PROJETO PEICE
Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante
em Componentes Eletrônicos e Fotônicos
Odair Lelis Gonçalez (IEAv)
Executor: INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS (IEAv)
Convenente: FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA, APLICAÇÕES E TECNOLOGIA ESPACIAIS
(FUNCATE)
Financiamento: FINEP – Fundo Aeronáutico
Dez/2007-Dez/2009 Dez/2010 Set/2011
Projeto PEICE - Estudo dos efeitos da radiação
ionizante em componentes eletrônicos e fotônicos
Motivação:
O desenvolvimento de qualquer projeto
visando aplicações aeroespaciais deve considerar os
efeitos que a contínua ação da radiação cósmica
provoca em materiais e componentes, tais como,
dispositivos semi-condutores analógicos e digitais,
memórias, processadores, fibras óticas e
dispositivos de ótica integrada. O uso e o
desenvolvimento de produtos resistentes à radiação
no país exige o investimento em pesquisa e na
criação de sistemas adequados para sua
qualificação.
Suporte financeiro: CT-Aeronáutico Convênio FINEP
Valor total: R$ 1.181.747,28
R$ 817.142,78 (69%) - materiais, serviços, equipamentos
R$ 354.604,50 (31%) - para bolsas DTI.
Duração prevista: 2 anos (Dez/2007-Dez/2009)
Bolsistas: 5 bacharéis e 2 mestres
Colaboradores: UFRGS, INPE, IFUSP
Projetos ligados: ITASAT, SIA e QDIP/QWIP
Realização de pesquisa sobre os efeitos da
radiação ionizante em:
• componentes e dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos,
• sensores,
• fibras ópticas,
• circuitos analógicos e digitais,
• memórias,
• processadores e
• FPGAs
Aplicação aeroespacial e na defesa, com foco nos
projetos ligados e demandas de colaboradores.
Objetivo geral
Resultados esperados:
Ampliação da capacitação do grupo para a avaliação
experimental dos efeitos da radiação ionizante.
Consolidação das metodologias e processos para a
qualificação de componentes e circuitos quanto à
tolerância à radiação cósmica para uso em satélites e
aeronaves.
Estabelecimento de um centro de referência na
caracterização de componentes quanto à durabilidade
em ambiente sujeito à radiação cósmica.
Formação de um grupo multi-institucional de P&D
sobre os efeitos da radiação ionizante em
componentes e materiais de uso aeroespacial.
Meta 1: Melhoria da infra-estrutura de pesquisa:
a) LRI – Laboratório de Radiação Ionizante
b) LCDS – Laboratório de Caracterização de Dispositivos
Semicondutores
Capacitação para experimentos e testes de qualificação para TID
Metas 2, 3 e 4: Realização de experimentos para
estudo do efeito de dose total de radiação ionizante
(TID) com radiação gama do 60Co
Estudo do aumento da atenuação de fibras ópticas
Efeitos da Radiação Ionizante no
Conversor de Tensão DC/DC LM2596
Análise dos Efeitos de Irradiação Ionizante em dois
Amplificadores Operacionais
Efeitos de TID FPGA
Efeitos de TID num FPAA
Teste de upscreening do transistor JANTX2N2219A
Análise dos efeitos da radiação em memórias DRAM,
SRAM e FRAM
Medidas de TID numa matriz de transistores
Efeito da Radiação em Fibra Óptica Utilizada em
Giroscópio à Fibra Óptica
2
4
223
1
2
111
1
1
TP
TDCP
TP
TDCP
)]exp(1.[)]exp(1.[)( 4321 tPPtPPdBA
XI SIGE - 2009 (ITA)
Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante no Conversor
de Tensão DC/DC LM2596
Multímetro
Osciloscópio
Fonte
0-60V/50A
GPIB BUS
Fonte
Co60
GPIB-LAN
Plataforma Virtual
VEE
Multímetro
Osciloscópio
Fonte
0-60V/50A
GPIB BUS
Fonte
Co60
GPIB-LAN
Plataforma Virtual
VEE
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Dose Total Absorvida [krad(Si)]
