Procedure di test per radiazione su Procedure di test per radiazione su componenti elettronici COTS : componenti elettronici COTS :

Test di Total DoseTest di Total Dose

Lucia Di Masso

Laboratorio SERMS.- Polo Scientifico Didattico di Terni

Via Pentima Bassa, 21 – 05100 Terni

SommarioSommario

• IntroduzioneIntroduzione

• Obiettivo Obiettivo

• Procedura di testProcedura di test

• Test effettuatiTest effettuati

INTRODUZIONEINTRODUZIONELa componentistica elettronica prodotta nel settore industriale costituisce una risorsa importante da cui

attingere per la realizzazione di apparati per esperimenti spaziali dedicati allo studio della fisica delle particelle (AMS-

01, AMS-02, GLAST) Il termine COTSCOTS (Commercial Off the Shelf) identificacomponenti elettronici “non spazializzati” con funzionalità

standard pensati per utilizzo in larga scala

L’impiego dei COTSCOTS, consente di:

Ottenere circa l’80% delle funzioni richieste all’apparato con meno del 10% del costo di uno

sviluppo “ad hoc” ; Ridurre drasticamente i tempi di costruzione

Un dispositivo COTSCOTS è progettato inizialmente per funzionare in ambiente terrestre,

generalmente “benigno”

INTRODUZIONEINTRODUZIONE

Lo spazio è notoriamente ambiente ostile, non stazionario, pertanto la maggior parte della

componentistica utilizzata nelle missioni spaziali deve garantire

ALTA AFFIDABILITA’

Test molto rigorosi ed esaustivi per la qualifica spaziale e la successiva selezione dei

componenti COTS

L’ambiente spazialeL’ambiente spaziale

•Radiazioni ionizzantiRadiazioni ionizzanti

Il funzionamento di un dispositivo elettronico operativo in quota può essere condizionato da:

•Ambiente termico•Attività solare•Campi magnetici•Caricamento elettrostatico•Micrometeoriti•Detriti• …..

Le sorgenti di radiazioni nello spazio

Raggi Cosmici (basso flusso - ampio spettro di

energia da 100 MeV fino a 1021 eV)

Protoni relativi al vento solare (100 eV - 10 KeV)

Elettroni e protoni intrappolati nelle fasce di Van Allen o

nell'anomalia sud atlantica (10-1 MeV - 100 MeV)

Protoni da Flares Solari (10 - 102 MeV)

Effetti della radiazione su dispositivi Effetti della radiazione su dispositivi elettronicielettronici

Obiettivo Verificare l’affidabilità e le prestazioni di dispositivi integrati COTS

esposti a radiazioni ionizzanti (Raggi Gamma) mediante Test di Dose Totale condotto secondo requisiti e specifiche di base

Dislocazioni atomiche

Rimozione di atomi dal reticolo che generano difetti

e/o vacanze che danno luogo al trapping di cariche;

riduzione del libero cammino medio delle

cariche (trascurabile 100krad)

Ionizzazione Le particelle che penetrano l’ossido liberano la carica che modifica la funzione normale dei dispositivi semiconduttori

(es.:riduzione della tensione di soglia Vth per i MOSFETs)

Unità di misura di Dose TotaleUnità di misura di Dose Totale

Nei test di elettronica si usa spesso il rad (Si)

1 rad = 1 J/kg

ProcedureProcedure

Procedure ESA ESA/SSC 22900 dose totale Procedure MIL 883 mtd 1019.4 dose

totale

Procedura ESA/SSC 22900 pertotal dose

Scopi e TerminiEquipaggiamentiProcedure per valutazioniProcedure per test di lotto

Tipo di sorgenteSorgente gamma Co60 con dosimetriamigliore del 5%

Uniformità sul campione migliore del 10%

Fascio di elettroni che depositano sul dispositivo da

1 a 3 MeV di energia con uniformità del 10%

L’ambiente di irraggiamento deveessere a temperatura 20 +/- 10 °C.

Piano di irraggiamento

Determinazione della dose di interesse.

Determinazione della dose rate.

Determinazione dei parametri da misurare.

Programmazione di almeno tre stop (ma possono essere di piu’) a 1/3, 1, e 3 volte la dose di interesse con misure intermedie dei parametrici elettrici di interesse.

Gli stop possono durare al massimo 2 ore.

Dosi e Dose RatesLe dosi standard sono:3krad - M10krad - D20krad - E50krad - F100krad - R1Mrad – H

I dose rate sono:Standard rate da 3.6 a 36 krad/h (1-10 rad/s)Low rate da 36 a 360 rad/h (0.01 a 0.1 rad/s)

L’intera dose va data in meno di 96 ore

Requisiti addizionali

Il componente va alimentato durantel’irraggiamento (ma non e’ detto che vada operato)

Misure post-irraggiamentoPer compensare gli effetti del dose rate:

Si sottomette il componente a 168 ore (1 settimana) difunzionamento continuato a temperatura ambiente (25 °C)(annealing);

si misurano i parametri dopo 12, 24 e 168 ore di funzionamento;

Si sottomette il componente a ulteriori 168 ore difunzionamento a 100 °C (ageing);

si effettua nuovamente la misura dei parametri elettrici diinteresse.

