Missionskritische Raumfahrtsysteme bleiben strahlenfest

Der Weltraum ist eine Herausforderung für Satelliten und Raumfahrtsysteme, insbesondere aufgrund der intensiven Strahlungsumgebung bei fast allen Missionsprofilen. Die Akzeptanztests bei integrierten Schaltungen (ICs) gewährleisten ein vorhersagbares Verhalten und verhindern Systemausfälle während des Fluges in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO), der geosynchronen Erdumlaufbahn (GEO) und bei Raumfahrtmissionen zu anderen Planeten.

Die Weltraumstrahlung besteht fast ausschließlich aus Teilchen, darunter Elektronen, Protonen und energiereiche Schwerionen. Die meisten stammen vom Sonnenwind oder von Sonneneruptionen und sind in der Natur anisotrop (richtungsabhängig). Je nachdem in welcher Richtung die Messung erfolgt, liefern sie unterschiedliche Werte. Von diesem Teilchenfluss überlagert sind hochenergetische Protonen und Schwerionen, die sich isotrop (in allen Richtungen einheitlich) verhalten und bei Messung in verschiedenen Richtungen den gleichen Wert ergeben. Das Erdmagnetfeld schließt die moderaten Energieteilchen in den Van-Allen-Gürteln ein. Je nach Umlaufbahn eines Satelliten können die Gürtel den größten Teil der ionisierenden Strahlung verursachen.

Interaktion zwischen Teilchen und IC

Wie interagieren diese Teilchen also mit den Materialien, die in elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen? Sonnenelektronen und Protonen sind sehr häufig und verursachen Ionisierung in Materialien. In einem vereinfachten Modell erzeugen niedrig und mäßig energiegeladene Teilchen Elektronen-Loch-Paare in den thermischen Oxiden, die in den integrierten Schaltungen zum Einsatz kommen. Die Elektronenbeweglichkeit in diesen Oxiden ist sehr hoch und jedes angelegte elektrische Feld treibt die Elektronen in Pikosekunden aus dem Oxid. Die Beweglichkeit der Defektelektronen (Löcher) ist deutlich geringer, sodass ein viel größerer Teil von diesen eingeschlossen bleibt. Unterm Strich ergibt diese asymmetrische Dynamik eine positive Volumenladung der dielektrischen Schichten und eine Schädigung der bipolaren und MOS-Schaltkreise.

Bild 1 zeigt, dass bei Erhöhung der Teilchenenergie die Teilchenhäufigkeit abnimmt, wobei die Häufigkeit im Vergleich zur Energiekurve 25 Größenordnungen umfasst und in sehr niedrigen Strömen relativistischer TeV-Schwerionen kumuliert. Die Effekte der reichlich vorhandenen niederenergetischen Teilchen sind durch das Volumen des IC gleichmäßig. Die hochenergetischen Schwerionen verursachen jedoch Single Event Effects (SEE), definiert als die Interaktion eines einzelnen energetischen Ions mit einem Siliziumbaustein. Durchlaufen diese hochenergetischen Teilchen das Halbleitergitter, verlieren sie Energie und erzeugen eine Elektronen-Loch-Paar-Spur (Bild 2).

Bild 1: Galaktisches Energiespektrum der kosmischen Strahlung – Teilchenfluss in Abhängigkeit von der Teilchenenergie S.P. Swordy, "The energy spectra and anisotropies of cosmic rays", Space Sci. Rev., Band 99, S. 85-94, Okt. 2001

Die dadurch angesammelte Ladung kann die Spannung an empfindlichen Schaltungsteilen verändern, was den Schaltungsbetrieb beeinträchtigen kann. SEEs lassen sich in destruktive und nichtdestruktive Phänomene unterteilen. Zerstörungsfreie Effekte sind Bitumkehr, Funktionsunterbrechungen in digitalen Anwendungen und Transienten an den Ausgängen von analogen Schaltungen. Zu den destruktiven Effekten gehören Latch-up, Burnout und MOS-Gate-Oxid-Rupturen, die zu dauerhaften Schäden führen. Der gängigste SEE ist der lineare Energietransfer (LET) des einströmenden Ions, der dem Energieverlust (dE/dx) pro Spurlänge bei einer gegebenen Materialdichte entspricht und in MeV·cm²/mg angegeben wird. Die wichtigste Schlussfolgerung hieraus: Die Abschirmung ist wirkungslos, da sie nur den Teil des Spektrums mit niedriger Energie herausfiltert. Der hochenergetische Ionenfluss bleibt davon unbeeinflusst und die Schutzmaßnahmen müssen auf IC- und Systemebene erfolgen.

