Trends in strahlungsgehärteten Elektronikprüfung Form zukünftige Design - Military Embedded System
Die jüngsten Entwicklungen in der Elektronik-Tests für Weltraummissionen konzentrieren sich auf die strengen Tests mit Augenmerk auf die Komplexität der Weltraumwetter und die Auswirkungen auf die Komponenten- und Systemdesign.
Historische Tests, die oft auf militärischen Standards, wurde zunehmend mit einem ersetzt Strenge „Test, wie Sie fliegen“. Historische Strahlungsprüfung hat seine Grundlage in militärischen Standards, wo ein hohe Dosisrate und Neutronenfluss von einer Waffe Umwelt der wichtigsten Anliegen waren. Diese historischen Methoden nicht testen für viele der wichtigen, emergent Platzbedarf. Somit werden die Prüfnormen für Komponenten und Systeme, obwohl auch heute noch verwendet wird, werden in vielen Fällen ersetzt oder ergänzt. Der jüngste Schwerpunkt auf den Auswirkungen der Enhanced Low Dose Strahlenempfindlichkeit (ELDRS), Single Event Effects (SWU) und Protonen-Gürtel, die dazu beitragen, gleichzeitig Ionisierung und Verschiebung Schäden, sind Beispiele für solche Änderungen.
Missionsspezifischen Anforderungen werden immer häufiger. Die Umgebungen für Satelliten in der Erdumlaufbahn im Vergleich zu interplanetarischen Missionen zu den Gasriesen sind sehr unterschiedlich, wobei letztere der Einführung Anforderungen für den Betrieb in extrem kalter und extrem hohen ionisierende Dosierung.
Folglich hat diese Verschiebung in dem Verständnis und die Annäherung an Strahlungshärte Sicherung die Art und Weise der Raumelektronikindustrie Tests verändert, und deshalb entwickelt, Komponenten und Systeme. Die folgenden untersucht Raumstrahlungseffekte und wie historische Testmethoden passen in sich abzeichnende Trends.
Weltraumstrahlung Effekte: Ein genauerer Blick
Die Weltraumumgebung für die Elektronik ist komplex, mit einem breiten Bereich von Partikelarten und Energien sowie elektromagnetische Strahlung. Die Auswirkungen dieser vielen Quellen der Strahlung auf elektronische Geräte sind abhängig von der Komponententyp und Technologie. Sie sind oft abhängig von der Geschwindigkeit und Energie der Strahlungsquelle. Die Raum-Umgebung wird durch Protonen- und Elektronenbänder mit Teilchenenergien im Bereich von 1 MeV bis 100 MeV für Elektronen und bis zu 400 MeV Protonen angeordneten Riemen dominiert, wie in Abbildung 1. Die Gesamt ionisierende Dosisleistung in der Erdumlaufbahn nicht übersteigt 10 gezeigt mrad (Si) pro Sekunde. Einzelereignisse mit hochenergetischen Teilchen auftreten mit einer hohen Frequenz für niedrigen Energien und niedrige Frequenz für höhere Energien.
Abbildung 1: Oberes Bild: Protonenband, Skalierung in Erde Radien. Unteres Bild: electron Belten, Zunder in Erde Radien (mit freundlicher Genehmigung von NASA).
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Die resultierenden Strahlenwirkungen auf Komponenten werden häufig im Großen und Ganzen als Ionisierung, Vertreibung Schaden kategorisiert und Einzelereignis Effekte:
durch Alphateilchen (Heliumkerne) oder durch Beta-Teilchen (Elektronen): Ionisierung Strahlungseffekte werden durch elektromagnetische Strahlung größer als Elektromagnet Strahlung ultraviolette und darüber hinaus induziert. Die Wirkung der Ionisierung auf Halbleitern ist die Zugabe oder das Entfernen von Elektronen von den Atomen aufgrund der Coulombsche Wechselwirkung mit der Strahlungsquelle. Ionisierende Strahlung wird durch die Gesamt Ionisierende Dosierung (TID) in Rad oder Gray-Einheiten gemessen. TID Schaden ist in der Regel reversibel mit Zeit und Temperatur als Rekombination mit Drift und Diffusion auftritt. Wie später und wurde erst vor kurzem verstanden diskutiert werden wird, ist die Geschwindigkeit, kann die Ergebnisse einiger Komponententypen beeinflussen Ionisierung auftritt.
