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Qualificação de componentes para uso espacial

Diogo Chadud Milagres (IEAv)

Projeto PEICEAvaliação dos Efeitos da Radiação Ionizante em

Componentes Eletrônicos e Fotônicos

Instituto de Estudos

Avançados

Quarta-feira, 28 de outubro de 2009

II Workshop PEICE 2

Tópicos

� Componentes tolerantes à radiação –radhard – ensaios e qualificação

� Normas para testes de qualificação

� Dados sobre medidas de efeitos de radiação em componentes


II Workshop PEICE 3

Componentes tolerantes à radiação – radhard – ensaios e qualificação

� Os componentes qualificados para uso em ambiente espacial, quanto à sua resistência à radiação cósmica, devem possuir em datasheetdados que permitem avaliar a sua tolerância a TID (Total Ionizing Dose) e a quantidade de SEE (SingleEvent Effects) durante o seu período operacional

� a) Em se tratando de SEEs: LETTh e secções de choque para cada tipo de SEE (SET, SEU, SEL, SEB)

� LETTh (limiar de transferência linear de energia para cada tipo de SEE)� Medida em MeV/g.cm2

� para cada SEE (SET, SEU, SEL, SEB, etc)


II Workshop PEICE 4


� σ (secção de choque)� medida em cm2/componente� para cada tipo de SEE (SET, SEU, SEL, SEB, etc)

� LETTh e σ dão os parâmetros de cálculo da quantidade de SEE do componente durante o seu uso em ambiente espacial

� Este cálculo deve ser feito em função do fluxo de partículas incidentes, que consta de especificações ambientais fornecido pelo cliente

� O fluxo de partículas Φ(E) deve ser convertido para Φ(LET)


II Workshop PEICE 5


� Cálculo do SEE

� Dados do componente� LETTh, σ(LET)

� Dados do projeto� f(E) � LET, Φ(LET)


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� b) Dados do componente (datasheet) em se tratando de TID

� Baseado em testes de TID feitos em laboratório

� São medidas variações paramétricas e funcionais do componente em função da dose absorvida (medida em rad ou Gy, onde 1 Gy = 100 rad)

� Baseado em normas internacionais

� ESA, ESCC (Europa)� MIL� ASTM


II Workshop PEICE 7


� O projeto dos circuitos eletrônicos deverá considerar a TID do ambiente de utilização do sistema onde será inserido

� Os dados de tolerância a TID de cada componente dos circuitos devem estar compatíveis com as exigências do projeto


II Workshop PEICE 8

Fluxograma para projeto utilizando componentes radhard

Componente possui dados sobreradiação no datasheet?

Implementação

Componente possui dados naliteratura?

Adquire amostras

Ensaio de qualificação

Avaliação dos Dados

Dados do componenteatendem condições

ambientais?

Seleção de componente

SIM

SIM

NÃO

NÃO

NÃO SIM


II Workshop PEICE 9

Normas para testes de qualificação radhard

� ASTM (American standart for Testing andMaterials)

� ESA/SCC (European Space Agency – SpaceComponents Coordination)� Agora, ESCC (European Space Components

Coordination)

� ECSS (European Cooperation on Space Standardization)

� DoD/MIL (Department of Defense – MilitaryDocuments)


II Workshop PEICE 10


� ASTM

� American Society for Testing and Materials

� Site da IHS (Information Handling Services), em http://engineers.ihs.com/products/standards/index.htm� São pagas

� Material (parcialmente) encontrado na Biblioteca do ITA, via eletrônica, pedido para os(as) bibliotecários(as)� acesso gratuito� Restrito a alunos, pesquisadores e funcionários do

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� Normas ASTM organizadas nas seguintes categorias:

� Métodos gerais de teste

� Metais� Miscelânea� Tintas� Borracha e isolantes

elétricos

� Construção� Produtos petrolíferos� Plásticos� Têxteis




� Foram encontradas cerca de 70 normas nas categorias Métodos gerais de teste, Metais, Miscelânea, Tintas e Borracha e isolantes elétricos

� Nas categorias Construção, Produtos petrolíferos, Plásticos e Têxteis nada foi encontrado referente à área de eletrônica