Missionssicherung durch Strahlungsfestigkeit

Wie bereits dargelegt sind Weltraumstrahlungseffekte auf elektronische Bauteile ein wichtiges Designkriterium. Strahlung verursacht Probleme, die von Betriebsstörungen über schwere physikalische Schäden an den Bauteilen bis hin zu katastrophalen Missionsausfällen reichen.

Neben der Anfälligkeit von ICs für SEEs durch die Weltraumstrahlung ist die Gesamtdosis ionisierender Strahlung (TID) ein weiterer wichtiger Effekt der Weltraumstrahlung. TID-Effekte ergeben sich aus der akkumulierten Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, während ein SEE das Ergebnis eines einzelnen hochenergetischen Teilchens ist, das auf das Bauteil trifft.

Die Messung der TID-Exposition erfolgt in Gray (Gy). Die Einheit Gray quantifiziert die gesamte Strahlenbelastung eines Materials. 1 Gy  ist definiert als ein Joule pro Kilogramm oder 100 erg pro Gramm. Die Energieabsorption ist spezifisch für das zu bestrahlende Material. Dementsprechend ist die gängige Einheit in der Siliziumtechnologie das Gy. Der Schwellenwert für die gesamte Strahlungsdosis eines Bauteils ist der Mindestwert von Gy, der zu einem Bauteilausfall führt. Typische kommerzielle Bauteile können bis zu 50 Gy überstehen, bevor es zu Funktionsausfällen kommt.

SEEs sind deutlich gefährlicher für Satelliten und Raumfahrzeuge. Die intensive Protonen- und Schwerionenumgebung, die in Raumfahrtanwendungen anzutreffen ist, kann eine Vielzahl von SEEs in elektronischen Schaltungen verursachen. Hierzu zählen Single Event Stag Set (SEU), Single Event Transient (SET), Single Event Functional Interrupt (SEFI), Single Event Gate Rupture (SEGR) und Single Event Burnout (SEB). Ein SEE kann zu Performance-Problemen auf Systemebene führen, einschließlich Unterbrechung, Verschlechterung und Zerstörung. Für einen vorhersehbaren und zuverlässigen Betrieb im Weltraum sollten Entwickler elektronische Komponenten charakterisieren, um ihre SEE-Reaktion in der entsprechenden Weltraumumgebung zu bestimmen.

Auswirkungen kommerzieller New-Space-Programme

Seit dem Ende des Space-Shuttle-Programms der NASA ist ein starker Trend zu einer verstärkten kommerziellen Beteiligung an Raketenstarts und Missionen zu beobachten. Die Privatindustrie ist zunehmend an kostengünstigeren Alternativen zu hochzuverlässigen ICs interessiert. Einige der Alternativen sind Bauteile in Militärqualität der Klasse Q, handelsübliche COTS-Bauteile (Commercial off the Shelf) und sogar für die Automobilelektronik spezifizierte Komponenten. Vorreiter dieses Trends sind kommerzielle Trägerraketen, die aufgrund kurzer Missionszeiten und Kostenbeschränkungen keine hochwertigen ICs verwenden.

Die Ziele der Privatwirtschaft sind es, die Kosten zu senken, die Zuverlässigkeit des Zugangs zum Weltraum zu erhöhen und Gewinne zu erzielen. Dieses Geschäftsmodell erfordert Einfachheit, Zuverlässigkeit und drastische Kostensenkungen der gesamten Trägerrakete, der Nutzlast und des Infrastruktursystems.

