Fiabilité de l'électronique face à l'effet de dose

10 Décembre 2013 Fiabilité de l'électronique face à l'effet de dose Jérôme BOCH jboch@um2.fr 1

Résumé Les radiations induisent la dégradation des systèmes électroniques. Sur le long terme, la contrainte à prendre en compte est la dose. La compréhension des mécanismes physiques à l'origine de cette dégradation permet la fiabilisation des systèmes et la mise en place de normes de test. Dans cette présentation, les effets de dose sur l'électronique destinée aux applications spatiale ou nucléaire civile seront présentés. 2

Sommaire 1. Description des environnements radiatifs et définition de la dose 2. Effets de la dose sur l électronique 3. Fiabilité et effet de dose 3

Environnements Radiatifs et Dose Différents environnements radiatifs: - Spatial - Militaire - Nucléaire civil - Accélérateurs - Médical => Différentes particules, différentes énergies et différents mécanismes d interaction 4

Environnements Radiatifs et Dose L'environnement spatial: Protons, électrons, ions lourds. En LEO : électrons et protons des ceintures internes En GEO : électrons de la ceinture externe et protons du soleil 5

Environnements Radiatifs et Dose L'environnement militaire : L'énergie de l'arme est libérée sous forme de rayons beta (électrons), rayons X, neutrons et rayons gamma. 1 ere défaillance d'un satellite (TELSTAR) en 1963 après le test STARFISH à 400km d'altitude (9 juillet 1962), suivi de la défaillance de 7 autres satellites les 7 mois suivants. 6

Environnements Radiatifs et Dose L'environnement nucléaire civil : Neutrons et rayons gamma dans les centrales actuelles de production d énergie (fission) et dans les centrales futures (fusion). Mais aussi dans les centres de production et de recyclage de combustible, dans les centres de stockage, lors de la maintenance et du démantèlement. 7

Environnements Radiatifs et Dose Autres environnements : accélérateur, médical Tous types de particules et de rayonnements. irradiation alimentaire, retraitement de l eau. 8

Environnements Radiatifs et Dose Effet sur l'électronique: Irradiation Génération de paire e-/h ou déplacement atomique Transport Dégradation des caractéristiques électriques 9

Environnements Radiatifs et Dose Effet sur l'électronique: Irradiation Génération de paire e-/h ou déplacement atomique -Effet singulier : particule unique -Effets de déplacement : modification atomique - Effet de dose : piégeage de charges Transport Dégradation des caractéristiques électriques 10

Environnements Radiatifs et Dose Effet sur l'électronique: Irradiation Génération de paire e-/h ou déplacement atomique -Effet singulier : particule unique -Effets de déplacement : modification atomique - Effet de dose : piégeage de charges Transport Dégradation des caractéristiques électriques 11

Environnements Radiatifs et Dose Définition de la dose : La dose correspond à un dépôt d énergie par unité de masse. L unité (SI) est le gray (Gy) : 1 Gy = 1 J/kg L unité utilisée est le rad (radiation absorbed dose) : 1 Gy = 100 rad exemple: mission de 10 krad 1.10 17 paires e-/h.cm -3 densité de porteurs libres cm -3 #0 10 14 à 10 19 10 22 Isolants Semiconducteurs Métaux L effet de dose est un effet de piégeage de charges sur les isolants. 12

Environnements Radiatifs et Dose Tableau avec les environnement et la dose correspondante Environnement Spatial Nucléaire Accélérateurs GEO MEO LEO Mission mars Mission Jupiter Cœur de centrale Centre de stockage Robot démantèlement Débit de dose 10 krad/an 100 krad/an 2 krad/an 5 krad/an 1 Mrad/an 100 Mrad/h 1 Mrad/an 1 Mrad Détecteurs LHC 2,5 Mrad/an 13

Effets de Dose sur l électronique Effet sur le MOS : Dégradation de la tension de seuil et augmentation des courants de fuites. 15

Effets de Dose sur l électronique Effet sur le MOS : 16

Drain Current (A) ID off (A) Effets de Dose sur l électronique Effet sur le MOS intégré : 1E-03 1E-05 1E-07 1E-09 1E-11 1E-13 1E-15 TSMC 0.18 m V G = 1.8 V 3.2 nm/sti NMOS 72 rad/s Minimum Geometry 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E-10 1.E-11 1.E-12 250 300 350 400 Dose (krad(si)) 0 50K 100K 150K 200K 250K 300K 400k 500k PA -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Gate Voltage (V) Augmentation de la tension sous-seuil. 17

Gain en courant normalisé Effets de Dose sur l électronique Effet sur le bipolaire : Equivalent espace Stan dard la boratoire Diminution du gain en courant. Importance du débit de dose. Débit de dose (rad/s) 18

Technology category Sub categories Effects MOS NMOS PMOS CMOS CMOS/SOS/SOI Threshold voltage shift Decrease in drive current Decrease in switching speed Increased leakage current BJT hfe degradation, particularly for lowcurrent conditions and Low dose rate effect JFET Enhanced source-drain leakage currents Analogue microelectronics (general) Digital microelectronics (general) Effets de Dose sur l électronique Changes in offset voltage and offset current Changes in bias-current Gain degradation Enhanced transistor leakage Logic failure from (1) reduced gain (BJT), or (2) threshold voltage shift and reduced switching speeds (CMOS) 19

Effets de Dose sur l électronique Technology category Sub categories Effects CCDs, APS Increased dark currents Effects on MOS transistor elements (described above) Some effects on CTE MEMS Shift in response due to charge build-up in dielectric layers near to moving parts Quartz resonant crystals Frequency shifts Optical materials Cover glasses Fibre optics Increased absorption Variation in absorption spectrum Optical components, (coloration) coatings, instruments and scintillators 20

Fiabilité et effet de dose Comment assurer la fiabilité de l électroniques face à la dose? - Blindage (lourd) - Utilisation de composants durcis (cher, peu de références et fonctions limitées) Utilisation de composants commerciaux (COTS) avec une méthodologie de test et de sélection adaptée. Il faut donc : - Bien comprendre les mécanismes physiques en jeu - Prendre en compte les paramètres de la mission (dose, température, polarisation ) - Mettre en place des procédure de test 22

Fiabilité et effet de dose 23

Fiabilité de l'électronique face à l'effet de dose Jérôme BOCH jboch@um2.fr 24