Displacement Schaden wird durch energetische Protonen und Neutronen verursacht das Kristallgitter des Halbleitermaterials zu beeinträchtigen. Stellen werden in dem Gitter von Silizium, was zu Änderungen in der Verstärkung und eine Leckage erzeugt. Die sich ergebende Strahlungsschäden ist permanent, zu beeinflussen Komponenten wie bipolare Vorrichtungen und Optoisolatoren im Besonderen. Die Wirkung auf dem Halbleiter kann für die beiden Teilchen sehr unterschiedlich sein und hängt von der Teilchenenergie. Protone, wegen ihrer Ladung verursacht Ionisation zusätzlich Schaden Verdrängung. Neutrons wird nur dazu beitragen, Schäden an Hubraum. In der Weltraumumgebung sind Protonen die wichtigste Quelle von Strahlungseffekten. Neutronen kann als Folge von Protonen erzeugt werden, mit Materialien, die in dem Raumschiff zu interagieren.
Single Event Effects
Einzelereignis Effekte resultieren aus hochenergetischen Teilchen, entweder Protonen oder kosmischer Strahlung. Kosmische Strahlen sind am häufigsten Protonen, weniger häufig Alphateilchen und schweren Atomionen. Diese hochenergetischen Ionen hinterlassen Spuren von Elektron-Loch-Paare im Halbleitermaterial oder in dem Dielektrikum. Das Gerät verwendet, um die Teilchenenergie und die Auswirkungen auf das Material zu messen, ist linearen Energietransfer (LET). Wenn die erzeugte Ladung ein kritisches Niveau erreicht hat, kann es die Halbleitervorrichtung mit weichen Fehler oder Zustandsänderungen im Speicher oder Rechengeräte beeinflussen. In analogen Geräten können Transienten induziert werden. In Abhängigkeit von der Tiefe des Eindringens in mehrschichtigen Vorrichtungen, kann es in einer Latch-up und hohe Stromaufnahme zur Folge hat. Die Ionenspur in Dielektrika kann in einem leitenden Kanal und den Stromfluss in MOS-Vorrichtungen führen und destruktiv sein kann.
Historische Prüfverfahren gegen aufkommende Trends
Wie bereits erwähnt, haben historische Prüfverfahren für die Wirkung der Strahlung auf den elektronischen Geräten oft nicht die Weltraumumgebung für Erde umkreisen Missionen zu simulieren.
TID Prüfkomponente Überleben zu sichern sind historisch bei sehr hohen Dosisraten durchgeführt worden ist, in der Regel größer als 50 rad (Si) pro Sekunde. Bei diesen Raten der TID, die 10 Jahre in der Umlaufbahn erfordern würde, kann in weniger als einer Stunde erreicht werden. Die Dosisrate in der Umlaufbahn nicht mehr als 10 mrad (Si) pro Sekunde und werden Grßenordnungen niedriger sein. Der hohe Dosisleistung Test wird oft durch eine Ausheilung Zeitraum von einem Tag bis zu einer Woche in dem Bemühen, gefolgt für die niedrige Dosisleistung in der Umlaufbahn zu berücksichtigen. Das Testverfahren am häufigsten verwendet wird, in Militärstandard MIL-STD-883 detailliert beschrieben, Testmethode 1019. Allerdings zeigen Studien, dass es ernsthafte Strahlenwirkungen auf bipolaren Geräten, die nicht auf der Grundlage hohe Dosisleistung Tests vorhergesagt werden können. Mit dem Trend zu reduzierten Versorgungsspannungen für digitale und analoge Komponenten und die Reduzierung der Vorrichtungsgeometrien haben sich diese Effekte stärker ausgeprägt.
