IC's operando a altas temperaturas

La presión atmosférica, o la falta de ella, afecta a los componentes electrónicos. Los componentes con presión baja o cercana a cero tienden a desgasificarse, y aunque los circuitos integrados son relativamente fáciles de acondicionar para esto, piezas como los condensadores electrolíticos fallarán. Por lo tanto, en su lugar se utilizan componentes designados específicamente para presión cero.

La radiación afecta a los circuitos integrados de dos maneras: en primer lugar, el comportamiento de los semiconductores cambia significativamente con el aumento de la radiación ionizante, como la que existe fuera de la atmósfera protectora de la Tierra y en los cinturones altamente ionizados de la estratosfera. Por lo tanto, las piezas endurecidas por radiación se fabrican específicamente para tales fines y se utilizan en la electrónica espacial.

En segundo lugar, en condiciones normales de funcionamiento (en tierra), la salida térmica de cualquier circuito integrado se elimina del paquete mediante una combinación de radiación y al ser arrastrada pasivamente por el aire en movimiento... En baja presión o vacío, solo funciona la radiación de calor, no refrigeración pasiva por aire, lo que cambia los cálculos de disipación térmica para cualquier componente.

Por lo tanto, se requieren mecanismos de enfriamiento no tradicionales y una distribución considerablemente mayor de caminos de enfriamiento conductivos.

Con respecto a las precauciones relacionadas con el gas para la electrónica espacial: Los vehículos espaciales tripulados a veces han utilizado entornos enriquecidos con oxígeno. Esto lleva a un replanteamiento necesario de elementos de diseño de circuitos tales como vías de chispas de PCB, lo que podría conducir a una catástrofe.

Además, las chispas que no son de diseño, como las debidas al colapso del campo del motor/bobina, los contactos metálicos de los interruptores o simplemente una conexión floja, deben eliminarse por completo, mucho más críticas que para la atmósfera terrestre normal. Vale la pena considerar las carcasas de contacto llenas de silicona, como los interruptores clásicos llenos de aceite. Del mismo modo, el encapsulado de epoxi seguro para el espacio de prácticamente todo el metal expuesto, incluidas las trazas de PCB, es un camino a seguir.

Además, se debe considerar todo el rango de operación térmica, especialmente para naves no tripuladas: desde muy caliente (debido a la exposición solar sin protección atmosférica), hasta muy frío (debido a que no hay calor "atmosférico" cuando está de espaldas al sol).

Este calentamiento y enfriamiento cíclicos causan fatiga potencial del metal, estrés en las uniones y fracturas, como en las uniones de soldadura, y contactos sueltos debido a la expansión y contracción mecánica desigual entre diferentes materiales.

Finalmente, no todos los componentes semiconductores están especificados para temperaturas extremadamente bajas. Si bien el calor puede ser una preocupación obvia, el frío es un problema igualmente importante. Algunas piezas se fabrican y prueban específicamente para funcionar a temperaturas extremadamente bajas. Para otras partes, los cambios de comportamiento de los componentes deben tenerse en cuenta en el diseño. Por ejemplo, el fusible reiniciable PTC más simple ya no es un elemento de circuito trivial en la electrónica espacial.

Espero que esto haya dado una idea de algunos de los factores relacionados con su pregunta. Por lo demás, un motor de búsqueda es su mejor apuesta.

¿La presión atmosférica afecta las temperaturas de funcionamiento de los circuitos y/o IC implementados en un sistema en el espacio?

Afecta la temperatura de funcionamiento de los circuitos y circuitos integrados implementados en el espacio. Lo hace cambiando los mecanismos de disipación térmica disponibles para los circuitos integrados, como señaló pjc50 en su respuesta. Para aplicaciones regulares, depende casi exclusivamente del enfriamiento por convección causado por el flujo de aire. Las propiedades de la unión térmica enumeradas en las hojas de datos del transistor de potencia y del IC asumen que el dispositivo está en el aire, y las especificaciones del disipador de calor asumen que el disipador de calor está en el aire. Por lo tanto, las muchas aletas en un disipador de calor regular: el aumento del área de superficie aumenta el área de contacto con el aire y le permite extraer más calor. Esto está completamente ausente en el espacio (bueno, hay algo de presión de aire si estás en una órbita terrestre baja, pero el efecto de enfriamiento cae a niveles insignificantes incluso allí). El problema se resuelve usando una combinación de técnicas para enfriar los circuitos y mantener la electrónica dentro de una región permitida. Estos son generalmente una combinación de sistemas de control térmico activos y pasivos (que incluyen calefacción, no solo refrigeración). El disipador de calor suele ser conductivo, canalizando el calor hacia áreas más grandes que pueden irradiar de manera efectiva hacia la oscuridad del espacio.

Además, hay un 'ciclo térmico' rápido si está orbitando algo entre los períodos de eclipse y no eclipse, y también los gradientes térmicos que se establecen entre los lados iluminados y oscuros de los satélites. Estos requieren procesos de fabricación y materiales mejor controlados para evitar que las cosas se agrieten, se rompan o se degraden.

Además, el propio vacío provoca un problema no relacionado con la temperatura, ya que los materiales utilizados pueden vaporizarse mediante un proceso conocido como desgasificación. Esto podría provocar que el aislamiento del cable se deshilache, los circuitos integrados se desencapsulen, la condensación de este material vaporizado en la óptica, el debilitamiento de los componentes mecánicos, el cambio de las propiedades dieléctricas (y, por lo tanto, de RF), el cambio de las propiedades térmicas, etc.

