Desenvolvimento de um Sistema de Caracterização Elétrica dos Efeitos da Radiação Ionizante em Dispositivos Semicondutores e Circuitos Integrados

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1 Desenvolvimento de um Sistema de Caracterização Elétrica dos Efeitos da Radiação Ionizante em Dispositivos Semicondutores e Circuitos Integrados "A principal vantagem da Plataforma PXIE em relação a outras opções de instrumentação para ser utilizado no Projeto é sua portabilidade, pois o seu tamanho, em termos de volume, e peso são muito reduzidos quando comparado a outros sistemas no mercado." - Luis Eduardo S. Junior, Centro Universitário da FEI e Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer - CTI em cooperação ( O desafio: No Brasil infraestruturas ou facilities para execução de ensaios de dispositivos eletrônicos sob - radiação são raras como: Instituto de Estudos Avançados da Aeronáutica - IEAv, no Laboratório de Radiação Ionizante entre outros; Instituto de Física da USP - IFUSP no Departamento de Física Nuclear, Laboratórios LAMFI e Pelletron; Centro Universitário da FEI - Departamento de Física, Laboratório de Materiais - raios-x. Essas instituições possuem infraestruturas como: Aceleradores de partículas, fontes de CO60, fonte de Nêutrons e de raios - X. Nesses ambientes durante os ensaios de dispositivos eletrônicos, normalmente são necessários diferentes set-ups, no sentido de configurações dos testes, por exemplo: testes remotos, onde; um PC acessa os instrumentos via rede, pois não é possível presença de operadores nesses ambientes. Os dados têm que ser adquiridos on-line nos ensaios, objetivando-se uma caracterização dos efeitos durante o transitório do processo de teste. Há necessidade de um sistema minimizado de testes parcialmente automatizado, especificado para atender a capacidade de desenvolver testes elétricos de caracterização de circuitos integrados pré-irradiado, irradiado e pós-irradiação. A solução: Foi desenvolvido para as instituições: INPE, IEAv, IFUSP e FEI, um sistema ou plataforma reconfigurável e inédito na área de testes de irradiação de componentes eletrônicos, utilizado durante e após os ensaios de radiação. Este sistema se propõe ao armazenamento de informações aplicáveis ao teste das características elétricas de circuitos integrados analógicos, digitais ou mistos, com o propósito de facilitar verificação das alterações dessas características para avaliação da robustez ou sua tolerância à radiação. Trata-se da integração de um hardware flexível para a avaliação de medidas elétricas, podendo incorporar vários procedimentos de testes necessários a uma instrumentação conectada a um mesmo barramento do tipo PCI estendido (PXIE - PCI extensions for Instrumentation) de um computador para controle dos instrumentos e leitura dos dados adquiridos, usando softwares de linguagens gráficas. É um sistema versátil, que pode ser utilizado para análise de dispositivos eletrônicos, além de ser de fácil reconfiguração, portátil, enfim compacto. Podendo esse ser utilizado, por exemplo, para avaliação dos efeitos da radiação em semicondutores sem que haja interferência do operador no ensaio de irradiação, onde os dispositivos têm que ser alimentados eletricamente, e após irradiação a aquisição das medidas de caracterização desses. Autor(es): Luis Eduardo S. Junior - Centro Universitário da FEI e Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer - CTI em cooperação ( Prof. Dr. Salvador Gimenez P. Gimenez - Centro Universitário da FEI Professora Dra. Marcilei Guazzelli - Centro Universitário da FEI Prof. Dr. Saulo Finco - Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer ( Com o tema Desenvolvimento de um