Kiirguskarastamine

Kiirguskarastatud RAD750 plaatarvuti

Kiirguskarastamine (ingl radiation hardening) on protsess, mille käigus valmistatakse elektroonilisi komponente, mis oleksid radioaktiivse kiirguse suhtes hästi vastupidavad,^[1] need komponendid leiavad sageli kasutust kosmoses, tuumareaktorites, osakestekiirendis.

Kiirguskarastatud elektroonilised komponendid täidavad samu funktsioone mis kiirguskarastamata komponendid, kuid neil on mõningad muudatused toote disainis või tootmismeetodis, mis annavad nendele komponentidele kõrge radiatsiooni taluvuse. Kiirguskarastatud kiipide kiirgustolerantse disaini väljatöötamise ja rangete katsetuste tõttu kipuvad kiirgusega karastatud kiibid kõige uuematest teaduse ja tehnika saavutustest maha jääma.^[2]

Kiirguskarastatud tooteid testitakse tavaliselt ühe või mitme tulemustestiga, sinna hulka kuulub kogu ioniseeriv doos (ingl total ionizing dose), neutronite ja prootonite nihkekahjustused ning ühe sündmuse efektid (ingl single event effects).

Kiirgusest põhjustatud probleemid

Enamik elektroonilisi pooljuhtkomponente on kaitsetud ioniseeriva kiirguse vastu, kus üks laetud osake on võimeline tekitama signaalimüra, häirima digitaalahelaid või põhjustama füüsilist radiatsiooni kahjustust. Digitaalahelate puhul on selle tagajärjeks ebatäpsed tulemused või kasutud andmed. Füüsilise radiatsiooni kahjustuse puhul võib tekkida korrosioon, praod või muud ebasoovitavad muutused, mis võivad halvendada jõudlust.

Kiirgusega kokkupuude võib materjali füüsikalisi omadusi muuta mitmel viisil, sinna hulka kuulub:

• karastamine – kiirgusega kokkupuude võib materjali füüsiliselt tugevdada, kuid sageli soovimatu paindlikkus- ja elastsuskaoga;
• habrastumine – kiirguse üks võimalik mõju on materjali struktuuri nõrgendamine, mis hõlbustab murdumist;
• paisumine – kiirgusega kokkupuude võib materjali paisutada soojuspaisumise tõttu;
• juhtivuse vähenemine – kiirgusega kokkupuude võib vähendada materjali soojus- või elektrijuhtivust.

Kiirguse mõju elektroonikale

Võre nihe

Võre nihkumist põhjustavad neutronid, prootonid, alfaosakesed, rasked ioonid ja väga suure energiaga gammakiirgus. Need muudavad kristallvõre aatomite paigutust, tekitades püsivaid kahjustusi ja suurendades rekombinatsioonikeskuste arvu, tühjendades vähemuskandjaid ja halvendades mõjutatud pooljuhi siirde analoogseid omadusi. Vastupidi, suuremad annused lühikese aja jooksul põhjustavad kahjustatud võre osalist lõõmutamist ("paranemist"), mis toob kaasa väiksema kahjustuse astme kui sama annuse manustamisel väikese intensiivsusega pika aja jooksul (LDR või väike annusemäär). Seda tüüpi probleem on eriti oluline bipolaartransistorides, mis sõltuvad nende baaspiirkondade vähemuskandjatest; rekombinatsioonist põhjustatud suurenenud kaod põhjustavad transistori võimenduse kadu (vt neutroniefektid). Komponendid, mis on sertifitseeritud ELDRS-i (tõhustatud tundlikkus väikese doosi määra suhtes) vabaks, ei näita kahjustusi vooluga alla 0,01 rad(Si)/s = 36 rad(Si)/h.