Ten
são
de S
aíd
a
(V)
6 V
10 V
15 V
20 V
25 V
30 V
35 V
40 V
Tensão de Entrada
(V)
Limiar de dose acumulada
[krad(Si)]
6 19,1
10 21,9
15 23,7
20 25,1
25 26,5
30 27,9
35 29,4
40 31,3
0
1
2
3
4
5
6
0:00:00 48:00:00 96:00:00 144:00:00 192:00:00 240:00:00
Tempo (h)
Ten
são
de S
aíd
a (
V)
6 V
10 V
15 V
20 V
25 V
30 V
35 V
40 V
2009 Brazilian Symposium on Aerospace Eng. & Applications
TID em Amplificadores Operacionais (até 500 Krad)
Fonte
Co60PCI
Multímetro Osciloscópio
Rede LAN IEAv
GPIB GPIBGerador
GPIB
1 Canal
2 Canais 2 Canais
100 1k0
0.5
1
1.5
Frequência [Hz]
Am
plit
ude [V
]
100krad
300krad
500krad
0 100 200 300 400 5000
100
200
300
Dose [krad]
Corr
ente
[uA
]
0 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
Dose [krad]
SR
[V
/us]
0 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
Dose [krad]
SR
[V
/us]
XII SIGE - 2010 (ITA)
TID em FPGAIEEE Trans. Nucl. Science, 2010
TID em FPAA
Medidas da dose de radiação em altitudes de vôo
Medidas do espectro e fluxo de nêutrons no solo em várias altitudes
Meta 5: Fomentar a Criação de Rede de P&D
• Workshops: três (ICT, Universidades, Iniciativa privada)
• Reuniões com várias instituições (públicas e privadas), e
• Promoção de interação entre diferentes instituições
Grupos de Trabalho
OBJETIVO
• Estudar as condições materiais e humanas para desenvolver e qualificar no País circuitos integrados resistentes a radiações ionizantes.
ESCOPO
• Definição de um conjunto de referências balizadoras para subsidiar a elaboração de um programa voltado para:– o estabelecimento de uma infra-estrutura distribuída capaz de
apoiar e prover a criação e obtenção de circuitos integrados resistentes a radiação ionizante e
– A formação de recursos humanos qualificados para atuar nas áreas de interesse.
Grupos de Trabalho
Dr. Issamu (INPE), Dr. Alirio (INPE),
Maria Helena (Omnisys), Dr. Nicolás (Mosaico), Dr. Leandro (Opto),
Dr. Jackson (AEB),
Dr. Gustavo (SM-DH),
Dr. Odair (IEAv), Angelo (IEAv),
Dr. Nemitala (IFUSP),
Dr. Jader (CTI), Dr. Saulo (CTI), Dr Marcio (CTI)
Dra. Fernanda (UFRGS), Dr. Gilson (UFRGS)
Grupo de Requisitos e Especificações
• Identificar componentes e requisitos relevantes ao
programa espacial
• Identificar funções (ASICS)
• Priorizar, fornecendo estimativas de necessidades para os
próximos 5 anos, visando contribuir para a elaboração de
planos de ação de órgãos de elaboração de políticas
estratégicas.
• Identificar normas relevantes
• Identificar requisitos para qualificação de componentes
Grupos de Trabalho
Grupos de Trabalho
Grupo de Projetos e Fabricação
• Identificar demandas tecnológicas;
• Identificar problemas relacionados com a geração de
projetos;
• Identificar tecnologias a serem utilizadas ;
• Identificar técnicas de endurecimento do projeto; e
• Priorizar necessidades e investimentos.
Grupos de Trabalho
Grupo de Encapsulamento e Testes
• Necessidades previstas x instalações previstas; e
• identificação de prioridades para novos investimentos.
Grupo de Validação e Qualificação
• Instalações existentes e suas áreas de atuação;
• Necessidades x recursos existentes, o que falta no País;
• Priorização; e
• Identificar plataformas para testes de componentes.
Grupos de Trabalho
Grupo de Negócios (financiamento e PI)
• Identificar áreas de contato do setor aeroespacial – outras possíveis fontes de financiamento que permitissem
criar as condições para formar a capacitação desejada para atender as necessidades do setor espacial brasileiro (no contexto de componentes robustecidos).