Test su lotti

Si selezionano 11 componenti a caso da un lotto;10 vengono irraggiati secondo la procedura

appenadescritta;uno viene tenuto come componente di controllo

Si effettuano tre acquisizioni di misura di postirraggiamento come descritto, con la sola

differenzache l’annealing dura solo 24 ore.

Stesura dei report

Il report deve descrivere le condizioni di

irraggiamento e riportare i risultati deitest.

Differenze con norme MIL Sorgente di Co60stessi requisiti specifiche ESA su dosimetria.

Dose rateda 50 a 300 rad/s - Condizione A (Bipolari)meno di 50 rad/s - Condizione B (MOS)Libera - Condizione C

Temperatura 24 +/- 6 °C sul sito di irraggiamento e 25 +/- 5 °C su quello di misura.

Non prevede annealing

Prevede l’ageing ma in certe condizioni si può omettere

Collaudo di dose totale per i componenti Collaudo di dose totale per i componenti COTSCOTS da utilizzare nella costruzione del da utilizzare nella costruzione del sistema di alimentazione del rivelatore sistema di alimentazione del rivelatore

di tracciatura dell'esperimento di tracciatura dell'esperimento AMSAMS

Esempi di test effettuati

Ambiente di irraggiamento a T= (2010)°C

Procedura di test Sorgente Gamma Co60 (ENEA – Casaccia) con risoluzione del 5% e uniformità sul campione del 10% (E= 1,25 MeV ; Dose Rate= 3,8

krad/h)

MISURE

Annealing: 168 h in condizioni di funzionamento continuato a 25 °C; 3 acquisizioni dopo 12, 24 e 168 h (Terni – SERMS)Ageing: 168 h di funzionamento a 85°C (Terni – SERMS) 1 acquisizione dopo 168 h

Post-irraggiamento

Irraggiamento

Pre-irraggiamento a 0 krad

a 1, 3, 10 krad

DIODIDIODISono stati testati 3 tipi di diodi per il power supply di AMS:

Diodi Zener

Diodi Schottky

Diodi a giunzione p-n

UDZS 3,912; UDZS 15; UDZS 24; UDZS 27 (ROHM)BZV55 (Philips)UDZS 3,9; UDZS 5,1; UDZS 5,6 (ROHM)LMN404-4,1; LM4040-5 (National Semiconductor)

MBRB4030 (Motorola)12CWQ03FN (International Rectifier - IOR)

BA54S (Siemens) 10BQ100 (International Rectifier - IOR)STTA112U (SGS Thompson)FE5D (Vishay)UF1M (Shangai Sunrise Electronics)

Diodi Zener

Conclusioni per i Diodi Zener

A Nessun danneggiamento

B Tensione molto stabile (inferiore al 2%)

Polarizzazione diretta

Polarizzazione inversa

Diodi Schottky

Conclusioni per i Diodi Schottky

A Corrente Inversa stabile entro il 10%

B Tensione diretta stabile entro il 5%

Diodi a giunzione p-n

Conclusioni per le giunzioni p-n

•BAT54S1 ha cessato di funzionare dopo le misure di tensione diretta

•Tensione diretta stabile entro il 2%

•Corrente Inversa stabile entro il 25% tranne per BAT54S2

BJTBJTSono stati testati 2 tipi di BJT:

BJT pnp

BJT npn

MPS750 (Motorola)MMPQ3906; MMBT3906LT; MMPQ2907A (Fairchild)

MPS650(Motorola)MJD3055; MMBT2484 (Fairchild)ZTX653 (Zetex Semiconductor)

BJTBJT

L’abbassamento della hfe è soprattutto evidente nei BJT

npn

L’effetto di dose totale nell’abbassamento della hfe

è evidente nei BJT per effetto della ionizzazione

dell’ossido

MOSFETsMOSFETs

Sono stati testati 2 tipi di MOSFETs:

P-MOS

N-MOS

IRFR5305; IRF7416 (International Rectifier IOR)

SI481DY; IRF7401; IRFR18n15d; IRFR3910 ( Vishay)

P - MOSP - MOS P - MOSP - MOS

N - MOSN - MOS N - MOSN - MOS

Conclusioni per i MOSFET

La misura di Vth è molto sensibile alla radiazione; per N – MOS la presenza di cariche positive

accumulate nell’ossido aumenta il campo elettrico creato dal potenziale di gate;

per i P – MOS la carica accumulata si contrappone al potenziale negativo applicato al gate.

La misura di Rds è molto stabile entro il 10% di variazione.

Le misure di resistenza drain-source hanno mostrato un incremento durante l’irraggiamento in tutti i componenti con un recupero della risposta

durante le fasi di compensazione (annealing e ageing).