Ionisatsiooniefektid

Ionisatsiooniefekti põhjustavad laetud osakesed, sealhulgas need, mille energia on võrenihke tekitamiseks liiga madal. Ionisatsiooniefektid on tavaliselt mööduvad, tekitades tõrkeid ja pehmeid vigu, kuid võivad põhjustada seadme hävitamist, kui need käivitavad muud kahjustusmehhanismid (nt haakimine). Sellesse kategooriasse võib kuuluda ka ultraviolett- ja röntgenikiirguse põhjustatud fotovool. Aukude järkjärguline kogunemine oksiidikihti MOSFET-transistorides viib nende jõudluse halvenemiseni kuni seadme rikkeni, kui annus on piisavalt suur (vt ioniseeriva doosi koguefektid).

Mõjud võivad varieeruda tohutult, sõltudes kõikidest parameetritest – kiirguse tüüp, koguannus ja kiirgusvoog, kiirguse tüüpide kombinatsioon ja isegi seadme koormuse liik (töösagedus, tööpinge, transistori tegelik olek sel hetkel kui seda tabab osake) – mis muudab põhjaliku testimise keeruliseks, aeganõudvaks ja nõuab palju testiproove.

Tulemusefektid

Lõppkasutaja efekte saab iseloomustada mitmes rühmas-

Pooljuhtvõre vastasmõjus neutron nihutab selle aatomid. See viib rekombinatsioonikeskuste ja sügavate defektide arvu suurenemiseni, vähendades vähemuskandjate eluiga, mõjutades seeläbi bipolaarseid seadmeid rohkem kui CMOS-i seadmeid. Räni bipolaarsed seadmed näitavad elektriliste parameetrite muutusi tasemel ${\displaystyle 10^{10}}$– ${\displaystyle 10^{11}}$ neutronit/cm², CMOS-seadmeid ei mõjutata enne, kui ${\displaystyle 10^{15}}$ neutronit/cm². Seadmete tundlikkus võib suureneda koos integreerituse suurenemise ja üksikute struktuuride suuruse vähenemisega. Samuti on oht indutseeritud radioaktiivsuseks, mis on põhjustatud neutronite aktiveerimisest, mis on kõrge müraallikaks astrofüüsika kõrge energiaga instrumentides. Indutseeritud kiirgus koos kasutatud materjalide lisandite jääkkiirgusega võib seadme eluea jooksul põhjustada igasuguseid ühe sündmuse probleeme. GaS-dioodid, mis on levinud optronites, on neutronite suhtes väga tundlikud. Võre kahjustus mõjutab kristalli ostsillaatorite sagedust. Siia kuuluvad ka laetud osakeste kineetilise energia efektid ehk võre nihkumine.

Kogu ioniseeriva doosi mõjud

Ioniseeriva kiirguse kokkupuute aja jooksul põhjustatud pooljuhtvõre kumulatiivne kahjustus (võre nihkekahjustus). Seda mõõdetakse raadides ja see vähendab seadme jõudlust järk-järgult. Räni baasil töötavatele seadmetele sekundite kuni minutite jooksul antud koguannus, mis on suurem kui 5000 raadi, põhjustab pikaajalist lagunemist. CMOS-seadmetes tekitab kiirgus värava isolatsioonikihtides elektronide ja aukude paarid, mis põhjustavad nende rekombinatsiooni ajal fotovooge, ja isolaatori võredefektidesse kinni jäänud augud tekitavad püsiva värava kallutatuse ja mõjutavad transistoride lävipinget, muutes N-tüüpi MOSFET-transistore, et neid on lihtsam sisse lülitada ja P-tüüpi transistore on keerulisem sisse lülitada. Kogunenud laeng võib olla piisavalt suur, et hoida transistore pidevalt avatud või suletud, mis viib seadme rikke tekkimiseni. Mõni enesetervendamine toimub aja jooksul, kuid see mõju pole liiga märkimisväärne. See efekt on samaväärne kuuma elektroni injektsiooniga hästi integreeritud kiirelektroonikas. Kristallostsillaatorid on mõnevõrra tundlikud kiirgusdooside suhtes, mis muudavad nende sagedust. Tundlikkust saab oluliselt vähendada pühitud kvartsi kasutamisega. Eriti tundlikud on looduslikud kvartskristallid. Kõigi sellest tulenevate mõjude testimise protseduuride jaoks võib genereerida kiirguse toimivuskõveraid kogu ioniseeriva doosi testimiseks. Need kõverad näitavad jõudlustrende kogu ioniseeriva doosi katseprotsessi vältel ja on lisatud kiirgustesti aruandesse.