� Por exemplo, para a área de eletrônica digital, foram consideradas as seguintes normas:




� ASTM F 744 - Standard Test Method for Measuring Dose Rate Threshold for Upset of Digital Integrated Circuits

� Teste para avaliar os efeitos da radiação na tensão de limiar em circuitos digitais

� Fontes de radiação consideradas são raios X através aceleradores lineares ou de máquinas de raios X

� A norma contém dados inerentes à instalação, calibração e procedimentos para a realização do teste




� A norma NÃO contém procedimentos para qualificação de um lote e amostragem adequada

� A norma NÃO contém as taxas de dose iniciais, porque depende mais do fabricante ou qualificador e do projeto




� ASTM F 1263 - Standard Guide for Analysis of Overtest Data in Radiation Testing of Electronic Parts

� Aborda a utilização de overtesting a fim de reduzir o número de peças que devem ser testados para atender a um padrão de aceitação que ateste uma qualidade esperada

� Overtesting é um termo utilizado nesta norma para designar que uma amostra está sendo submetida a testes com limites maiores que o especificado, para verificar os limites do lote




� A norma contém uma equação para estimar a eficácia em termos de aumentar a probabilidade de sobrevivência das amostras, uma equação para definir a quantidade necessária de overtesting em função de uma probabilidade de sobrevivência desejada, e as limitações e precauções do métodos

� Em resumo, a norma proporciona um método para se estimar a quantidade de peças que sobreviverão a um overtesting

� Norma baseada nos documentos MIL-PRF 19500 e MIL-PRF 38535, nas suas tabelas Lot Tolerance Percent Defective (LTPD)




� ASTM F 1892 - Standard Guide for Ionizing Radiation (Total Dose) Effects Testing of Semiconductor Devices

� Fornece orientações para ensaios adequados a dispositivos semicondutores, como MOS e dispositivos bipolares

� Esta norma proporciona propósitos e métodos para o teste de TID




� Propósitos

� Caracterização do dispositivo

� Qualificação do dispositivo

� Condições de aceitação de um lote

� Estudo da física do dispositivo




� Métodos

� Diversas medidas e parâmetros antes, durante e após o ensaio� Fonte de radiação� Condições de operação� Parâmetros elétricos� Tempo estimado para radiação, entre radiações,

annealing� Níveis de dose e taxa de dose� Dosimetria (Termoluminescência – TLD, diodo,

calorímetro)� Temperatura




� ESCC, ECSS

� ESCC – Space Components Coordination� Normas obtidas dentro do site da ESCIES, parte

da ESA responsável por normas:https://escies.org/ReadArticle?docId=229

� A ECSS – European Cooperation for Space Standardization – é uma organização que trabalha para melhorar a padronização no âmbito do setor espacial europeu

� Normas acessíveis em http://www.ecss.nl/




� As principais normas ESA/SCC para a área de eletrônica tolerante à radiação são:

� ESCC 20100: Requirements for the Qualification of Standard Components for Space Application

� ESCC 22900: Total Dose Steady-State Irradiation Test Method

� ESCC 25100: Single Event Effects Test Method and Guidelines

� ESA PSS-01-609: Radiation Design Handbook� Disponível em https://escies.org/ReadArticle?docId=263




� ESCC 20100: Requirements for the Qualification of Standard Components for Space Application

� Descreve os aspectos que tornam um componente eletrônico qualificado quanto à radiação nos termos relativos à ESA/SCC

� Define os requisitos para qualificação e manutenção dessa qualificação para aplicações espaciais




� ESCC 22900: Total Dose Steady-State Irradiation Test Method

� A norma proporciona requisitos básicos para o teste de radiação TID em componentes eletrônicos como circuitos eletrônicos digitais

� Documento possui duas partes bem independentes

� Avaliação da tecnologia (ensaios de qualificação de componentes): é necessária para o projeto do sistema

� Qualificação e condições de aceitação de lotes para dispositivos altamente confiáveis: necessária para a fabricação do sistema




� ESCC 25100: Single Event Effects Test Method and Guidelines

� Define os requisitos básicos que qualificam um componente tolerante à radiação de SEEs, nos termos da ESA/SCC

� O propósito é testar circuitos integrados dada uma radiação com íons pesados ou prótons