sistema de caracterização elétrica dos efeitos da radiação ionizante em dispositivos semicondutores e circuitos integrados, orientado pelo Professor Dr. Salvador Gimenez com colaboração da Professora Dra. Marcilei Guazzelli e do Pesquisador Dr. Saulo Finco o aluno e pesquisador Luis Eduardo Seixas Jr. objetiva a criação de um sistema automatizado, reconfigurável e inédito para armazenamento de informações sobre circuitos integrados analógicos, digitais ou mistos, com o propósito de facilitar o acesso às alterações das características elétricas para avaliação da robustez de cada um deles submetidos aos efeitos da radiação. Esses efeitos sobre tais circuitos podem ser acumulativos, que resultam na degradação das características dos seus parâmetros elétricos ao longo tempo (Total Ionizing Dose, TID) ou podem alterar momentaneamente o seu funcionamento (Single Event Effects, SEE). Este trabalho, portanto, foca nos testes de qualificação que devem ser realizados para verificação da robustez desses dispositivos em ambientes radioativos. Para tanto, planeja a integração de um hardware flexível para a avaliação de medidas elétricas, conectado via barramento PXI de um computador para leitura dos dados adquiridos com o software LABVIEW. É um sistema versátil, que pode ser utilizado para análise de dispositivos eletrônicos, além de ser de fácil reconfiguração, afirma o pesquisador. O engenheiro realiza estudos das normas que dispõem sobre os ensaios para a caracterização de transistores, a fim de executar testes práticos. Na FEI, são feitos ensaios no equipamento de raios-x, fonte energética controlada e segura, que foi totalmente calibrada para poder ser aplicada nessa área de pesquisa. Os dispositivos são submetidos a diferentes doses de radiação e também à variação de taxas de dose, observa. A calibração do equipamento é feita pela Professora Marcilei Guazzelli, que também é interface do Centro Universitário no Instituto de Física da Universidade de São Paulo para a realização de testes de radiação ionizante no acelerador de partículas, chamado Pelletron. Os dispositivos estudados pelo doutorando também serão submetidos a essa tecnologia e a fontes de Cobalto 60, recurso de energia natural e limitado que desempenha ação similar à dos raios-x, porém, em menor intensidade, conforme o que é estabelecido em normas de estudos internacionais. Há necessidade pelo Programa Espacial Brasileiro (PEB) de componentes eletrônicos qualificados para aplicação espacial, pois os circuitos integrados (CIs) e eletrônicos são fortemente influenciados pelas radiações ionizantes. Para atender os rigorosos requisitos de operação desses CIs em ambiente espacial, há necessidade da realização de testes de confiabilidade para a comprovação de sua tolerância às radiações ionizantes antes de sua utilização. Nesse contexto, a ideia de iniciar uma rede tecnológica para testes de caracterização de sensibilidade à radiação ionizante de dispositivos e circuitos integrados é pioneira no Brasil. Então, foi especificada uma plataforma integrada baseada em sistemas PXI, reconfiguráveis, intercambiáveis, cujo principal objetivo é formar uma biblioteca de programas para testes in-situ durante e após os ensaios de radiação de componentes passivos, dispositivos semicondutores, CIs e sistemas eletrônicos. Não obstante, essa plataforma agrega conhecimento, estimulando a formação de recursos humanos na área de testes dos efeitos das radiações sobre componentes eletrônicos. Tal rede é formada pelas instituições: Instituto de Estudos Avançados da Aeronáutica (IEAv), Instituto de Física da USP (IFUSP), Centro Universitário da FEI, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI). 1/6