– Buscar as justificativas para os desenvolvimentos propostos e possível impactos em outras áreas de interesse para o País.
• Fazer o levantamento de problemas e propostas de soluções (estratégias) relacionados com a propriedade intelectual
Grupos de Trabalho
Grupo de Requisitos e Especificações
Componentes relevantes para o programa espacial
ID Descrição
C1 Osciladores (VCO e PLL)
C2 PWM - Pulse Width Modulator
C3 Transistores de RF (UHF)
C4 Conversores DC/DC (miniaturizados até 100W, 10 - 30 V)
C5 Transistores MOSFET
C6 Circuito integrado digital memória PROM
C7 Circuito integrado digital comunicação 1553
C8 Circuito integrado digital LVDS 031 Line driver
C9 Circuito integrado digital LVDS 032 line receiver
C10 Circuito integrado digital LVDM crosspoint
C11 Microcontrolador 196
C12 FPGA
C13 Sensor de Imagem CCD linear
C14 Sensor de Imagem APS com 1000 x 1000 elementos
C15 Sensor de Imagem com array linear de microbolômetros
C16 Sensor de imagem na banda SWIR
Em uso – 2020 perspectivas
upscreening (C1-C12)
Desenvolvimento (C13-C16)
(questão estratégica)
Grupos de TrabalhoGrupo de Requisitos e Especificações
Funções relevantes identificadas.
ID Função
F1 Chave de potência MOSFET com limitação de corrente, com possível aplicação para conversores DC/DC de tensão. Consiste de um CI misto analógico-digital capaz de controlar correntes in-rush em equipamentos e mitigar o efeito de latch-up em componentes sensíveis à radiação;
F2 Circuito “driver” utilizado para a geração do pulso de telecomando On/Off. É um circuito integrado misto analógico/digital, amplamente utilizado em projetos de sistemas eletrônicos embarcados em satélites;
F3 ASIC para plano focal do sensor CCD de câmeras imageadoras incluindo as funções: drivers clocks, CDS digital, polarizações, e conversão A/D;
F4 Função de controle de comunicação avançado utilizando o bus MIL-STD 1553;
F5 Função de interface de comunicação de rede, segundo a especificação SpaceWire da ESA (ECCS). SpaceWire é um protocolo utilizado na troca de informação entre equipamentos embarcados em satélites.
Em uso Desejável
ASICS
Grupos de Trabalho
Grupo de Projetos e Fabricação
Recomendações I• Desenvolver biblioteca de células (digitais e analógica) endurecidas à
radiação.
• Desenvolver microcontrolador modular, a partir de blocos e periféricos de base.
• Priorizar uso de processos de fabricação convencionais.
• Investir na interface entre potenciais clientes (INPE, empresas do setor aeroespacial) e centros de P&D/universidades.
• Projetar-se no pais um microcontrolador modular, endurecido à radiação, com os módulos distribuídos às DHs.
• Promover intercâmbios (no país e exterior) de treinamento, de modo a fomentar parcerias comerciais e/ou acadêmicas.
• Utilização de tecnologias convencionais, mas com CI´s endurecidos via técnicas de projeto e/ou layout especial.
Grupos de Trabalho
Grupo de Projetos e Fabricação
Recomendações II
• Utilização de tecnologias endurecidas, assim como SOI e EPI-CMOS. Identificar custos.
• Identificar as foundries que venderiam para o Brasil CIs endurecidos à radiação.
• Identificar necessidades de encapsulamento especial para altas e baixas temperaturas, umidade, etc...
• Identificar fornecedores, custo e disponibilidade de venda para o Brasil.
• Considerando processos convencionais de fabricação, além de técnicas de layout (ELT, guard rings, etc.), adquirir know-how em técnicas de circuito (DICE, redundância temporal, TMR, polarização dinâmica de substrato,etc.) e de sistema (códigos de bloco).
Grupos de Trabalho
Grupo de Projetos e Fabricação
Recomendações III
• Promover intercambio entre pesquisadores no Brasil e no exterior.
