắt thường đối với các nhà thiết kế điện tử nhưng làm giảm tuổi thọ là bức xạ trong quỹ đạo trái đất thấp và không gian sâu. Cùng một mối nguy hiểm có thể được tìm thấy trong môi trường phóng xạ trên trái đất, như các nhà máy điện hạt nhân, kho chứa chất thải, và máy gia tốc hạt. Các thành phần chịu bức xạ, hay thành phần chịu rad-hard, sẽ giúp đảm bảo hệ thống của bạn có tuổi thọ dài trong những môi trường thách thức độc đáo này.

Điều gì Làm cho Các Thành Phần Chịu Rad-Hard Khác Biệt?

Chỉ nói một thành phần chịu rad-hard là một chuyện, nhưng có những khía cạnh cụ thể của các thành phần này làm cho chúng rất khác biệt so với các thành phần điện tử thông thường bạn sẽ tìm thấy trên thị trường. Sự khác biệt được tìm thấy trong thiết kế mạch thực tế trong một IC, cũng như trong thiết kế bao bì.

Có nhiều sự kiện cần được xem xét khi lựa chọn hoặc thiết kế các thành phần chịu rad-hard và hệ thống điện tử. Các thành phần cần chịu đựng được các loại cơ chế hư hại khác nhau, và các cơ chế hư hại khác nhau có thể chiếm ưu thế trong các môi trường khác nhau. Bốn cơ chế hư hại nổi bật như sau:

• Tổng liều bức xạ ion hóa (TID). Thước đo này định lượng hư hại bức xạ mà một thành phần phải chịu do tiếp xúc liên tục với bức xạ ion hóa. Sự ion hóa liên tục dẫn đến, ít nhất là, sự tích tụ điện tích và bẫy trong oxit bán dẫn, làm tăng dòng rò và gây ra sự lệch bias ngẫu nhiên trong các khối mạch.

• Hư hại do dịch chuyển proton và neutron. Hiệu ứng này xảy ra khi các hạt phụ nguyên tử năng lượng cao va chạm với các nguyên tử trong mạng bán dẫn. Những hạt năng lượng cao này có thể dịch chuyển các nguyên tử và tạo ra các khuyết tật liên kết trong mạng. Đây là một vấn đề lớn trong các thiết bị chụp ảnh phóng xạ, nơi các khuyết tật gây ra trong các điểm ảnh dẫn đến dòng tối tăng lên.

• Hiệu ứng liều bức xạ tạm thời. Bộ hiệu ứng này xảy ra trong các sự kiện dòng bức xạ cao, như trong một vụ nổ hạt nhân. Vụ nổ tạo ra dòng quang điện khắp vi mạch bán dẫn, khiến các transistor mở ngẫu nhiên và trạng thái logic thay đổi trong các mạch logic. Hư hại vĩnh viễn có thể xảy ra trong các xung dài, hoặc kẹt có thể xảy ra trong các sự kiện dòng gamma/x-quang cao. 

• Hiện tượng ảnh hưởng đơn lẻ (SEE). Lớp sự kiện này bao gồm nhiều hiệu ứng khác nhau có thể xảy ra bên trong một mạch tích hợp. Các transistor riêng lẻ hoặc các khu vực khác của IC có thể trải qua hiệu ứng khóa, lật bit có thể xảy ra trong một bộ đăng ký hoặc phần khác của hệ thống, cháy có thể xảy ra trong MOSFETs được cảm ứng tiến, cũng như các hiệu ứng khác. Các sự kiện SEE

Các loại bức xạ ion hóa khác nhau tạo ra các hiệu ứng khác nhau đối với điện tử và hợp chất hữu cơ.

Các thành phần chịu bức xạ được thiết kế để chịu đựng một số hiệu ứng này, tùy thuộc vào môi trường mà thiết bị được triển khai. Thông số kỹ thuật điển hình được sử dụng để định lượng khả năng chống bức xạ là liều hấp thụ tổng (hoặc TAD, đo bằng đơn vị rad). Không phải tất cả các chỉ số TAD đều được tạo ra như nhau vì giá trị bạn cần phụ thuộc vào môi trường và hiệu ứng hư hại bức xạ bạn cần chống chịu. Tuổi thọ tổng thể của thiết bị sau đó phụ thuộc vào dòng bức xạ trong môi trường (tức là TAD/dòng = tuổi thọ).

