麻省理工学院MIT开发出迄今最先进的抗辐射电路设计工艺技术

太空辐射会对电子设备造成严重破坏。虽然有很多方法可以防止损坏,但麻省理工学院新开发的使用防辐射CMOS技术的制造技术显示出了更好的前景。

地球的大气层保护我们免受高能电离辐射,如伽马射线和X射线。设计地面电子设备(即任何不进入太空的东西)的工程师们可以忽略电离辐射对其设计的影响。

然而,一旦我们开始考虑恶劣的环境,如太空或地球上的高海拔环境,辐射就会成为设计的焦点。

太空辐射

从最基本的意义上讲,辐射是一种以射线,电磁波和/或粒子形式发射的能量。人类会暴露于多种形式的良性辐射下,例如光和无线电波。

但是,在太空的深处,在我们大气保护性的隐蔽性之外,存在许多不同种类的辐射。

麻省理工学院MIT开发出迄今最先进的抗辐射工艺技术

根据NASA的说法,太空辐射辐射有三种形式:被困在地球磁场中的粒子、太阳耀斑期间射入太空的粒子以及银河系宇宙射线。银河系宇宙射线是来自太阳系外的高能质子和重离子。所有这些形式的辐射都具有电离性。 

空间辐射与电子 

由于这些形式的电离辐射存在于太空中,而不存在于地球上,因此在设计太空电子设备时必须特别考虑。 

根据NASA关于辐射对电子设备影响的报告,太空辐射的电离性质可以穿透设备并在基于硅的电子设备内部产生电荷。

这种电荷的积聚会破坏电子元件的晶体性质,导致器件的工作特性完全改变或失效。随着电子元件接受更多的辐射照射,其功能会降低,然后失效。 

宇宙射线对电子设备的影响也会改变数字状态,从而导致比特翻转错误和错误数据。随着电子器件的体积越来越小,辐射的这种影响继续恶化,并且变得更容易受到低能量干扰的影响。 

如何处理空间辐射

尽管有解决辐射引起的位翻转错误的方法,但处理电子结构损坏的选择却很有限。 

大多数工程师选择在设计中使用经过抗辐射设计的组件。这可能意味着将电气系统封闭在经过辐射加固的机箱中,或者使用抗辐射技术设计芯片,或者同时采用这两种方法。 

根据Fa-Xin Yu等人的说法,一些抗辐射集成电路设计技术包括绝缘基板,利用双极集成电路,使用宽带隙基板以及利用SRAM代替DRAM。 

麻省理工学院开发出新型抗辐射制造方法

麻省理工学院的林肯实验室长期以来一直在研究制造抗辐射集成电路的方法。他们的技术被称为完全耗尽型绝缘体上硅(FDSOI)CMOS技术,目前正在制造至90纳米的工艺。  在DARPA赞助下近二十年的技术成熟之后,它终于为行业做好了准备。

这是在多年优化FDSOI技术后,针对射频范围、超低功率、低温和高温以及辐射环境等一系列条件进行的。

今年6月,宣布专注于辐射环境的制造技术将从麻省理工学院林肯实验室转移到微芯片制造商SkyWater,供行业使用。

林肯实验室高级技术部门副主任克雷格·卡斯特(Craig Keast)表示,一旦技术被转让,它将成为“辐射电路设计界可利用的最先进的抗辐射工艺技术。”  

与美国国防部合作

这项技术的寿命很好地说明了学术界和工业界如何经常合作以促进技术进步。 

通过将这项技术推向工业,SkyWater希望帮助美国国防部为国家安全和国防开发解决方案。SkyWater还看到了该技术在与国防无关的领域中的潜在应用,例如商业太空作战和医学成像应用。 而且,这一消息也将为开发用于太空探索的电子设备打开更多大门。[eetop]

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