Mööduvad annusefektid

Lühiajaline suure intensiivsusega kiirguse impulss, mis toimub tavaliselt tuumaplahvatuse ajal. Suur kiirgusvoog tekitab fotovoolusid kogu pooljuhi kehas, põhjustades transistoride juhuslikku avanemist, muutes trigerite ja mälurakkude loogilisi olekuid. Püsiv kahjustus võib tekkida juhul, kui impulsi kestus on liiga pikk või kui impulss põhjustab ristmiku kahjustusi või haakumist. Haakumist põhjustavad tavaliselt tuumaplahvatuse röntgenikiirgus ja gammakiirgus. Kvartsis indutseeritud kiire fotojuhtivuse tõttu võivad kristalli ostsillaatorid välgu vältel peatada võnkumise.

Digitaalne kahjustus: üksiku sündmuse efekt

Ühe sündmuse efekte (ingl single-event effects) on põhjalikult uuritud alates 1970. aastatest. ^[3] Kui suure energiaga osake liigub läbi pooljuhi, jätab see ioniseeritud raja maha. See ionisatsioon võib põhjustada kõrge lokaliseeritud efekti, mis sarnaneb ajutise annusega – healoomuline tõrge väljundis, vähem healoomuline bitipööre mälus või registris või, eriti suure võimsusega transistorides, hävitav haakumine ja läbipõlemine. Üksikute sündmuste mõjud on olulised satelliitidele, õhusõidukitele ning muudele tsiviil- ja sõjaliste kosmoserakenduste elektroonika jaoks. Vahel ahelates, mis ei hõlma haakumist, on kasulik lisada RC-filteriga ajakonstandi ahelad, mis aeglustavad vooluahela reaktsiooniaega üle üksiku sündmuse kestuse.

Üksiku sündmuse ärritus

Üksiku sündmuse ärritused või mööduvad kiirgusefektid elektroonikas on mälu või registribittide olekumuutused, mis on põhjustatud kiibiga interakteeruvast ühest ioonist. Need ei kahjusta seadet püsivalt, kuid võivad põhjustada püsivaid probleeme süsteemile, mis sellisest veast taastuda ei suuda, nt pehme viga, mis on tagasipööratav. Väga tundlikes seadmetes võib üks ioon põhjustada mitme külgneva mäluraku mitmekordse häirimise. Üksiku sündmuse ärritused võivad saada üksiku sündmuse funktsionaalseteks ärritusteks, kui nad häirivad juhtimisahelaid, näiteks olekumasinaid, viivad seadme määratlemata olekusse, testrežiimi või seiskamiseni, mis vajaks taastamiseks lähtestamist või toitetsüklit.

Üksiku sündmuse haakumine

Üksiku sündmuse haakumine võib esineda igas parasiitilise PNPN-struktuuriga kiibis. Raske ioon või suure energiaga prooton, mis läbib ühte sisetransistori kahest ristmikust, võib sisse lülitada türistoritaolise struktuuri, mis jääb siis "lühisesse" (efekt, mida nimetatakse haakumiseks), kuni seade töötab toitel. Kuna efekt võib juhtuda jõuallika ja aluspinna vahel, võib olla tegemist hävitavalt suure vooluga ja komponent võib selletõttu üles öelda. Raske viga, pöördumatu.

