Environnement radiatif et effets sur les composants électroniques

Environnement radiatif et effets sur
les composants électroniques:
--Moyens de simulation sol.
Françoise BEZERRA
CNES – DCT/AQ/EC
Atelier CCT: Effets de l’environnement sur les composants électroniques.
27/03/06
Sommaire
• Les particules à simuler et les phénomènes associés.
• Les spécifications applicables.
• Sources radioactives et accélérateurs de particules.
Principe de fonctionnement.
• Aspects pratiques
Mise en œuvre, radioprotection, dosimétrie, préparation des
composants, contraintes pour les banc de test, accès/coûts,...
• Perspectives.
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Les particules à simuler
et les phénomènes associés
• Ceintures de Van Allen:
¾Electrons eV~10 MeV
γ
Dose ionisante (TID)
¾Protons keV-500 MeV
• Eruptions solaires:
Déplacements
atomiques (DDE)
¾ Protons keV-500 MeV
¾ Ions 1-10 MeV/n
Noyau de recul
• Rayons cosmiques:
¾ Ions, max 300 MeV/n
Effets singuliers (SEE)
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Spécifications applicables:
1- Pour les essais SEE
• ESA-SCC 25100
• JESD-57 (ions)
%.
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• Sur
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• Pré
Accélérateurs de particules:
• Ions
– Energie plus faible que GCR
Simulation LET
– Range>30µm (Si)
– Flux: 102-105 ions/cm²/s
• Protons
– Energie: 20-200 MeV (Si)
– Flux: 105-108 p/cm²/s
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Spécifications applicables:
2- Pour les essais TID
• ESA-SCC 22900.4
• MIL-STD 883E Méthode 1019.6
lux.
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• Pr
•Source 60Co
•Accélérateur d’électrons
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Spécifications applicables:
3- Pour les essais DDE
• ESA-SCC 22900.4
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•Pr
• Accélérateur d’électrons
– Edut>2.5MeV
• Accélérateur de protons
• Source de neutrons.
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Sources/accélérateurs utilisés
couramment pour la caractérisation sous
irradiation de composants électroniques.
• Sources
radioactives:
– Co60 (TID)
– Cf252 (SEE: uniquement pour pré-test ou validation hardware)
• Accelérateurs:
– Van de Graaff (électrons et protons)
– Tandem van de Graaff (ions)
– Cyclotrons
(Ions et protons)
– Synchro-cyclotrons
• Sources laser et microfaisceaux ions lourds:
– Etudes spécifiques (cartographie des SEE par exemple) en
complément d’une caractérisation sous faisceau.
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Rappel:
Radioactivité et irradiation.
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Source Cobalt-60: Principe
• Utilisée habituellement comme sources de rayons γ pour
des besoins médicaux.
60
Co → Ni + e + υ
60
-
e
γ
e- secondaires
Dose ionisante
β
• Utilisé par la communauté spatiale pour les essais TID de
composants ou systèmes électroniques avec l’hypothèse:
TID (γ) >> TID (p+ and e-)
Attention: c’est faux sur les technologies sensibles en DDE.
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Source Cobalt-60: Mise en oeuvre
• Les rayonnements γ ont une grande pénétration dans les
matériaux.
• Les composants sont irradiés dans leur encapsulation d’origine.
• Les moyens électroniques nécessaires au test doivent être
protégés (blindage).
• Contraintes de radioprotection fortes.
• Débit de dose:
• Sa valeur maximum dépend de l’activité de la source (Cu).
• Elle varie de quelques Gy/s à plusieurs kGy/h. (1Gy=100Rad)
• Le débit de dose est fixé en ajustant la distance DUT/Source
DR= f (1/d²)
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Source Co60 panoramique
(0.1 -10Gy/h)
• Chambre d’irradiation blindée => Large espace d’irradiation.
• Spécialement adapté pour:
– Cartes et systèmes électroniques.
– Systèmes de régulation complexes
(température par ex.).
– Plusieurs irradiations simultanées.
• Règles de radioprotection:
Source MEGA de l’ONERA.
– Source à double encapsulation,
– Enceinte de stockage blindée.
– Accès à la chambre d’irradiation
seulement quand source confinée
(avec dosimètre personnel).
– Contrôle de sécurité sur l’accès et
le confinement de la source.
