Problèmes liés aux radiations spatiales

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1 Problèmes liés aux radiations spatiales R. Ecoffet (DTS/AQ/EQE/ER)

2 Sommaire Effets des radiations sur les composants Spécificités des convertisseurs DC/DC Recommandations Retours d expérience actuels

3 Effets singuliers Effets de déplacements atomiques Effets de dose cumulée Ions Protons Protons Electrons Rayons cosmiques Eruptions solaires Ceintures de radiations R. ECOFFET DTS/AQ/EQE/ER

4 p+ Cartographie indicative (pas à l échelle) Galileo/GPS Polaire e- ions p+ Interplanétaire Géostationnaire Jason / constellations

5 Les effets sur les composants Dose cumulée d ionisation e-, p+ Dérives paramétriques Globales Tous composants Bipolaires : ELDRS Déplacements atomiques p+ Dérives paramétriques Globales Locales Tous composants opto CCD, APS SET Composants actifs Effets singuliers p+, ions Perturbations fonctionnelles SEU SEL SEB/SEGR Composants logiques Composants CMOS MOSFET de puissance

6 Dose cumulée d ionisation Particules responsables - e-, p+, γ de freinage / simulés par irradiateurs γ Avantages / inconvénients des moyens de test - les irradiateurs γ permettent d irradier des assemblages fermés - irradiation en parallèle, on peut tester des lots Problèmes spécifiques - essais accélérés : débit de dose >> débits spatiaux - guérison (ou pas) à l ambiante ou en T - spécificité des technologies bipolaires : ELDRS = enhanced low dose rate sensitivity - recommandation de débit pour bipolaires : < 300 rad/h - tenue dépend de la polarisation / utilisation

7 Déplacements atomiques Particules responsables - p+ MeV~100MeV / simulés par faisceaux p MeV Avantages / inconvénients des moyens de test - les faisceaux forte énergie pénètrent des assemblages fermés - à plus faible énergie, évaluer l écrantage Problèmes spécifiques - les p+ déposent aussi de la dose cumulée - activation des pièces, radioprotection

8 Evénements singuliers Particules responsables - p+ 10MeV~100MeV / simulés par faisceaux p MeV - ions 1~1000MeV/n simulés par faisceaux d ions 1-10 MeV/n Avantages / inconvénients des moyens de test - les ions utilisés ne pénètrent pas des assemblages fermés - il faut exposer les puces pour les essais aux ions - chambres d essais sous vide pour les essais aux ions Problèmes spécifiques - test fonctionnel déporté

9 Bestiaire des événements singuliers SET = single event transient - collection de charge (id. principe de détection des particules) - impulsion de courant (jusqu à 20µs, Vcc) - amplificateurs, comparateurs, ref de tension, régulateurs, - logique combinatoire - impact dépend du schéma électrique (filtrage, etc ) SEU = single event upset - verrouillage d un SET dans une bascule ou registre - changement de valeur logique 0/1 ou 1/0 - tous circuits numériques ou mixtes - impact dépend de la fonction

10 Bestiaire des événements singuliers SEL = single event latch-up - déclenchement d un thyristor parasite - sur-consommation (court-circuit) - circuits CMOS - peut conduire à la destruction du composant par effet Joule - protection : couper alimentation et isoler le composant SEB = single event burn-out - passage en avalanche d une diode parasite - sur-consommation - MOSFETs de puissance - peut conduire à la destruction du composant par effet Joule - protection : derating sur la tension d utilisation du MOS et/ou conditions d utilisation (cyclage, charges)

11 Bestiaire des événements singuliers SEGR = single event gate rupture - claquage diélectrique de la grille d un MOS - destruction immédiate du composant (trou dans la grille) - MOSFETs de puissance - protection : derating sur la tension d utilisation du MOS

12 Moyens d essais utilisés par le CNES Dose cumulée - ONERA/DESP : irradiateurs Co60 faible et fort débit Accélérateurs de protons - Université Catholique de Louvain la Neuve (UCL, B) : 60 MeV, CNES - Paul Scherrer Institut (PSI, CH) : 300 et 60 MeV, ESA - Centre de Protonthérapie d Orsay : 200 MeV, CNES mais accès en standby Accélérateurs d ions - Institut de Physique Nucléaire (Orsay) : CNES, accès via ONERA/DESP - Université Catholique de Louvain la Neuve (UCL, B) : ESA Coordination de l accès aux sources et faisceaux - ONERA/DESP : Sophie Duzellier, [email protected] - CNES : Françoise Bezerra, [email protected]

13 Spécificités des convertisseurs DC/DC Un convertisseur DC/Dc est un cocktail de composants divers Tous les effets sont possibles : - dose cumulée - bipolaires : effets aggravés à faible débit de dose - optocoupleurs : dégradations en déplacements atomiques - composants analogiques (amplis, ref de tension,...) : SET - composants logiques : SEU - composants en technologie CMOS : latch-up - MOSFETs de puissance : burn-out ou SEGR Situation analogue à celle d une carte ou d un équipement La qualification radiations d un CV est un problème complexe

14 Recommandations Liens entre gamme de sélection et tenue aux radiations - sauf produits spéciaux garantis rad-hard : - aucun lien entre la gamme (commercial, militaire, spatial) et la tenue aux radiations : deux problèmes indépendants Produits à tenue «garantie» - attention aux produits «garantis» : être très prudent - beaucoup de fabricants américains «garantissent» par ex. 100 krad sur la base de normes de test fort débit (MIL ) applicables au CMOS mais pas au bipolaire ou assemblages - crédibilité de la «garantie» : ex. Interpoint, vendus pour 100 krad et défaillance à 6 krad (mauvais composant).

15 Recommandations Savoir ce qui se trouve dans le convertisseur - traçabilité des lots et représentativité des essais vs. pièces de vol - définition des tests à effectuer - optimisation des conditions d essais Tests de durée de vie (dose cumulée et déplacements atomiques) : - dans tous les cas, tests en dose à débit < 300 rad/h - évaluation : conditions pire cas ou abaques dans divers cas - qualification : la plus proche possible de l application Tests fonctionnels (SET, SEU, SEB, SEGR) - idem quant à conditions d utilisation - si problème constaté avec des p+, s arrêter là

16 Retour d expérience Peu de retours à ce jour sur DC/DC intégrés, mais pas mal de problèmes... GAIA : - approvisionnement stratégique avec unicité de lot pour µsat - composants commerciaux - test en cours, résultats peu encourageants mais à approfondir INTERPOINT : alerte NASA sur tenue optocoupleurs : ont été changés : problème Jason, traité par CNES et JPL (ESA associé) vendu pour 100 krad, tenue avec tests classiques 6 krad ce n est pas un problème d ELDRS responsable = driver MOS de très basse qualité