El endurecimiento por radiación es el proceso de hacer que los componentes y circuitos electrónicos sean resistentes a daños o mal funcionamiento causados por altos niveles de radiación ionizante ( radiación de partículas y radiación electromagnética de alta energía ), [1] especialmente para entornos en el espacio exterior (especialmente más allá de la órbita terrestre baja ), alrededor de reactores nucleares y aceleradores de partículas , o durante accidentes nucleares o guerra nuclear .
La mayoría de los componentes electrónicos semiconductores son susceptibles a sufrir daños por radiación, y los componentes endurecidos por radiación ( rad-hard ) se basan en sus equivalentes no endurecidos, con algunas variaciones de diseño y fabricación que reducen la susceptibilidad a los daños por radiación. Debido a la baja demanda y al amplio desarrollo y pruebas necesarios para producir un diseño tolerante a la radiación de un chip microelectrónico , la tecnología de chips endurecidos por radiación tiende a quedarse atrás de los desarrollos más recientes. [2] También suelen costar más que sus contrapartes comerciales. [2]
Los productos endurecidos por radiación generalmente se prueban con una o más pruebas de efectos resultantes, que incluyen dosis ionizante total (TID), efectos de tasa de dosis baja mejorados (ELDRS), daño por desplazamiento de neutrones y protones y efectos de evento único (SEE).
Los entornos con altos niveles de radiación ionizante crean desafíos de diseño especiales. Una sola partícula cargada puede hacer que miles de electrones se suelten, causando ruido electrónico y picos de señal . En el caso de los circuitos digitales , esto puede causar resultados inexactos o ininteligibles. Este es un problema particularmente grave en el diseño de satélites , naves espaciales , futuras computadoras cuánticas , [3] [4] [5] aviones militares , centrales nucleares y armas nucleares . Para garantizar el funcionamiento adecuado de dichos sistemas, los fabricantes de circuitos integrados y sensores destinados a los mercados militar o aeroespacial emplean varios métodos de endurecimiento por radiación. Los sistemas resultantes se denominan rad(iation)-hardened , rad-hard o (dentro del contexto) hardened .
Las fuentes típicas de exposición de los dispositivos electrónicos a la radiación ionizante son los cinturones de radiación de Van Allen para satélites, los reactores nucleares en plantas de energía para sensores y circuitos de control, los aceleradores de partículas para la electrónica de control (en particular, los dispositivos detectores de partículas ), la radiación residual de los isótopos en los materiales de embalaje de los chips , la radiación cósmica para naves espaciales y aviones de gran altitud, y las explosiones nucleares para potencialmente toda la electrónica militar y civil.
Las partículas secundarias resultan de la interacción de otros tipos de radiación con las estructuras que rodean los dispositivos electrónicos.
Se producen dos mecanismos fundamentales de daño:
El desplazamiento de la red es causado por neutrones , protones, partículas alfa, iones pesados y fotones gamma de muy alta energía . Cambian la disposición de los átomos en la red cristalina , creando un daño duradero y aumentando el número de centros de recombinación , agotando los portadores minoritarios y empeorando las propiedades analógicas de las uniones de semiconductores afectadas . Contrariamente a la intuición, dosis más altas durante un corto período de tiempo causan un recocido parcial ("curación") de la red dañada, lo que lleva a un menor grado de daño que con las mismas dosis suministradas en baja intensidad durante un largo período de tiempo (LDR o Low Dose Rate). Este tipo de problema es particularmente significativo en transistores bipolares , que dependen de portadores minoritarios en sus regiones base; el aumento de pérdidas causadas por la recombinación causa la pérdida de la ganancia del transistor (ver efectos de neutrones ). Los componentes certificados como libres de ELDRS (sensibles a la baja tasa de dosis mejorada) no muestran daños con flujos inferiores a 0,01 rad(Si)/s = 36 rad(Si)/h.
