Metodología para resolver la fiabilidad y riesgos en ambientes de radiación nuclear

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De todos los ambientes, el nuclear es el más agresivo, para personas e instalaciones, debido a la incidencia de las radiaciones nucleares sobre la salud y la funcionalidad en los materiales, componentes, dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y mecatrónicos. Los modelos matemáticos de los manuales usados para resolver las tasas de fallo prediccionales, como el MIL-HDBK 217 F N2, Bellcore Telcordia, SN 29500, 217 Plus, etc., no incluyen factores de riesgo Px en ambientes nucleares para familias de componentes y dispositivos electrónicos, por lo que en este trabajo se desarrolla la metodología alternativa para resolver la fiabilidad.


Introducción

Todo equipo electrónico y/o mecatrónico (analógico, digital, electromecánico) que no haya sido especialmente diseñado para resistir las radiaciones de origen nuclear falla por diversas causas y mecanismos cuando se expone a dosis de radiaciones mayores a 103 rads, caso del cinturón de radiaciones de Van Allen en la magnetosfera, o de 1011 neutrones/ cm2, en caso de funcionar en el entorno de reactores nucleares.

Por ello, en el diseño de los ensamblados electrónicos y/o mecatrónicos que deban funcionar en esos ambientes, la ingeniería de diseño debe incluir los efectos de las radiaciones incidentes sobre los parámetros característicos de sus componentes, dispositivos y materiales, considerando las posibles causas, modos y mecanismos de fallo potenciales, así como los riesgos y acciones de protección adecuadas al caso.

Efectos

Es importante entender que la peligrosidad de la radiación depende no solo de su energía y naturaleza (protones, rayos gamma, neutrones, etc.), sino también del tiempo de exposición.

Efectos sobre los ensamblados mecatrónicos

Neutrones rápidos: pueden conducir a la degradación permanente de la ganancia de los dispositivos bipolares y MOS (metal óxido semiconductor) y aumentar la tensión de saturación de los BJT (transistores bipolares), es decir, causar el fallo. Los materiales orgánicos, aislantes y dieléctricos degradan sus parámetros característicos (Ri, er, etc.) bajo radiaciones incidentes de neutrones.

Radiación ionizante en régimen permanente: puede aumentar la corriente de fuga de los BJT y modificar los valores de la tensión umbral de los MOS, sobre todo los CMOS, como causa de fallo.

Tasas de ionización transitorias: con dosis elevadas de rayos gamma (g) se generan fotocorrientes en las uniones PN polarizadas inversamente, lo que modifica sus niveles lógicos y bloqueos en un cierto estado conocido como latch-up en los CMOS, como causa de fallo.

Detonaciones nucleares: en los circuitos híbridos Thick Film y Thin Film, los impulsos térmicos originados por detonaciones nucleares determinan derivas de sus parámetros y especificaciones (Tabla 1).

Susceptibilidades límite para los dispositivos semiconductores

Las normas vigentes especifican que no se deben superar los siguientes niveles para asegurar la fiabilidad:

Radiación ionizante:

1013 neutrones/cm2
1010 rads
Dosis total de 103 rads

Impulsos electromagnéticos (EMP):

104 V/m de nivel máximo
102 A.v/m

Protección contra las radiaciones

La ingeniería de diseño de las protecciones contra la radiación nuclear es muy compleja y requiere la formación de grupos de trabajo integrado por especialistas en los diferentes campos científicos y tecnológicos.

No es posible asegurar una protección total de los componentes y ensamblados mecatrónicos contra las radiaciones nucleares incidentes, como lo es en el caso de otros ambientes. La variedad de efectos generados por el ambiente nuclear dificulta su diseño.

Como método alternativo, es mejor definir un nivel de resistencia a la radiación nuclear en un punto determinado del sistema y, luego, diseñar un test a ese nivel. Este es el enfoque utilizado en las norma MIL-STD-M 279 Total Dose Hardness Assurance Guidelines for Semiconductors and Microcircuits y MIL-STD-280 Neutron Hardness Guidelines for Semiconductors and Microcircuits.

Otras normas: ESA Qualification Status of PCB technology, ESA Approved PCB Manufacturers – contact details, ECSS-Q-ST-70-10C Qualification of printed circuit boards, ECSS-Q-ST70-C Procurement of printed circuit boards, ECSS-Q-ST-70-12C Design of printed circuit board.

La protección consiste en emplear componentes adecuados, con una especial resistencia a estas radiaciones y características de blindaje a nivel de sistema mecatrónico, pero esta solución no es suficiente.

Las provisiones de los sistemas de protección nucleares son, por lo general, un ir o no ir a propuestas de compensación aparente.

Se pueden citar algunos métodos:

– Caso de Electro Magnetic Pulse (EMP). Emisión de energía electromagnética de alta intensidad en un breve período de tiempo:

Derivación a tierra.

– Fotocorrientes:

Mínimo ancho de base W de la unión PN.

Disminución de las dimensiones de los dispositivos.

– Neutrones:

Usar dispositivos semiconductores
con dopados elevados, bajos voltajes,
altas densidades de corriente, y
alta frecuencia de corte.

Metodologías para resolver la fiabilidad en entornos nucleares

– Ensayos de demostración de la fiabilidad/históricos.

– Métodos de predicción de las tasas de fallo.

Ensayos de demostración de la fiabilidad

Se hacen normalmente ensayos de radiación
gamma (en instalaciones como el
Centro Nacional de Aceleradores [CNA]
en Sevilla y el Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas
[Ciemat] en Madrid).