ELDRS bezieht sich auf die niedrige Dosisrate Wirkung. Anforderungen an ELDRS Tests wurden dem Testverfahren 1019 in den jüngsten Überarbeitungen in dem Bemühen, hinzugefügt, um diese Anforderung zu adressieren. Leider erreicht die Prüfung bei niedrigeren Dosisraten für die Mission TID Ziele sechs Monate bis ein Jahr dauern oder länger, ein echtes Problem für Komponenten-Design und Einsatzplanung zu schaffen. Anstrengungen wurden unternommen, Methoden zu entwickeln, um die Wirkung zu beschleunigen, indem sie erhöhten Temperaturen mit und etwas höheren Dosisraten. Fast alle Kunden und Agenturen verlangen jetzt, dass das Potenzial für ELDRS angesprochen werden.
Prüfverfahren wie 1019 sind Prüfanforderungen Verschiebung Schaden mit Neutronen. Neutron-Test ist wichtig, in einer Waffen-Umgebung und diese Testmethoden wurden als militärische Spezifikationen entwickelt. In zunehmendem Maße fordern Kunden Protonenverschiebung an mehreren Teilchenenergien testen. Die Protonenquellen Strahlung Tests erschweren, weil zwangsläufig besteht Gesamtdosis Ansammlung zusammen mit der Verschiebung Schaden und Effekte nicht leicht getrennt werden. Darüber hinaus kann es eine Wechselwirkung mit der Metallverpackung oder Abschirmung sein, die eine größere TID erzeugt, insbesondere bei geringeren Energieprotonen. Aktuelle Standards erfordern oft Tests für TID und Verschiebung Schaden als separate Tests und kombinieren nicht die Auswirkungen auf die gleiche elektronische Komponente. Aktuelle Produkt-Tests durchgeführt von Crane Aerospace - Elektronik verwendeten eine Kombination aus Protonenenergien auf verpackten Elektronik eine realistischere Simulation einer Orbital Umgebung zu erreichen.
Einzelereignisprüfung wird bei niedrigeren Teilchenenergien durchgeführt, oft mit niedrigen Masseteilchen historisch worden ist, teilweise aufgrund von Anlagenverfügbarkeit und die Kosten. Die Raumumgebung umfasst ein breites Spektrum an Energien und Partikelmasse. Höhere Masse und hohe Energien führen zur Ablagerung von Energieniveaus tiefer in dem Gerät. Im Raum kann das aufprallende Teilchen in jedem Winkel auftritt in Bezug auf die Gerätefunktionen. Aktuelle Standards wie ESCC25100 und JESD57 nicht ausreichend ansprechen oder erfordern Mehrwinkel oder zum Testen mit einer Vielzahl von Partikelarten und Energien. Die zunehmende Komplexität und Dichte der modernen digitalen Geräten haben die Empfindlichkeit dieser Komponenten zu einzelnen Ereignis Effekte erhöht. Das Fehlen wirksamer Standards bei der Entwicklung vielen internen Testmethoden geführt. Crane Aerospace - Elektronik, mit der NASA in der Vereinigung, führt SEE Prüfung eine Reihe von Partikelarten verwendet und mit LET, dass diese Datenblatt Bereiche gewährleisten Spezifikationen erfüllt sind. Diese Art von Tests ist teuer und kann nur bei einer ausgewählten Gruppe von Einrichtungen durchgeführt werden; Es wird jedoch realistischer die Bedingungen einer Weltraumumgebung widerspiegeln.
Industrie Anstrengungen entfalten, Schritt zu halten mit den Trends
Crane Aerospace - Electronics 425-895-4051 www.craneae.com