� ECSS

� ECSS-ST-E-10-12C: Methods for the calculation of radiation received and its effects, and a policy for design margins

� Descreve métodos para calcular a radiação recebida e os efeitos consequentes

� Aplicável a todos os sistemas espaciais reconhecidos pela ESA




� DoD/MIL

� Documentos do Departamento de Defesa dos EUA

� Mais de 30000 documentos só para o setor elétrico e eletrônico

� Disponíveis em� http://www.dscc.dla.mil/Programs/milspec/docsearch.asp




� Normas MIL organizadas nas seguintes categorias:

� MIL-STD: normas militares

� MIL Handbooks: manuais militares

� MIL Spec: especificações

� MIL DTRA: redução de ameaças




� MIL-STD Test Methods

� Um dos 5 seguintes tipos de Normas MIL-STD

� Interface

� Critérios para projetos

� Processos de fabricação

� Práticas

� Métodos de teste

� As MIL-STD Test Methods mais utilizadas para a área de eletrônica são:




� MIL-STD 883 – Test Method Standard Microcircuits

� procedimentos de ensaio para componentes e dispositivos eletrônicos adequados a sistemas militares e aeroespaciais

� Um documento MIL-STD estabelece requisitos técnicos e de engenharia exclusivamente para uso militar e ambientes semelhante aos utilizados pelos militares

� Ou processos, procedimentos, práticas e métodos de uso comercial que são modificados para fins semelhantes aos objetivos militares

� Última versão: MIL-STD 883-H (Draft) – SET/2008




� Métodos mais relevantes em eletrônica

� METHOD 1019.7 – Ionizing radiation (total dose) test procedure

�

� METHOD 1020.1 - –Dose rate induced latchup test procedure

� METHOD 1021.2 – Dose rate upset testingof digital microcircuits

� METHOD 1022 – MOSFET threshold voltage




� METHOD 1023.2 – Dose rate response of linear microcircuits

� METHOD 1032.1 – Package induced soft error testprocedure (due to alpha particles)

� METHOD 5004.11 – Screening procedures

� METHOD 5005.14 – Qualification and qualityconformance procedures

� METHOD 5010.4 – Test procedures for custommonolithic microcircuits




� METHOD 1019.7 – Ionizing radiation (total dose) testprocedure

� Define os requisitos para analisar os efeitos da TID em circuitos integrados com radiação oriunda de uma fonte de 60Co

� Prevê ensaio com temperatura ambiente e temperatura elevada

� Contém um procedimento de annealing acelerado para componentes irradiados a baixas doses

� O teste é considerado destrutivo no sentido de que, em alguns ensaios, podem ocorrer perdas de componentes dos circuitos que não se recuperam da dose acumulada, e deve-se ter consciência de que pode ocorrer insucesso




� METHOD 1019.7 – Ionizing radiation (total dose) testprocedure

� A parte de dosimetria é referida a uma série de documentos ASTM, entre eles o ASTM F 1892 descrita anteriormente

� Procedimento

� Os dispositivos para teste devem ser irradiados e depois, caso se deseje analisar a recuperação do componentes em relação ao tempo, submetidos ao annealing acelerado

� O plano de radiação deve especificar a descrição do circuito, condições ambientais e gerais da irradiação, dosimetria aplicada, condições de operação, métodos de medição dos parâmetros e condições de como isso vai ocorrer, e a descrição do annealing se for preciso fazer o annealing




� METHOD 1019.7 – Ionizing radiation (total dose) test procedure

� Resumo – os seguintes passos devem ser seguidos para efetuar o ensaio:

� Escolha dos dispositivos adequados e quantidade, com restrições governamentais e dos requisitos elétricos mínimos (item 3.1 do método)

� Requisitos de dosimetria (item 3.3)

