האתגרים של פיתוח מיקרומעבדים עבור תנאי הסביבה

עיצוב מיקרומעבדים לסביבות קיצוניות הוא אחד האתגרים התובעניים ביותר באלקטרוניקה המודרנית. שבבים מיוחדים אלה חייבים לפעול באופן אמין היכן סטנדרטי מסחרי מחוץ ל-H-the-shelf (COTS) רכיבים ייכשלו במהירות - בוואקום החלל, עמוק מתחת לאוקיינוס, בתוך כור גרעיני, או בשדה קרב.הנדסי-offs בין ביצועים, צריכת חשמל, ו rness דורש חומרים חדשניים, ובדיקה של טכנולוגיות מרשימות סביבתיות אפשריות.

אתגרים סביבתיים עומדים בפני מיקרו-מעבדים

מיקרומעבדים בהגדרות קשות מתמודדים עם שילוב של מתחים פיזיים שיכולים לפגוע, לשבש או להרוס מכשירים למחצה.הבנת כל איום הוא הצעד הראשון לקראת תכנון מערכת גמישה.

טמפרטורה קיצונית ו-Thermal Cycling

טמפרטורות גבוהות לגרום ניידות אלקטרון מוגברת, דליפות צומת, ואלקטרומיגציה ב-microconnects. באותו זמן, הרחבה תרמית יכולה להדגיש המפרקים וחותמות החבילה. שבבי סיליקון סטנדרטיים מדורגים בדרך כלל מ- -40 מעלות צלזיוס ל- +85 ° C, אבל יישומים רבים דורשים הפעלה מ-55 מעלות צלזיוס עד +125 מעלות צלזיוס או רחב יותר בחלל עמוק, טמפרטורות יכולות לעבור מאות מעלות בין השמש למקרר עמוק מתחת לתאים מגנטיים.

קרינה חשיפה

קרינה מייננת היא האיום העיקרי של מערכות חלל וגישה גבוהה. חלקיקים עתירי אנרגיה גבוהים (פרוטון, אלקטרונים, בצלים כבדים) וקרני גמא יוצרים זוגות חור אלקטרונים במוליכים למחצה, מה שגורם לשלוש מצבי כישלונות עיקריים:

• (FLT:0) אפקטים של קל-אפילוט (SEEsve)FLT:1: חלקיק אנרגטי יחיד יכול להפוך תא זיכרון (single-event מוטרד, SEU), להצמיח מקטור טפילי (single-event latch-up, SEL), או לשרוף טרנזיסט כוח (sle-eventשרוף, SEB).
• (FLT:0) סך המינון (TID) אנדרל:1): קרינה מואצת יוצרת חיובים לכודים בשכבות תחמוצות תחמוצת הפחמן, שינוי מתחי הסף וזרימי הדלפה הגדלים.רוב השבבים המסחריים נכשלים לאחר 5-50 krad(Si), בעוד שמשימות חלל דורשות לעתים קרובות 100-300 krad(Si) או יותר.
• (FLT:0) הפחתה של נזקי חילוף:1: Neutrons ו protons באנרגיה גבוהה להפיל אטומים מן המבצר, להורדת חיי נושא המיעוט במכשירים דו קוטביים ולהגדיל את הזרם האפל בדימויים.

מתח מכני, הלם ויברציה

שיגור כלי רכב, פגזי ארטילריה ומכונות תעשייתיות כפופים מיקרו-מעבדים להאצות קיצוניות (עד 20,000 גרם בתחמושת מסוימת) וטטרט פס רחב.כוחות אלה יכולים לשבור אג"ח חוט, שברים מתים, או לגרום לכשלי מגע לסירוגין.אפילו ללא הפסקות קטסטרופליות, הלחץ יכול לגרום לאפקטים אדזואלקטריים שמשנים את התזמון והזה.