• Aumentar a formação de recursos humanos na área. RH preparado para atuar em CIs robustos para radiação é capaz de migrar com facilidade para a área de sistemas, contribuindo para transferir para a iniciativa privada o conhecimento para atuarem no setor espacial.
• Desenvolvimento de IPs tolerante não vinculada a patentes internacionais (patentes e produtos próprios).
• Sendo o CEITEC, certamente, parte da solução na questão “processo”, investimentos em equipamentos serão provavelmente necessários por parte do governo.
Grupos de Trabalho
Grupo de Validação e Qualificação
Recomendações gerais• Fomentar a integração da comunidade de testes (Universidades e
Institutos de pesquisa)
• Investir na criação de infraestrutura de irradiação com valores altos de energia/nucleon para caracterização em ensaios DD e SEE.
• Fomentar a formação de RH qualificados para a especificação de condições adequadas de irradiação em função do experimento pretendido.
• Fomentar a colaboração nacional e internacional para o desenvolvimento de plataformas de testes com transferência de tecnologia.
• Fomentar o intercâmbio de pesquisadores e estudantes com instituições nacionais e do exterior, para trabalhar na realização de experimentos de estudo de efeitos de radiação em diferentes tipos de componentes.
Grupos de Trabalho
Grupo de Negócios (financiamento e PI)
• Identificar áreas de contato do setor aeroespacial – outras possíveis fontes de financiamento que permitam
criar as condições para formar a capacitação desejada para atender as necessidades do setor espacial brasileiro (no contexto de componentes robustecidos).
– Buscar as justificativas para os desenvolvimentos propostos e possível impactos em outras áreas de interesse para o País.
• Fazer o levantamento de problemas e propostas de soluções (estratégias) relacionados com a propriedade intelectual
Próximos passos
• Definidos os componentes de interesse, identificar:
– Dificuldades de desenvolvimento
– Tecnologias chave
– Potencial de mercado dual
– Potencial de mercado intermediário
– Perspectivas de uso futuro
– Valor agregado
• Estabelecimento de biblioteca(s) de células básicas,
módulos básicos, e resultados de ensaios (radiação)
– Urgência na definição do modelo de PI, divulgação de
resultados, formalização de documentação e regras de uso
– Participação da Iniciativa Privada
– Gestão do conhecimento
Questões
estratégicas e de
Mercado
(sustentabilidade)
Tecnológica
Próximos passos
• Refinamento do levantamento de necessidades de
infraestrutura e Priorização de investimentos –
Revisão
• Buscar mecanismos complementares de financiamento
do desenvolvimento, incluindo a iniciativa privada
• Estabelecer relações de confiança entre os vários
atores:
– Definição do negócio
– Identificação de competências
– PI
– Caminho tecnológico
Eventos importantes
Novos projetos - Continuidade de investimentos
• CTI-FINEP-MCT -> CITAR : desenvolvimento CIs
robustecidos – P&D
• MCT/CNPq/AEB 033/2010 -> RH
• UNIESPAÇO
• Reorientação do ITASAT
• Convênio LSI-Tec
• Cubesats
SERESSA
DISCUSSÕES
• Mais incentivo ao mercado
(inter)nacional de produtos dos mais
diversos setores, como automobilístico(?)
• Mais apoio da política de defesa nacional
• As quotas governamentais terão
preferência no desenvolvimento
tecnológico no país
• A questão é explorar esse recurso (mais
motivação da iniciativa privada?)
DISCUSSÕES
• Não adianta só olhar para o nosso mercado, se
quisermos atuar na área devemos olhar com seriedade
para mercados internacionais
• Nós temos acordo com a China, com uma série de
problemas. Por que também não haver acordo com
Índia e Japão por exemplo no setor de satélites
geoestacionários?