� Níveis de radiação e taxas de dose (3.5, 3.6) – segundo algumas condições, que variam de A até E, entre 300 mrad/s até menos de 10 mrad/s� A: condição padrão, taxa entre 50 e 300 mrad/s� B: específico para dispositivos MOS, taxa < 50 mrad/s + annealing� C: quando as partes envolvidas querem uma taxa diferenciada� D: para dispositivos mais sensíveis, como BICMOS, taxa < 10 mrad/s� E: para dispositivos da condição D, alternativa com taxa viável combinada

com temperatura elevada para atingir o mesmo efeito




� Temperatura de acordo com item 3.7� Ambiente: 18 °C ~ 30 °C� Elevada: variável, de acordo com item 3.13.2, desde

que seja possível manter o sistema de temperatura elevada entre 95 °C e 105 °C durante a irradiação

� Parâmetros elétricos a serem medidos

� Condições de operação dos instrumentos de medida

� Intervalos de tempo entre medidas

� Requisitos opcionais (p/ annealing, temp elevada, ELDRS – Sensibilidade abaixo de 50 rad/s)

� Documentação necessária para completar qualificação



Normas para testes de qualificação radhard� Fluxograma para dispositivos MOS e digitais na MIL-STD

883/1019.7




� MIL-STD 750 – Test Method for Semiconductor Devices

� testes gerais em dispositivos semicondutores, como testes de resistência física, química e elétrica em ambientes e efeitos destrutivos

� procedimentos experimentais para os mais diversos tipos de testes com componentes e circuitos eletrônicos, inclusive em ambiente de radiação



Normas para testes de qualificação radhard� métodos mais relevantes em eletrônica

� METHOD 1015.1 - Steady-state primaryphotocurrent irradiation procedure (electron beam)

� METHOD 1017.1 - Neutron irradiation

� METHOD 1019.5 - Steady-state total dose irradiation procedure

� METHOD 1080 - Single Event Burnout and SingleEvent Gate Rupture

� METHOD 3478.1 - Power MOSFET Electrical Dose Rate Test Method

� METHOD 5001 - Wafer Lot Acceptance Testing




� MIL-HDBK

� informações técnicas, procedimentais, de engenharia e de projetos sobre materiais, processos, práticas e métodos cobertos pelo DSP (DefenseStandardization Program)

� Serão apresentados os manuais mais relevantes escolhidos




� MIL-HDBK-339 – Custom Large Scale Integrated Circuits Development and Acquisition for Space Vehicles

� requisitos para projeto de fabricação e orientação sobre o uso dos micro-circuitos feitos em grande escala para o uso em sistemas de espaciais com elevados níveis de confiabilidade




� MIL-HDBK-814 – Ionizing Dose and Neutron Hardness Assurance Guidelines for Microcircuits and Semiconductor Devices

� utilização de programas para garantir a resistência de componentes e dispositivos eletrônicos a TID e partículas pesadas

� compilação de documentos mais antigos MIL-HDBK-279 e MIL-HDBK-280




� MIL-HDBK-815 – Dose Rate Hardness Assurance Guidelines

� método para garantir a resistência do material a taxas de dose de radiação em semicondutores

� contém métodos para a produção do projeto, garantindo a resistência do material e fornece um guia para a elaboração de um projeto com garantia de resistência à radiação




� MIL-HDBK-816 – Guidelines for Developing Radiation Hardness Assurance Device Specifications

� discute métodos eficientes para aquisição de dados durante o ensaio de irradiação

� visa ser útil à área de desenvolvimento de circuitos em ambientes diferenciados (como ambiente de radiação ionizante) e para o pessoal de medidas elétricas




� MIL-HDBK-817 – System Development Radiation Hardness Assurance

� guia para desenvolvimento de sistemas para o projeto de resistência à radiação em geral




� MIL-HDBK-1547 – Electronic Parts, Materials, and Processes for Space and Launch Vehicles

� Requisitos mínimos para que materiais e dispositivos eletrônicos possam atender às necessidades de projeto, desenvolvimento, aplicação e fabricação em veículos espaciais e de lançamento




� MIL-SPEC

� requisitos técnicos essenciais para que o material comprado seja exclusivamente de uso militar ou item comercial substancialmente modificado para uso militar

� MIL-PRF-19500 - General Specification for Semiconductor Devices

� MIL-PRF-38534 - Performance Specifications for Hybrid Microcircuits

� MIL-PRF-38535 - General Specification for Integrated Circuits (Microcircuits) Manufacturing




� Defense Threat Reduction Agency – MIL-DTRA

� DNA-H-93-140 - Military Handbook for Hardness Assurance, Maintenance and Surveillance

