Resistencia a radiación para niños

La resistencia a la radiación es el acto de fabricar componentes electrónicos y sistemas resistentes a daños o funcionamientos erróneos causados por la radiación ionizante (radiación de partículas y electromagnética de alta energía), como las que se dan en el espacio exterior, vuelos de altitud elevada, alrededor de reactores nucleares y aceleradores de partículas o en accidentes nucleares.

La mayoría de componentes electrónicos semiconductores son susceptibles de resultar dañados por la radiación. Los componentes resistentes a la radiación se basan en sus equivalentes no resistentes, a los que se realizan variaciones en diseño y fabricación para reducir esta susceptibilidad a ser dañados. Debido al desarrollo extensivo y el testeo requerido para lograr el diseño de un chip microelectrónico tolerante a la radiación, estos suelen quedar desfasados con respecto a los desarrollos más recientes.

Los productos resistentes a la radiación son típicamente testados en ensayos de uno o más efectos resultantes, incluyendo dosis total de ionización (TID), efectos de baja dosis mejorados (ELDRS), daños por desplazamiento de neutrones y protones y efectos de evento simple (SEE, SEE, SEL y SEB).

Problemas causados por radiación

Ver también: Daño por radiación

Los entornos con alto nivel de radiación ionizante crean retos de diseño especiales. Una sola partícula cargada puede emitir miles de electrones, provocando ruido eléctrico e impulsos de señal. En el caso de circuitos digitales, esto puede causar resultados inexactos o ininteligibles. Este es un problema particularmente serio en el diseño de satélites, naves espaciales, aviones militares, plantas de energía o armas nucleares. Con objeto de asegurar el correcto funcionamiento de estos sistemas, los fabricantes de circuitos integrados y sensores destinados al mercado militar o aeroespacial emplean diversos métodos de endurecimiento contra radiación. Los sistemas resultantes son llamados endurecidos o resistentes a la radiación.

Fuentes principales de daños por radiación

Fuentes típicas de exposición de componentes electrónicos a radiación ionizante son los cinturones de radiación Van Allen, reactores nucleares en plantas para sensores y circuitos de control, aceleradores de partículas para electrónica de control (particularmente dispositivos detectores de partículas), la radiación residual de isótopos en materiales de encapsulado de chips, la radiación cósmica para naves espaciales o aviones de gran altitud y explosiones nucleares para todo tipo de electrónica tanto militar como civil.

• Los rayos cósmicos proceden de todas direcciones y constan aproximadamente de un 85% de protones, 14 % de partículas alfa y un 1 % de iones pesados, junto con rayos X y radiación gamma. La mayoría de los efectos son causados por partículas con energía de entre 0.1 y 20 GeV. La atmósfera filtra la mayoría de estos, por lo que principalmente suponen un problema para naves espaciales y aviones de gran altitud.
• Las partículas de radiación solar proceden de la dirección del Sol y constan de un gran flujo de protones de alta energía (muchos GeV) e iones pesados, de nuevo acompañados por rayos X.
• Los cinturones de radiación Van Allen contienen electrones (hasta 10Mev aproximadamente) y protones (hasta cientos de MeV) atrapados en un campo geomagnético. El flujo de partículas en las regiones más lejanas a la Tierra puede variar dependiendo de las condiciones del Sol y la magnetosfera en cada momento. Debido a su localización, suponen un problema para los satélites.
• Partículas secundarias son resultado de la interacción de otros tipos de radiación con las estructuras alrededor de dispositivos electrónicos.
• Los reactores nucleares producen radiación gamma y de neutrones que pueden afectar a los sensores y circuitos de control en plantas de energía nuclear.
• Los aceleradores de partículas producen protones y electrones de alta energía y las partículas secundarias producidas por sus interacciones generan daños por radiación en componentes de control sensibles y detectores de partículas, del orden de magnitud de 10 MRad[Si]/año para sistemas como el Gran Colisionador de Hadrones.
• Las explosiones nucleares producen un aumento corto pero extremadamente intenso de radiación a lo largo del espectro electromagnético, un pulso electromagnético (EMP), radiación de neutrones y un flujo de partículas cargadas tanto primarias como secundarias. En caso de guerra nuclear, estas suponen un peligro potencial para todo tipo de electrónica militar y civil.
• Los materiales de encapsulado de chips fueron una fuente de radiación que causó errores en las DRAM desarrolladas a lo largo de los años 70. Restos de elementos radiactivos en el encapsulado de los chips produjeron partículas alfa, que ocasionalmente descargaban algunos de los condensadores empleados para almacenar los bits de datos en las DRAM. Hoy en día, estos efectos han sido reducidos empleando materiales de encapsulado más puros y códigos de corrección de errores para detectar y corregir errores en las DRAM.

