O documento discute aplicações espaciais e os desafios associados à radiação no espaço. Resume três pontos principais: 1) a radiação solar e de partículas pode danificar componentes eletrônicos; 2) efeitos como inversão de bits e transiências analógicas precisam ser mitigados; 3) componentes qualificados e projeto de circuitos impressos robustos são necessários para sistemas espaciais.

3. APRESENTAÇÃO
Graduado em Engenharia Elétrica, especialização em projeto de sistemas digitais pela SAE
Brasil.
Trabalha com desenvolvimento de hardware/firmware embarcado desde 2010 para aplicações
industriais e científica, com experiência nas áreas de eletrônica de potência, agrícola,
automotiva, mecânica e processos de usinagem, passando por áreas desde a produção até o
P&D.
Atuou como engenheiro no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM),
colaborando no desenvolvimento das novas fontes de corrente para o novo acelerador de
partículas brasileiro, SIRIUS.

4. SISTEMAS DE APLICAÇÃO CRÍTICA
EXEMPLOS:
• ESPACIAL
• MILITAR
• AUTOMOTIVO
• O&G
• GERAÇÃO
• outros

5. APLICAÇÃO ESPACIAL
FASES:
• CHEGANDO LÁ (GETTING THERE)
• ESTANDO LÁ (BEING THERE)

6. APLICAÇÃO ESPACIAL
CHEGANDO LÁ (GETTING THERE)
PRIMEIRO DESAFIO:
• Vibração mecânica
• Vibração acústica
O projeto deve considerar todas as
fontes de geração de stress mecânico

7. APLICAÇÃO ESPACIAL
ESTANDO LÁ (BEING THERE)
SEGUNDO DESAFIO:
• RADIAÇÃO
• STRESS TÉRMICO
Sobreviver às condições de operação

8. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
PRINCIPAIS FONTES:
• Radiação Solar
• Raios cósmicos vindos de fora ou do sistema solar
• Partículas armazenadas nos cinturões de radiação (Van Allen)
Partículas:
• Elétrons
• Prótons de alta e baixa energia
• Ions pesados

9. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
CINTURÃO DE VAN ALLEN
ARMAZENA PRÓTONS E ELÉTRONS
• Cinturão interno: 1200-6000km
Eletrons com carga de ~1-5MeV
Prótons com carga de ~10MeV
• Cinturão externo: 13000-60000km
Prótons com carga de ~10-100MeV (em sua
maioria)

10. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
NÍVEIS DE ÓRBITA
• LEO - órbita terrestre baixa
-ISS, Hubble (órbita de 92min)
• MEO - órbita terrestre média
-Geolocalização (órbita de 12 horas)
• GEO - órbita geoestacionária
-Comunicação (órbita de 1 dia)

11. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
NÍVEIS DE ÓRBITA

12. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
NÍVEIS DE ÓRBITA

13. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
EFEITOS DA EXPOSIÇÃO A RADIAÇÃO AO LONGO DO TEMPO
EFEITOS:
• Efeitos de dosagem - causados pela acumulação de grande número de
prótons e elétrons ao longo do tempo
• Total Ionizing Dose - TID
• Displacement Damage Dose - DDD
• Single Event Effects (SEE) - causado por ions pesados(rand. no tempo)
• Destructive SEE - DSEE
• Non-Destructive SEE - NDSEE

14. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
TOTAL IONIZING DOSE - TID
Acúmulo de níveis de dosagem (acúmulo de carga e ‘interface traps’) podem
resultar:
• degradação nos níveis de corrente
• degradação nos limiares de tensão
• degradação do tempo de resposta

15. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
TOTAL IONIZING DOSE - TID
Categorias de dosagem (classificação do componente):
• Low Dose Rate - LDR
Transistores Bipolar possuem um pior cenário nesse nível, também chamado
de Enhanced Low Dose Rate Sensitivity - ELDRS
• High Dose Rate - HDR
Transistores CMOS possuem um pior cenário nesse nível
Exemplo de atenuação: shield em alumínio (não é 100% efetivo)

16. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
TOTAL IONIZING DOSE - TID
LDR - taxa de dosagem de 0.01 rad/s
HDR - taxa de dosagem de 50 a 300 rad/s

17. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
DISPLACEMENT DAMAGE DOSE - DDD
causado pela colisão de prótons na estrutura do silício (fenômeno ‘strike’)
resultando na falha do componente.
CMOS tendem a suportar maiores
doses de prótons que a topologia
Bipolar

18. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Destructive SEE - DSEE
SEB - single event burnout
SEGR - single event gate rupture
SEB e SEGBR são diferentes mas difíceis de se distinguir na prática.
ocorrencia em MOSFETs de potência
óxido do ‘gate’ é danificado por ‘ion strike’
dependente de corrente tensão

19. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Destructive SEE - DSEE
SEDR - single event dieletric rupture
Similar ao SEGR mas não corre em semicondutores de potência,
afetando óxido de capacitores

20. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Destructive SEE - DSEE
Possível solução: Redundância
• uso de sistemas triplos ou primário/secundário
• adiciona complexidade, peso ao sistema
• uso de backplane com gerenciamento de falha
Objetivo final: reduzir o risco de falha

21. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
Single Event Upset - SEU
Inversão de um bit digital de 0 para 1 ou de 1 para 0.
Alguns componentes podem não apresentar SEU com ions ou prótons de
baixa energia
Alguns componentes podem ser “SEU free” para certos níveis de órbita

22. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
Single Event Transient - SET
Causado por ‘strike’ de ion nas saídas analógicas
Praticamente todos os componentes analógicos sofrem SET

23. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
Single Event Transient - SET
SET é altamente dependente da condição de operação do circuito
• Reguladores: tensão de entrada e saída, corrente e capacitância
• Opamps: configuração, tensão de alimentação, entrada diferencial,
realimentação...

24. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
Single Event Transient - SET
Possível solução:
modificar as condições de operação e aplicação

25. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
Single Event Functional Interrupt - SEFI
Causado por ‘strike’ de ion resultando em mudança no estado de operação
do CI
Pode ter diferentes efeitos dependendo do componente

26. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
Single Event Functional Interrupt - SEFI
• Componentes programados: flip em registradores, necessário
reprogramação
• Componente com circuito de reset: ativação errônea, podendo ou não se
recuperar do reset, possível necessidade de reprogramação
• Componente com pino de desligamento: acionamento indevido

27. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
SEFI - mitigação
• Usar devices sem registradores
• Reconfigurar os registradores de tempos em tempos (off-time)
• Monitorar o comportamento e então reconfigurar os registradores

28. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
Non Destructive SEE - DSEE
SET - mitigação
• Usar grandes capacitores na saída, bem como circuitos RC para atenuar
transientes
• Utilizar diodos de proteção nas entradas
• Monitorar o comportamento, caso necessário comutar para circuito
redundante

29. COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
EXTENSIVO PROCESSO DE SELEÇÃO UTILIZADO PARA CLASSIFICAR OS
COMPONENTES ELETRÔNICOS PARA APLICAÇÕES AEROESPACIAIS.

30. COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Qual o motivo de utilizar esse tipo de componente?
1. Aplicações espaciais apresentam um ambiente mais agressivo em
termos de radiação que na Terra.
2. Satélites são caros (algumas centenas de milhares de dólares..), o
risco precisa ser mitigado

31. COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Testes extensivos, sendo alguns deles:
• wafer lot acceptance testing
• wire bond
• bond pull
• die shear testing
• internal visual inspection to multiple degrees
• temperature cycling
• pre-burn-in electrical testing

32. COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Testes extensivos, sendo alguns deles:
• burn-in for 240 hours
• ambient post-burn-in testing
• testing over temperature

33. COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Grupos de teste:
• A - teste elétrico do lote
• B - garante que a montagem está sob controle
• C - teste de tempo de vida do semicondutor
• D - garante que a robustez do encapsulamento está sob controle
• E - teste de radiação para aceitação do lote (RLAT)
Resultado: documentação

34. COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Componentes com ‘grade’ automotivo ou militar podem ser utilizados
em aplicações aeroespaciais?
1. Não!

35. COMPONENTES
ENCAPSULAMENTO HERMÉTICO
Compostos por metal e cerâmica
Depende da aplicação e do número de IOs

36. COMPONENTES
EXEMPLO

37. COMPONENTES
COMPRA
• em sua grande
maioria são
componentes
de aquisição
restrita

38. PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO
Materiais empregados
Dielétrico: maior parte são baseados em poliamida reforçada com fibra
de vidro pois possuem um coeficiente de temperatura compatível com
os encapsulamentos de cerâmica dos componentes
Processo de solda: PTH, SMD, Mixed
Metalização: hot air(HASL), gold (ENIG, ENIPIG), immersion tin e
immersion silver
Tipos de placa: Single-sided, Double-sided, Multilayer, Flex, Rigid-flex

39. SOLDA
Liga estanho chumbo
• maior estabilidade e robustez
Ligas sem chumbo (lead-free)
• instabilidade na liga
• whisker (cristais)
Os processos devem seguir as normas
especificadas pela agência espacial

40. LAYOUT PCI
RECOMENDAÇÕES PARA O PROJETO DAS PLACAS:
• utilizar ferramentas que auxiliem no desenvolvimento
• simulação elétrica
• simulação térmica
• simulação mecânica
• ferramenta e-cad com capacidade para aplicação das regras de design
• Seguir as regras de projeto especificadas pelas respectiva agência
• ex: European Space Agency (ESA) ECSS-Q-ST-70-12C, tratando sobre análise
de integridade de sinal, configuração do stackup para mitigar efeitos
causados por interferência electromagnética e placement.

41. BRASIL - CUBESAT
EMPRESAS PRIVADAS:
PION
www.pionlabs.com.br
CRON
www.cronsistec.com.br

42. BRASIL - CUBESAT
ALCÂNTARA:
• Hyperion (EUA)
• A Orion Ast (EUA)
• Virgin Orbit (EUA)
• C6 Launch (Canadá)

43. CONTATO
e-mail: niltonhr@gmail.com
linkedin: www.linkedin.com/in/joaoniltonhenrique

44. Obrigado