Tendances en forme de test électronique résistant aux radiations futures conceptions - Systèmes Embarqués militaires
Les tendances récentes dans les tests de l'électronique pour les missions spatiales se concentrent sur des tests rigoureux avec une attention à la complexité de la météorologie spatiale et l'impact sur la conception des composants et du système.
les essais historiques, souvent sur des normes militaires, a été de plus en plus remplacé par un « test que vous volez » rigueur. les tests de rayonnement historique a sa base dans les normes militaires où des taux élevés de dose et fluence de neutrons d'un environnement d'armes ont été les principales préoccupations. Ces méthodes historiques ne testent pas pour la plupart des importants besoins d'espace émergent. Ainsi, les normes d'essai pour les composants et systèmes, bien que toujours utilisés aujourd'hui, sont remplacés ou complétés dans de nombreux cas. L'accent mis récemment sur les effets de la sensibilité à faible dose renforcée par irradiation (ELDRS), Effets d'événement unique (EES), et les ceintures de protons, qui contribuent à l'ionisation et les dommages de déplacement en même temps, sont des exemples de ces changements.
exigences propres à la mission sont de plus en plus courant. Les environnements de satellites en orbite terrestre par rapport aux missions interplanétaires aux géants de gaz sont très différentes, avec les dernières exigences en introduisant pour le fonctionnement dans le dosage extrême d'ionisation froid et extrêmement élevé.
Par conséquent, ce changement dans la compréhension et l'approche de l'assurance de la dureté de rayonnement a changé la façon dont les tests de l'industrie de l'électronique spatiale et conçoit donc des composants et des systèmes. Les effets suivants examine des rayonnements spatiaux et comment les méthodes d'essai historique intègrent les tendances émergentes.
effets de rayonnement Espace: Un examen plus approfondi
L'environnement de l'espace pour l'électronique est complexe, avec un large éventail de types de particules et les énergies, ainsi que le rayonnement électromagnétique. Les effets de ces nombreuses sources de rayonnement sur les appareils électroniques dépendent du type de composant et de la technologie. Ils dépendent souvent de la vitesse et de l'énergie de la source de rayonnement. L'environnement spatial est dominé par des bandes de protons et d'électrons avec des énergies de particule allant de 1 MeV à 100 MeV pour les électrons et un maximum de 400 MeV pour les protons disposés en bandes comme représenté sur la figure 1. Le débit de dose totale d'ionisation en orbite terrestre ne dépasse pas 10 mrad (Si) par seconde. des événements uniques avec des particules à haute énergie se produisent avec une fréquence élevée pour de faibles énergies basse fréquence et pour les énergies plus élevées.
Figure 1: Image du haut: ceinture de protons, à l'échelle dans les rayons de la terre. Image du bas: Bandes d'électrons, à l'échelle dans des rayons de terre (avec la permission de la NASA).
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Les effets des radiations résultantes sur les composants sont souvent largement classées comme ionisation, des dommages de déplacement, et les effets d'événement unique:
les effets du rayonnement d'ionisation sont induites par un rayonnement électromagnétique ultraviolet supérieure à électro-aimant de rayonnement et au-delà: par des particules alpha (noyaux d'hélium) ou par des particules bêta (électrons). L'effet de l'ionisation sur les semi-conducteurs est l'ajout ou le retrait d'électrons d'atomes en raison de l'interaction coulombienne avec la source de rayonnement. Le rayonnement ionisant est mesurée par le dosage total ionisant (TID) en unités Rad ou gris. dommages TID est généralement réversible avec le temps et la température que la recombinaison se produit avec la dérive et de la diffusion. Comme on le verra plus loin et a récemment été compris, la vitesse à laquelle se produit l'ionisation peut affecter les résultats de certains types de composants.
dommages déplacement est provoqué par les protons et les neutrons énergétiques impactant le réseau cristallin du matériau semi-conducteur. Les postes vacants sont créés dans le réseau de silicium résultant des changements de gain et de fuite. Les dégâts d'irradiation résultant est permanente, affectant des composants tels que des dispositifs bipolaires et optocoupleurs-en particulier. L'effet sur le semi-conducteur peut être très différente pour les deux particules et dépend de l'énergie des particules. Protons, en raison de leur charge, provoquent une ionisation en plus au déplacement des dommages. Ne contribueront Neutrons au déplacement des dommages. Dans l'environnement spatial, les protons sont la principale source d'effets de rayonnement. Les neutrons peuvent être générés à la suite de protons qui interagissent avec des matériaux de l'engin spatial.
