Eric Feuilloley - Vulnérabilité à la dose

Dose Ionisante
et
Vulnérabilité d’Equipements Electroniques
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Environnements radiatifs
• Les sources de rayonnement
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Environnements radiatifs
• Les victimes
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Environnements radiatifs
• Radiations en fonction des environnements
Environnement
Protons
Spatial
X
Industriel
Médical
Electrons Ions Lourds Neutrons
X
X
X
Photons
X
X
X
– La dose ionisante est principalement déposée par les
électrons et les photons Page 4
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X
X
Grandeurs physiques
• Dose ionisante
– Énergie déposée par unité de masse.
– Unité internationale : Gray (Gy) = 1 Joule/kg
– Autre unité : rad (1 Gy = 100 rad).
• Débit de dose ionisante
– Dose ionisante absorbée par unité de temps.
– Unité internationale : le Gray/seconde (Gy/s)
– Autre unité : rad/s ou rad/h
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Effets sur les composants électroniques
• Mécanisme
Source
Grille
+++++++++
+++++++++++++++
+++++++ ++
Zone N+
Zone P
Drain
Zone N+
Oxyde de grille
Canal
– Piégeage des charges dans les isolants
– Migration des charges vers les interfaces isolant / semiconducteur et création d’un canal permanent (MOS N)
Effet de cumul
Phénomène dépendant du débit de dose
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Effets sur les composants électroniques
• Structure MOS
– Décalage des tensions de seuil
– Courants de fuite
QL4090-1PQ208M
83,6
83,4
Icc+IccIO (mA)
83,2
83
82,8
82,6
82,4
82,2
82
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04
2,0
E+
04
E+
04
1,8
1,6
E+
04
E+
04
Dose(rad[Si])
1,4
1,2
E+
04
E+
03
1,0
8,0
E+
03
E+
03
6,0
4,0
E+
03
E+
2,0
0,0
E+
00
81,8
Effets sur les composants électroniques
• Structures bipolaires
– Augmentation des courants de fuite
– Diminution du gain
– Variation du courant inverse des diodes
– Variation de la tension de claquage
Évolution du gain en courant
d’un Transistor PNP IMT1A
Dérive de l'AOP LF156
0
0
Ib+
Ib-200
-4
-400
-6
-600
-8
-800
-10
-1000
250
0 Gy
200
pA
mV
Vos
-2
H
F
E 150
60 Gy
120 Gy
100
-1
-12
0
200
400
600
800
1000
-1200
1200
-10 A
-100 A
-1
ICC
Dose ionisante (Gy)
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180 Gy
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-10
-100
Effets sur les composants électroniques
• Ordre de grandeur de la susceptibilité
JFET
BIPOLAIRE
NMOS/PMOS
CMOS
CMOS DURCI
CMOS/ SOS - SOI
CMOS/ SOS – SOI DURCI
GaAs
Utilisation
Possible
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Tolérée
1
Déconseillée
10
102
103
104
105
Gy
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106
Effets sur les composants électroniques
• Impact de la miniaturisation des composants
– La diminution de l ’épaisseur de oxyde de grille induit
un décalage de la tension de seuil plus faible
– La diminution de la largeur du canal provoque une
augmentation des courants de fuite
– La miniaturisation induisant deux tendances
antagonistes, la prédiction de la tenue d’une nouvelle
technologie est délicate.
– Il est fondamental de réaliser des tests.
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Méthode de durcissement
Essais
PSPICE
Action de durcissement
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Méthode de durcissement
• Caractérisation des composants
– Les essais sont réalisés avec des générateurs X
ou des sources – Moyen d’essai NUCLETUDES
· Co60,
· Energie des photons :
- 1,17 MeV et 1,33 MeV
· Débit de dose :
- 0,5 Gy/s sur 2 cm
- 0,01 Gy/s sur 100 cm
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Méthode de durcissement
• Caractérisation des composants
– Contrainte de mise en œuvre des tests
· Pas de présence humaine à proximité,
· Limiter au minimum l’électronique nécessaire au test
en cellule d’irradiation (dégradation).
– La solution
· Concevoir des mises en œuvre déportées de 8 à 10 m
- «Bufferisation» des signaux de commande,
- Transport des signaux dynamiques par lignes adaptées,
· Utilisation de composants de proximité consommables.
· Durcir les dispositifs de proximité
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Méthode de durcissement
• Caractérisation des composants
– Exemple de mise en œuvre
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Méthode de durcissement
• Essais composants, maquettes, équipements
– Expérience NUCLETUDES
· Composants :
- Diodes, transistors, régulateurs, AOP
- FPGA, processeurs, DAC/ADC
· Cartes :
- Convertisseur d’alimentation
- Chaîne de mesure
- Traitement numérique
· Équipements :
- Boîtier de mesures, boîtier actionneurs, calculateurs
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Méthode de durcissement
Essais
• Action de durcissement (exemple)
– Contre polarisation
PSPICE
Action de durcissement
– Prise en compte des courants de fuite
– Prise en compte de l’évolution des consommations
– Blindages
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Méthode de durcissement
• Contre polarisation
– Il s’agit de compenser la dérive de la tension seuil
Exemple pour un Mosfet N
3,3 V
0
FPGA ou C
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Alim
Puissance
3,3 V
Dispositif
d'Adaptation
de niveau
-5V
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Méthode de durcissement
• Prise en compte des courants de fuite
R2
R1
OPA2277
+
R3
Verr = Vos + ( R1 // R2 +R3 ) Ib +
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Initial
20 krad
Vos
10 V
60 V
Ib
280 pA
5 nA
Ios
310 pA
5,5 nA
Verr
(R1 // R2 R3 )
Ios
2
initial
20 krad
20 krad
R1
100 kohms
100 kohms
10 kohms
R2
200 kohms
200 kohms
20 kohms
R3
67 kohms
67 kohms
6,7 kohms
Verr
47,3 V
726,7 V
113,7 V
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Méthode de durcissement
• Prise en compte de l’évolution des consommations
Spécification :
· des dispositifs de détection de surconsommation
· de la puissance de sortie des alimentations du
matériel
· de la puissance dissipée
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Méthode de durcissement
• Blindage
· Dépend de la nature des radiations
· Des pertes de performance admises
· De la tenue des composants
· De la place disponible
· Du bilan de masse
– Il n’existe pas de blindage universel, chaque solution
résulte d’un compromis.
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Merci pour votre attention
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