• A maior dificuldade do Inpe é a interação com a China
(gerou dificuldade de importação)
• Não se sabe de onde serão lançados nossos satélites
PMN, se for lançadores da China poderá ter embargo
DISCUSSÕES
• Componentes espaciais e sua implementação são caros
por natureza
• A ideia seria gastar parte dos R$ 30 milhões do CBERS
no próprio Brasil e diversificar o recurso para outros
projetos que não do âmbito aeroespacial
• No entanto, Ângelo defende que a China cresceu no
setor, mais que o Brasil
• Jackson quer focar mais no setor nacional do que
discutir o âmbito internacional, ele acha mais
importante
DISCUSSÕES
• Componentes espaciais e sua implementação são caros
por natureza
• A ideia seria gastar parte dos R$ 30 milhões do CBERS
no próprio Brasil e diversificar o recurso para outros
projetos que não do âmbito aeroespacial
• No entanto, Ângelo defende que a China cresceu no
setor, mais que o Brasil
• Jackson quer focar mais no setor nacional do que
discutir o âmbito internacional, ele acha mais
importante
DISCUSSÕES
• Saulo: É necessário fazer um prospecto das
necessidades
• Por exemplo, temos DH’s crescendo bem, deveríamos
pensar em como consolidar a demanda para utilizar a
mão de obra das academias brasileira
• É necessário fazer uma interação maior entre as
diversas instituições no sentido de começar de fato a
fabricar componentes rad hard e outros qualificados
NACIONAIS
• Jackson: busca contato com setor automobilístico,
forças armadas (Saulo concorda)
DISCUSSÕES
• Odair participou de congresso na marinha sobre o
ambiente cósmico radioativo e componentes rad hard,
eles manifestaram interesse
• Saulo: tem acesso pelo CTI ao exército. Quer propor
interação
• Márcio fialho: falou sobre exploração petrolífera de
poços profundos. As técnicas para tornar componentes
resistentes a Altas profundidades são bem semelhantes
às técnicas rad hard.
• Ângelo disse que há parcial contato nesse sentido com a
Petrobrás (só falta $$ por parte da Petrobras)
DISCUSSÕES
• Apresentação institucional para a área seria
interessante, segundo Ângelo
• Jackson quer focar na “realidade”, quer formar uma
lista de colaboradores
• Ângelo quer nomear pessoas para fazer contatos
• Márcio cita indústria de aviação civil. EMBRAER, por
exemplo
• Foi levantado a necessidade de indústria que queira
trabalhar com rad hard? Exemplo: Philips, GE,
medicina, etc, etc...
• Não seria interessante convidar a grande indústria
para nossos eventos?
DISCUSSÕES
• Ângelo reforça: cadê a iniciativa privada?
• Saulo: sugestões
• Nós aqui nos organizarmos como sociedade
• Elaboração de um plano estratégico que deverá evoluir
para um plano de negócios
• Jackson: antes de falar em “quem” devemos falar em
“como”
• Saulo e Jackson concordam em documentar como fazer
para depois definir quem fazer
• Saulo reforça preparar a sociedade e documentos de
divulgação consistentes para o setor industrial de
forma que eles tenha RESPOSTAS e não DÚVIDAS
DISCUSSÕES
• Luiz Bernabe: devemos antes conhecer melhor as
indústrias e os recursos que temos para atende-las
• Alguém está de fato procurando o mercado de forma
consistente?
• É necessário que haja um bom programa de captação
• Alguém disse que o documento citado por
Saulo/Jackson é atrasado
• Cláudio trouxe uma publicação de 29 de nov de 2010
que diz que o congresso vai olhar de forma relevante
para meios alternativos de financiamento, adequação
de alguns instrumentos judiciais e jurídicos a favor do
setor aeroespacial, formação de recursos humanos,
fomento, finaciamento, etc, etc...
DISCUSSÕES
• Ângelo disse que criamos um plano estratégico para
falarmos todos envolvidos, uma mesma língua
• Ângelo propõe a Jackson a colaboração para de fato
iniciar, como recursos humanos, a agilizar tudo o que
foi debatido hoje à tarde (29 Nov 2010). Ele aceita, mas
quer mais participantes
• Odair propõe, dentro do que nós já fizemos, algumas
reuniões dos grupos de trabalho criados no workshop
PEICE 2009, coordenados por Ângelo e Jackson. Odair
pretende disponibilizar estrutura
FIM