¿La radiación/los gases afectan las temperaturas de funcionamiento de un circuito y/o IC en el mismo escenario anterior? Si es así, ¿debe el ingeniero tomar medidas de precaución en la construcción de un circuito si el sistema podría estar expuesto en la órbita baja de los sistemas planetarios?

La radiación sí. Los gases, bueno, depende de qué gases. Si es un gas altamente ionizable, entonces podría generar chispas fácilmente.

La radiación afecta la operación de una manera diferente a la temperatura. La radiación ataca directamente a los circuitos integrados y provoca un funcionamiento defectuoso e incluso la falla del dispositivo. Este también es un problema en la Tierra, por cierto, y los clústeres de computación de alto rendimiento con miles de nodos ven corrupción de datos e incluso fallas en los nodos con la suficiente frecuencia como para convertirlo en un problema grave. También sucedería con las computadoras de escritorio, excepto que dado que solo estaría mirando un solo nodo de forma aislada, la tasa de falla parece increíblemente baja y en su mayoría pasa desapercibida.

Las dos formas principales en que la radiación afecta a la electrónica es mediante enclavamiento y SEU. Los cierres se producen cuando una partícula cargada se aloja en una puerta. Esto cortocircuita efectivamente la compuerta y hace que fluya una alta corriente a través de ella. El hecho de que la compuerta esté cargada desde el principio atrae las partículas en primer lugar, y la corriente las mantiene alojadas. Si la situación persiste, la compuerta se degradaría y, en el peor de los casos, provocaría la falla del propio IC. La forma en que esto se soluciona es hacer que la energía se encienda, lo que se realiza mediante un sistema inteligente de control y energía, que generalmente es suficiente para desalojar la partícula. El segundo tipo, más común, es un trastorno de evento único (SEU), en el que un solo bit de memoria se invierte debido al paso de una partícula cargada. Esto puede causar corrupción de datos y, dependiendo de dónde esté el bit (contador de programa, por ejemplo), una falla más grave del sistema. Esto se supera mediante un método conocido como redundancia de triple mayoría (TMR), donde cada bit se almacena en tres lugares y se verifica periódicamente (o se verifica en el momento de su uso). La suposición es que es poco probable que el bit que se daña se dañe en las tres copias, ya que este es un evento fundamentalmente aleatorio.

Cuanto menor sea el tamaño de su característica (proceso de fabricación de IC), mayor será la posibilidad de que ocurra uno de estos. Cuanto más caliente sea el IC, mayor será la posibilidad de que ocurra uno de estos (aunque por un factor pequeño).

El endurecimiento por radiación se realiza en el hardware y, a menudo, a nivel de IC mediante la construcción de TMR en el propio IC. De hecho, hay procesadores de grado espacial que incluso tienen 3 núcleos funcionando en paralelo, haciendo exactamente lo mismo. En un nivel más alto, la redundancia se mantiene a nivel de placa o paquete, y se utiliza en algunos casos como respaldo y en otros como una especie de TMR. Los chips en sí mismos son resistentes, para tolerar más calor, disipar más calor por radiación, procesos mucho mejor controlados, por lo que hay menos "valores atípicos" que pueden facilitar el trabajo de la radiación y, a menudo, tienen placas incrustadas para protegerse con un material opaco a la radiación. Esto depende del tipo de radiación que le preocupe, pero generalmente una placa de tantalio funciona en una órbita terrestre baja.

¿De qué tipo de medidas cautelares estamos hablando en términos GENERALES? ¿Hay algún buen recurso que explique cómo los circuitos pueden generar calor y las tácticas utilizadas para reducir los niveles de calor que emiten?

Hay cosas generales que se hacen que son comunes incluso para la electrónica normal. FMEA/FMECA puede ayudar a priorizar posibles áreas problemáticas. Un diseño cuidadoso y un análisis de fallas pueden ayudar a identificar y eliminar todas las fuentes de fallas de un solo punto (donde un solo problema puede causar fallas catastróficas). Además, se toman otras medidas, como una selección cuidadosa del material para el comportamiento en el vacío, la radiación y la excursión térmica. El manual de ingeniería de sistemas de la NASA tenía algunas explicaciones bastante buenas, si mal no recuerdo. De paso, no puedo recordar ninguna fuente específica no clasificada que tenga los detalles recopilados en un solo lugar.

La presión y los gases no afectan directamente la temperatura de funcionamiento, pero sí afectan el enfriamiento pasivo normal del aire que es posible con los circuitos en tierra. No puede confiar en el enfriamiento por aire en un vacío. Por lo general, el circuito se enfriará por conducción térmica a través de sus planos de tierra hacia la carcasa y luego se emitirá al espacio.

Por el contrario, también existe el riesgo de que el circuito esté demasiado frío. El lado del sol de una nave espacial se calentará y el lado oscuro se enfriará, dirigiéndose asintóticamente hacia 3 kelvin. Por lo tanto cuidadoso aislamiento .

Generalmente, toda la energía utilizada en un sistema electrónico termina en forma de calor (excepción obvia: emisiones de radio). El enfoque general es exactamente como las PC en la tierra: el voltaje y la frecuencia reducidos reducen el consumo de energía y, por lo tanto, el sobrecalentamiento.

La radiación puede presentar serios problemas para las naves espaciales, especialmente cuando operan fuera de los cinturones de Van Allen (que desvían las partículas cargadas lejos de la tierra). No estoy seguro exactamente de cómo funciona el "endurecimiento por radiación".