Viktiga tester för elektronik i rymdapplikationer

För att säkerställa att elektroniska komponenter i rymdapplikationer inte ska gå sönder eller försämras under de hårda förhållandena i rymdmiljö, som strålning, måste elektriska komponenter genomgå omfattande tester och verifieringar. Tunga joner som rör sig genom rymden kan orsaka enstaka händelseeffekter (SEE) som leder till permanenta fel och försämringar i elektroniken.

Krafthalvledare monterade på rymdsatelliter genomgår vanligtvis SEE-utvärderingar enligt JESD 57A, ESCC 25100 och MIL 750 TM 1080-standarderna* före uppdraget för att verifiera komponenternas stråltolerans. Utvärderingsmetoderna inom dessa standarder inkluderar tröskelvärden för LET/drain-bias, saturation LET, vinkelverkan och pre-bestrålningsmätning. Därför begränsar de flesta institutioner och företag SEE-utvärderingar till oanvända krafthalvledare innan uppdraget utförs. Men i rymdmiljön kräver krafthalvledare som utsätts för tungjonskada under drift mer avancerade SEE-tester som tar hänsyn till dessa realistiska förhållanden.

Produktion och testning av dessa specialiserade komponenter medför höga kostnader. Under åren har rymdteknikföretag börjat undersöka användningen av kommersiellt tillgängliga komponenter (COTS) för att minska dessa kostnader. Att gå från stråltåliga specialkomponenter till kommersiellt tillgängliga komponenter förväntas sänka utvecklingskostnaderna för rymdteknik. För institutioner och företag som utvecklar satelliter kan användningen av endast strålningståliga enheter dock vara en betydande ekonomisk börda.

Nyligen arrangerade och deltog RISE-experten Jang-Kwon Lim i sådana tester för SiC-kraftenheter och GaN RF-transistorer. Tillsammans med det sydkoreanska företaget QRT Inc. och två institut, ETRI (Electronics and Telecommunications Research Institute) och KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute), genomfördes tungjonsstrålningsmätningar på kommersiella kraft-MOSFET.

En MOSFET, eller metal-oxid-halvledarfälteffekttransistor, är en typ av fälteffekttransistor (FET) som vanligtvis tillverkas genom kontrollerad oxidation av kisel. Den har en isolerad grind, vars spänning bestämmer enhetens ledningsförmåga. Denna förmåga att ändra ledningsförmågan med mängden applicerad spänning kan användas för att förstärka eller växla elektroniska signaler. Den främsta fördelen med en MOSFET är att den kräver nästan ingen ingångsström för att styra lastströmmen, jämfört med bipolära junctiontransistorer (BJT). MOSFET
är de vanligaste transistorerna i digitala kretsar, eftersom miljarder kan inkluderas i ett minneschip eller en mikroprocessor.

Testresultaten visade att det är viktigt att testa kraft-MOSFET
i ett mer realistiskt grindväxlingsläge istället för den konventionella icke-växlingsmetoden som vanligtvis används.

"Under tungjonsstrålning var grindväxlingsläget det mest krävande, så det är viktigt att testa under detta mer realistiska förhållande", säger RISE
senior expert Dr. Jang-Kwon Lim. "Under testerna identifierade vi kraft-MOSFET
som visade hög motståndskraft mot tungjonsstrålningsskador som kan vara kandidater som COTS-komponenter för rymdapplikationer."

Tester utfördes vid RADEF-strålanläggningen i Finland. RADEF, RADiation Effects Facility, specialiserar sig på tillämpad forskning relaterad till kärn- och acceleratorbaserade teknologier för att studera strålningseffekter i elektronik och relaterade material.

Dessa aktiviteter framhäver RISE expertis inom Wide Band Gap (WBG) kraftenheter under sådana rigorösa tester. Genom att utnyttja vår djupa tekniska kunskap och avancerade testmöjligheter ligger vi i framkant när det gäller att säkerställa tillförlitligheten och prestandan hos krafthalvledare i rymdapplikationer.

För mer information om dessa tester och resultaten, kontakta Dr. Jang-Kwon Lim (jang-kwon.lim@ri.se).

*JESD 57A: En standard som beskriver procedurer för att utvärdera stråltoleransen hos mikroelektroniska enheter för enstaka händelseeffekter (SEE).

*ESCC 25100: En europeisk standard för att testa känsligheten hos elektroniska komponenter för strålning, inklusive tungjons- och protonexponering, för att säkerställa deras tillförlitlighet i rymdmiljöer.

*MIL 750 TM 1080: En militär standard som specificerar metoder för att bedöma strålningseffekter på halvledarenheter, inklusive SEE-testning, för att säkerställa deras prestanda och hållbarhet i strålningsutsatta miljöer.