Moisture, Humidity ו-Corrosive Contaminants

מים פנויים על לוח מעגלים קר יכול לגרום קורוזיה אלקטרוליטית, גידול דנדטקס, מעגלים קצרים. בהגדרות תעשייתיות, תרסיס מלח, תרכובות גופריות, גזים חומציים לתקוף משטחים מתכת חשופים.חומרי אריזה Hygroscopic קולטים לחות כי מרחיב במהלך ייצור (פופקורינג) או בהדרגה descalsulation עבור אלקטרוניקה עמוקה, לחץ שמן אלקטרוניקה הוא 6,000 מטר).

Vacuum ו-Outgassing

בחלל, היעדר כוחות קירור של הדבקה נשענת על התנהגות וקרינה.חומרים רבים ממרכיבים את גזי תנודתיים שיכולים ליישר על משטחים אופטיים או לוחות סולאריים. סיליקון מחוץ לגז יכול ליצור סרטים מוליכים, בעוד בועות גז לכודות בתרכובות גילוח עלולות לגרום לפיצול חלקי במתח גבוה.

אלקטרומגנטי הבין-לאומית (EMI)

סביבות האפר מכילות לעתים קרובות שדות חשמליים או מגנטיים חזקים - מ משדרי מכ"ם, כונן מוטורי או מכתות ברקים.מיקרו-מעבדים חייבים להיות מוקשים מפני הדופק אלקטרומגנטי (EMP) והתערבות רדיו- ⁇ (RFI) שיכולה לגרום לזרמים בעקבות ולגרום שגיאות לוגיות או latch-up.

עיצוב ואסטרטגיות מייגציה

מהנדסים משלבים טכניקות מרובות – מהרמה האטומית ועד לרמת המערכת – לבנות מעבדים ששורדים את האיומים הללו.אין גישה אחת מספקת; עיצוב חזק משלב מבחר חומרי, אדריכלות מעגלית, אריזה וסובלנות לקויה תוכנה.

קרינה: RHBD

במקום זאת, בהתאם רק לממצאות מיוחדות, שבבים מודרניים רבים של rad-hard משתמשים בטכניקות עיצוב שניתן ליישם בתהליכים מסחריים של CMOS:

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) ,En Closed הפרייסטורים (ELTssuaFLT) 1:1: לנטרל את קצה תחמוצת-המד הדקה ב transistors סטנדרטיים, להפחית באופן דרסטי את הדלפה המושרה קרינה.
• (FLT:0) קוד תיקון (ECC) MemoryFLT:1: תיקון חד-ביט וטעמה כפול-ביט מגן על SRAM ורישום קבצים.
• (ב) ⁇ :0) ,[דרוש מקור]: שלושה שערים לוגיים זהים מצביעים על הפלט הנכון; שערורייה אחת מוכתמת.
• (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שיטות אלה מגבירות את האזור ואת הכוח על ידי 2-5×, אך מאפשרות לקרינת סובלנות עד 300 krad(Si) ומעבר לו.

חומרים Semiconductor

CMOS הסיליקון אינה האפשרות היחידה.תחליפית תת-סטריטים מציעים יתרונות חד-משמעיים לטמפרטורה וקרינה:

• (FLT:0) Silicon Carbide (SiC) ,1: Wide Bandgap (3.26 eV) מאפשר הפעלה בטמפרטורות צומת מעל 600 מעלות צלזיוס SiC MOSFET ו JFET זמינים מסחרית עבור טמפרטורות גבוהות של טמפרטורות מטה קידוח וחיישנים מנועים. SiC יש גם מוליכות תרמית גבוהה (3x זה של SiC), לפשט את החום.
• (FLT:0Gallium Nitride (GaN)BuildFLT:1: אפילו גבוה יותר Bandgap (3.4 eV) ואלקטרונית להפוך את GaN אידיאלי עבור גבוה ⁇ , גבוה כוח כוח רב עוצמה כי חייב לשרוד חום קיצוני. GaN HEMTs להיות מוסמך עבור ונוס לנדרס (460 מעלות צלזיוס ambient).
• (הופנה מהדף ⁇ :0) ,0 (Silicon-on-Insulator (SOI)FLT:1: שכבת תחמוצת קבורה מקטין את נפח סיליקון רגיש, מורידה את שערי הזעם הבודדים או מסולקים לחלוטין SOI (PD-SOI, FD-SOI) היא טכנולוגיה סטנדרטית לזיכרונות rad-Hard-Hard-Hard-Hard.
• (FLT:0)Diamond ו- Diamond-like Carbon (DLCigsFLT) 1:1: משמש כמתתתתת או מפיץ חום עבור מוליכות תרמית גבוהה (>2,000 W/mK).