Üksiku sündmuse snapback

Üksiku sündmusega snapback sarnaneb üksiku sündmuse haakumisega, kuid ei vaja PNPN-struktuuri, see võib olla indutseeritud N-kanaliga MOS-transistorides, mis vahetavad suuri voolusid, kui ioon tabab äravoolusõlme lähedal ja põhjustab laengukandjate laviinläbilöögi. Seejärel avaneb transistor ja jääb avatuks. Raske viga, pöördumatu.

Üksiku sündmuse põhjustatud läbipõlemine

Üksiku sündmuse põhjustatud läbipõlemine võib tekkida power-MOSFETides, kui aluspind otse allikapiirkonna all on ettepoole kallutatud ja äravooluallika pinge on parasiitstruktuuride purunemispingest kõrgem. Sellest tulenev suur vool ja kohalik ülekuumenemine võivad seejärel seadme hävitada. Raske viga, pöördumatu.

Üksiku sündmuse tõttu paisu purunemine

Üksiku sündmuse tõttu värava purunemine on täheldatav power-MOSFETides, kui raske ioon tabab värava piirkonda, samal ajal kui väravale rakendati kõrge pinge. Seejärel toimub ränidioksiidi isoleerkihis lokaalne lagunemine, mis põhjustab värava piirkonna lokaalse ülekuumenemise ja hävimise (näeb välja nagu mikroskoopiline plahvatus). See võib ilmneda isegi EEPROM-rakkudes kirjutamise või kustutamise ajal, kui rakud on suhteliselt kõrge pinge all. Raske viga, pöördumatu.

Üksiku sündmuse efektide testimine

Kuigi prootonkiiri kasutatakse kättesaadavuse tõttu laialdaselt üksiku sündmuste efektide testimiseks, siis madalamal energial võib prootonkiirgus sageli alahinnata üksiku sündmuste efektide vastuvõtlikkust. Veelgi enam, prootonkiired pakuvad seadmetele kogu ioniseeriva doosi rikke ohtu, mis võib prootonitestimise tulemusi summutada või põhjustada enneaegset seadme riket. Valged neutronkiired – näiliselt kõige esinduslikum üksiku sündmuste efektide katsemeetod – on tavaliselt saadud tahketest sihtpõhistest allikatest, mille tulemuseks on voo ebaühtlus ja väikeste kiirte pindalad. Valgete neutronikiirte energiaspektris on ka teatud määramatus, sageli kõrge termilise neutronisisaldusega.

Nii prooton- kui ka spallimisneutroni allikate puudusi saab vältida, kasutades üksikute sündmuste efektide testimiseks monoenergeetilisi 14 MeV neutroneid. Võimalik murekoht on see, et monoenergeetiliste neutronite indutseeritud üksikürituse mõjud ei esinda täpselt laia spektriga atmosfääri neutronite tegelikku mõju. Kuid hiljutised uuringud on näidanud, et vastupidi, ergeetilisi neutroneid – eriti 14 MeV neutronit – saab kasutada üksikute sündmuste efektide ristlõike üsna täpseks mõistmiseks kaasaegses mikroelektroonikas.

Uuring, mille 2010. aastal tegid Normand ja Dominik, ^[4] näitab võimsalt 14 MeV neutroni efektiivsust.

Peamised kiirguskahjustuse allikad

Elektroonika ioniseeriva kiirgusega kokkupuute tüüpilised allikad on Van Alleni kiirgusrihmad satelliitidele, tuumajaamade reaktorid andurite ja juhtimisahelate jaoks, osakeste kiirendid juhtelektroonika jaoks, eriti osakeste detektoriseadmed, jääkkiirgus isotoopidest kiibi pakkematerjalides, kosmiline kiirgus kosmosesõidukite ja kõrgelennukite jaoks ning potentsiaalselt kogu sõjalise ja tsiviilelektroonika tuumaplahvatused.