2 Tabela 1 - Descrição da instrumentação de modular especificada como solução para teste de dispositivos semicondutores e circuitos integrados digitais ou mistos. Componente Modelo Descrição Resumida Quantidade PXIE-1062Q Gabinete PXI (Chassis, 8-SLOT 3U) 01 NI PXIe-8135 PC compacto de controle (CORE I7-2.3 GHz) 01 NI PXI-4072 DMM Multímetro Digital (6 ½ dígitos) 01 NI PXIe-6259 DAQ Placa Multifunção de Aquisição de Dados 01 NI PXI-4110 DC Fonte de Tensão DC programável (com tripla saída) 01 NI PXI-4130 SMU Fonte SMU de potência de 4 quadrantes 03 NI PXI-4132 SMU Fonte SMU de precisão de 4 quadrantes 01 NI PXI-5153 SCOPE Placa Digitalizadora ou Osciloscópio 01 NI PXI-5406 FGEN Gerador de Funções Arbitrárias 01 NI PXI-5652 RFGEN Gerador de SINAIS RF (6.6 GHz) 01 NI PXI-2532 SWITCH Matriz para multiplexação de canais 512 pontos 01 NI PXI-7852R FPGA VIRTEX-5 LX50 R Série Multifunção I/O 01 Caso 1 - Caracterização de MOSFETs quanto à sensibilidade ao TID. Neste estudo foram testados seis dispositivos MOSFETs (fabricados em tecnologia CMOS 0,35 μm) que foram expostos à radiação por prótons através de um acelerador eletrostático do tipo Tandem de energia igual a 1,7 MeV, chamado, Pelletron no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP) visto na Figura-2. O efeito TID é acumulativo, que resultam na degradação das características dos parâmetros elétricos do dispositivo eletrônico ao longo tempo. O método utilizado para caracterização do TID é descrito conforme a norma Total Dose Steady-State Irradiation Test Method, ESCC Basic Specification No , ESA, October Caso 2 - Caracterização de MOSFETs quanto à sensibilidade ao SEE. Neste caso foi realizado um estudo comparativo entre duas estruturas de MOSFET com diferentes layouts, onde: um MOSFET convencional (CM) e o outro um Diamante MOSFET (DM) para verificação da sensibilidade desses dispositivos a SEE. Ambos dispositivos foram fabricados com a mesma tecnologia CMOS 0.35μm e têm a mesma razão geométrica (W/L) e área. O efeito por evento singular (SEE) é transitório, no qual uma carga energética é depositada diretamente dentro do dispositivo, podendo perturbar o seu comportamento, ou mesmo causar uma falha permanente desse. Para caracterizar um SEE é necessário um íon de alta energia se chocar diretamente com a região ativa do dispositivo eletrônico. O método utilizado para caracterização do SEE é descrito conforme a norma ESA/SCC No SEE Test Method. Os feixes de íons foram produzidos através do acelerador 8 UD Pelletron IFUSP, a energias de até 70 MeV disponíveis para os íons mais pesados. A Figura-5 mostra os DUTs e os fixtures para dentro da câmara de vácuo. Resultados dos SEEs foram gravados no computador do sistema PXI, controlado remotamente da sala de controle do acelerador de partículas Pelletron - IFUSP. Conclusão: Estes sistemas se propõem ao armazenamento e ao compartilhamento de informações aplicáveis nos testes das características elétricas de circuitos integrados analógicos, digitais ou mistos, para caracterização quanto à tolerância a TID e SEE. Isso, portanto, faz parte da biblioteca da plataforma de testes utilizada conjuntamente às facilidades nas instituições envolvidas no projeto. Agradecimentos: À iniciativa do governo federal que reúne, entre outros, Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, Agência Espacial Brasileira (AEB), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação de Amparo à Pesquisa no Estado de São Paulo (FAPESP), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Agência Brasileira da Inovação (FINEP), Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e Instituto de Estudos Avançados (IEAv) e do Centro Universitário da FEI. Informações do autor: Luis Eduardo S. Junior Centro Universitário da FEI e Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer - CTI em cooperação ( Brasil 2/6

3 Figura 1a: Fixture e o DUT em frente à saída do feixe de prótons (IFUSP). Figura 1b: Fixture e o DUT em frente à saída do feixe de prótons (IFUSP). 3/6

4 VI caracteriza TID por avaliação dos desvios nos parâmetros da curva I-V do MOSFET. VI caracteriza TID por avaliação dos desvios nos parâmetros da curva I-V do MOSFET. 4/6

5 Figura 4a:Foto do fixture (verde) numa câmara de vácuo Figura 4b:Sistema PXI utilizado durante o teste de sensibilidade à SEE de MOSFETs. 5/6

6 Informações legais Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA NOS TERMOS DE USO DA NI.COM ( ( 6/6