Radiacijos poveikio elektroniniams prietaisams projektavimo aspektai

Didelės energijos dalelės, tokios kaip fotonai, protonai ir neutronai, gali smarkiai paveikti elektroninius komponentus.Paprastai ši žala įvyksta atominiu lygiu, todėl susiduria su tokiomis problemomis kaip krūvio kaupimasis ar dalelių poslinkis.Įsivaizduokite, kad smogiate atspausdintos plokštės rinkiniui (PCBA) su maža, bet galinga jėga, panaši į tai, kad pataikė į golfo rutulį atominiu mastu.Šis radiacijos poveikis iš esmės yra mechaninio, o ne cheminio pobūdžio.Svarbu suprasti, kaip radiacija veikia elektroninius prietaisus ir įtraukiant apgalvotus projektavimo aspektus vystymosi metu, norint sumažinti galimą riziką.

Katalogas

Skirtingų rūšių dalelių spinduliuotė

Radiaciją, veikiančią elektroniką, galima plačiai suskirstyti į elektromagnetines ir subatomines kategorijas.Kiekvienas tipas skirtingai sąveikauja su elektroniniais komponentais, todėl svarbu atpažinti ypač pagal specifines savybes.Radiacija yra įvairus reiškinys, apimantis tiek elektromagnetines, tiek subatomines veisles, kurių kiekviena sudaro unikalias daleles, turinčias specifinių savybių ir pasekmių.

Elektromagnetinė radiacija

Elektromagnetinė spinduliuotė apima rentgeno spindulius ir gama spindulius, kurie tapo būtini technologinėje evoliucijoje.Rentgeno spinduliai, dažniausiai naudojami medicininėje diagnostikoje, panaudoja jų sugebėjimą giliai įsiskverbti į audinius, siūlydami išsamius vidinių struktūrų vaizdus be invazinių metodų.Gamma spinduliai dėl savo intensyvios energijos, raskite naudingumo onkologiniu gydymu, sterilizacijos procesais ir astronominiais tyrimais.Suprasdami elektromagnetinę dinamiką, atrakinami nauji vaizdų ir terapinių metodikų horizontai, sustiprinantys mūsų požiūrį į žmonių sveikatą ir kosminį tyrinėjimą.

Subatominės dalelės

Subatominiai subjektai, tokie kaip protonai, neutronai, elektronai, pionai ir muonai, yra kertiniai akmenys tiek moksliniame tyrime, tiek pritaikyme.Pvz.Neutronai, neturintys elektros krūvio, yra neįkainojami atliekant neardomojo bandymus, tikrindami medžiagas, kad būtų galima atskleisti vidines kompozicijas.Įvairūs šių dalelių panaudojimas pabrėžia jaudulį ir iššūkį įvaldyti jų dinamiką, įskaitant krūvį, jonizaciją, masę, greitį ir skverbimosi gylį, kad būtų galima pažangiausias naujoves.

Radiacijos poveikis elektroniniams prietaisams

Radiacijos įtaka elektroniniams prietaisams reikalauja nuodugniai išnagrinėti jos atributus.Alfa dalelės, turinčios ribotas skverbimosi galimybes, paprastai kelia išorinę riziką, tačiau dėl jų jonizuojančio potencialo reikalauja kruopščios vidinio ekrano.Beta daleles, kurioms būdingas vidutinio sunkumo įsiskverbimas, efektyviai mažinamos tokios medžiagos kaip aliuminis.Lengva gama ir rentgeno spindulių medžiagos palengvina ne tik vaizdavimo programas, bet ir pabrėžia galimą elektroninių sistemų pažeidžiamumą, todėl reikia kūrybinio požiūrio į ekraną, kad būtų užtikrinta prietaiso ištvermė ir našumas.

Ne visa radiacija daro tą patį poveikį elektroniniams prietaisams.Žemiau esančioje lentelėje apibendrintos radiacijos tipų savybės, turinčios įtakos jų galimai žalą:

Charakteristika	Alfa (α)	Protonas (P)	Beta (β) / elektronas (E)	Fotonas (γ arba rentgeno spindulys)	Neutronas (n)
Mokestis	+2	+1	-1	Neutralus	Neutralus
Jonizacija	Tiesioginis	Tiesioginis	Tiesioginis	Netiesioginis	Netiesioginis
Mišios (AMU)	4.001506	1.007276	0.00054858	-	1.008665
Greitis (cm/s)	6,9 × 10⁸	1,4 × 10⁹	2,8 × 10⁹	3.0 × 10¹	1,4 × 10⁹
Šviesos greitis	2,3%	4,6%	94,1%	100%	4,6%
Diapazonas ore	0,56 cm	1,81 cm	319 cm	82 000 cm*	39 250 cm*

• Alfa dalelės turi trumpiausią prasiskverbimo gylį ir lengvai sustabdomos medžiagoje.

• Beta dalelės prasiskverbia šiek tiek giliau, tačiau negali visiškai pervažiuoti medžiagos.

