Влияние радиации на компоненты платы и обзор существующих решений

Наиболее устойчивыми к ИИ являются металлы.

Им свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики слабо зависят от дефектов. При высоких дозах ИИ у металлов возрастает пластичность (текучесть) Наиболее радиационно-стойкими являются электротехнические стали и магнитные материалы. Некоторые металлы, такие как цинк, кобальт, марганец, при облучении могут быть источниками вторичного излучения. Это связано с физико-химической структурой материалов.

Наиболее уязвимы к ИИ – органика и полупроводники. У полупроводниковых материалов изменяется время жизни носителей зарядов и их подвижность. У органических материалов изменяются механические свойства – изменяется текучесть, изменяется тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость.

Влияние ИИ на резисторы

При воздействии на резисторы могут возникать как обратимые, так и необратимые изменения сопротивления. Может увеличиваться уровень шумов и улучшаться влагостойкость материала. Основные причины выхода из строя резисторов – деградация электрофизических характеристик резистивного или влагоустойчивого материала. Гамма-излучение как правило вызывает обратимые изменения. При воздействии поля его резистивность уменьшается, но при снятии поля его характеристики восстанавливаются. Наиболее устойчивыми к ИИ являются керамические и проволочные резисторы. Наименее устойчивые – органические и плёночные.

Резисторы серии VPG Foil Resistors для космических применений

http://icquest.ru/news/1-novosti/2018/560-sverkhvysokotochnye-rezistory-serii-303337-kompanii-vpg-foil-resistors-dlya-kosmicheskikh-primeneniy

Эксплуатационные факторы и старение резисторов

http://reom.ru/stati/303/

Влияние ИИ на конденсаторы

Основное влияние – преобразования в структуре диэлектрика, ионизация диэлектриков и выделение газов.

Наиболее стойкие к излучению конденсаторы с неорганическим диэлектриком:

• керамические;
• стеклоэмалевые;
• слюдяные.

Время восстановления для таких конденсаторов менее двух часов. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые) обладают пониженной устойчивостью к излучению. Причиной этого является разложение полимерных материалов. Время восстановления составляет 200-300ч (причём восстановление не полное). Электролитические конденсаторы при облучении ненадёжны, отмечаются случаи разгерметизации и разложения электролита.

Наиболее устойчивые из тонкоплёночных – конденсаторы на основе Al₂O₃.

Kemet выпустила электролитические конденсаторы космического назначения

http://www.zolshar.ru/article/877

Обзор конденсаторов производителя Vishay: от игрушки до космоса

https://www.compel.ru/lib/54358

Влияние ИИ на полупроводники

Излучение, взаимодействуя с твердым телом, вызывает ионизацию и смешение атомов решетки, изменяя тем самым структурные и электрофизические свойства материала, приводящие к изменению параметров полупроводниковых приборов. К структурным нарушениям в первую очередь относится образование первичных радиационных дефектов типа пар Френкеля (вакансия и междоузельный атом ) в кристаллической решетке в результате упругого столкновения движущейся частицы с ядром атома или с атомом вещества; возможно также образование первичных дефектов в виде дивакансий.

Вакансии и выбитые атомы могут перемещаться по твердому телу и приводить к образованию вторичных дефектов при взаимодействии друг с другом и с дефектами, существующими до облучения (А-, Е-центры, дивакансии и др.)

Более детально вопросы рассматриваются в приведенных ниже материалах. Если вопрос представляет интерес – очень советую посмотреть список литературы.

Попович А. Топологическая норма и радиационная стойкость // Компоненты и Технологии. 2010. №110. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/topologicheskaya-norma-i-radiatsionnaya-stoykost (дата обращения: 21.05.2020).

Разработка топологической конструкции КНИ КМОП транзистора для проектирования СБИС специального назначения
Молодежный научно-технический вестник # 12, декабрь 2013
УДК: 621.382
http://ainsnt.ru/doc/640447.html (дата обращения: 21.05.2020)

Влияние ИИ на интегральные микросхемы

Действие излучения проявляется в обратимых нарушениях работоспособности, вызванных ионизационными эффектами, и в необратимой деградации параметров (истощение плёнок, диффузия, миграция атомов плёнок). Причина нарушения: изменение параметров у входящих в микросхему элементов, повреждения межсоединений, ухудшение качества изоляции.

Конструктивно-технологические методы повышения стойкости:

– Создание надёжной изоляции.

– Использование радиационно-стойких проводящих и диэлектрических пассивирующих материалов (оксидные плёнки, стойкие к излучению).

– Ослабление излучения за счёт рационального выбора конструкции корпуса и применения материалов, поглощающих энергию излучения (Однако, энергия некоторых частиц в космическом пространстве может превышать предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина и составлять около 50 Дж, что позволяет частице пробивать любую, защиту адекватных размеров).

– Эффект сверхглубокого проникания частицами с размером до сотен микрон.

Влияние ИИ на волокно

Влияние ионизирующего излучения на волоконные стекла очень сложно и весьма сильно. Под его воздействием разрушаются химические связи, образующие матрицу стекла, в результате чего создаются новые уровни энергии электрона, донорные или акцепторные, и между ними становятся возможными электронные переходы. Многие из этих переходов создают потери в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

При малых дозах облучения наведенные ионизирующим излучением потери прямо пропорциональны дозе. Однако чувствительность к радиации у различных волокон разная и колеблется от 0,1 до 10 (дБ/км)/рад.

Немного более детально вопрос рассматривается в материале Оптические системы связи (Гауэр Дж., 1989), § 3.2, стр.83

Производители OFS и J-fiber приводят дозы, которыми облучали волокна. Также производитель OFS и Nufern приводят графики затухания при облучении разными дозами в сравнении со стандартными волокнами (SMF28) и волокнами Z-plus.

Радиационно-стойкие легированные волокна (Специальные системы фотоника)

https://sphotonics.ru/catalog/radiatsionno-stoykie-legirovannye-volokna/

Радиационно-стойкое волокно (DrakaElite RadHard Fibres)

http://tdvniikp.ru/page/production/catalog/materials/OpticalFiber/catalog/specialties/radhard

Статья сравнение и российские аналоги

https://oessp.ru/articles/Obzor-radiatsionno-stoykih-volokon-ot-zarubezhnih-i-otechestvennih-proizvoditeley/

Фотодиоды для рад. окружения

http://applphys.orion-ir.ru/appl-99/99-3/99-3-28r.htm