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Las organizaciones que compran satélites están en una búsqueda perpetua para extraer un valor cada vez mayor de los activos espaciales. Por ejemplo, los operadores de satélites de imagen buscan una mayor resolución de imagen y una mayor velocidad de fotogramas, así como una resolución de canal más fina y un mayor número de canales para la obtención de imágenes multiespectrales e hiperespectrales. 

Sin embargo, cuando los diseñadores crean cargas útiles de imágenes con suficiente resolución para satisfacer las necesidades de los operadores de satélites, se encuentran con el eterno problema de la limitación del ancho de banda de los enlaces descendentes. Para los satélites de imagen en órbita terrestre baja (LEO) que generan decenas de gigabits por segundo de datos y completan la órbita de la Tierra unas 16 veces al día, resulta poco práctico enviar un flujo constante de datos a tierra a través de una red de retransmisión espacial. Históricamente, los datos de las imágenes se comprimían y almacenaban a bordo del satélite; sin embargo, se puede lograr un uso más eficiente de la red de retransmisión de datos que proporciona la conexión con la estación terrestre realizando una mayor cantidad de procesamiento de datos a bordo de los satélites, de modo que se pueda transmitir la información a tierra, en lugar de permanecer los datos en bruto. Esto ha provocado una explosión en los requisitos de los componentes que son capaces de lograr las altas tasas de procesamiento de datos necesarias, mientras que al mismo tiempo cumplen con los estrictos requisitos de tolerancia a la radiación.
Los avances en el campo de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático (AI/ML) han creado algunas oportunidades interesantes para optimizar el uso del ancho de banda del enlace descendente, por ejemplo, eliminando las imágenes que no contienen nada de interés (por ejemplo, en un satélite que vigila el uso de la tierra, las imágenes en las que el suelo está oscurecido por una espesa nube no tendrían ningún valor; o en un satélite que sigue el tráfico marítimo, las imágenes del océano en las que no se ve ningún barco). Además, el uso de la IA/ML permite automatizar la toma de decisiones a bordo del satélite, reduciendo o eliminando el análisis humano que puede añadir días o semanas de latencia al despliegue de los datos de imagen.
A medida que evolucionan los requisitos de las misiones espaciales, existe una necesidad clara y persistente de contar con la última tecnología en activos espaciales; sin embargo, cualquier producto desplegado en el espacio debe cumplir los requisitos básicos para un funcionamiento sostenible y fiable.

La necesidad de proporcionar tasas de revisita más rápidas para la obtención de imágenes de observación de la Tierra impulsa los requisitos de las constelaciones de satélites de campo, lo que a su vez impulsa la necesidad de reducir los costes de adquisición de los satélites.
Para preparar un componente comercial para su uso en aplicaciones espaciales, son necesarios tres pasos clave: evaluación de la radiación, envolvente y cualificación.

Evaluación de la radiación
Los efectos de la radiación en el espacio son generalizados y dependen de la órbita. Hay que evaluar los efectos de la radiación en cualquier componente destinado al espacio, ya que la radiación puede causar daños físicos en el componente y la consiguiente pérdida de funcionamiento de los equipos críticos del satélite. En la tabla 1 se resumen los efectos de la radiación en diversas órbitas terrestres.
Tabla 1: Efectos de la radiación en la órbita terrestre.


Los efectos de la radiación en el espacio se dividen en dos categorías principales: efectos de la dosis ionizante total y efectos de un solo evento.