• Kosmilised kiired tulevad igast suunast ja koosnevad röntgeni- ja gammakiirgusest umbes 85% prootonitest, 14% alfaosakestest ja 1% rasketest ioonidest. Enamik mõjusid on põhjustatud osakestest, mille energia on vahemikus 0,1–20 GeV. Atmosfäär filtreerib suurema osa neist, seega on need murettekitavad peamiselt kosmoseaparaatidele ja kõrgetele lennukitele, kuid võivad mõjutada ka pinnal asuvaid tavalisi arvuteid.
• Päikeseosakeste sündmused tulevad päikese suunast ja koosnevad suure energiaga (mitme GeV) prootoni ja raskete ioonide suurest voost, millega kaasneb jällegi röntgenikiirgus.
• Van Alleni kiirgusvööd sisaldavad geomagnetvälja kinni jäänud elektrone (kuni umbes 10 MeV) ja prootoneid (kuni sadades MeV). Osakeste voog Maast kaugemal asuvates piirkondades võib suuresti varieeruda sõltuvalt Päikese ja magnetosfääri tegelikest tingimustest. Oma asukoha tõttu ohustavad nad satelliite.
• Sekundaarosakesed tulenevad muud liiki kiirguse ja elektroonikaseadmete ümber olevate struktuuride koostoimest.
• Tuumareaktorid toodavad gammakiirgust ja neutronkiirgust, mis võivad mõjutada tuumajaamade anduri- ja juhtimisahelaid.
• Osakeste kiirendid toodavad suure energiaga prootoneid ja elektrone ning nende vastastikmõjul tekkivad sekundaarosakesed, mis põhjustavad tundlikele juhtimis- ja osakeste detektorikomponentidele olulist kiirguskahjustust suurusjärgus 10 MRad(Si) aastas selliste süsteemide jaoks nagu suur hadronite põrguti.
• Tuumaplahvatused põhjustavad lühikese ja ülitugeva tõusu elektromagnetkiirguse laial spektril, elektromagnetilise impulsi (EMP), neutronkiirguse ning nii primaarsete kui ka sekundaarsete laetud osakeste voo kaudu. Tuumasõja korral võivad need tekitada muret kogu tsiviil- ja sõjaväeelektroonikale.
• Kiibi pakkematerjal oli salakaval kiirgusallikas, mis avastati 1970. aastatel uute DRAM-kiipide puhul pehmeid vigu põhjustamas. Radioaktiivsete elementide jäljed kiipide pakendites tekitasid alfaosakesi, mis aeg-ajalt tühjendasid osa DRAM-i andmebittide salvestamiseks kasutatud kondensaatoritest. Neid mõjusid on tänapäeval vähendatud puhtamate pakkematerjalide kasutamisega ning DRAM-vigade tuvastamise ja sageli nende parandamisega tänu vigade parandamise koodidega.

Kiirguskarastamise tehnikad

Tüüpilised füüsikalise kiirguskarastamise meetodid on isoleerivate substraatide kasutamine (nt silicon on sapphire või silicon on insulator tootmisprotsess), kasutades suuremat tootmisprotsessi sõlme (~500nm),^[5] bipolaarsete integraallülituste kasutamine, kiirgust taluva SRAM-i kasutamine. Tüüpilised loogilised kiirguskarastamise meetodid on vigade parandamine, ülearu elemente kasutada, valvetaimeri kasutamine.^[6]

Füüsikalised tehnikad

Kiipide kaitsmine ammendunud boori abil

Ammendunud boor koosneb ainult isotoobist boor-11. Kosmiline kiirgus tekitab sekundaarseid neutroneid, kui see tabab kosmoseaparaadi struktuure ja neutronid põhjustavad lõhustumist boor-10s, kui see esineb kosmoseaparaadi pooljuhtides, tekitades gammakiire, alfaosakese ja liitiumiooni. Saadud lõhustumisproduktid võivad seejärel laengu anda lähedalasuvatesse pooljuhtkiibi struktuuridesse, põhjustades andmete kadu (bittide pööramine või üksiku sündmuse häirimine). Kiirguskarastatud pooljuhtkonstruktsioonides on üheks vastumeetmeks kasutada ammendunud boori, mis on hästi rikastatud boor-11 kus ei peaaegu ei sisaldu üldse boor-10t. Boor-11 on suures osas kiirguskahjustuste suhtes immuunne ja see on tuumatööstuse kõrvalsaadus.