Para aplicaciones espaciales solo
hay que radiar con rayos gamma hasta
100 Krad, en aplicaciones nucleares se
requieren valores mucho más altos, del
orden de Mrad.

Para radiar con protones se dispone de
varias opciones:

– En el CNA de Sevilla se puede radiar
con protones de baja energía (entre
10 MeV y algo más de 15 MeV).
Los protones de baja energía son muy
interesantes para circuitos integrados
porque su penetración no es muy
grande (alrededor de 500 µm) y producen
mucho daño en la zona activa
de los componentes.

– De todas formas, la energía del haz
de protones que se suelen pedir es
de 60 MeV. Se puede hacer en la Universidad
Católica de Lovaina (UCL),
en Bélgica.

Para haces de más energía se pueden
hacer en el Paul Scherrer Institute
(PSI) de Suiza. Llegan hasta 200
MeV o a KV (Holanda), donde llegan
a 180 MeV.

– También en TSL (Suecia) se puede
radiar con protones de hasta 180
MeV.

– En el TSL de Toulouse también se
puede radiar con neutrones.

– La ESA tiene también un Radiation
Desing Handbook en el que se incluyen
los efectos de la radiación en
muchos ítems, como componentes,
dispositivos electrónicos y, también,
materiales (polímeros y otros).

Caso de estudio

– Adquisición, explotación de datos y
resultados para una muestra de talla
10 PBA ensambladas con un BOM
de la tabla 1 para conformar un amplificador
de señal sometida a un ensayo
de radiación con protones (10
MeV + estrés térmico de 70 ºC).
Nivel de confianza (NC) > 90%.

– Objetivo: determinar los parámetros
de fiabilidad para el caso por Weibull,
que cubre los tres periodos del ciclo
de vida de producto, extrapolables a
otros casos o a familias de componentes
(resistores, condensadores,
etc.) y dispositivos (transistores, IC,
etc.)

Los resultados fueron los siguientes:

– Parámetros de Weibull (Fig. 1):

Forma b = 1,071


– De la (2) se deduce que de los ensayos se pueden extraer
tasas de fallos l(t)efam i para cada familia i de componentes
y dispositivos electrónicos.

Métodos de predicción de las tasas de fallo

– Método a):

• Calcular las lp prediccionales con los modelos tradicionales
(MIL HDBK 217 F N2, Bellcore, SN29500, MIL
217 plus, etc.), con la condición de no superar los valores
de radiación incidente indicados para no modificar
los parámetros característicos eléctricos, electrónicos y
fiabilistas de las familias de materiales, componentes y
dispositivos electrónicos, optoelectrónicos más sensibles
(semiconductores, por el riesgo de que se generen
pares electrón-hueco de forma exponencial, LED, PIC,
IC, materiales aislantes y dieléctricos orgánicos [condensadores,
motores, transformadores, etc.]).

– Método b):

• Extraer las l(t)fam de los ensayos o históricos de las familias
i de componentes, dispositivos y subsistema y compararlos
con las lpifam prediccionales.

• Predecir las lpifam, con los modelos de predicción conocidos
de familias de componentes, subsistemas, sistemas equivalentes.

• Hallar el factor de corrección estimado para ambientes de radiación nuclear πxifam i.



• No excluir la protección segura de los componentes y
ensamblados PBA para anular o atenuar las radiaciones
incidentes (v. documento CSN, ICRP, CIEMAT, EURATOM,
Service Centrale de Sécurité des Installations Nucléaires
[France], etc.).

• Para los dispositivos programables, incluir SW de recuperación.

• Estos últimos corresponden a la ingeniería de diseño del producto, no a la ingeniería IRAMS.

• Prever redundancias en espera optimizadas (stand-by).

• Dimensionar el stock de repuestos de componentes y ensamblados PBA.

• Diseñar la logística de mantenimiento.

• Aplicar algunos valores de factores de riesgo, correctores de tasas de fallo para componentes mecánicos en sistemas mecatrónicos que se especifican en la IEEE-500-1984.

Conclusiones

– Los entornos nucleares, el espacio y los lugares de trabajo de
las centrales nucleares afectan tanto a las personas como a
las instalaciones y representan un riesgo para la salud de los
primeros y una causa de fallo para los segundos.

– Para la protección de las personas, los niveles de radiación no deben excederse y esto requiere un análisis de riesgo que cumpla la legislación vigente.

– Las medidas de protección contra radiaciones β, β+, γ, α, neutrones, rayos X, etc. están recogidas por el RD 783/201, la norma NTP 614 (radiaciones ionizantes, normas de protección), Directiva 96/29 de EURATOM en cuanto a su interacción con el organismo y efectos biológicos.

– Para resolver la fiabilidad de las instalaciones, materiales y equipos mecatrónicos, no se deben exceder los niveles especificados de radiación, aplicando métodos de prueba y predicción de acuerdo con los estándares y manuales de datos. En este caso no hace falta el factor πxfam i.

– Las bases de datos y los manuales incluyen modelos matemáticos para calcular tasas de fallo con factores de riesgo π para todos los ambientes, excepto el nuclear, denominado (πxifam i).

– El autor de este trabajo establece una metodología de ensayos y predicción para poder resolver el factor πxifam, y la fiabilidad de componentes y sistemas electrónicos, llegando a extraer resultados para un caso de estudio extrapolable a otros casos.

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