Los efectos de ionización son causados por partículas cargadas, incluidas aquellas con energía demasiado baja para causar efectos reticulares. Los efectos de ionización suelen ser transitorios, creando fallos y errores leves, pero pueden provocar la destrucción del dispositivo si desencadenan otros mecanismos de daño (por ejemplo, un bloqueo ). La fotocorriente causada por la radiación ultravioleta y de rayos X también puede pertenecer a esta categoría. La acumulación gradual de agujeros en la capa de óxido de los transistores MOSFET conduce al empeoramiento de su rendimiento, hasta llegar a la falla del dispositivo cuando la dosis es lo suficientemente alta (ver efectos de la dosis ionizante total ).
Los efectos pueden variar enormemente dependiendo de todos los parámetros: tipo de radiación, dosis total y flujo de radiación, combinación de tipos de radiación e incluso el tipo de carga del dispositivo (frecuencia de operación, voltaje de operación, estado real del transistor durante el instante en que es golpeado por la partícula), lo que hace que las pruebas exhaustivas sean difíciles, lleven mucho tiempo y requieran muchas muestras de prueba.
Los efectos sobre el "usuario final" se pueden caracterizar en varios grupos:
Un neutrón que interactúa con la red semiconductora desplazará sus átomos. Esto conduce a un aumento en el recuento de centros de recombinación y defectos de nivel profundo , reduciendo la vida útil de los portadores minoritarios, afectando así a los dispositivos bipolares más que a los CMOS . Los dispositivos bipolares en silicio tienden a mostrar cambios en los parámetros eléctricos a niveles de 10 10 a 10 11 neutrones/cm 2 , mientras que los dispositivos CMOS no se ven afectados hasta 10 15 neutrones/cm 2 . La sensibilidad de los dispositivos puede aumentar junto con el aumento del nivel de integración y la disminución del tamaño de las estructuras individuales. También existe el riesgo de radiactividad inducida causada por la activación de neutrones , que es una fuente importante de ruido en los instrumentos de astrofísica de alta energía . La radiación inducida, junto con la radiación residual de las impurezas en los materiales de los componentes, puede causar todo tipo de problemas de un solo evento durante la vida útil del dispositivo. Los LED de GaAs , comunes en los optoacopladores , son muy sensibles a los neutrones. El daño de la red influye en la frecuencia de los osciladores de cristal . Los efectos de la energía cinética (es decir, el desplazamiento de la red) de las partículas cargadas también pertenecen a este grupo.
Los efectos de la dosis ionizante total representan el daño acumulativo de la red del semiconductor ( daño por desplazamiento de la red ) causado por la exposición a la radiación ionizante a lo largo del tiempo. Se mide en rads y causa una degradación gradual y lenta del rendimiento del dispositivo. Una dosis total superior a 5000 rads suministrada a dispositivos basados en silicio en segundos o minutos causará una degradación a largo plazo. En los dispositivos CMOS, la radiación crea pares electrón-hueco en las capas de aislamiento de la compuerta, que causan fotocorrientes durante su recombinación, y los huecos atrapados en los defectos de la red en el aislante crean una polarización persistente de la compuerta e influyen en el voltaje umbral de los transistores , lo que hace que los transistores MOSFET de tipo N sean más fáciles y los de tipo P más difíciles de encender. La carga acumulada puede ser lo suficientemente alta como para mantener los transistores permanentemente abiertos (o cerrados), lo que lleva a la falla del dispositivo. Se produce cierta autorreparación con el tiempo, pero este efecto no es demasiado significativo. Este efecto es el mismo que la degradación del portador caliente en la electrónica de alta velocidad de alta integración. Los osciladores de cristal son algo sensibles a las dosis de radiación, que alteran su frecuencia. La sensibilidad se puede reducir en gran medida utilizando cuarzo barrido . Los cristales de cuarzo natural son especialmente sensibles. Se pueden generar curvas de rendimiento de radiación para pruebas TID para todos los procedimientos de prueba de efectos resultantes. Estas curvas muestran tendencias de rendimiento a lo largo del proceso de prueba TID y se incluyen en el informe de prueba de radiación.