Strahlungstoleranter IC-Fertigungsablauf

Bild 2: Schematischer Querschnitt einer MOS-Komponente und die Wechselwirkung eines energetischen Schwerions mit Bausteinstruktur. Zu beachten ist dabei der einströmende Teilchentrack, der trichterförmige Bereich und die Ansammlung der erzeugten Ladung durch den in Sperrrichtung verlaufenden Abfluss zur Verbindungsstelle. CERN

Unternehmen, die den Kleinsatellitenmarkt adressieren, zeigen Interesse an den strahlungstoleranten Produkten von Renesas. Diese zeichnen sich durch kompakt aufgebaute, oberflächenmontierbare Kunststoffgehäuse mit Nickel/Palladium/Gold-Anschlüssen (Ni/Pd/Au) aus. Diese ICs werden während der Entwicklung einmalig charakterisiert für TID bis zu 300 Gy (Si), SEE mit einem LET bis zu 43 MeV·cm²/mg und einem militärischen Temperaturbereich von -55 bis 125 °C. Die Qualifikation der Bauteile erfolgt gemäß AEC-Q100 mit Tests von bis zu 2000 Stunden Burn-in, 500 Temperaturzyklen und Prüfung der Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Gehäuse. Dies unterscheidet sie deutlich von den teureren herkömmlichen strahlungsfesten Produkten in großen Keramikgehäusen.

Kommerzielle Bauteile sind routinemäßig einem Upscreening durch die Implementierung einiger oder aller Screens für eine bestimmte Qualität zu unterziehen. Die damit verbundenen Kosten sind in der Regel jedoch gleich oder sogar höher als die der vom Hersteller geprüften Bauteile. Die Strahlungshärte ist hier ein zentrales Thema, mit dem einige COTS-Bauteile Probleme haben können. Dies umfasst Strahlungseffekte, die von der Gesamtdosis-Degradation von Leistungsparametern mit Auswirkungen auf das Systemverhalten bis hin zu destruktiven Single-Event-Effekten reichen, die eine Mission beenden können.

Designer erstellen COTS-Systeme unter strengen Kostenbeschränkungen mit einer Mischung aus COTS- und hochzuverlässigen Bauteilen. Die Hi-Rel-Bauteile sind in missionskritischen Sockets eingesetzt, während die COTS-Komponenten im restlichen System zum Einsatz kommen. Die COTS-Bauteile lassen sich auf Stichprobenbasis qualifizieren: Die Verantwortlichen verbauen nur Chargen, die den Test bestehen und entsorgen die fehlerhaften Chargen. Insgesamt mag dies eine kosteneffiziente Methode sein, aber die damit verbundenen Risiken und Unvorhersehbarkeiten sind nicht vereinbar mit Missionen mit hohem Einsatz, wie zum Beispiel Kommunikationssatelliten und Nutzlasten für die nationale Sicherheit.

Tests und Qualifizierung bei niedriger Strahlungsexposition

Teilchen, die mit Materialien interagieren, die in elektronischen Bauteilen zum Einsatz kommen, verursachen die Auswirkungen der Weltraumstrahlung. Wirklich strenge Strahlungstests müssen diese Teilchenumgebungen nachbilden. Elektronen- und Protonentests sind jedoch aufwendig und teuer, sodass die Raumfahrtindustrie in der Vergangenheit Gammastrahlen für Tests am Boden eingesetzt hat. Es handelt sich hierbei jedoch lediglich um eine Simulation, die helfen soll, die Bauteilreaktion auf geladene Teilchen vorherzusagen.

Als Reaktion auf vermehrte Nachfrage führte Renesas ein Qualitätsprogramm zur Sicherung der Strahlungsfestigkeit für LDR (Low Dose Rate) ein. Die Tester führen Wafer-to-Wafer-Abnahmetests bei Bestrahlungseinheiten mit niedriger und hoher Dosisleistung in den Produktionsstätten vor Ort durch. Dieses Programm ist seit 2012 im Einsatz und stößt auf breite Akzeptanz.

Die Tests der Intersil-EH-Komponenten erfolgen mit niedriger Dosisleistung (biased/unbiased) bis 500 Gy(Si). Sie durchlaufen parallel dazu einen High-Dose-Rate-Test (HDR, nur biased) bis zu den im jeweiligen Datenblatt spezifizierten Werten. Die 500-Gy(Si)-Spezifikation mit niedriger Dosisleistung konnte sich in der Industrie durchsetzen, wobei auch eine 750-Gy(Si)-Spezifikation üblich ist. Bei 0,0001 Gy(Si)/s dauert der 500-Gy(Si)-Bestrahlungstest relativ überschaubare zehn Wochen.

(aok)

(aok)