effets d'un seul événement
effets d'un seul événement résultent de particules très énergétiques, soit des protons ou des rayons cosmiques. Les rayons cosmiques sont le plus souvent des protons, moins fréquemment des particules alpha et des ions nucléaires lourds. Ces ions hautement énergétiques laissent des traces de paires électron-trou dans le matériau semi-conducteur ou diélectrique. L'unité utilisée pour mesurer l'énergie des particules et de l'impact sur le matériau est le transfert d'énergie linéaire (LET). Si la charge créée atteint un niveau critique, elle peut affecter le dispositif semi-conducteur avec des erreurs non alcoolisées ou les changements d'état dans les dispositifs de mémoire ou informatiques. Dans les dispositifs analogiques transitoires peuvent être induits. En fonction de la profondeur de pénétration dans des dispositifs multicouches, il peut en résulter un tirage latchup et courant élevé. La voie ionique dans les diélectriques peut entraîner un canal conducteur et la circulation de courant dans des dispositifs MOS et peut être destructif.
méthodes d'essai historiques par rapport aux tendances émergentes
Comme mentionné précédemment, les méthodes d'essai historique pour l'effet du rayonnement sur les appareils électroniques ont souvent échoué à simuler l'environnement spatial pour des missions en orbite autour de la Terre-.
test TID pour assurer la survie des composants a toujours été effectuée à des doses très élevées, typiquement supérieures à 50 rad (Si) par seconde. A ces taux, le TID qui nécessiterait 10 ans en orbite peut être accompli en moins d'une heure. Le débit de dose dans l'orbite ne dépassera pas 10 mrad (Si) par seconde et sera ordres de grandeur plus faible. Le test de débit de dose élevé est souvent suivie d'une période de hybrident d'un jour à une semaine dans un effort pour expliquer le faible taux de dose en orbite. La méthode d'essai le plus souvent utilisé est détaillé dans la norme militaire MIL-STD-883, Méthode d'essai 1019. Cependant, les études montrent qu'il peut y avoir de graves effets des rayonnements sur des dispositifs bipolaires qui ne peuvent être prédites sur la base des tests de débit de dose élevé. Avec la tendance vers des tensions d'alimentation réduites pour les composants numériques et analogiques et la réduction des géométries de l'appareil, ces effets sont devenus plus prononcés.
ELDRS fait référence à l'effet faible débit de dose. Exigences relatives aux tests de ELDRS ont été ajoutés à la méthode d'essai 1019 dans les révisions les plus récentes dans un effort pour répondre à cette exigence. Malheureusement, essai à des faibles doses pour atteindre les objectifs de TID de mission peut prendre six mois à un an ou plus, ce qui crée un réel problème pour la conception des composants et la planification des missions. Des efforts ont été faits pour développer des méthodes pour accélérer l'effet en utilisant des températures élevées et des débits de dose légèrement plus élevé. Presque tous les clients et les agences exigent maintenant que le potentiel de ELDRS être pris en compte.
Les méthodes d'essai comme 1019 comprennent des exigences pour les tests de dommages de déplacement à l'aide de neutrons. test neutronique est important dans un environnement d'armes et ces méthodes d'essai ont été mis au point les spécifications militaires. De plus en plus, les clients demandent des essais de déplacement de protons à des énergies de particules multiples. Les sources de protons compliquent les tests de rayonnement, car inévitablement, il y a une accumulation de dose totale avec les dégâts de déplacement et les effets ne peuvent pas être facilement séparé. En outre, il peut y avoir une interaction avec l'emballage métallique ou blindage, ce qui produit un plus grand TID, en particulier avec des protons d'énergie plus faible. Les normes actuelles exigent souvent des tests pour les dommages TID et le déplacement comme des tests séparés et ne se combinent pas les effets sur le même composant électronique. les essais de produits effectués récemment par Crane Aerospace - Electronics a utilisé une combinaison des énergies de protons sur l'électronique emballés pour réaliser une simulation plus réaliste d'un environnement orbital.
test de l'événement unique a toujours été réalisée à basse énergie de particules souvent avec de faibles particules de masse, résultant en partie la disponibilité des installations et des coûts. L'environnement d'espace comprend une large gamme d'énergies et la masse des particules. des énergies plus élevées de masse et élevées entraînent le dépôt de niveaux d'énergie plus profondes dans l'appareil. Dans l'espace, l'incidence des particules peut se produire à tout angle par rapport aux caractéristiques de l'appareil. Les normes actuelles telles que ESCC25100 et JESD57 ne traitent pas de manière adéquate ou exigent des tests multi-angle ou de test avec une variété d'espèces de particules et les énergies. La complexité croissante et la densité des appareils numériques modernes ont augmenté la sensibilité de ces composants aux effets d'un seul événement. L'absence de normes efficaces, a permis le développement de nombreuses méthodes d'essai internes. Crane Aerospace - Electronique, en union avec la NASA, effectue voir test en utilisant une gamme d'espèces de particules et LET gammes qui assurent que les spécifications feuille de données sont respectées. Ce type de test est coûteuse et ne peut être effectuée à un groupe restreint d'installations; cependant, il ne reflète de manière plus réaliste les conditions d'un environnement spatial.
les efforts de l'industrie se déroulent à suivre les tendances
Crane Aerospace - Electronique 425-895-4051 www.craneae.com