Los efectos de dosis transitorias son el resultado de un breve pulso de radiación de alta intensidad, que ocurre típicamente durante una explosión nuclear. El alto flujo de radiación crea fotocorrientes en todo el cuerpo del semiconductor, lo que hace que los transistores se abran aleatoriamente, cambiando los estados lógicos de los flip-flops y las celdas de memoria . Se pueden producir daños permanentes si la duración del pulso es demasiado larga, o si el pulso causa daño en la unión o un bloqueo. Los bloqueos son causados comúnmente por el destello de rayos X y radiación gamma de una explosión nuclear. Los osciladores de cristal pueden dejar de oscilar durante la duración del destello debido a la fotoconductividad inmediata inducida en el cuarzo.
Los efectos SGEMP son causados por el destello de radiación que viaja a través del equipo y provoca ionización local y corrientes eléctricas en el material de los chips, placas de circuitos , cables eléctricos y carcasas.
Los efectos de evento único (SEE) se han estudiado ampliamente desde la década de 1970. [9] Cuando una partícula de alta energía viaja a través de un semiconductor, deja una pista ionizada detrás. Esta ionización puede causar un efecto altamente localizado similar al de la dosis transitoria: un fallo benigno en la salida, un cambio de bit menos benigno en la memoria o un registro o, especialmente en transistores de alta potencia , un bloqueo y quemado destructivos. Los efectos de evento único tienen importancia para la electrónica en satélites, aeronaves y otras aplicaciones aeroespaciales civiles y militares. A veces, en circuitos que no involucran bloqueos, es útil introducir circuitos de constante de tiempo RC que reducen el tiempo de reacción del circuito más allá de la duración de un SEE.
Un SET se produce cuando la carga recolectada a partir de un evento de ionización se descarga en forma de una señal espuria que viaja a través del circuito. Este es de hecho el efecto de una descarga electrostática . Se considera un error leve y es reversible.
Los efectos de radiación transitoria o perturbaciones de un solo evento en la electrónica son cambios de estado de la memoria o de los bits de registro causados por un solo ion que interactúa con el chip. No causan daños duraderos al dispositivo, pero pueden causar problemas duraderos a un sistema que no puede recuperarse de un error de este tipo. De lo contrario, se trata de un error blando reversible. En dispositivos muy sensibles, un solo ion puede causar una perturbación de múltiples bits (MBU) en varias celdas de memoria adyacentes. Las SEU pueden convertirse en interrupciones funcionales de un solo evento ( SEFI ) cuando perturban los circuitos de control, como las máquinas de estado , colocando el dispositivo en un estado indefinido, un modo de prueba o una detención, que luego necesitaría un reinicio o un ciclo de energía para recuperarse.
Un SEL puede ocurrir en cualquier chip con una estructura PNPN parásita . Un ion pesado o un protón de alta energía que pasa a través de una de las dos uniones de transistores internos puede activar la estructura similar a un tiristor , que luego permanece " en cortocircuito " (un efecto conocido como bloqueo ) hasta que se apaga y enciende el dispositivo. Como el efecto puede ocurrir entre la fuente de alimentación y el sustrato, puede estar involucrada una corriente destructivamente alta y la pieza puede fallar. Este es un error grave e irreversible. Los dispositivos CMOS masivos son los más susceptibles.
Un snapback de un solo evento es similar a un SEL pero no requiere la estructura PNPN y puede inducirse en transistores MOS de canal N que conmutan grandes corrientes, cuando un ion choca cerca de la unión de drenaje y causa una multiplicación por avalancha de los portadores de carga . El transistor luego se abre y permanece abierto, un error grave que es irreversible.
En los MOSFET de potencia, puede producirse un error de polarización directa cuando el sustrato que se encuentra justo debajo de la región de la fuente se polariza directamente y el voltaje de drenaje-fuente es mayor que el voltaje de ruptura de las estructuras parásitas. La alta corriente resultante y el sobrecalentamiento local pueden destruir el dispositivo. Este es un error grave e irreversible.
Los SEGR se observan en los MOSFET de potencia cuando un ion pesado golpea la región de la compuerta mientras se aplica un alto voltaje a la compuerta. Luego se produce una ruptura local en la capa aislante de dióxido de silicio , lo que provoca un sobrecalentamiento local y la destrucción (que parece una explosión microscópica ) de la región de la compuerta. Puede ocurrir incluso en celdas EEPROM durante la escritura o el borrado, cuando las celdas están sujetas a un voltaje comparativamente alto. Este es un error grave e irreversible.