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Irradiateurs Co60
(10 -5000Gy/h)
• Chambre d’irradiation blindée de taille réduite.
Moyen adapté pour:
– Composants et cartes électroniques de faible
encombrement (< quelques dm3)
– Débit de dose plus élevés qu’avec des sources
panoramiques.
• Règles de radioprotection:
– Source à double encapsulation,
– Enceinte de stockage fortement blindée.
– Accès à la chambre d’irradiation seulement quand
source confinée (avec dosimètre personnel).
– Zone contrôlée limitée autour de l’irradiateur pendant
l’irradiation.
– Contrôle de sécurité sur l’accès et le confinement de
la source.
Source Shepherd de L’ONERA.
Irradiation (1)
Source position
indicators
Storage
(2)
Gat
e
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Irradiation
tunnel
Gate
(1)
Source
(2)
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Source Californium 252:
Principe
• Utilisée dans des applications médicales ou industrielles
comme puissante source de neutrons
• Utilisée par la communauté spatiale comme source d’ions
pour des pré-tests ou la mise au point de bancs de test SEE.
252
Cf → Zr + Nb + Ru + Ru + Rh + Cs + Cs + Ce+ Ce+ Pr + Eu + Eu + α + n
95
95
103
106
106
134
137
141
144
144
152
154
Ions de masse élevée
mais de très faible énergie.
• LET(Si) ~ 43MeV/(mg/cm²),
• Faible pénétration,
• Décroissance rapide du LET dans le DUT.
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Source Californium 252:
Mise en oeuvre
Moyen CIRIL de l’ONERA
• Les ions issus de la décomposition du
Cf252 ont une très faible pénétration dans les
matériaux:
• Les puces électroniques
doivent être directement
exposées (boîtier ouvert).
• Il est nécessaire de
travailler dans une enceinte
sous vide.
Passage
feedthrough
Source
• Règles de radioprotection:
DUT
d
Source
ChamberVacuum chamber
Test System
Pump
system
•Source à double encapsulation (radio
toxicité et contamination)
• Zone contrôlée limitée à la chambre à vide.
d : DUT/Source distance (gives the flux)
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Accélérateur de particules:
Principe
• Appareil produisant un faisceau de particules chargées
énergétiques.
• Utilisations diverses: microscopie fine, médecine, industrie et
bien sûr recherche en physique fondamentale.
• Principe de base:
– Une tension élevée appliquée entre 2 électrodes crée un champ magnétique
intense qui accélère des particules chargées injectées par une source.
– La nature des particules accélérées dépend de la source d’injection.
– Leur énergie dépend du champ électromagnétique et donc des caractéristiques
de la machine. Elle est donnée par:
Ec = Q.V
Ec est l’énergie cinétique donnée à la particule (eV),
Q est son état de charge
V est la tension d’accélération (V).
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Divers types d’accélérateur de
particules
•
•
•
•
•
Van de Graaff et Tandem VdG.
Linéaires*.
Cyclotrons.
Synchro-cyclotrons.
Synchrotrons*.
*Non utilisés pour simuler l’environnement spatial.
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Van de Graaff et Tandem VdG:
• Simple/double structure accélératrice.
• V générée par charge électrostatique.
• VdG: p+ et e- jusqu’à quelques MeV.
• Tandem: Ions (E<10MeV/n) et p+.
Tandem de l’IPN Orsay.
SF6
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Cyclotron:
• Accélération répétée et trajectoire spiralée:
• Une source de particules chargées est placée au centre
du cyclotron.
• Ces charges sont accélérées par un champ électrique
alternatif crée par différence de potentiel entre les deux
électrodes: les « D ».
• La trajectoire des particules est contrôlée par un champ
magnétique constant généré par deux énormes aimants.
• Les particules sont accélérées jusqu’à ce qu’elles
atteignent les limites du champ magnétique.
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Synchro-cyclotron
• Les cyclotrons conventionnels sont limités par l’effet relativiste quand
les particules atteignent des vitesses élevées:
– leur vitesse décroît.
– le faisceau se défocalise verticalement.
Gatchina Synchrocyclotron.
Protons jusqu’à 1000MeV. D= 6m.
Pour éviter la décélération
des particules, la solution
consiste à adapter la période
du champ électrique à celle
de la rotation.
