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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. Sommario. Introduzione Obiettivo Procedura di test Test effettuati. - PowerPoint PPT Presentation
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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).