La dosis ionizante total (TID) se refiere a la acumulación de radiación a largo plazo. En la mayoría de los dispositivos microelectrónicos, la TID provoca una degradación del rendimiento y un aumento de la corriente de fuga. La TID puede incluso causar una pérdida completa de funcionalidad. Los efectos de la TID pueden variar con pequeñas variaciones en el proceso de fabricación de las obleas, por lo que los microcircuitos destinados a aplicaciones espaciales suelen ofrecerse con pruebas de TID por lote de obleas. El éxito del despliegue de cualquier microcircuito en el espacio depende de una comprensión completa de los efectos TID para los dispositivos que se van a utilizar.
Los efectos de evento único (SEE) se refieren al resultado de la interacción de un microcircuito con una sola partícula subatómica. En las aplicaciones espaciales, se trata normalmente de un protón o un ion pesado; en las aplicaciones de aviación, se trata normalmente de un neutrón. Los SEE se pueden dividir en varias subcategorías: latch-up o "enganche" de evento único, upsets o "transtornos" de evento único, transitorios de evento único e interrupciones funcionales de evento único.
El latch up de evento único es un fenómeno en el que una estructura PNPN parásita se polariza hacia delante debido a la ionización causada por un ion pesado, conduciendo niveles de corriente que pueden causar daños irreversibles en el circuito integrado.
Los upsets de un solo evento se producen en flip-flops y elementos de memoria integrados debido al impulso de corriente que resulta de la ionización y posterior recombinación de átomos de silicio cuando un ion pesado pasa por un microcircuito. Los diseñadores disponen de varias formas de mitigación, como la triple redundancia modular (TMR) para los flip-flops, y la codificación y decodificación de detección y corrección de errores (EDAC) para las memorias.

Mientras que los desajustes de un solo bit en los flip flops o en las celdas de memoria embebidas pueden tener consecuencias limitadas, pueden ser catastróficos si se producen en la memoria de configuración de una FPGA basada en SRAM. En este caso, un solo ion pesado puede provocar cambios involuntarios en la funcionalidad de la FPGA (Fig. 1). Para mitigar las alteraciones de la configuración, se necesita una gran sobrecarga del sistema en forma de limpieza y reparación de la configuración.


Fig. 1: Efecto de los iones pesados en la funcionalidad de las FPGAs.


Los cambios transitorios en las señales causados por los efectos de la radiación de un solo evento en la lógica combinatoria se denominan transitorios de un solo evento y pueden ser problemáticos si el transitorio está presente en la entrada de datos de un registro exactamente en el momento en el que el registro se sincroniza. En este caso, el transitorio se conserva como una alteración de un solo bit. A medida que aumenta la frecuencia del reloj, la probabilidad de capturar un transitorio también aumenta.
Cualquier evento de radiación único que provoque un cambio en la función de un circuito integrado se denomina interrupción funcional de evento único. A medida que los circuitos integrados se vuelven más sofisticados, el número de modos en los que pueden producirse interrupciones funcionales de un solo evento aumenta drásticamente.
El éxito del despliegue de cualquier microcircuito en el espacio depende de una comprensión completa de los efectos de la radiación para los dispositivos que se vuelan. Por lo tanto, es importante que las organizaciones que desarrollan hardware para vuelos espaciales dispongan de datos de prueba para el lote exacto de obleas que se abastece de los componentes de vuelo. La evaluación de los efectos de la radiación requiere pruebas destructivas. Las unidades de vuelo no pueden someterse a pruebas de efectos de la radiación, ya que ello afectaría gravemente a la vida útil prevista de los componentes. Las pruebas de los efectos de la TID se realizan por muestreo para cada lote de obleas. Las pruebas de los efectos de un solo evento se realizan al principio de la vida del producto, ya que los efectos de un solo evento dependen del diseño del CI y tienden a no ser tan variables con el proceso de fabricación de las obleas. Hay que tener especial cuidado con los componentes comerciales, ya que cualquier envío de componentes comerciales puede proceder de diferentes lotes de obleas, incluso de diferentes revisiones de pastillas o incluso de diferentes fundiciones, lo que puede aumentar drásticamente la variabilidad de los efectos de la radiación en los componentes. Sin una trazabilidad estricta, es imposible estar seguro de que los componentes sometidos a las pruebas de radiación son representativos de los componentes que se utilizan. Por el contrario, los microcircuitos ofrecidos para los vuelos espaciales suelen tener una trazabilidad completa de los lotes y el fabricante de los dispositivos puede proporcionar los datos de las pruebas TID para el lote de obleas específico del que proceden los componentes de vuelo.

