dosetotale(DIMASSO)

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
INTRODUZIONE
La 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 COTS (Commercial Off the Shelf) identifica
componenti elettronici “non spazializzati” con funzionalità
standard pensati per utilizzo in larga scala
L’impiego dei COTS, 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
INTRODUZIONE
Un dispositivo COTS è progettato inizialmente per
funzionare in ambiente terrestre, generalmente
“benigno”
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 spaziale
Il funzionamento di un dispositivo elettronico
operativo in quota può essere condizionato da:
•Radiazioni ionizzanti
•Ambiente termico
•Attività solare
•Campi magnetici
•Caricamento elettrostatico
•Micrometeoriti
•Detriti
• …..
Le sorgenti di radiazioni nello spazio
 Protoni relativi al vento solare
(100 eV - 10 KeV)
 Raggi Cosmici (basso flusso
- ampio spettro di energia da
100 MeV fino a 1021 eV)
 Protoni da Flares
Solari (10 - 102 MeV)
 Elettroni e protoni intrappolati nelle
fasce di Van Allen o nell'anomalia sud
atlantica (10-1 MeV - 100 MeV)
Effetti della radiazione su dispositivi elettronici
 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)
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
Unità di misura di Dose Totale
Nei test di elettronica si usa spesso il rad (Si)
1 rad = 1 J/kg
Procedure
Procedure ESA ESA/SSC 22900 dose totale
Procedure MIL 883 mtd 1019.4 dose totale
Procedura ESA/SSC 22900 per
total dose
Scopi e Termini
Equipaggiamenti
Procedure per valutazioni
Procedure per test di lotto
Tipo di sorgente
Sorgente gamma Co60 con dosimetria
migliore 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 deve
essere 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 Rates
Le dosi standard sono:
3krad - M
10krad - D
20krad - E
50krad - F
100krad - R
1Mrad – 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 durante
l’irraggiamento (ma non e’ detto che vada operato)
Misure post-irraggiamento
Per compensare gli effetti del dose rate:
Si sottomette il componente a 168 ore (1 settimana) di
funzionamento 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 di
funzionamento a 100 °C (ageing);

si effettua nuovamente la misura dei parametri elettrici di
interesse.

Test su lotti
Si selezionano 11 componenti a caso da un lotto;
10 vengono irraggiati secondo la procedura appena
descritta;
uno viene tenuto come componente di controllo
Si effettuano tre acquisizioni di misura di post
irraggiamento come descritto, con la sola differenza
che l’annealing dura solo 24 ore.
Stesura dei report
Il report deve descrivere le condizioni di
irraggiamento e riportare i risultati dei
test.
Differenze con norme MIL
 Sorgente di Co60
stessi requisiti specifiche ESA su dosimetria.
 Dose rate
da 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
Esempi di test effettuati
Collaudo di dose totale per i componenti
COTS da utilizzare nella costruzione del
sistema di alimentazione del rivelatore di
tracciatura dell'esperimento AMS
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)
 Ambiente di irraggiamento a T= (2010)°C
MISURE
Pre-irraggiamento a 0 krad
Irraggiamento
a 1, 3, 10 krad
Post-irraggiamento
Annealing: 168 h in condizioni di funzionamento continuato a 25 °C;

Ageing:

3 acquisizioni dopo 12, 24 e 168 h (Terni – SERMS)
168 h di funzionamento a 85°C (Terni – SERMS)
1 acquisizione dopo 168 h
DIODI
Sono stati testati 3 tipi di diodi per il power supply di AMS:
Diodi Zener
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)
Diodi Schottky
MBRB4030 (Motorola)
12CWQ03FN (International Rectifier - IOR)
Diodi a giunzione p-n
BA54S (Siemens)
10BQ100 (International Rectifier - IOR)
STTA112U (SGS Thompson)
FE5D (Vishay)
UF1M (Shangai Sunrise Electronics)
Diodi Zener
Polarizzazione diretta
Conclusioni per i Diodi Zener
A Nessun danneggiamento
B Tensione molto stabile (inferiore al 2%)
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
BJT
Sono stati testati 2 tipi di BJT:
BJT pnp
MPS750 (Motorola)
MMPQ3906; MMBT3906LT; MMPQ2907A (Fairchild)
BJT npn
MPS650(Motorola)
MJD3055; MMBT2484 (Fairchild)
ZTX653 (Zetex Semiconductor)
BJT
L’effetto di dose totale
nell’abbassamento della hfe è
evidente nei BJT per effetto
della ionizzazione dell’ossido
L’abbassamento della hfe è
soprattutto evidente nei BJT
npn
MOSFETs
Sono stati testati 2 tipi di MOSFETs:
P-MOS
IRFR5305; IRF7416 (International Rectifier IOR)
N-MOS
SI481DY; IRF7401; IRFR18n15d; IRFR3910 ( Vishay)
P - MOS
P - MOS
N - MOS
N - 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).