Радиационно-стойкие ИС для марсианской экспедиции

Радиационно-стойкие ИС для марсианской экспедиции

Выпуск 23(6722) от 26 ноября 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В июле 2020 г. к Марсу была запущена ракета с марсоходом и автономным вертолетом. В них используются радиационно-стойкие ИС фирм NXP и Renesas. Представители этих фирм сообщили некоторые подробности о своей продукции.

Одна из самых больших проблем при освоении космоса – ​борьба с воздействием радиации на электронные компоненты. Обычно для обеспечения надежной работы систем в этих суровых условиях используются радиационно-стойкие ИС (см. таблицу). Для производителей микросхем это означает, что особое внимание должно уделяться проектированию, компоновке, производственным процессам и тестированию этих микросхем. Спрос на более высокую интеграцию, меньшие размеры и лучшую энергоэффективность также порождает новые вызовы при разработке радиационно-стойких ИС.


Таблица 1

Характеристики радиационной стойкости ИС

Показатель

Радиационно-стойкие ИС

ИС с приемлемой радиационной стойкостью

Гражданские ИС

Требования

Разрабатываются с учетом специфических требований к радиационной стойкости

Радиационная стойкость является побочной характеристикой разработки

Радиационная стойкость ограничена процессами и конструкцией

Общая доза, Крад.

от 200 до >1000

20–50 (среднее значение)

2–10 (среднее значение)

Порог воздействия единичного электрона при испытании на работоспособность, МэВ/мг/см2

80–150

20 (среднее значение)

5 (среднее значение)

Частота ошибок при воздействии единичного электрона, ошибок на разряд в день

10–10–10–12

10–7–10–8

10–5 (среднее значение)

Эффект защелкивания

Технология КНИ, проблем защелкивания нет

Оценка и риск заказчика

Оценка и риск заказчика


Самой последней космической программой для тестирования этих критически важных компонентов является марсоход Mars 2020 Perseverance Rover. Глубокий космос – ​это сложная среда для космических полетов и систем марсоходов, особенно из-за интенсивной радиационной среды. Для разработки продукта самая большая проблема – ​не общая производительность ИС, а скорее достижение приемлемой производительности в радиационно-агрессивной среде.

Единственный способ обеспечить создание компонентов с самым высоким уровнем радиационной стойкости – ​оптимизация каждого этапа технологического процесса, начиная с состава пластин. Тестирование – ​тоже важный и обширный этап, включающий в себя стресс-испытания приборов при экстремальных температурах, а также эксплуатацию прибора в полном рабочем режиме в течение длительного периода времени.

Радиационно-стойкие компоненты для программ роверов НАСА поставляют фирмы IR HiRel (подразделение Infineon Technologies) и Renesas (схемы семейства Intersil). ИС обеих компаний используются в марсоходе Perseverance и в автономном вертолете, ракета с которыми была запущена к Красной планете 30 июля 2020 г. Ожидается, что место посадки будет достигнуто в феврале 2021 г.


IR HiRel

Схемы IR HiRel характеризуются возможностью вертикальной интеграции, что позволяет создавать «целые приложения». Помимо разработки компонентов и ИС компания также разрабатывает гибридные решения, в которых используется большое число пассивных компонентов, а также полные системы питания на основе печатных плат. IR HiRel предлагает проектную поддержку стандартных, полузаказных и полностью заказных решений. Представители IR HiRel отмечают, что, несмотря на растущую популярность GaN- и SiC-технологий в различных применениях, в области радиационно-стойких ИС они пока не могут конкурировать с кремниевыми МОП полевыми транзисторами (MOSFET). Кроме того, в сфере кремниевых радиационно-стойких MOSFET по-прежнему осуществляются серьезные инновации.

IR HiRel уже в пятый раз поставляет силовую электронику для марсоходов. К поставляемым радиационно-стойким приборам относятся MOSFET, ИС и другие средства управления режимом электропитания в нескольких подсистемах марсохода. Они используются в бортовом компьютере, средствах управления двигателем, радаре, роботизированной руке-манипуляторе, а также в различных научных инструментах, включая: Mastcam-Z (мачтовая HD-камера с панорамным, стереоскопическим и зум-обзором), SuperCam (сочетание камеры, лазера и спектрометров), планетарный прибор для рентгеновской литохимии (PIXL), систему сканирования обитаемых сред с помощью комбинационного рассеяния света и люминесценции для органических и химических веществ (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals, SHERLOC, иначе называемую УФ-спектрометр); экспериментальную установку по использованию ресурсов кислорода на Марсе (MOXIE), прибор для производства кислорода.


Renesas

Радиационо-стойкие ИС Intersil корпорации Renesas используются в самом марсоходе и семи его инструментальных средствах. К ним относятся: регуляторы напряжения, синхронизаторы, ШИМ-контроллеры, драйверы MOSFET, 16-канальный мультиплексор, SPST-переключатель, линейные передатчики и приемники RS‑422, а также управляющие схемы. ИС поддерживают подсистемы критически важных приложений в области управления и распределения электроэнергии, инерциальных измерительных блоков, точной обработки данных, а также навигации и управления полетом, спуском и посадкой. Конструкция вертолета Ingenuity Mars Helicopter, отправленного вместе с марсоходом, также включает пять микросхем Renesas, в т. ч. два интерфейсных продукта RS‑422, ИС опорного напряжения, линейный регулятор и супервизорную микросхему. Вертолет весом 2 кг доставляется на Марс внутри марсохода. После развертывания на Красной планете питание его батарей будет обеспечивать солнечная панель. Предполагается, что испытательный полет вертолета пройдет в течение максимум 90 с на высоте 3–5 м на дальность до 300 м. В случае успеха данные, полученные в ходе испытания, помогут создать марсианский вертолет следующего поколения для следующей миссии на Марс.


Myerson Judith M. Deep Space Challenges Rad-Hard IC Development. EE Times, November 3, 2020: https://www.eetimes.com/deep-space-challenges-rad-hard-ic-development/?utm_source=newsletter&utm_campaign=link&utm_medium=EETimesDaily


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.