חבילות מתקדמות ו-Hermetic Sealing

אריזה היא קו ההגנה הראשון נגד התקפה פיזית וכימיקלית:

• (ב) ⁇ :0) מתכת הרמטית או חבילות קרמיקה 1FLT:1: קובאר או אלומיניום מתאגרמות עם חותמות זכוכית-למטר חוסמות לחות ומזהמים.
• (FLT:0) ציפויים קונפוראליים 1: Parylene, סיליקון, או סרטים פוליאורטן מוחלים על לוחות מאוכלסים כדי למנוע הגירה בוהקת וטונית.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ ו- encapsulationFIRLT:1: כל האסיפות מוטבעות ב-epoxy, urethane, או סיליקון גומי ללחיצת רטט ובדידות סביבתית.
• (FLT:0) חומרי ממשק קדמוניים (TIMs) ,RLT:1: TIM מבוסס Solder (למשל, נתרן) או כריות גרפיטי לשמור על העברת חום על פני ההתרחבות של תקלות.

טכניקות ניהול נמרץ

שמירה על טמפרטורת הצומת בתוך גבולות היא קריטית.שיטות פאסיביות כוללות תנורי חום (aluminum, נחושת, או מטבולי פחמן), צינורות חום, ורצועות תרמיות. מערכות Active אקטיביות כמו קירור תרמואלקטרי (TECs) או לולאות נוזליות מוחזרות משמשים כאשר הטמפרטורה המבנית עולה על הדירוג של השבב, רדיורים וצנרת חום עם חומרים שלב (Vx) או מיקרוסקופית) תוך כדי חימום לתוך מחזורי חום משמש לתוך מחזורי נוזל נוזל חמצן.

תוכנה Fault Tolerance

קשיחות חומרה קשה לבד היא יקרה.שילוב גישות חומרה-תוכנות חומרה להפחית את העלות תוך שמירה על אמינות:

• (ב) ⁇ :0) נצפי כלבים ו- Watchdog resetFreaLT:1: תוכנת Detect תלויה בעצבים חד-משמעיים ומחזירה את המערכת.
• (FLT:0) בדיקות של אדמוניות אדומות (CRCIRFLT) ו- Checkums לאמת את השלמות של נתונים בזיכרון ובאוטובוסים.
• (ב) ,0) ביצוע ובחירתו של ה- 1 בינואר: הפעלת אותו קוד על שני ליבות או יותר ולהשוות תוצאות במחסומים.
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יישומים בתעשיות

הביקוש למיקרו-מעבדים מחוסנים משתרע על מגזרים רבים, כל אחד מהם עם שילובים ייחודיים של מתח סביבתי.

חקר החלל

לווינים, נושרים פלנטריים, וחוקרים מרחביים עמוקים דורשים מעבדים ששורדים את הרטט, ואקום, רכיבה תרמית וקרינה.מעבדת ההנעה של ג'ט ג'ט של נאס"א השתמשה בגרסאות של rad-Hard-Hard-Hard-Hard-Hard-Harry-Rack-Hard-Hard-Hard-Racks של ה-F8 (Racks) על מנת לקדם את המעבדים האלקטרוניקה הרגישים של חברת התקליטים EPGCC) ו-CrezzaCreton CCC (RICOS) ו-CIRCKDOS) באמצעות מעבדייקרים של חברת התקליטים ACMTM CRMDOS-CIRST) ו-Cretasterer, כולל מעבדייקרים עם מעבדייקרים עם מעבדייקרים עם מעבדייקרים עם מעבדייקרים המהירים של מטוסי CIRDOS-CIRDOS-CIRCKDOS-CIRCKDOS-CIRCKDTM CRMDTM CRMDOS-CV, כולל מעבדים עם מעבדים של מטוסי CRMMRIGNDOS-CIRCKDTM CRM