Efectos de la radiación en electrónica

Mecanismos fundamentales

Se producen dos mecanismos de daño fundamentales:

• Desplazamiento de red, causado por neutrones, protones, partículas alfa, iones pesados y fotones con muy alta energía gamma. Estos modifican la disposición de los átomos en la estructura del cristal, creando daños permanentes e incrementando el número de centros de recombinación, así como disminuyendo los portadores minoritarios y empeorando las propiedades analógicas en las uniones de los semiconductores afectados. Contrariamente, dosis más altas en periodos cortos de tiempo provocan un recocido (“curación”) de la red dañada, causando menor daño que con dosis de baja intensidad a lo largo de un tiempo mayor. Este tipo de problema es particularmente significativo en transistores bipolares, los cuales dependen de los portadores minoritarios en sus regiones de base; elevadas pérdidas provocadas por recombinación causan una degeneración de la ganancia del transistor.
• Efectos de ionización, son causados por partículas cargadas, incluyendo aquellas con energía demasiado baja para provocar daños en la red. Generalmente, los efectos de la ionización son transitorios, creando mal funcionamiento y errores leves, aunque pueden conducir a la destrucción del dispositivo si estos desembocan otros mecanismos de daño (ej. un latchup). La fotocorriente causada por radiación X y ultravioleta pueden pertenecer a esta categoría también. La acumulación gradual de huecos en la capa de óxido de los transistores MOSFET llevan a un empeoramiento de su rendimiento, llegando al fallo del dispositivo si la dosis es lo suficientemente elevada (ver Efectos de dosis de ionización total).

Los efectos pueden variar ampliamente dependiendo de muchos parámetros: tipo de radiación, dosis total y flujo de radiación, combinación de distintos tipos de radiación e incluso el tipo de carga del dispositivo (frecuencia o voltaje de operación, estado actual del transistor en el instante en que es impactado por la partícula), lo cual hace de un testeo concienzudo, una labor difícil, extendida en el tiempo y la cual requiere de muchas muestras.

Efectos resultantes

Los efectos que el usuario puede observar pueden ser organizados en varios grupos:

• Efectos de neutrón: Un neutrón interactuando con la red semiconductora podrá desplazar sus átomos. Esto conduce a un aumento del número de centros de recombinación y a defectos a bajo nivel, reduciendo el tiempo de vida de los portadores minoritarios, lo que afecta a los dispositivos bipolares en mayor medida que a los CMOS. Los dispositivos bipolares sobre silicio tienden a mostrar cambios en sus parámetros eléctricos a niveles de 1010 hasta 1011 neutrones/cm², mientras que los CMOS no son afectados hasta los 1015 neutrones/cm². La sensibilidad de los dispositivos puede verse incrementada con el mayor grado de integración y la disminución del tamaño de las estructuras individuales. Existe también un riesgo de radiactiviad inducida, provocada por la activación de neutrones, lo que es una fuente principal de ruido en instrumentos astrofísicos de alta energía. La radiación inducida, junto con la residual procedente de impurezas en los materiales empleados, pueden provocar todo tipo de problemas durante el tiempo de vida de los dispositivos. Los LEDs de GaAs, comunes en optoacopladores, son muy sensibles a los neutrones. El daño en la red influye en la frecuencia de los cristales oscilatorios. Los efectos de energía cinética (llamados desplazamientos en la red) pertenecen a este grupo también.
• Efectos de dosis de ionización total: el daño acumulado en la estructura de la red, provocado por la radiación ionizante a lo largo de un tiempo de exposición. Se mide en rads y causa una lenta degradación gradual en el rendimiento del dispositivo. Una dosis total superior a 5000 rads sobre dispositivos basados en silicio en un tiempo entre segundos y minutos provocará una degradación a largo plazo. En los dispositivos CMOS, la radiación crea pares electrón-hueco en la puerta de las capas de aislamiento, lo que cause fotocorrientes durante su recombinación. Además, los huecos atrapados en los defectos de la red en el aislante crean una polarización persistente en la puerta e influyen en el voltaje umbral de los transistores, haciendo que los MOSFET tipo N se activen más fácilmente y los tipo P de forma más difícil. La carga acumulada puede ser lo suficientemente alta como para mantener los transistores permanentemente abiertos (o cerrados), lo que provocaría un fallo del dispositivo. Algunos efectos de autocuración tienen lugar a lo largo del tiempo, pero no son muy significativos. Este efecto es similar a la degradación de portadores calientes en electrónica de alta velocidad y grado de integración. Los cristales osciladores son de alguna forma, sensibles a la radiación, que altera su frecuencia. Esta sensibilidad puede ser drásticamente disminuida mediante el uso de cuarzo purificado (swept quartz). Los cristales de cuarzo natural son especialmente sensibles. Las curvas de comportamiento de la radiación para ensayos TID pueden ser generadas por todos los procesos de test y son incluidas en el informe de ensayos de radiación.
• Efectos transitivos: Los pulsos de radiación de corta duración y alta intensidad se dan típicamente en explosiones nucleares. El flujo de alta radiación crea fotocorrientes en el cuerpo del semiconductor al completo, haciendo que los transistores se activen de forma aleatoria, modificando los estados de flip-flops y células de memoria. El daño permanente puede provocarse si la duración del pulso es demasiado prolongada, si se causa daño en la unión o se produce un latchup. Estos últimos son causados normalmente por radiación X o gamma procedentes de una explosión nuclear. Los cristales oscilatorios pueden detener su funcionamiento durante este flash de radiación debido a la fotoconductividad que se induce en el cuarzo.
• Efectos EMP generados por sistema: son provocados por un flash de radiación que viaja a lo largo de los equipos y genera ionización local y corrientes eléctricas en el material de los chips, placas de circuito, cables y cajas.
• Efectos de evento simple (SEE): son fenómenos que afectan a la mayoría de dispositivos digitales (véase la siguiente sección para una introducción a los distintos tipos de SEE).

Daño digital: SEE

Los efectos de evento simple (SEE), que afectan mayoritariamente a los dispositivos digitales, no han sido profundamente estudiados hasta hace relativamente poco tiempo. Cuando una partícula de alta energía viaja a través de un semiconductor, deja un rastro ionizado a su paso. Esta ionización puede causar un efecto altamente localizado similar a los transitivos -un fallo benigno a la salida, el cambio de un bit en memoria o en un registro o, especialmente en transistores de alta potencia, un latchup destructivo que incendia el dispositivo. Los efectos de evento simple tienen importancia para la electrónica en satélites, aviones u otro tipo de aplicaciones civiles o aeroespaciales militares. A veces, en los circuitos que no incluyen latches, es útil introducir circuitos RC con tiempo constante para ralentizar la reacción del circuito a lo largo de la duración de un SEE.