• Gamma spinduliai ir rentgeno spinduliai, būdami gryna energija be masės, gali lengvai praeiti per komponentus.Ši savybė daro juos vertingomis vaizdavimu, tačiau pavojinga elektronikai.

Kokie veiksniai daro įtaką radiacijos pažeidimui?

Radiacija gali paveikti elektroninius komponentus įvairiais būdais, atsižvelgiant į tokius veiksnius kaip radiacijos rūšis, jos energijos lygis ir ekspozicijos sąlygos.Suprasti šiuos veiksnius svarbu suprojektuoti elektroniką, kuri galėtų efektyviai atlaikyti radiacijos žalą.Keletas veiksnių lemia elektroninių komponentų radiacijos pažeidimo mastą:

Poveikio kilmės įtaka

Radiacijos įtaką PCB mazgams formuoja įvairūs šaltiniai.Antžeminė radiacija yra glaudžiai susijusi su geografine vieta, o natūraliuose radioizotopuose gausu regionų, rodančių padidėjusį lygį.Panašiai kosminė spinduliuotė tampa intensyvesnė didesniame aukštyje.Žmogaus veikla, tokia kaip kelionių ore ar logistinės operacijos, gali netyčia padidinti ekspoziciją dėl įprastų saugumo nuskaitymų.Numatant, kaip radiacija laikui bėgant gali paveikti jautrius komponentus, nes kai kuriais atvejais paaiškėja, kad kai kuriais atvejais gali kauptis net nedidelis poveikio kiekis, o tai gali sukelti didelį ilgalaikį poveikį.

Radiacijos pobūdis

Radiacijos pobūdis suteikia komponentų poveikį.Didelės energijos dalelės, tokios kaip fotonai, ypač gama ir rentgeno spinduliai, turi gilias įsiskverbimo galimybes ir gali sukelti didelę jėgą, kad padarytų žalą.Šie spinduliai sutrikdo atomines elektroninių medžiagų konfigūracijas, grasindamas rinkinių vientisumui ir veikimui.Patirtis rodo, kad strategijos, tokios kaip tinkamų medžiagų ekranas ir pasirinkimas, gali sušvelninti šiuos iššūkius, pabrėžiant aktyvią poziciją tiek projektavimo, tiek taikymo aplinkoje.

Radiacijos energijos lygis

Radiacijos energijos lygis daro lemiamą įtaką komponentams.Jonizuojanti radiacija, apimanti alfa, beta ir gama spindulius, turi pakankamai energijos, kad galėtų išstumti elektronus iš atominių struktūrų, taip pakeisdama medžiagų požymius ir paveikdamas elektroninį efektyvumą.Tuo tarpu nejonizuojanti radiacija, kylanti iš tokių šaltinių kaip radijas ir mikrobangai, trūksta jonizuojančios energijos, tačiau gali sukelti molekulines virpesius, sukeliančius šiluminį poveikį.Stebėjimai rodo poreikį apsaugoti elektroninius prietaisus nuo jonizuojančios radiacijos, ypač esant didelės rizikos situacijoms.

Radiacijos srauto įtaka

Svarbi radiacijos srauto kaupiamoji įtaka.Sugerta dalelių energija viršija tam tikrą slenkstį, tai lemia neigiamą medžiagų modifikaciją, pirmiausia elektronų poslinkiu.Šis reiškinys koreliuoja su radiacijos poveikio tankiu laikui bėgant.Laukų, tokių kaip palydovinės technologijos, įžvalgos rodo, kad reikia stebėti srauto lygį, nes nuolatinis kosmoso poveikis reikalauja atsparių projektavimo strategijų, kaip išsaugoti funkcionalumą.Tai pabrėžia sudėtingą užduotį suderinti aktyvius švelninimo metodus su aplinkos koregavimais, kad būtų užtikrintas nuolatinis atlikimas.

Dalelių spinduliuotės poveikis elektronikai

Dalelių spinduliuotė gali paveikti elektroninius prietaisus, sukeldami problemas, pradedant nuo nedidelių sutrikimų iki visiško nesėkmės.Šis poveikis priklauso nuo tokių veiksnių kaip radiacijos rūšis, jos energija ir poveikio trukmė.Suprasti šį poveikį projektavimui elektronikai, kuri gali patikimai veikti radiacijos linkme.

Dozės poveikis prietaiso ilgaamžiškumui

Radiacijos poveikis palaipsniui sumažina elektroninių prietaisų našumą ir eksploatavimo laiką, kuriai reikalingos novatoriškos švelninimo strategijos.Įžvalgos apie kiekvieną degradacijos etapą gali būti veiksmingesnė intervencija.

Bendros jonizuojančios dozės (TID) aspektai

Bendra jonizuojanti dozė (TID) atspindi kaupiamąjį radiacijos poveikį, kurį trasos plokštės medžiagos išlieka per visą jų naudojimą.Augant radiacija, dėl to gaunamas elektrinis krūvis turi įtakos slenkstinei įtampai ir padidina nuotėkio sroves.Tai gali sukelti lėtesnį atsakymą ar net prietaisų nesėkmę.Kiekvienas puslaidininkio tipas turi savo TID ribą, dažnai matuojamą RADS (SI) arba Grays (Gy), todėl šios metrikos pagrindinės pramonės nuorodos yra.Naudojant „Tid“ atsparias medžiagas ir keičiant projektavimo principus, galite pratęsti subtilios elektronikos tarnavimo laiką.