צבא והגנה

Avionics, תחמושת מודרך, רדיו מאובטח ומערכות מכ"ם פועלים על פני טווחי טמפרטורה רחבים וכוח G- G- גבוה. מחלקת ההגנה של ארה"ב מספונסרים את הפיתוח של מעבדים אמינים, rad-Hard-hard כגון Zynq UltraScale + RFSoC עבור לוחמה אלקטרונית.Moitions כיתה microcontrollers, כמו אלה המשמשים ב GPS-Moderal GPS-Fed, חייב לעמוד במבחן 385-ILST, תוך כדי להאצתחיקפיפותחיקפיפות של M35-R.

אוטומציה תעשייתית ואנרגיה

שמן ה-PC וחיישנים גזי החממה פועלים בלחץ של עד 30,000 psi וטמפרטורות של 200 מעלות צלזיוס או יותר. SiC מבוסס מיקרובקרים מחברות כמו Cisoid ו- Ridgetop מאפשרות כניסה אינטליגנטית תוך קידוח (LWD) בתחנות כוח גרעיניות, כלי רכב ומערכות בקרה דורשות אלקטרוניקה קשיחה ששרדת מינונים מעל 1 מראד ועדיין לתפקד לאחר תאונת דרכים.

ים עמוק ומערכות תת-קרקעיות

חיישנים למחקר יםגרפיים, הפקת נפט וניווט צוללות חייבים לעמוד בפני קורוזיה של מי הים, ביופופולינג, ולחץ הידרוסטטי. מעבדים שוכנו בדרך כלל ב- titanium או אל-חלד של כלי לחץ מלא שמן דיאלקטרי המשווה את הלחץ.הים בתחתית האוקיאנוס ב-11 אלף מטרים (Challe Deep) מפעילה יותר מ-1,100 אוויריות מיוחדות מחברות כמו הנחתים ו-L3ristices, ולהשתמש באמינות מגנטית ו-L.

רכב ותחבורה

כלי רכב מודרניים יש עשרות מיקרובקרים שמנהלים שליטה במנוע, מתפתל, תיקי אוויר וטלמטיות. יחידת בקרת המנוע (ECU) חייבת לשרוד מתחת לטמפרטורות של עד 150 מעלות צלזיוס ותנודתיות חמורה. הדור החדש של מעבדים בעלי ערך רכב (למשל, Infineon AURIX, NXP עומד ב-AEC-Q100 0 (40 עד C) לטמפרטורה גבוהה של צומת חשמליות על בסיס 200.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

בעוד משימות לדחוף לסביבות קיצוניות יותר - מהשטח של ונוס (460 מעלות צלזיוס, 90 אינץ') למערכת הג'ואנית הקשה מבחינה רדיואקטיבית - טכנולוגיות חדשות מתעוררות כדי לעמוד באתגרים.

ראשי > Bandgap Semiconductors

סיי C וגאן כבר בשימוש בשלבים כוח, אבל לוגיקה ICs בהתבסס על חומרים אלה עדיין במחקר. GaN מבוסס טבעת oscillators ומיקרו-בקרים פשוטים הוכחו ב 600 מעלות צלזיוס, אשר יכול לפעול באופן תיאורטי מעל 1,000 מעלות צלזיוס מפותחים במעבדה כמו המכון הלאומי למדע תעשייתי מתקדם וטכנולוגיה (AIST) ביפן, GaN-Son-Son-SRM צפוי בתוך חמש שנים לוגיות קיצוניות הבאות.