Valvetaimerite kasutamine

Valvetaimerit saab kasutada süsteemi lähtestamiseks, välja arvatud juhul, kui viiakse läbi mõni järjestus, mis üldiselt näitab süsteemi elamist, näiteks pardal oleva protsessori kirjutusoperatsioon. Tavaliste toimingute ajal ajastab tarkvara valvetaimerisse kirjutamise korrapäraste ajavahemike järel, et taimer otsa ei saaks. Kui kiirgus häirib protsessorit, on ebatõenäoline, et tarkvara töötab valvetaimeri uuendamiseks õigesti. Valvetaimer aegub ja sunnib süsteemi lähtestama. Seda kasutatakse viimase abinõuna kiirguskarastamise meetodina.

Loogilised tehnikad

Vigu parandav mälu (ECC-mälu) kasutab rikutud andmete kontrollimiseks ja võimalikuks parandamiseks täiendavaid pariteedibitte. Kuna kiirgusefektid kahjustavad mälusisu isegi siis, kui süsteem ei kasuta RAM-i, tuleb lisada "puhastaja" vooluahel, mis pidevalt pühib RAM-i; loeb andmed välja, pariteedi kontrollimine andmevigade suhtes ja seejärel RAM-i paranduste kirjutamine

Ülearu elemente saab kasutada süsteemi tasandil. Mitu iseseisvat mikroprotsessorit võivad vastuse iseseisvalt välja arvutada ja enda vastuseid võrrelda. Iga süsteem, mis annab vähemuse tulemuse, arvutab uuesti. Loogikat võib edasi arendada nii, et kui samast süsteemist ilmnevad korduvad vead, siis see lülitatakse välja.

Vooluringi tasemel võib kasutada üleliigseid elemente.^[7] Võib ühe biti asendada kolme bitiga ja iga biti jaoks eraldi "hääletamisloogika" ehk iga biti tulemuse pidev määramine häälteenamusega. See suurendab kiibi kujunduse pindala 5 korda, seega tuleb see reserveerida väiksemate kujunduste jaoks. Kuid sellel on sekundaarne eelis, kuna see on ka reaalajas "tõrkekindel". Ühe bitise rikke korral (mis ei pruugi olla seotud kiirgusega) jätkab hääletamise loogika õige tulemuse määramist valvetaimerit kasutamata. Kolme eraldi protsessoriga süsteemi vahel hääletamine süsteemitasandil peab kolme protsessorisüsteemi vaheliste hääletuste läbiviimiseks kasutama mõnda vooluringi tasemel hääletamise loogikat.

Viited

1. "What are Radiation-hardened electronics?". Vaadatud 24.04.2021.
2. "Radiation hardening". Originaali arhiivikoopia seisuga 24.04.2021. Vaadatud 24.04.2021.
3. Messenger, G.C, Milton Ash (2013). Single Event Phenomena. Springer Science & Business Media. Lk 12-13. ISBN 1461560438.
4. E. Normand L. Dominik (2010). Cross Comparison Guide for Results of Neutron SEE Testing of Microelectronics Applicable to Avionics. IEEE Radiation Effects Data Workshop. Lk 8-8. ISBN 978-1-4244-8404-1.
5. "The other Atmel: Radiation Hardened Sparc CPU's". 27.06.2009.
6. Fa-Xin Yu, Jia-Rui Liu, Zheng-Liang Huang, Hao Luo, Zhe-Ming Lu (2010). "Overview of Radiation Hardening Techniques for IC Design". Vaadatud 1.05.2021.
7. Platteter, Dale G (oktoober 1980). Protection of LSI Microprocessors using Triple Modular Redundancy. International IEEE Symposium on Fault Tolerant Computing.