Synchro-cyclotron ou
Cyclotron à modulation de
fréquence.
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Cyclotron isochrone
Pour éviter la défocalisation verticale du
faisceau, deux solutions:
-faire décroître le champ magnétique quand le
rayon de trajectoire augmente.
Cyclotron classique.
UCL cyclotron:
P+ jusqu’à 65MeV, ions jusqu’à 10MeV/n.
- Ajouter des secteurs métalliques entre les «D»
pour induire des variations azimuthales du
champ. La meilleure focalisation ainsi obtenue
compense la dispersion due au fort champ
magnétique: possibilité d’atteindre des énergies
plus élevées à diamètre égal.
Cyclotron à focalisation par secteurs
ou cyclotron isochrone.
PSI cyclotron: P+ jusqu’à 300MeV.
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Accélérateur linéaire:
• Accélération multiple le long d’une
structure accélératrice linéaire.
Stanford Linear Accelerator Center (SLAC).
Electrons jusqu’à 52 GeV. L= 3km.
• Utilisé principalement pour des
besoins scientifiques.
• e-, e+, p+ et ions dans une vaste
gamme d’énergie.
• la plupart sont utilisés pour l’injection
dans des synchrotrons.
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Synchrotron:
• Mis au point pour accélérer des
électrons: masse trop faible pour être
accélérés par un cyclotron.
• les particules sont accélérées le long
d’une trajectoire circulaire et le champ
magnétique qui courbe leur trajectoire
augmente avec le temps
Trajectoire constante.
CERN Super Proton Synchrotron. L=6,9km.
P+ jusqu’à 450GeV.
Ce sont des moyens dédiés à la physique élémentaire des particules
pour laquelle les plus hautes énergies possibles sont nécessaires.
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Transport du faisceau
• Aimants de focalisation, de
filtrage, pompes, vannes de
sécurité…
Transport du faisceau à l’UCL
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En résumé:
un accélérateur de particule…
• Vu par son concepteur:
• Vu par un utilisateur:
Source: PSI, auteur inconnu.
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En pratique: Protons et
ions de très forte énergie (>100MeV/n)
• Pas de problème de pénétration.
– Choix de l’énergie au niveau DUT
en interposant des dégradeurs.
– Irradiation dans l’air sur des
DUT dans leur boîtier d’origine.
– Prévoir une zone sans électronique
autour et derrière le DUT.
• Attention:
Ligne protons de l’UCL.
– Activation des matériaux irradiés
• Possible quarantaine des DUT et des cartes de test,
• Prévoir de déporter au maximum l’électronique de test.
• Limiter les accès à la zone de test au strict nécessaire.
– Les protons déposent également de la dose ionisante:
• Risque de perte de fonctionnalité par effet TID.
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En pratique:
Ions de moyenne énergie (~10MeV/n)
• Problème de pénétration.
– Irradiation dans une chambre
à vide.
– Nécessité d’ouvrir les boîtiers.
⇒ Complexifie la mise en œuvre.
Chambre à vide de l’IPN.
Avantage:
– Pas d’activation des matériaux irradiés
– Dose ionisante souvent négligeable.
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Principaux accélérateurs
utilisés pour des tests SEE
Accélérateur
Type de machine
Ions lourds
Protons
IPN, France
Tandem
<10Mev/n
25MeV
BNL, USA
Tandem
<10Mev/n
UCL, Belgique
Cyclotron
≥ 10 MeV/n
-> 65MeV
JYFL, Finlande
Cyclotron
≥ 10 MeV/n
-> 45MeV
LBL, USA
Cyclotron
≥ 10 MeV/n
-> 55MeV
PSI-OPTIS, Suisse
Cyclotron
-
-> 63MeV
PSI-HIF, Suisse
Cyclotron
-
-> 300MeV
CPO, France
Synchrocyclotron
-
-> 200MeV
TRIUMPH, Canada
Cyclotron
-
-> 520MeV
GANIL, France
Cyclotron
-> 100MeV/n
-
TAMU, USA
Cyclotron
-> 1GeV/n
-
GSI, Allemagne
Cyclotron
-> 1GeV/n
-
DJINR, Dubna, Russie
Synchrocyclotron
-> 1GeV/n
-
GNPI, Gatchina, Russie
Synchrocyclotron
-
-> 1GeV
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Test dans chambre
à vide sur puce
(boîtier ouvert).
