Environnement radiatif et effets sur les composants électroniques: --- Moyens de simulation sol. Françoise BEZERRA CNES DCT/AQ/EC
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.
Les particules à simuler et les phénomènes associés Ceintures de Van Allen: Eruptions solaires: Rayons cosmiques: Electrons ev~10 MeV Protons kev-500 MeV Protons kev-500 MeV Ions 1-10 MeV/n Ions, max 300 MeV/n γ Noyau de recul Dose ionisante (TID) Déplacements atomiques (DDE) Effets singuliers (SEE)
Spécifications applicables: 1- Pour les essais SEE ESA-SCC 25100 JESD-57 (ions) Homogénéité faisceau ±10%. Surveillance continue du flux. Précision de la dosimétrie: ±10% Accélérateurs de particules: Ions Energie plus faible que GCR Simulation LET Range>30µm (Si) Flux: 10 2-10 5 ions/cm²/s Protons Energie: 20-200 MeV (Si) Flux: 10 5-10 8 p/cm²/s
Spécifications applicables: 2- Pour les essais TID ESA-SCC 22900.4 MIL-STD 883E Méthode 1019.6 Homogénéité ±10%. Contrôle continu ou périodique du flux. Précision de la dosimétrie: ±5-10% Source 60 Co Accélérateur d électrons
Spécifications applicables: 3- Pour les essais DDE ESA-SCC 22900.4 Homogénéité ±10%. Contrôle continu ou périodique du flux. Précision de la dosimétrie: ±5-10% Accélérateur d électrons Edut>2.5MeV Accélérateur de protons Source de neutrons.
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 Synchro-cyclotrons (Ions et protons) Sources laser et microfaisceaux ions lourds: Etudes spécifiques (cartographie des SEE par exemple) en complément d une caractérisation sous faisceau.
Rappel: Radioactivité et irradiation.
Source Cobalt-60: Principe Utilisée habituellement comme sources de rayons γ pour des besoins médicaux. 60 Co 60 Ni + e - + υ 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. e γ e- secondaires Dose ionisante
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)
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. Source MEGA de l ONERA. Règles de radioprotection: 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.
Irradiateurs Co60 (10-5000Gy/h) Chambre d irradiation blindée de taille réduite. Moyen adapté pour: Composants et cartes électroniques de faible encombrement (< quelques dm 3 ) 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) Irradiation tunnel Gat e Gate (1) Source (2)
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 95 95 103 106 106 134 137 141 144 144 152 154 Cf Zr+ Nb+ Ru+ Ru+ Rh+ Cs+ Cs+ Ce+ Ce+ Pr+ Eu+ Eu + α + n Ions de masse élevée mais de très faible énergie. LET(Si) ~ 43MeV/(mg/cm²), Faible pénétration, Décroissance rapide du LET dans le DUT.
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. Source DUT Source d Chamber Vacuum chamber Pump system Passage feedthrough Test System Règles de radioprotection: Source à double encapsulation (radio toxicité et contamination) Zone contrôlée limitée à la chambre à vide. d : DUT/Source distance (gives the flux)
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 = QV. Ec est l énergie cinétique donnée à la particule (ev), Q est son état de charge V est la tension d accélération (V).
Divers types d accélérateur de particules Van de Graaff et Tandem VdG. Linéaires*. Cyclotrons. Synchro-cyclotrons. Synchrotrons*. *Non utilisés pour simuler l environnement spatial.
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+. SF6 Tandem de l IPN Orsay.
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.
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. Pour éviter la décélération des particules, la solution consiste à adapter la période du champ électrique à celle de la rotation. Gatchina Synchrocyclotron. Protons jusqu à 1000MeV. D= 6m. Synchro-cyclotron ou Cyclotron à modulation de fréquence.
Cyclotron isochrone Pour éviter la défocalisation verticale du faisceau, deux solutions: -faire décroître le champ magnétique quand le rayon de trajectoire augmente. Cyclotron classique. - 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. UCL cyclotron: P+ jusqu à 65MeV, ions jusqu à 10MeV/n. PSI cyclotron: P+ jusqu à 300MeV.
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.
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.
Transport du faisceau Aimants de focalisation, de filtrage, pompes, vannes de sécurité Transport du faisceau à l UCL
En résumé: un accélérateur de particule Vu par son concepteur: Vu par un utilisateur: Source: PSI, auteur inconnu.
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: Activation des matériaux irradiés Ligne protons de l UCL. 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.
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. Avantage: Pas d activation des matériaux irradiés Dose ionisante souvent négligeable. Chambre à vide de l IPN.
Principaux accélérateurs utilisés pour des tests SEE Accélérateur IPN, France BNL, USA UCL, Belgique Type de machine Tandem Tandem Cyclotron Ions lourds <10Mev/n <10Mev/n 10 MeV/n Protons 25MeV -> 65MeV Test dans chambre à vide sur puce (boîtier ouvert). JYFL, Finlande LBL, USA PSI-OPTIS, Suisse PSI-HIF, Suisse Cyclotron Cyclotron Cyclotron Cyclotron 10 MeV/n 10 MeV/n - - -> 45MeV -> 55MeV -> 63MeV -> 300MeV Test dans l air sans ouverture boîtier. CPO, France Synchrocyclotron - -> 200MeV TRIUMPH, Canada GANIL, France TAMU, USA GSI, Allemagne DJINR, Dubna, Russie Cyclotron Cyclotron Cyclotron Cyclotron Synchrocyclotron - -> 100MeV/n -> 1GeV/n -> 1GeV/n -> 1GeV/n -> 520MeV - - - - Les essais protons sont réalisés dans l air sans ouverture boîtier. GNPI, Gatchina, Russie Synchrocyclotron - -> 1GeV
En pratique: Neutrons mono-énergétiques (25 à 65MeV) Utilisé pour les DDE. Principe: 7Li (p, n) 7Be Q = 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. -1,644 MeV Ligne neutrons mono-énergétiques de l UCL.
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
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.
Préparation des échantillons (ions de moyenne énergie) Objectif: s assurer que les volumes sensibles seront atteints par les particules utilisées. Ouverture mécanique: Boîtiers céramique ou side-brazed (DIL, QFP, LCC, ). Différentes techniques 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).
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.
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.
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).