Влияние радиации на компоненты платы и обзор существующих решений

Автором дан сумбурный и краткий обзор на тему радиоактивной стойкости электронных плат. В конце статьи есть список с актуальными на начало 2020 года компонентами российского производства, которые были найдены методом «быстрого поиска» и не претендуют на полноту охвата производителей и их продукции.

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.

Дефекты в кристаллической решетке

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
НазваниеОписаниеПроизводительСсылка
Микроконтроллеры
1986ВЕ8Т32-разрядный  RISC-микроконтроллер на базе процессорного ядра ARM Cortex-M4F.Миландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikrokontrollery_i_protsessory/32_razryadnye_mikrokontrollery/1986ve8kh_yadro_arm_cortex_m4f/1986ve8t/
1923ВК014специализированный контроллер внешней памяти и набора периферии на базе микропроцессорного ядра ARM Cortex-M0Миландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikrokontrollery_i_protsessory/32_razryadnye_mikrokontrollery/1923vk014/
1830ВЕ32АУ8-разрядный микроконтроллер без ПЗУ«НИИЭТ»https://niiet.ru/product/id35
1867ВМ2 (ТМS320C25)16-разрядный цифровой сигнальный процессор«НИИЭТ»https://niiet.ru/product/id39
1874ВЕ10Т16-разрядный микроконтроллер с многоканальным АЦП, «НИИЭТ»https://etpgpb.ru/catalog/products/1685531-mikroshema-radiatsionno-stoykiy-16-razryadnyy-mikrokontroller-s-mnogokanalnym-atsp-interfeysami-gost-r-52070-2003-spacewire-jtag-i-funktsiey-obnaruzheniya-i-ispravleniya-oshibok-vneshney-pamyati-1874ve10t-ao-niiet-rossiya/
1867BМ9Ф32-разрядный микропроцессор с фиксированной и плавающей запятой«НИИЭТ»https://niiet.ru/product/obr6
1874ВЕ05Т16–разрядный микроконтроллер без ПЗУ и АЦП«НИИЭТ»https://niiet.ru/product/id36
1874ВЕ7Т / 1874ВЕ71Т16-разрядный микроконтроллер«НИИЭТ»https://niiet.ru/product/brandnew/id38
1880ВЕ1У8-разрядный микроконтроллер с системой команд MCS-51 с 8-разрядным АЦПИнтегралhttps://integral.by/ru/products/mikrokontrollery-i-supervizory-pitaniya-serii-1880-1881-588-1345-5518ap1tbm/1880ve1u
1881ВГ4Т8-разрядный микроконтроллер с RISC-архитектурой, встроенным ЭСППЗУ и FLASH-памятью с функцией защиты от несанкционированного доступаИнтегралhttps://integral.by/ru/products/mikrokontrollery-i-supervizory-pitaniya-serii-1880-1881-588-1345-5518ap1tbm/1881vg4t
1892ВМ8Я DSP процессор АО НПЦ «ЭЛВИС»http://multicore.ru/index.php?id=658
1892ВМ12АТ MIPS32-совместимый процессор АО НПЦ «ЭЛВИС»http://multicore.ru/index.php?id=1343
1892ВМ15АФMIPS32-совместимый процессор с 32/64-разрядным акселератором плавающей точки (FPU) АО НПЦ «ЭЛВИС»http://multicore.ru/index.php?id=1340
5890ВМ1Т32-х разрядный микропроцессор для построения резервируемых отказоустойчивых вычислительных системНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
5890ВЕ1Т32-разрядная система на кристаллеНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
1900ВМ2ТТроированный микропроцессорНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
5890ВГ1ТИнтерфейсный контроллерНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
1907ВМ028 64-разрядный микропроцессорНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
1907ВМ038  32-разрядный микропроцессорНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
1907ВМ044  32-разрядный микропроцессорНИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
1907ВМ014 32-разрядный микропроцессор, 100 МГц, процесс 250 нм.НИИСИ РАНhttps://www.niisi.ru/devel.htm
1906BМ01632-разрядный микропроцессор на базе ядра LEON4«НИИЭТ»https://niiet.ru/product/brandnew/obr12