Test dans l’air
sans ouverture
boîtier.
Les essais
protons sont
réalisés dans l’air
sans ouverture
boîtier.
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En pratique: Neutrons
mono-énergétiques (25 à 65MeV)
• Utilisé pour les DDE.
• Principe:
7Li (p, n) 7Be Q = - 1,644 MeV
– Irradiation d’une pastille fine de lithium avec un faisceau de protons.
Emission de neutrons.
• Pas de problème de pénétration:
– Mêmes contraintes de mise en œuvre que pour des protons.
• Activation des matériaux cibles.
• Pas de dose ionisante.
Ligne neutrons mono-énergétiques de l’UCL.
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Radioprotection
sur les accélérateurs
• Pendant le tir faisceau:
– Accès à l’accélérateur strictement interdit,
– Irradiation dans l’air: accès à la zone d’irradiation strictement interdit.
– Irradiation dans chambre à vide: travail à proximité de la chambre à
vide généralement possible*.
• Quand le faisceau est arrété
– Accès à l’accélérateur limité aux travailleurs qualifiés,
– Irradiation dans l’air: accès* à la zone d’irradiation possible mais
limité au strict nécessaire (activation de l’environnement),
– Irradiation dans chambre à vide: accès* possible.
*: avec dosimètre personnel
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Dosimetrie
• Diverses techniques de contrôle du flux:
– Chambre d’ionisation, Scintillateur, détecteur état solide, détecteur à
plaques parallèles et à avalanche...
– Le faisceau peut être continu ou pulsé. Dans ce cas, le flux indiqué
est une valeur moyenne.
• Attention:
– Avec un faisceau pulsé, il est possible d’atteindre la saturation du
système de test à cause de flux instantanés très élevés.
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Préparation des échantillons
(ions de moyenne énergie)
• Objectif: s’assurer que les volumes sensibles seront atteints
par les particules utilisées.
Différentes
techniques
– Ouverture mécanique:
Boîtiers céramique ou side-brazed (DIL, QFP, LCC,…).
– Ouverture chimique:
Boîtiers plastiques,
Difficile pour certains boîtiers très petits (CMS) ou bien ceux utilisant des
résines de haute densité (MOSFET en boîtiers TO220, D-PAK ou D²-PAK).
– Abrasion mécanique de la face arrière des puces:
Boîtiers céramiques sans cavité (flip chip),
Boîtiers plastiques avec lead frame
(autre solution: rebonding).
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Contraintes pour les bancs de test
sur accélérateurs
• Electromagnétiques:
– Environnement bruité (aimants, pompes,…)
• Encombrement:
– Système portable utilisé dans ou à proximité de la zone
d’irradiation.
• Mécanique/ électrique:
– Carte DUT compatible avec les porte-échantillons,
– Si nécessaire, compatible avec vide (fluide, dégazage,
dissipation thermique)
– Connectique compatible avec celle disponible sur place,
– Dans certains cas, possibilité de déporter le PC de contrôle à
plusieurs dizaines de mètres.
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Planification et coût d’un accès
sur accélérateur
• Le planning d’un accélérateur est généralement fixé 2 à 3 fois par ans pour
tenir compte de tous les utilisateurs.
• Pour les essais de composants, les périodes se chiffrent à quelques jours
par an (bien moins que les physiciens).
• La plupart du temps, ces machines fonctionnent 7j/7 et 24h/24.
• Elles sont régulièrement fermées pour maintenance ou pour économie
d’énergie (hiver).
Nécessité d’identifier les besoins dès que possible.
• L’accès à ces machines est très onéreux: ~600 Euros/h (calibration
faisceau comprise ou non selon les installations).
Nécessité de quantifier au mieux le besoin et d’optimiser la
durée des essais.
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Perspectives
• Accélérateurs d’ions:
– Optimiser la pénétration des ions (>40µm) pour l’étude de
certains phénomènes (SEBO, SET et SEL).
• Accélérateurs de protons:
– Génération de spectres en énergie plutôt que des
faisceaux mono-énergétiques (Etudes DDE).
• Autres:
– Utilisation complémentaire de moyens tels que laser et
microfaisceaux d’ions (localisation des zones sensibles).
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