Điện tử Chịu Bức Xạ so với Điện tử Chống Bức Xạ

Sự khác biệt giữa khả năng chịu bức xạ so với các thành phần chống bức xạ có thể xuất hiện là về mặt từ vựng, nhưng hai loại sản phẩm thương mại và quân sự này khá khác biệt. Phạm vi khác biệt có thể bao gồm thiết kế mạch, bố cục, quy trình sản xuất, bao bì hoặc một cái gì đó hoàn toàn khác. Các nhà sản xuất thành phần sẽ không tiết lộ bí quyết của họ trong việc làm cho các thành phần của họ chịu bức xạ so với chống bức xạ.

Mặc dù có thể khó để thấy những quy trình và khía cạnh thiết kế cụ thể nào làm cho hai loại thành phần này khác biệt, nhưng sự khác biệt được thấy trong thông số kỹ thuật TAD. Các thành phần chịu bức xạ thường được chỉ định là đáng tin cậy đến một giới hạn nào đó dưới 100 krad, trong khi các thành phần chống bức xạ có thể vượt qua giới hạn này. Các thành phần chịu bức xạ phù hợp cho các hệ thống độ cao thấp hơn sẽ đã nhận được liều bức xạ thấp hơn. Điều này cũng giúp đáp ứng nhu cầu về hệ thống quân sự và hàng không vũ trụ có chi phí thấp hơn.

Quan trọng là phải lưu ý rằng một số quy trình thương mại sẽ vốn dĩ chịu bức xạ hoặc chống bức xạ hơn. SiGe là một loại vật liệu transistor được biết đến là có thể sống sót ở mức TAD lên đến Mrad. Tuy nhiên, nếu các transistor SiGe được chế tạo trong quy trình BiCMOS, mô-đun CMOS sẽ là yếu tố giới hạn về khả năng chịu bức xạ của một sản phẩm; một giá trị TID nhỏ như 5 krad đủ gây hư hại vĩnh viễn cho silicon trong các thành phần CMOS. Các thành phần Bipolar có xu hướng có khả năng chịu đựng cao hơn so với các thành phần CMOS.

Vi điều khiển chống bức xạ SAMRH71 từ Microchip được đóng gói trong gói sứ. [Nguồn: Microchip]

Lựa Chọn Thành Phần Chống Bức Xạ

Không phải tất cả các linh kiện từ một nhà sản xuất đều có phiên bản chống bức xạ, nhưng bạn có thể tìm thấy các linh kiện chống bức xạ mà bạn cần khi sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử phù hợp. Các nhà sản xuất hướng đến thị trường chống bức xạ sẽ liệt kê “chống bức xạ” trong mô tả tagline của họ; tìm kiếm thuật ngữ này sẽ giúp bạn thu hẹp danh sách các linh kiện ứng viên. Những linh kiện này có nhu cầu thấp nên chúng thường khá đắt, nhưng hệ thống của bạn sẽ có tuổi thọ dài hơn nhiều với những linh kiện cứng cáp hơn này.

Một số linh kiện chống bức xạ thường được nhắc đến là FPGA của Xilinx, microcontroller tín hiệu hỗn hợp của Texas Instruments, và nhiều sản phẩm của Renesas. Bộ tiêu chuẩn quân sự hiện hành về các linh kiện chống bức xạ là MIL-PRF-38535; các công ty được cấp chứng nhận Lớp Y theo tiêu chuẩn này được xác nhận đã đáp ứng hoặc vượt qua các tiêu chuẩn độ tin cậy của MIL. Hãy chắc chắn tìm kiếm sự phù hợp với tiêu chuẩn này hoặc chứng nhận nếu bạn đang tìm kiếm các linh kiện chống bức xạ.

Khi bạn cần tìm các linh kiện chống bức xạ cho hệ thống quân sự hoặc hàng không vũ trụ tiếp theo của mình, hãy sử dụng tính năng tìm kiếm linh kiện trong Octopart. Công cụ tìm kiếm trong Octopart bao gồm các tính năng lọc giúp bạn thu hẹp theo từ khóa, nhà sản xuất, thông số kỹ thuật và vòng đời. Bạn có thể bắt đầu tìm kiếm các IC chống bức xạ bằng cách sử dụng trang danh mục mạch tích hợp của chúng tôi.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.