Prietaisas Tipas	TID Slenkstis (rads)	TID Slenkstis (Gy)
Linijinis	2 000 - 50 000	20 - 500
Mišrus signalas	2 000 - 30 000	20 - 300
„Flash“ atmintis	5000 - 15 000	50 - 150
Drama	15 000 - 50 000	150 - 500
Mikroprocesoriai	15 000 - 70 000	150 - 700

Poslinkio pažeidimo dozė (DDD)

Išstumimo žalos dozė atsiranda iš didelės energijos dalelių, tokių kaip protonai išniro silicio atomus, sukuriant spąstus puslaidininkių gardelėse, kurios padidina nuotėkio sroves.DDD poveikiui didelę įtaką daro „Silicon“ bruožų dydis, aktyvioji sankryžos gylis ir specifinės proceso technologijos.Galite pasinaudoti patirtimi, pasirinkdami radiacijos keptus metodus, kad sustiprintumėte įrenginio tvirtumą prieš DDD.

Vieno įvykio efektai (žr.)

Vieno įvykio efektai atsiranda, kai sunkūs jonai laikinai arba visam laikui sutrikdo įrenginio operacijas.Poveikis svyruoja nuo nedidelių bitų ir iki sunkių rezultatų, tokių kaip užraktas ar tranzistorių vartų dielektrikų pažeidimas.Taikant žr. Minėjimo strategijas, tokias kaip rafinuota grandinės architektūra ir atleidimas, elektroninių sistemų patikimumas atšiaurioje aplinkoje ypač padidėja.Integruotų sprendimų, kurie maišo aparatinės ir programinės įrangos apsaugą, palaiko tvirtą palaikymą, kad padidintų elektronikos atsparumą, kuriam taikoma dalelių radiacija.

Elektronikos stiprinimo nuo radiacijos stiprinimo strategijos

Elektroniniu atsparumu, norint sukurti veiksmingus švelninimo metodus, svarbu atskirti jonizuojančios ir nejonizuojančios spinduliuotės poveikį.

Nejonizuojančios radiacijos metodai

Norint kovoti su nejonizuojančiajai radiacijai, reikia nuožmios maršruto parinkimo metodikos.Integruodami dideles žemės plokštumas, dizaineriai gali sušvelninti nereikalingą signalo sluoksnio trukdžius ir moderuojančią sąveiką.Impedancijos kontrolė yra svarstymas, leidžiantis užtikrinti nuolatinį signalo vientisumą tarp substratų, turinčių nuoseklią varžą.Elektromagnetinis ekranas paverčia radiacijos smūgį į įžemintas nuotėkio sroves, apsaugos lentas, komponentus ir kabelius.Pagardintam prototipų kūrimui ir modeliavimo lentos išdėstymui yra būtina praktika, kuri gali padėti nustatyti nenumatytus elektromagnetinius trukdžius prieš faktinį įgyvendinimą, padidinant jų dizaino patikimumą.

Jonizuojančiosios spinduliuotės sprendimai

Norint susidoroti su jonizuojančiajai radiacijai, reikia dislokuoti komponentus, žinomus kaip „Rad-Hard“, pagamintas atlaikyti sunkias sąlygas.„Rad-Hard“ komponentai sumažina bendrą jonizuojančią dozę (TID) ir apsaugo nuo vieno įvykio efektų.Radiacijos ir intensyviose aplinkose prioritetas yra pasirinkimas „Rad-Hard“ puslaidininkių ir kondensatorių, teikiant pirmenybę polimerams ar keramikai, o ne standartinėms medžiagoms, kad sustiprintų PCB ištvermę.

Komponentas	Rekomenduojama	Ne Rekomenduojama
Jungtys	Nepaveiktas	-
Rezistoriai	Nepaveiktas	-
Kondensatoriai	Polimeras, keraminis	Ptfe, tantalum, Elektrolitika
Puslaidininkiai	Rad-Hard, Soi, SOS, „Power PMOS“	Neskanus MOSFETS, CMOS su SCR
Osciliatoriai	Swept kvarcas	Nevaikas

Be to, reguliariai keičiasi įžvalgomis ir žiniomis apie naujas medžiagas ir komponentus su kolegomis profesionalais praturtina kolektyvines strategijas, padidindamas pramonės galimybes kovoti su radiacijos iššūkiais.

Išvada

Radiacijos poveikis elektronikai svyruoja nuo nedidelių sutrikimų iki visiško nesėkmės.Suprasdami įvairių tipų radiacijos tipus ir pagal geriausią dizainą, galite padidinti elektroninių sistemų atsparumą nuo dalelių spinduliuotės.Tinkamai planuojant, komponentus galima apsaugoti net aukšto radiacijos aplinkoje.