Encapsulados
La mayoría de los microcircuitos utilizados en los satélites de alta fiabilidad se presentan en encapsulados cerámicos sellados herméticamente. Hay tres razones principales para el uso de encapsulados de cerámica. La primera está relacionada con la inspeccionabilidad de los encapsulados cerámicos. Las normas militares que rigen la fabricación y las pruebas de los componentes para su uso en sistemas espaciales (por ejemplo, Mil Prf 38534, Mil Prf 38535 y Mil Std 883 clase B) exigen la inspección por parte de terceros del circuito integrado en el encapsulado, antes de sellarlo, para poder verificar la calidad del conjunto. La inspección se realiza fácilmente en los encapsulados cerámicos antes del sellado de la tapa.
Otra ventaja de los encapsulados cerámicos es que, a temperaturas extremas o en el vacío, el material cerámico no emite vapores, fenómeno conocido como out-gassing. En cambio, los encapsulados de plástico pueden emitir vapores, lo que puede provocar el empañamiento de los componentes ópticos en el espacio.
La última ventaja de los encapsulados cerámicos herméticos es que pueden proteger los componentes microelectrónicos de su interior contra la entrada de humedad perjudicial o de líquidos para la limpieza de la placa durante el montaje y la integración del hardware espacial.
Por estas razones, los encapsulados cerámicos herméticos son necesarios para las misiones más exigentes de alto nivel, como las misiones espaciales de seguridad nacional y las misiones de vuelos espaciales tripulados.
Los encapsulados cerámicos se enfrentan a algunos retos crecientes e importantes a medida que aumentan los requisitos de rendimiento. El mayor número de patillas de E/S que requieren los circuitos integrados modernos exige que las patillas para las señales, las fuentes de alimentación y la tierra se monten en una matriz 2D en la parte inferior del encapsulado, en lugar de una disposición lineal de patillas alrededor del exterior del encapsulado, como se implementa en algunos encapsulados tradicionales como los encapsulados planos cuádruples de cerámica (CQFP). El desajuste del coeficiente de expansión térmica entre el encapsulado y la placa provoca una tensión mecánica que puede hacer que las bolas de soldadura normales se corten a medida que la placa de circuito impreso recorre el rango de temperatura ampliado. Para resolver este problema, se utilizan columnas de soldadura en lugar de bolas de soldadura. Las columnas de soldadura son mecánicamente flexibles y absorben la tensión mecánica asociada a las diferentes tasas de expansión térmica de la placa y el encapsulado cerámico.
Un reto adicional de los encapsulados cerámicos está relacionado con sus propiedades eléctricas. Los últimos sistemas de procesamiento de señales a bordo se están diseñando con interconectividad de datos en serie entre circuitos integrados y entre placas de circuitos, con velocidades de datos que alcanzan entre 10 y 12 Gb/sg. Los encapsulados cerámicos pueden seguir el ritmo de estas necesidades. Sin embargo, la próxima generación de sistemas superará estas velocidades de datos, lo que supondrá un reto para la tecnología actual de encapsulado cerámico. Los proveedores de encapsulados cerámicos están respondiendo a este reto con nuevas tecnologías que se están evaluando actualmente.
Debido a los retos que supone el uso de encapsulados cerámicos, algunos programas espaciales están planeando utilizar circuitos integrados con encapsulados de plástico. Los encapsulados de plástico tienen la ventaja de tener menos parásitos eléctricos que los encapsulados cerámicos, lo que permite un mayor rendimiento en las E/S de alta velocidad. Además, el coeficiente de expansión térmica de los paquetes de plástico es mucho más cercano al del material de la placa de circuito impreso, lo que reduce drásticamente la tensión mecánica en las bolas de soldadura, eliminando la necesidad de columnas de soldadura, lo que favorece un mayor rendimiento.

