Forscher untersuchen den Einfluss kosmischer Strahlung auf die Mikroelektronik

Im Rahmen eines Forschungsprojektes untersuchen Wissenschaftler verschiedener Institute erstmals systematisch die Auswirkungen kosmischer Strahlen auf elektronische Bauelemente in der Raumfahrt.

Satelliten und Raumfahrzeuge haben komplexe mikroelektronische Bauteile an Bord, deren Ausfall katastrophale Folgen haben kann. U.a. ist es die kosmische Strahlung im Weltall, die die empfindliche Elektronik beschädigen kann. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt untersuchen die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT, der European Space Agency (ESA) und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung nun den Einfluss der Strahlung auf die Elektronik, mit dem Ziel, die Eignung verschiedener Mikrochips für den Einsatz im Weltraum zu testen.

Darüber hinaus sollen Grundlagen erforscht werden, um in Zukunft strahlungsfeste, leichtere und kompaktere Elektronik zu entwickeln. Damit sollte man in der Raumfahrttechnik in Zukunft auf die bisher nötigen Abschirmungen und auch auf Ersatzelektronik, die für manche Bauteile mitgeführt wird, verzichten können.

Am Teilchenbeschleuniger des GSI bestrahlen die Forscher unter Leitung der INT-Wissenschaftler mikroelektronische Bauelemente mit relativistischen Ionen. Die GSI-Beschleunigeranlage ist die einzige in Europa, an der sich Ionenstrahlung so herstellen lässt, wie sie als kosmische Strahlung im Weltall auftritt.

»Wir wollen erstmals systematisch untersuchen, wie die Energie der Ionenstrahlen die Mikroelektronik beeinflusst«, erklärt Stefan Metzger, Projektleiter am Fraunhofer-Institut. »Dazu bietet die GSI-Beschleunigeranlage optimale Voraussetzungen; hier können wir hochenergetische Ionen, von den leichtesten bis zu den schwersten Elementen, erzeugen. Damit decken wir das gesamte Spektrum an Ionenstrahlung ab, wie es im Universum permanent auftritt.«

Die Mitarbeiter des INT sind Experten auf dem Gebiet der Strahlenschäden in Elektronik. Neben der fachlichen Expertise unterstützt das INT das Projekt mit einer speziellen Mess-Infrastruktur, mit der sich solche Fehler in elektronischen Bauteilen feststellen lassen.

»Ionenstrahlen sind Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung und haben die größte Wirkung auf die Mikroelektronik«, verdeutlicht Marco Durante, Leiter der Abteilung Biophysik am GSI. »Eine genaue Kenntnis dieses Einflusses ist die Voraussetzung, um in Zukunft gezielt Elektronik für Raumfahrt optimieren zu können. Bereits ein einzelnes Ion kann in mikroelektronischen Bauteilen Schäden verursachen. Durch die hohe elektrische Ladung und die Energie des Ions können in den Halbleitermaterialen des Mikrochips freie Ladungsträger erzeugt werden, die zu kleinen elektrischen Stromflüssen führen und so Funktionsfehler oder einen Ausfall des Chips verursachen können.«

In einem ersten Experiment haben die Wissenschaftler einen von der ESA bereitgestellten Mikrochip mit Gold-Ionen bestrahlt. Die Analyse bestätigte die Vermutung, dass die Störanfälligkeit des Chips stark von der Energie der Ionen abhängt. Für eine genaue Untersuchung sind in den nächsten Jahren weitere systematische Bestrahlungen verschiedener Bauteile unter dem Einfluss unterschiedlicher Ionen und Energien vorgesehen.