5512БП2Ф полузаказная СБИСНТЦ "Модульhttps://www.mri-progress.ru/products/bis-i-sbis/sbis-snk/sbis-s-mp-yadrom-snk-almaz-9/
AtmegaS64M1?8-бит микроконтроллер megaAVRMicrochiphttps://www.kit-e.ru/news/microchip_09_01_18.php
микропроцессор «Спутник».32-х разрядный микропроцессорАнгстремhttp://www.angstrem.ru/ru/press-centre/news/angstrem-razrabotal-komplekt-sovremennyh-radiacionno-stoykih-mikroshem-dlya
ПЛИС
1451БК2УБИС цифро-аналогового базового матричного кристаллаИнтегралhttps://integral.by/ru/products/bmk-i-plis/1451bk2u
5400ТР035 ПАИС"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/pais/art/1598
5400ТР014Аналого-цифровые базовые матричные кристаллы"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/ad-bmk/art/1584
серия 5524БМКАнгстремhttp://www.technounity.ru/uchastniki/produkty/seriya-kmop-integralnykh-skhem-5524bts2-3-t1-t3-u1-u2-u3-u4-realizovannaya-na-bystrodeystvuyushchem-/
RTSX-S, RTAX-S/SL, RTAX-DSP, RT ProASIC3, RTG4FPGA?Microsemihttps://actel.ru/rubric/radiacionno-stojkie-plis
Virtex-5QVFPGA?Xilinx?http://fpga.su/radiatsionno-stojkie-plis
BQVR300RH / BQR2V1000RH / BQR2V3000RH / BQR2V6000RHFPGA КНРBMTI?http://www.pec.ru/news/industry/?year=2017&month=4&id=780
ПАМЯТЬ
1645РУ2ТСОЗУ 64Кбит (8Кх8)Миландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_pamyati/operativnye_zapominayushchie_ustroystva/1645ru2t/
1645РУ5УМикросхема асинхронного статического ОЗУ объемом 4МбитМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_pamyati/operativnye_zapominayushchie_ustroystva/1645ru5u/
1655РР1ТЭСППЗУ FLASH типаИнтегралhttps://www.integral.by/ru/products/zapominayushchie-ustroystva-serii-541-1632-1635-1644-1642-1835pe2t-hh-9001rt1u-1655rr1t-25
1657РУ1У КМОП ОЗУ (SRAM) емкостью 4 МбитЭЛВИСhttp://multicore.ru/index.php?id=1208
1659РУ1ТОЗУ статическое информационной емкостью 256 КбитИнтегралhttps://www.integral.by/ru/products/zapominayushchie-ustroystva-serii-541-537-1632-1623-1617-1635-1644-1642-1669-9000-1835pe2t?product=1786
1666РЕ014Энергонезависимое оперативное запоминающее устройство (FRAM) информационной емкостью 1 МбитИнтегралhttps://integral.by/ru/products/zapominayushchie-ustroystva-serii-541-537-1632-1623-1617-1635-1644-1642-1669-9000-2
1645РТ2УОднократно программируемое ПЗУМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_pamyati/postoyannye_zapominayushchie_ustroystva/1645rt2u/
5576РТ1УОднократно программируемое ПЗУ, для ПЛИСМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_pamyati/postoyannye_zapominayushchie_ustroystva/5576rt1u/
1645РТ3УОднократно программируемое ПЗУМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/mikroskhemy_pamyati/postoyannye_zapominayushchie_ustroystva/1645rt3u/
Преобразователи
1892КП1ЯSpaceWire коммутаторЭЛВИСhttp://multicore.ru/index.php?id=1334
5559ИН27У, 5559ИН25У,5559ИН26Умикросхема приемопередатчика интерфейса RS-485Миландрhttps://ic.milandr.ru/products/interfeysnye_mikroskhemy/rs485-rs422/5559in27u/, https://ic.milandr.ru/products/interfeysnye_mikroskhemy/rs485-rs422/5559in25u/, https://ic.milandr.ru/products/interfeysnye_mikroskhemy/rs485-rs422/5559in26u/
5572ИН1У, 5572ИН2УШинный формирователь выходных уровней (микросхема для сопряжения)Миландрhttps://ic.milandr.ru/products/interfeysnye_mikroskhemy/interfeysy/5572in1u/, https://ic.milandr.ru/products/interfeysnye_mikroskhemy/interfeysy/5572in2u/
1923НВ015преобразователь аналогового сигнала от аналоговых генераторов датчиков вольтового, миливольтового диапазонов, параметрических датчиков Миландрhttps://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/1923nv015/