Si bien los haces de protones se utilizan ampliamente para las pruebas SEE debido a su disponibilidad, a energías más bajas, la irradiación con protones a menudo puede subestimar la susceptibilidad a SEE. Además, los haces de protones exponen los dispositivos al riesgo de falla de la dosis ionizante total (TID), lo que puede empañar los resultados de las pruebas de protones o provocar una falla prematura del dispositivo. Los haces de neutrones blancos, aparentemente el método de prueba SEE más representativo, generalmente se derivan de fuentes basadas en objetivos sólidos, lo que da como resultado una falta de uniformidad del flujo y áreas de haz pequeñas. Los haces de neutrones blancos también tienen cierta medida de incertidumbre en su espectro de energía, a menudo con un alto contenido de neutrones térmicos.
Las desventajas de las fuentes de neutrones de protones y de espalación se pueden evitar utilizando neutrones monoenergéticos de 14 MeV para las pruebas SEE. Una posible preocupación es que los efectos de un solo evento inducido por neutrones monoenergéticos no representen con precisión los efectos del mundo real de los neutrones atmosféricos de amplio espectro. Sin embargo, estudios recientes han indicado que, por el contrario, los neutrones monoenergéticos (en particular los neutrones de 14 MeV) se pueden utilizar para comprender con bastante precisión las secciones eficaces de SEE en la microelectrónica moderna. [10]
Los chips endurecidos se fabrican a menudo sobre sustratos aislantes en lugar de las obleas de semiconductores habituales . El silicio sobre aislante ( SOI ) y el silicio sobre zafiro ( SOS ) se utilizan comúnmente. Mientras que los chips de grado comercial normales pueden soportar entre 50 y 100 gray (5 y 10 k rad ), los chips SOI y SOS de grado espacial pueden sobrevivir a dosis entre 1000 y 3000 gray (100 y 300 k rad ). [11] [12] En un momento, muchos chips de la serie 4000 estaban disponibles en versiones endurecidas por radiación (RadHard). [13] Si bien SOI elimina los eventos de bloqueo, no se garantiza que la dureza TID y SEE mejore. [14]
La elección de un sustrato con un ancho de banda amplio le otorga una mayor tolerancia a los defectos de nivel profundo; por ejemplo, carburo de silicio o nitruro de galio . [ cita requerida ]
El uso de un nodo de proceso especial proporciona una mayor resistencia a la radiación. [15] Debido a los altos costos de desarrollo de los nuevos procesos endurecidos por radiación, el proceso más pequeño "verdaderamente" resistente a la radiación (RHBP, Rad-Hard By Process) es de 150 nm a partir de 2016, sin embargo, había FPGAs resistentes a la radiación de 65 nm disponibles que usaban algunas de las técnicas utilizadas en procesos "verdaderamente" resistentes a la radiación (RHBD, Rad-Hard By Design). [16] A partir de 2019, están disponibles procesos resistentes a la radiación de 110 nm. [17]
Los circuitos integrados bipolares generalmente tienen una mayor tolerancia a la radiación que los circuitos CMOS. La serie Schottky (LS) 5400 de bajo consumo puede soportar 1000 krad, y muchos dispositivos ECL pueden soportar 10 000 krad. [13] El uso de transistores CMOS sin bordes, que tienen una construcción física no convencional, junto con un diseño físico no convencional, también puede ser eficaz. [18]
La RAM magnetorresistiva , o MRAM , se considera un candidato probable para proporcionar una memoria conductora no volátil, regrabable y reforzada con radiación. Los principios físicos y las primeras pruebas sugieren que la MRAM no es susceptible a la pérdida de datos inducida por la ionización. [19]
La DRAM basada en condensadores suele sustituirse por una SRAM más resistente (pero más grande y más cara) . Las celdas SRAM tienen más transistores por celda de lo habitual (que son 4T o 6T), lo que las hace más tolerantes a los SEU a costa de un mayor consumo de energía y tamaño. [20] [16]
Proteger el paquete contra la radiactividad es sencillo para reducir la exposición del dispositivo desnudo. [21]
Para protegerse contra la radiación de neutrones y la activación neutrónica de los materiales, es posible proteger los chips mismos mediante el uso de boro empobrecido (que consiste únicamente en el isótopo boro-11) en la capa de pasivación de vidrio de borofosfosilicato que protege los chips, ya que el boro-10 naturalmente predominante captura fácilmente neutrones y sufre desintegración alfa (ver error suave ).