Calificación
Las pruebas realizadas durante la cualificación de un CI para uso espacial dependen de si el CI está integrado en un encapsulado de cerámica o de plástico.
En el caso de los CI con encapsulado cerámico, la cualificación se realiza según una norma establecida, como la Mil Prf 38535 o una especificación equivalente de la ESA. La mayoría de los proveedores con sede en EE.UU. cumplen la norma Mil Prf 38535. Los principales pasos de la cualificación se enumeran en la tabla 1. Hay dos niveles de cualificación especificados en Mil Prf 38535, conocidos como QML clase Q y QML clase V. El QML clase Q está destinado a aplicaciones de defensa de alta fiabilidad, y el QML clase V está destinado a las aplicaciones espaciales de mayor fiabilidad. Las principales diferencias entre las clases Q y V de QML es que la clase V tiene los requisitos de cualificación más estrictos, como una prueba de vida operativa a alta temperatura de 4.000 horas para la muestra de cualificación, frente a las 1.000 horas en el caso de la clase Q.
Ejemplos de circuitos integrados en encapsulados cerámicos son los FPGAs RTG4 tolerantes a la radiación de Microchip, que lograron sus calificaciones de clase Q y clase V de QML en 2018 (Fig. 2).

Fig. 2: FPGA tolerante a la radiación RTG4 de Microchip.


Para los circuitos integrados en encapsulados de plástico, no existe una norma de cualificación acordada por toda la industria espacial. Cuando se ofrecen encapsulados de plástico para aplicaciones espaciales, las actividades de cualificación se basan en las normas JEDEC. Los principales proveedores y consumidores de circuitos integrados de la industria espacial están colaborando en la definición de una norma QML para la cualificación y el control de los circuitos integrados en envases de plástico para uso espacial, en el marco de un comité JEDEC. Cuando se haya acordado una norma QML para la cualificación y el cribado de los microcircuitos encapsulados en plástico para uso espacial, es probable que muchos proveedores de CI que actualmente apoyan los productos para uso espacial ofrezcan microcircuitos cualificados y cribados según esa norma.

Nuevas alternativas
Los proveedores de servicios por satélite buscan abrir nuevos mercados o crear nuevas capacidades, como las redes de comunicación globales y la obtención de imágenes de superficie con alta tasa de revisita. Para estas operaciones se necesitan constelaciones de satélites. Para mantener el coste del despliegue de grandes cantidades de satélites a un nivel gestionable, los diseñadores de satélites suelen recurrir a componentes que no están diseñados específicamente para entornos de radiación o despliegue espacial. El riesgo de hacerlo es que los componentes comerciales disponibles en el mercado (COTS) no suelen contar con una herencia espacial, una cualificación espacial o incluso la trazabilidad u homogeneidad de los lotes de obleas, por lo que los datos de radiación recogidos en una muestra no son necesariamente representativos de las piezas destinadas al vuelo espacial.
En respuesta a esto, algunos fabricantes de microcircuitos están ofreciendo componentes tolerantes a la radiación sin el conjunto completo de la comprobación a nivel espacial QML. Por ejemplo, la familia de FPGAs tolerantes a la radiación de Microchip RTG4 está disponible actualmente en un encapsulado de matriz de bolas de plástico, que está siendo calificado según las normas JEDEC. El desarrollo de un producto "Sub-QML" como éste ofrece a los diseñadores de constelaciones de satélites de gran volumen un enfoque alternativo que elimina el cribado QML para ahorrar costes. El uso de microcircuitos tolerantes a la radiación proporciona un alto nivel de garantía y legado de la radiación para las misiones espaciales y evita la falta de trazabilidad de los componentes COTS.

La evolución de las necesidades de los diseñadores espaciales impulsa los requisitos de los circuitos integrados de alta densidad y alto rendimiento. La dureza del entorno espacial exige un alto nivel de tolerancia a la radiación y una gran garantía de fiabilidad en los componentes destinados a aplicaciones espaciales. Independientemente de que se utilicen encapsulados de plástico o de cerámica, es necesario contar con un conjunto bien definido de requisitos de cualificación y selección para garantizar el éxito de las futuras misiones espaciales. Los fabricantes establecidos de microcircuitos de grado espacial están aceptando el reto y ofreciendo una gama ampliada de productos que incluye componentes tradicionales con calificación QML y dispositivos Sub-QML que incluyen las ventajas de la tolerancia a la radiación y la trazabilidad, combinadas con un encapsulado y un cribado de menor coste.

Autor: Ken O’Neill, Director Asociado, Marketing de Espacio y Aviación, Unidad de Negocio FPGA, Microchip Technology

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