ננוטכנולוגיה ו-Fi קוונטית

ננו-בוטיקים (CNTs) וגרףene מציעים יציבות תרמית יוצאת דופן וחסינות קרינה. חוקרים מאוניברסיטת אילינוי בנו מיקרומעבדים מבוססי CNT שפועלים לאחר קרינת גמא של 1 מראד. קוונטי-דוט אוטומאטה סלולרית (QCA) היא גישה תיאורטית שבה מדינות בינאריות מיוצגות על ידי המיקום של אלקטרונים ב- קוונטים dots, המציעות פוטנציאליות קרינת קרינה סטטית ואנטית עדיין נמצאת במרחק של עשורים.

AI-Enhanced Fault Tolerance and Self-Healing

מודלים של למידת מכונות יכולים לחזות מצבי כשלון, משאבים אמיתיים, וטכנולוגיית שינוי כדי לעקוף בלוקים פגומים.DARPA "Self-Healing Chip" תוכנית הראו מקלט בשלבי-ריי שיכול לזהות את ההידרדרות בביצועים מאירוע קרינה ולהתאים מתחים הטיה כדי לשחזר רווחים נומיים עתידיים.

שילוב heterogeneous ו 3D Packaging

פיזור של קוביות מרובות בחבילה יחידה (3D-IC) מקטין את אורך החיבור, שיפור מהירות וכוח. עבור סביבות קשות, זה גם מאפשר לוגיקה קשה-קשה למות כדי להיות ערער עם זיכרון גבוה מסחרי גבוה, באמצעות באמצעות שימוש באמצעות silicon דרך (TSVs) ומגן על interposers.

הדמיה מתקדמת וחדשנות וירטואלית

ניתוח פיניט-יישום (FEA) של מתח תרמומאני וסימולציה מונטה קרלו של אירועי קרינה מסייע למהנדסים להיות עיצובים ללא אבטיפוס פיזי יקר.המכשירים של סוכנות החלל האירופית מודל אפקטים חד-לשוניים ואופטימיזציה של עיצוב סימולציה.כמו סימולציה שיפור, המטרה היא "התאמה וירטואלית" שבו עיצוב עובר כל הבדיקות הדיגיטליות הוא מוסמך לשימוש שדה עם בדיקות מינימליות.

מסקנה

פיתוח מיקרומעבדים עבור תנאים סביבתיים קשים היא בעיה רב תחומית נוגעת בחומרים מדע, עיצוב מעגלים, הנדסת אריזה ואדריכלות מערכת.האתגרים הם תלולים - קיצוניות טמפרטורה, קרינה, הלם מכני, לחות ולחץ גבוה - אבל התגמולים הם משמעותיים באותה מידה. אלקטרוניקה אמין מאפשר חללית לחקור את כוכבי הלכת החיצוניים, מערכות צבאיות כדי להגן על האינטרסים הלאומיים, ותהליכים תעשייתיים לפעול עם יעילות רבה יותר ובטיחות מתמשכת בפיתוח רחב יותר, אקטיביות, אפילו אקטיביות, אינטגרטיביים, אקטיביות, אינטגרטיביים חדשים אינטגרטיביים, , אינטגרטיביים יותר, אינטגרטיביים, אינטגרטיביים יותר, אפילו , מערכות הגנה , , , , מוליכים למחצה, מערכות הגנה , מערכות הגנה , , מוליכים למחצה, אפילו , , מערכות צבאיות מוליכים למחצה, מערכות צבאיות , מערכות הגנה , מערכות צבאיות , מערכות צבאיות , מערכות הגנה , מערכות צבאיות אינטגרטיביים יותר , מערכות צבאיות , מערכות צבאיות אינטגרטיביים, מערכות צבאיות , מערכות הגנה , מערכות צבאיות אינטגרטיביים יותר אינטגרטיביים יותר אינטגרטיביים יותר , מערכות הגנה , מערכות

(ב) ראו את ה-[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]