• Trastornos de evento simple (SEU) o efectos transitivos de radiación en electrónica son cambios de estado en bits de memoria o registros causados por un simple ion interactuando con el chip. Estos no causan daños permanentes al dispositivo, pero pueden causar problemas permanentes a un sistema que no pueda recuperarse de este tipo de error. En dispositivos muy sensibles, un simple ion puede provocar un trastorno de múltiples bits (MBU) en diversas células de memoria adyacentes. Los SEUs puede convertirse en interrupciones funcionales de evento simple (SEFI) si provocan un trastorno en los circuitos de control, tales como máquinas de estado, llevando a este a un estado indefinido, un modo de pruebas o un paro, lo cual precisaría de un reinicio o un ciclo de potencia para recuperarse.
• Latchup de evento simple (SEL). Pueden darse en cualquier chip con una estructura PNPN parásita. Un ion pesado o un protón de alta energía pasando a través de las uniones más internas de estos pueden activar la estructura (similar a un tiristor) que permanece «cortocircuitada» (un efecto conocido como latchup) hasta que el dispositivo es restablecido. Dado que este efecto puede producirse entre la fuente de alimentación y el sustrato, pueden verse involucradas corrientes altamente destructivas, por lo que el componente fallará. Los CMOS de gran tamaño son más susceptibles a estos efectos.
• Transitivos de evento simple (SET). Ocurren cuando la carga almacenada por un evento de radiación se descarga en forma de señal espuria a lo largo del circuito. Este es el efecto de una descarga electrostática.
• Recuperación de evento simple. Similar a los SEL pero no requieren de una estructura PNPN, sino que son inducidos en transistores MOS de canal N que intercambien corrientes elevadas cuando un ion impacta cerca de una unión de drenador y provoca una multiplicación en avalancha de los portadores de carga. Entonces el transistor se activa y permanece en ese estado.
• Calentamiento inducido de evento simple (SEB). Puede darse en MOSFETs de potencia cuando el sustrato que se encuentra justo bajo la región de la fuente se polariza directamente y el voltaje entre el drenador y la fuente es más alta que la tensión de ruptura de las estructuras parásitas. Como resultado se obtiene una corriente elevada y un sobrecalentamiento local que pueden destruir el circuito.
• Ruptura de puerta de evento simple (SEGR). Esta fue observada en MOSFETs de potencia cuando un ion pesado impacta la región de la puerta mientras una tensión alta se aplica a esta. Se produce entonces una ruptura local en la capa de aislamiento de dióxido de silicio, provocando sobrecalentamiento local y la destrucción (similar a una explosión microscópica) de la región de puerta. Esto puede darse incluso en células EEPROM durante su escritura o borrado, cuando las células están sujetas a voltajes comparativamente altos.

Ensayos SEE

Mientras que los rayos de protones son ampliamente usados para ensayos SEE dada su disponibilidad, para energías más bajas la irradiación de protones puede subestimar a menudo la susceptibilidad SEE. Además, los rayos de protones exponen a los dispositivos al riesgo de un fallo por ionización total (TID) que puede enturbiar los resultados del ensayo o provocar un fallo prematuro del dispositivo. Los rayos de neutrones blancos (presumiblemente el método de ensayo SEE más representativo) son derivados normalmente de fuentes sólidas basadas en objetivos, aportando un flujo no uniforme y pequeñas áreas de radiación. Los rayos de neutrones blancos tienen también algunas medidas de incertidumbre en su espectro energético, a menudo con alto contenido de neutrones térmicos.

Las desventajas de las fuentes de protones y de neutrones por espalación pueden ser evitadas empleando neutrones monoenergéticos de 14MeV (pueden ser utilizados para entender secciones cruzadas de SEE en microelectrónica moderna).

Un estudio de particular interés, realizado en por Normand and Dominik [2] en 2010, demuestra la efectividad de neutrones de 14MeV.

El primer laboratorio dedicado a ensayos SEE en Canadá está siendo establecido en el Sur de Ontario bajo el nombre de RE-Labs Inc.

