Procedure di test per radiazione su componenti elettronici COTS : Test di Total Dose

1. Procedure di test per radiazione su componenti elettronici COTS : Test di Total Dose Lucia Di Masso Laboratorio SERMS.- Polo Scientifico Didattico di Terni Via Pentima Bassa, 21 – 05100 Terni

2. Sommario • Introduzione • Obiettivo • Procedura di test • Test effettuati

3. INTRODUZIONE La 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 COTS (Commercial Off the Shelf) identifica componenti elettronici “non spazializzati” con funzionalità standard pensati per utilizzo in larga scala L’impiego dei COTS, 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

4. INTRODUZIONE Un dispositivo COTS è progettato inizialmente per funzionare in ambiente terrestre, generalmente “benigno” 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

5. L’ambiente spaziale Il funzionamento di un dispositivo elettronico operativo in quota può essere condizionato da: • Radiazioni ionizzanti • Ambiente termico • Attività solare • Campi magnetici • Caricamento elettrostatico • Micrometeoriti • Detriti • …..

6. Le sorgenti di radiazioni nello spazio • Protoni relativi al vento solare (100 eV - 10 KeV) • Raggi Cosmici (basso flusso - ampio spettro di energia da 100 MeV fino a 1021 eV) • Protoni da Flares Solari (10 - 102 MeV) • Elettroni e protoni intrappolati nelle fasce di Van Allen o nell'anomalia sud atlantica (10-1 MeV - 100 MeV)

7. Effetti della radiazione su dispositivi elettronici • 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) 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

8. Unità di misura di Dose Totale Nei test di elettronica si usa spesso il rad (Si) 1 rad = 1 J/kg

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

10. Procedura ESA/SSC 22900 pertotal dose Scopi e Termini Equipaggiamenti Procedure per valutazioni Procedure per test di lotto

11. Tipo di sorgente Sorgente gamma Co60 con dosimetria migliore 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 deve essere a temperatura 20 +/- 10 °C.

12. 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.

13. Dosi e Dose Rates Le dosi standard sono: 3krad - M 10krad - D 20krad - E 50krad - F 100krad - R 1Mrad – 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

14. Requisiti addizionali Il componente va alimentato durante l’irraggiamento (ma non e’ detto che vada operato)

15. Misure post-irraggiamento Per compensare gli effetti del dose rate: • Si sottomette il componente a 168 ore (1 settimana) di funzionamento 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 di funzionamento a 100 °C (ageing); • si effettua nuovamente la misura dei parametri elettrici di interesse.

16. Test su lotti Si selezionano 11 componenti a caso da un lotto; 10 vengono irraggiati secondo la procedura appena descritta; uno viene tenuto come componente di controllo Si effettuano tre acquisizioni di misura di post irraggiamento come descritto, con la sola differenza che l’annealing dura solo 24 ore.

17. Stesura dei report Il report deve descrivere le condizioni di irraggiamento e riportare i risultati dei test.

18. Differenze con norme MIL Sorgente di Co60 stessi requisiti specifiche ESA su dosimetria.  Dose rate da 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

19. Collaudo di dose totale per i componenti COTS da utilizzare nella costruzione del sistema di alimentazione del rivelatore di tracciatura dell'esperimento AMS Esempi di test effettuati

20. Procedura di test Ambiente di irraggiamento a T= (2010)°C Pre-irraggiamento a 0 krad a 1, 3, 10 krad Irraggiamento • 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 Post-irraggiamento 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

21. DIODI Sono stati testati 3 tipi di diodi per il power supply di AMS: Diodi Zener 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) Diodi Schottky MBRB4030 (Motorola) 12CWQ03FN (International Rectifier - IOR) Diodi a giunzione p-n BA54S (Siemens) 10BQ100 (International Rectifier - IOR) STTA112U (SGS Thompson) FE5D (Vishay) UF1M (Shangai Sunrise Electronics)

22. Diodi Zener Polarizzazionediretta Polarizzazioneinversa Conclusioni per i Diodi Zener A Nessun danneggiamento B Tensione molto stabile (inferiore al 2%)

23. Diodi Schottky Conclusioni per i Diodi Schottky A Corrente Inversa stabile entro il 10% B Tensione diretta stabile entro il 5%

24. 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

25. BJT Sono stati testati 2 tipi di BJT: BJT pnp MPS750 (Motorola) MMPQ3906; MMBT3906LT; MMPQ2907A (Fairchild) BJT npn MPS650(Motorola) MJD3055; MMBT2484 (Fairchild) ZTX653 (Zetex Semiconductor)

26. BJT L’effetto di dose totale nell’abbassamento della hfe è evidente nei BJT per effetto della ionizzazione dell’ossido L’abbassamento della hfe è soprattutto evidente nei BJT npn

27. MOSFETs Sono stati testati 2 tipi di MOSFETs: P-MOS IRFR5305; IRF7416 (International Rectifier IOR) N-MOS SI481DY; IRF7401; IRFR18n15d; IRFR3910 ( Vishay)

28. P - MOS P - MOS N - MOS N - MOS

29. 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).