La memoria de código de corrección de errores (memoria ECC) utiliza bits redundantes para verificar y posiblemente corregir datos corruptos. Dado que los efectos de la radiación dañan el contenido de la memoria incluso cuando el sistema no está accediendo a la RAM, un circuito " depurador " debe barrer continuamente la RAM; leyendo los datos, verificando los bits redundantes en busca de errores de datos y luego escribiendo nuevamente las correcciones en la RAM.
Se pueden utilizar elementos redundantes a nivel de sistema. Tres placas de microprocesador independientes pueden calcular de forma independiente una respuesta a un cálculo y comparar sus respuestas. Cualquier sistema que produzca un resultado minoritario volverá a realizar el cálculo. Se puede añadir lógica de forma que, si se producen errores repetidos en el mismo sistema, esa placa se apague.
Se pueden utilizar elementos redundantes a nivel de circuito. [22] Un solo bit puede reemplazarse por tres bits y una " lógica de votación " separada para cada bit para determinar continuamente su resultado ( redundancia modular triple ). Esto aumenta el área de un diseño de chip por un factor de 5, por lo que debe reservarse para diseños más pequeños. Pero tiene la ventaja secundaria de ser también "a prueba de fallos" en tiempo real. En el caso de un fallo de un solo bit (que puede no estar relacionado con la radiación), la lógica de votación seguirá produciendo el resultado correcto sin recurrir a un temporizador de vigilancia . La votación a nivel de sistema entre tres sistemas de procesadores separados generalmente necesitará utilizar alguna lógica de votación a nivel de circuito para realizar las votaciones entre los tres sistemas de procesadores.
Se pueden utilizar pestillos endurecidos. [23]
Un temporizador de vigilancia realizará un reinicio completo de un sistema a menos que se realice alguna secuencia que generalmente indica que el sistema está activo, como una operación de escritura desde un procesador integrado. Durante el funcionamiento normal, el software programa una escritura en el temporizador de vigilancia a intervalos regulares para evitar que el temporizador se agote. Si la radiación hace que el procesador funcione incorrectamente, es poco probable que el software funcione lo suficientemente correctamente como para borrar el temporizador de vigilancia. El temporizador de vigilancia finalmente agota el tiempo y obliga a un reinicio completo del sistema. Esto se considera un último recurso a otros métodos de endurecimiento por radiación.
Los componentes resistentes a la radiación y tolerantes a la radiación se utilizan a menudo en aplicaciones militares y aeroespaciales, incluidas aplicaciones de punto de carga (POL), fuentes de alimentación de sistemas satelitales, reguladores de conmutación reductores , microprocesadores , FPGA , [24] fuentes de alimentación de FPGA y fuentes de alimentación de subsistemas de bajo voltaje y alta eficiencia.
Sin embargo, no todos los componentes de grado militar están reforzados contra la radiación. Por ejemplo, la norma estadounidense MIL-STD-883 incluye muchas pruebas relacionadas con la radiación, pero no tiene especificaciones para la frecuencia de bloqueo de un solo evento. La sonda espacial Fobos-Grunt puede haber fallado debido a una suposición similar. [14]
Se estimó que el tamaño del mercado de la electrónica reforzada con radiación utilizada en aplicaciones espaciales sería de 2.350 millones de dólares en 2021. Un nuevo estudio ha estimado que alcanzará aproximadamente los 4.760 millones de dólares para el año 2032. [25] [26]
En telecomunicaciones , el término dureza nuclear tiene los siguientes significados: 1) una expresión del grado en el que se espera que el rendimiento de un sistema , instalación o dispositivo se degrade en un entorno nuclear determinado, 2) los atributos físicos de un sistema o componente electrónico que permitirán la supervivencia en un entorno que incluye radiación nuclear y pulsos electromagnéticos (EMP).
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