� DNA-H-93-52 - Program Management Handbook on Nuclear Survivability

� DNA-H-95-61 - Transient Radiation Effects on Electronics Handbook



Dados sobre componentes irradiados

� Quando o componente é certificado pelo fabricante como radhard, devem estar disponíveis os resultados dos ensaios, como tolerância a TID, efeitos provocados por nêutrons, elétrons, prótons e partículas pesadas (secções de choque de SEE)

� Quando esses dados não estão disponíveis , pode-se recorrer a diversos veículos de informação científica, buscando-se em bancos de dados de testes, como veremos adiante

� Fonte de inovações e trabalhos mais recentes/tendências� IEEE




� IEEE

� Instituição sem fins lucrativos em prol do avanço tecnológico

� subdivide-se em várias sociedades, conselhos e comunidades técnicas

� Afinidade com área de radiação� IEEE Nuclear and Plasmas Sciences Society –NPSS




� IEEE/NPSS

� Publicações� Transactions on Plasma Science – TPS� Transactions on Medical Imaging – TMI� Transactions on Nuclear Science – TNS

� Encontros� Symposium on Radiation Measurements –

SOMAR� Particle Accelerator Conference – PAC� Pulsed Power Conference – PPC� Nuclear and Space Radiation Effects Conference

– NSREC




� NSREC

� Artigos� Publicados no Transactions on Nuclear Science

� Mini-cursos

� Radiation Effects Data Workshop – REDW




� NSREC – papers

� Áreas de conhecimento

� Mecanismos e estruturas básicas envolvendo radiação ionizante

� Radiação ionizante em componentes e dispositivos eletrônicos e fotônicos

� Efeitos radioativos terrestres aéreos e espaciais

� Garantia de qualidade de qualificação e testes



Dados sobre componentes irradiados� NSREC/REDW

� Fórum para apresentação de dados � Efeitos de radiação em dispositivos� Engenheiros e cientistas que utilizam

dispositivos eletrônicos em ambiente de radiação

� Projeto e desenvolvimento de dispositivos e componentes eletrônicos radhard

� No site do REDW há uma lista de todos os componentes testados desde 1992 até 2007 com referência às respectivas publicações no sistema IEEExplore




� RADECS

� Encontro europeu nos mesmos moldes do NSREC

� Início em 1987

� Co-patrocinada pelo IEEE, publicações no TNS

� Alguns dos encontros patrocinados são:




� RADECS� Radiation Effects on Components &

Systems (Simpósio anual)

� SERESSA� School on the Effects of Radiation on

Embedded Systems for Space Applications (anual, 2011 prevista no Brasil)




� RADFAC� Estudantes Ph. D. europeus em efeitos de

radiação apresentam seus trabalhos e progressos (próximo encontro em 03/2010)

� RADPREP� Debates sobre a problemática da predição de

SEE� Encontro novo, primeira edição em JAN/10



Dados sobre componentes irradiados� NASA/NCPP/ERC

� Área da NASA responsável pela caracterização em relação a diversos parâmetros

� Em relação à radiação: Projeto ERC

� Electronic Radiation Characterization

� Fornece avaliação para componentes eletrônicos em relação a medidas em radiação para qualificar quanto à utilização na NASA

� Desenvolve diretrizes para o uso da tecnologia em ambientes irradiados

� Investiga a garantia de resistência à radiação (RHA) do material analisado




� No sítio do ERC Project há links para bancos de dados on-line com diversos componentes testados para diversos fenômenos de radiação ionizante

� Os mais relevantes são

� Jet Propulsion Laboratory – RAD Archive

� NASA/GSFC Radiation Effects & Analysis




� MIL

� Sítio Web com documentos (MIL-PRF, entre outros) que contêm componentes qualificados para diversos fins

� Outro sítio contém mecanismo de busca de materiais qualificados por nome e part number




� ESA

� Listas de componentes elétricos eletrônicos e eletromecânicos (EEE Components)

� Dois tipos

� Oriundos de empresas já aprovadas pela ESA (QPL)

� Oriundos de empresas que estão em processo de certificação pela ESA (QML)



Qualificação de componentes para uso espacial

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