Técnicas de resistencia a radiación

• Físicas:
  • Los chips endurecidos son fabricados a menudo sobre sustratos aislados en lugar de sobre las obleas semiconductoras convencionales. El silicio sobre aislante (SOI) o sobre zafiro (SOS) son usados frecuentemente. Mientras que los chips comerciales pueden resistir entre 50 y 100 Gray (5-10 KRad), los chips de aplicación espacial SOI y SOS pueden soportar dosis de varios órdenes de magnitud más. Una vez, muchos chips de la serie 4000 estuvieron disponibles en versiones resistentes a radiación (RadHard).
  • Los circuitos integrados bipolares tienen generalmente mayor tolerancia a la radiación que los circuitos CMOS. La serie 5400 LS de Schottky de baja potencia puede resistir 1000 kRad y muchos dispositivos ECL pueden soportar 10000 kRad.
  • La RAM magnetoresistiva, o MRAM, es considerada una candidata fiable para proporcionar memoria conductora resistente a la radiación, con reescritura y no volátil. Los principios físicos y los tests tempranos sugieren que las MRAM no son susceptibles de pérdida de datos por ionización.
  • El apantallamiento de los encapsulados contra radiactividad para reducir la exposición del dispositivo al descubierto.
  • Las DRAM basadas en condensadores son reemplazadas a menudo por SRAM más robustas, aunque más grandes y caras.
  • La elección de un sustrato con una amplia banda energética, lo cual le da mayor tolerancia a defectos de bajo nivel; por ejemplo, carburo de silicio o nitruro de galio.
  • El apantallamiento de los chips mediante el uso de boro empobrecido (que consta únicamente del ion boro-11) en la capa de pasivación de cristal de borofosfosilicato que protege los chips, como el boro-10 que captura neutrones fácilmente y sufre deterioro alfa (ver error leve).

• Lógicas:
  • Las memorias con corrección de errores emplean bits de paridad adicionales para la comprobación de posibles datos corruptos. Dado que los efectos de la radiación dañan el contenido de la memoria incluso si el sistema no se encuentra accediendo a la RAM, un circuito «depurador» se encarga de escanear continuamente la RAM; se leen los datos, se comprueba la paridad en busca de error y después se escribe cualquier corrección realizada.
  • Elementos redundantes pueden ser empleados a nivel de sistema. Tres placas de microprocesamiento separadas pueden trabajar de forma independiente y responder a un cálculo para comparar sus respuestas. Cualquier sistema que produzca un resultado minoritario deberá recalcular. Es posible añadir lógica de forma que si se producen repetidos errores por parte del mismo sistema, este sea desconectado.
  • Pueden emplearse también elementos redundantes a nivel de circuito. Un solo bit puede ser reemplazado por 3 y una «lógica de voto» para que cada uno de estos determine continuamente su valor. Esto incrementa el área de diseño de un chip por un factor de 5, por lo que debe estar reservado para diseños pequeños. Este método tiene una ventaja secundaria, ya que es seguro ante fallos en tiempo real. En caso de fallo en un bit (lo cual puede no estar relacionado con la radiación), la lógica de voto continuará produciendo el resultado correcto sin recurrir al temporizador watchdog. El voto a nivel de sistema entre 3 sistemas de procesamiento distintos generalmente necesitará emplear lógica de voto a nivel de circuito para realizar la votación entre los 3 sistemas de procesador.
  • Los latch resistentes a radiación pueden ser usados.
  • Un temporizador watchdog realizará el reinicio de un sistema si este no lleva a cabo una secuencia concreta, que generalmente indica que el sistema está vivo, tal como una operación de escritura desde un procesador. Durante la operación normal, el software planifica una escritura al watchdog a intervalos regulares para prevenir que este temporizador termine. Si la radiación hace que el procesador opere de forma incorrecta, es poco probable que el software trabaje lo suficientemente bien como para limpiar el temporizador watchdog. Finalmente, este temporizador llegara a su fin y forzará un reinicio del sistema. Este es considerado el último recurso para otros métodos de resistencia a la radiación.

Aplicaciones militares y espaciales

Los componentes resistentes o tolerantes a radiación a menudo son empleados para aplicaciones militares y aeroespaciales. Estas aplicaciones deben incluir:

• Aplicaciones POL.
• Fuente de alimentación de sistemas satélite.
• Regulador Step-down.
• Fuente de alimentación de microprocesador y/o FPGA.
• Subsistema de fuente de alimentación de bajo voltaje y alta eficiencia.

