In den letzten 20 Jahren ist die Relevanz des Themas SEE stark gestiegen. Wissenschaftler der Abteilung Nukleare Effekte in Elektronik und Optik (NEO) am Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT in Euskirchen starten nun eine Versuchsreihe mit einem neu installierten Pikosekundenlaser. Dr. Stefan Metzger, einer der Projektleiter und Leiter der Abteilung Nukleare und Elektromagnetische Effekte (NE) am INT, erklärt: „Es zeigt sich eine Tendenz zur Miniaturisierung von Bauteilen und, damit verbunden, zur Steigerung der Packungsdichte. Kommt es zu einem Einschlag eines ionisierenden Teilchens, ist die Zahl der betroffenen Bauteile heute größer als vor einigen Jahren und damit der Schaden bedeutender für die Leistung des Geräts. Gerade bei neuen Trends wie Autonomem Fahren und E-Mobilität, bei denen höchstintegrierte Steuer- und Leistungs-Elektronik zum Einsatz kommt, ist das ein Problem.“ Da SEEs bei solchen Anwendungen eine immer größere Rolle spielen, gewinnt auch ihre Erforschung an Bedeutung. Der Laser am INT bietet die Möglichkeit zu testen, welche Bauteile an welchen Stellen für SEEs empfindlich sind und stellt damit eine Grundlage bereit, um Gegenmaßnahmen für SEEs treffen zu können.

Mit diesem Testaufbau kann der Einschlag eines ionisierenden Teilchens in ein elektronisches Bauteil nachgeahmt werden.

Mit diesem Testaufbau kann der Einschlag eines ionisierenden Teilchens in ein elektronisches Bauteil nachgeahmt werden. int.fraunhofer

Auf sehr kleine Bereiche fokussiert

Zur Simulation der SEEs wird ein Neodym-dotierter Yttrium-Vanadat Laser mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern eingesetzt. Durch die geringe Wellenlänge kann der Laser auf sehr kleine Bereiche fokussiert werden. Da es sich außerdem um einen Pikosekundenlaser handelt, ist dieser im Stande, extrem kurze Impulse mit einer Dauer von neun Pikosekunden zu erzeugen. Eine Pikosekunde entspricht lediglich dem Billionstel einer Sekunde. Mittels des Lasers kann der Einschlag eines ionisierenden Teilchens in ein elektronisches Bauteil nachgeahmt und anschließend die Auswirkungen dieses simulierten SEEs analysiert werden. Im Gegensatz zu vergleichbaren Tests mit Beschleunigern gestaltet sich die Arbeit mit dem Laser leichter, da unter anderem keine aufwändigen Maßnahmen zum Strahlenschutz getroffen werden müssen. Zudem ist der Einsatz von Lasertechnologie insgesamt günstiger und wirtschaftlicher. Alternative Versuche zu SEEs wie beispielsweise der Beschuss von Bauteilen mit Schwerionen mittels Beschleunigern sind nicht annährend so genau. Es kann nicht gezielt gesteuert werden, wo ein Schwerion das Bauteil treffen soll und da es beim Einschlag zur Ausstrahlungen kommt, lässt sich die genaue Stelle des Effekts nicht lokalisieren. Mit dem Laser hingegen ist die Position des SEEs auf den Mikrometer genau bestimmbar. Dadurch kann exakt festgestellt werden, an welchen Stellen eines Bauteils und mit welcher Wahrscheinlichkeit die verschiedenen SEE-Typen auftreten. Ebenfalls wurden bei Versuchen mit dem Lasersystem bereits SEE-Muster beobachtet, die in Tests mit Schwerionen nicht beobachtet wurden. „Durch die Testreihen mit dem Laser ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Fehleranalyse“,  erläutert Dr. Metzger.

Dafür muss das Bauteil geöffnet werden, da das Laserlicht ansonsten nicht durch die Ummantelung dringt. Dieser Schritt erfolgt ebenfalls am INT mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung zum Aufätzen von Bauteilen. Der Laserstrahl mit einem Durchmesser von fünf Mikrometern wird mithilfe eines Mikroskopobjektivs auf das zu beschießende Bauteil fokussiert. Währenddessen lässt ein akustooptischer Modulator (AOM) immer nur einen Impuls zum Bauteil hindurch, der ein einziges ionisierendes Teilchen simulieren soll. Das Bauteil wird anschließend in Schritten von bis zu 100 Nanometern abgetastet, mit variierenden Energieleveln beschossen und die Effekte analysiert. Dadurch ist eine Karte des Bauteils erstellbar, welche die Regionen zeigt, die anfällig für SEEs sind.

 

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