Hohe Strahlung im Weltraum handhaben
Schaltungen für anspruchsvolle Umgebungen entwickeln
Die ionisierende Strahlung, der elektronische Bauelemente im Weltraum ausgesetzt sind, kann erhebliche Schäden verursachen. Sie muss von Beginn der Entwicklung an berücksichtigt werden. Entwickler können mehrere Schutztechniken nutzen – sollten aber sorgfältig Kosten und Risiko analysieren.
Es wäre eine Untertreibung zu behaupten, dass der Transport von Ausrüstung in den Weltraum nicht günstig ist. Auch wenn die Kosten in den letzten Jahren gesunken sind, können die Kosten für einen Satelliten und dessen Start immer noch zwischen 10 und 400 Mio. US-Dollar betragen. Im Februar 2022, zum Beispiel, hat ein geomagnetischer Sturm an den erdnahen LEO-Kommunikationssatelliten (Low Earth Orbit) von SpaceX einen Schaden von schätzungsweise 50 Mio. US-Dollar verursacht.
In den Beträgen sind noch keine Wartungskosten enthalten. Der Ausfall von Komponenten erfordert entweder eine Reparatur im Weltraum oder führt dazu, das gesamte System abzuschreiben. Kurz gesagt, alle Komponenten müssen äußerst zuverlässig sein und den extremen Umgebungsbedingungen standhalten.
Es gibt drei wesentliche Unterschiede, mit denen IC- und Systementwickler konfrontiert sind, wenn sie Systeme für den Weltraum und nicht für die Erde entwickeln.
- Erstens die Temperatur: Die Ausrüstung muss vor extremen Temperaturschwankungen (150 K) geschützt und auf einem betriebsfähigen Niveau gehalten werden.
- Der zweite Punkt ist das Vakuum.
Diese beiden Faktoren zusammen bewirken einen anderen Kühleffekt als auf der Erde, da sie sich ausschließlich auf Wärmestrahlung und nicht auf Luftkonvektion stützen. Dies erfordert etwas andere Berechnungen für die Wärmeableitung. Zudem entstehen auch Probleme mit der Feuchtigkeit, die auf der Erde in das IC-Gehäuse eindringt und dann im Weltraum wieder austritt, wodurch sich das Gehäuse von der Leiterplatte lösen kann. Damit ist eine separate Qualifikation erforderlich, die sicherstellt, dass sich vor dem Start keine Feuchtigkeit im IC-Gehäuse befindet.
Diese beiden Probleme lassen sich relativ einfach durch das richtige Gehäuse und eine Isolierung entschärfen.
- Der dritte – und wohl schwierigste – Unterschied, dem elektronische Komponenten im Weltraum ausgesetzt sind, ist die Strahlung.
Strahlung in Erdnähe
Die Magnetosphäre der Erde konzentriert Teilchen in zwei Hauptgürteln. Die unteren Gürtel bestehen hauptsächlich aus Protonen, die oberen Gürtel aus Elektronen (Bild 1). Die meisten dieser Teilchen stammen von der Sonne und werden durch den Sonnenwind bzw. Sonneneruptionen eingebracht. Die restlichen Teilchen kommen von der kosmischen Strahlung anderer Galaxien.
Auch wenn es schwierig ist, die vollständige Testumgebung auf der Erde nachzubilden – um einige dieser Teilchen zu erzeugen, wären Giga-Elektronenvolt erforderlich – sind diese Gürtel zumindest sehr gut erforscht und werden von der NASA seit Beginn ihrer Raumfahrtprogramme untersucht. Abhängig von der Umlaufbahn eines Satelliten durchläuft er die Gürtel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Alles, was in einer polaren Umlaufbahn betrieben wird, wie z.B. ein Spionagesatellit, durchquert regelmäßig die konzentrierten Strahlungsgürtel und muss vor einer höheren Strahlungsdosis geschützt werden. LEO-Satelliten hingegen werden in 1000 bis 1500 km Höhe betrieben und sind daher geringeren Strahlungswerten ausgesetzt.
Abhängig von diesen Faktoren kann ein Satellit also eine Strahlung zwischen 1 und 10 krad pro Jahr absorbieren. Es geht also darum, die Dosis zu berechnen, die ein Satellit während seiner Lebensdauer erhält.
Auswirkung der Strahlung
Neben der Dosis ist auch die Art der Strahlung und der von ihr verursachten Schäden zu beachten.
Zuerst wird im Folgenden die ionisierende Strahlung betrachtet, die von Protonen oder Elektronen ausgeht – die nicht-ionisierende Strahlung wird später behandelt. Diese Partikel treffen auf das Gate-Oxid des Halbleiters und verursachen Schäden durch eine Anhäufung geladener Teilchen in den MOSFET-Gates (Bild 2).
Bei einem PMOS-Transistor erhöht dies die Schwellenspannung und erschwert das Einschalten. Umgekehrt ist bei einem NMOS-Transistor das Gegenteil der Fall, so dass er bei einem niedrigeren Schwellenwert einschaltet.
Die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, ist proportional zur Größe des Gates, so dass bei älteren Halbleiterfertigungsprozessen die Wahrscheinlichkeit von Strahlungsschäden am Gate-Oxid höher ist.
Darüber hinaus kann es bei einem Analog-IC auch zu Bandlückenverschiebungen, Änderungen des Bias-Stroms, Leckage-Nebeneffekten und einem höheren 1/f-Rauschen kommen.
Arten von Ereignissen
Nach einem Aufprall gibt es zwei mögliche Folgen: ein zerstörungsfreies oder ein zerstörerisches Ereignis. Ersteres kann ein Einzelereignis in einem Speicherelement sein – ein weicher Fehler, bei dem die Strahlung eine Rauschspitze verursacht und einen Speicherplatz von einer Null auf eine Eins ändert.
Ein zerstörerisches Ereignis (Bild 3) kann ein Einzelereignis-Gatebruch sein, der hauptsächlich Leistungsbauelemente betrifft, oder, wenn die Aufprallenergie der Teilchen hoch genug ist, auch zu einem Einzelereignis-Latch-up führt. Dabei schaltet sich der Baustein dauerhaft ein, bis ein Ein-/Ausschaltzyklus erfolgt. Je nach Baustein kann dies zu einem Totalversagen führen.
Diese Ereignisse müssen also erkannt werden, und die für den Weltraumeinsatz vorgesehene Ausrüstung muss davor geschützt werden. In den Labors bei EnSilica haben sich die Ingenieure mit diesen Einzelereignissen befasst und festgestellt, dass ihre Auswirkungen eher von den schwereren Partikeln herrühren, die Elektronenlochpaare und einen vorübergehenden Leitungspfad erzeugen, der Speicherbits und Flip-Flops umkehren kann. Daher werden die meisten dieser Bauelemente getestet: ein großer Speicher wird in einem System platziert, bestrahlt und dann werden die Fehler über die Megabits des Speichers gemessen.
Latch-up ist ein separater Test, der Schutzvorrichtungen erfordert, um Stromstöße und Lesevorgänge zu erkennen sowie kritische Bauelemente zurücksetzen zu können.
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- Techniken, um Strahlungsschäden zu mindern