1923КХ01464-канальный цифровой коммутаторМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/1923kkh014/
1923КН01532-канальный аналоговый коммутаторМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/1923kn015/
1923КН01464-канальный аналоговый коммутаторМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/1923kn014/
1310НМ025Микросхема двухканального 10-16 разрядного преобразователя сигналов датчиков перемещенияМиландрhttps://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/1310nm025/
АЦП
5112НВ03514-ти разрядный, 50 МВыб/с АЦП конвейерного типа"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/adc/art/1655
5400ТР015-00514-ти разрядный, 5 МВыб/с АЦП циклического типа"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/adc/art/1656
5400ТР045А-0012-х канальный, 12-ти разрядный, 500 кВыб/с АЦП последовательного приближения"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/adc/art/1657
5400ТР045А-0148-ми канальный, 12-ти разрядный, 500 кВыб/с АЦП последовательного приближения"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/adc/art/1658
ОКР «Обработка-15»14-, 12- и 10-разрядныйАнгстремhttp://www.angstrem.ru/ru/press-centre/news/angstrem-razrabotal-komplekt-sovremennyh-radiacionno-stoykih-mikroshem-dlya
К1273ПВ10Т16-РАЗРЯДНЫЙ АЦП (АНАЛОГОВЫЙ ПРЕПРОЦЕССОР) Опытные образцы«НИИЭТ»https://niiet.ru/news/ap-1273
ЦАП
5400ТР045А-0022-х канальный, 12-ти разрядный ЦАП"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/dac/art/1607
5400ТР045А-02216-ти разрядный последовательный цифро-аналоговый преобразователь"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/dac/art/1630
1583НА055А рад. стойкий ЦАП с параллельным интерфейсомНПО ФИЗИКА http://npofizika.ru/new_developmenthttp://npofizika.ru/pdf/1583na045.pdf
СХЕМЫ ПИТАНИЯ
5400ТР045А-020, 5400ТР125-001
Линейный регулятор напряжения настраиваемой положительной полярности"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/dc-dc-converters/art/1640, https://dcsoyuz.ru/products/dc-dc-converters/art/1641
1393ЕУ014Контроллер понижающего импульсного преобразователя напряжения с интегрированным силовым ключом"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/dc-dc-converters/art/1639
5400ТР085-001Синхронный контроллер понижающего импульсного преобразователя напряжения с интегрированным силовым ключом"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/dc-dc-converters/art/1642
ОУ
5400ТР045А-004Прецизионный операционный усилитель"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/analog/art/1589
5400ТР045А-015Быстродействующий компаратор"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/analog/art/1590
5400ТР045А-003Счетверенный rail-to-rail ОУ общего применения"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/analog/art/1643
5400ТР045А-031 ПАМС™Программируемая аналоговая микросхема ПАМС™"Союз", Зеленоградhttps://dcsoyuz.ru/products/analog/art/1662
Серия 1494серия радиационно-стойких широкополосных операционных усилителейАнгстремhttp://www.mforum.ru/news/article/119900.htm
1432УД5Р1малошумящие операционные усилители с обратной связью по напряжениюПУЛЬСАРhttp://pulsarnpp.ru/images/imagespulsar/4otd/1432UD5.pdf
ФАПЧ
1288ПЛ1У ФАПЧ ЭЛВИСhttp://multicore.ru/index.php?id=1360
Мультиплексоры
5023КН01532-КАНАЛЬНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОРАнгстремhttp://www.technounity.ru/uchastniki/produkty/mikroskhema-analogovogo-32-kanalnogo-multipleksora-5023kn015-65/

Comment

programel