Resistencia nuclear para telecomunicaciones

En Telecomunicaciones, el término dureza nuclear tiene los siguientes significados:

• Una expresión del grado al cual el rendimiento de un sistema, instalación o dispositivo, se degrada en un ambiente nuclear dado.
• Los atributos físicos de un sistema o componente electrónico que permiten su supervivencia en un entorno que incluye radiación nuclear y pulsos electromagnéticos (EMP).

Ejemplos de ordenadores resistentes a radiación

• El SP0 producido por Aitech Defense Systems es un 3U cPCI SBC que emplea el SOI PowerQUICC-III MPC8548E capaz de procesar rangos de velocidad desde 833 MHz a 1.18 GHz.
• BRE440 PowerPC por Broad Reach Engineering. Un núcleo IBM PPC440 basado en sistema en chip, 266 MIPS, PCI, 2x Ethernet, 2x UARTS, controlador DMA, caché L1/L2
• El Proton 200k SBC de Space Micro Inc, introducido en 2004, mitiga los efectos de los SEU con su patentada tecnología de redundancia modular de tiempo triple (TTMR) e interrupciones de función de evento simple (SEFI) con H-Core technology. El procesador es de la serie de alta velocidad 320C6xxx de Texas Instruments. El Proton 200k opera a 4000 MIPS a la vez que mitiga las SEU.
• El Proton 100k SBC de Space Micro Inc., introducido en 2003, emplea un esquema actualizado de voto llamado TTMR que mitiga las SEU en un procesador simple.
• La CPU RCA1802 de 8 bits, introducida en 1976, fue el primer procesador resistente a la radiación producido en serie.
• El System/4 Pi, creado por IBM y empleado en la placa del Space Shuttle (AP-101 variant), está basado en la arquitectura System/360.
• El ordenador de tarjeta simple (SBC) RAD6000, producido por BAE Systems, incluye una CPU resistente a la radiación POWER1 CPU.
• El RAD750 SBC, producido también por BAE Systems y basado en el procesador PowerPC 750, es el sucesor del RAD6000.
• El RH32 es producido por Honeywell Aerospace.
• El RHPPC es producido por Honeywell Aerospace. Basado en el resistente PowerPC 603e.
• El SCS750 diseñado por Maxwell Technologies, que realiza la votación entre tres núcleos PowerPC 750 para mitigar los efectos de la radiación.
• La compañía Boeing, a través de su Centro de Desarrollo de Satélites, produce un computador muy potente y con resistencia a la radiación basado en el PowerPC 750.
• El ERC32 y el LEON son procesadores resistentes a la radiación diseñados por Gaisler y la Agencia Europea del Espacio. Son descritos en VHDL sintetizable, disponible bajo Licencias Públicas GNU.
• El ordenador de placa simple, Gen 6, producido por Cobham Semiconductor Solutions (anteriormente Aeroflex Microelectronics Solutions), basados en microprocesador LEON.
• El procesador RH1750 es fabricado por GEC-Plessey.
• El Coldfire M5208 usado por General Dynamics es una alternativa de baja potencia (1.5 W) resistente a la radiación.
• El Mongoose-V usado por la NASA es un microprocesador de 32 bits para aplicaciones en placas de naves espaciales (ej: New Horizons).
• El KOMDIV-32 es un microprocesador de 32 bits, compatible con MIPS R3000, desarrollado por NIISI, fabricado por el Instituto Kurchatov en Rusia.

Ver también: Comparativa de sistemas embebidos en los Mars Rovers

Véase también

En inglés: Radiation hardening Facts for Kids

• RAD750 Power PC
• IBM RAD6000
• Communications survivability
• Instituto de Electrónica para Espacio y Defensa, Universidad Vanderbilt
• Mars Reconnaissance Orbiter
• MESSENGER Mercury Probe
• Mars Rovers
• TEMPEST