PROJETO PEICE. Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante em Componentes Eletrônicos e Fotônicos

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1 PROJETO PEICE Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante em Componentes Eletrônicos e Fotônicos Odair Lelis Gonçalez (IEAv) Executor: INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS (IEAv) Convenente: FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA, APLICAÇÕES E TECNOLOGIA ESPACIAIS (FUNCATE) Financiamento: FINEP Fundo Aeronáutico Dez/2007-Dez/2009 Dez/2010 Set/2011

2 Projeto PEICE - Estudo dos efeitos da radiação ionizante em componentes eletrônicos e fotônicos Motivação: O desenvolvimento de qualquer projeto visando aplicações aeroespaciais deve considerar os efeitos que a contínua ação da radiação cósmica provoca em materiais e componentes, tais como, dispositivos semi-condutores analógicos e digitais, memórias, processadores, fibras óticas e dispositivos de ótica integrada. O uso e o desenvolvimento de produtos resistentes à radiação no país exige o investimento em pesquisa e na criação de sistemas adequados para sua qualificação.

3 Suporte financeiro: CT-Aeronáutico Convênio FINEP Valor total: R$ ,28 R$ ,78 (69%) - materiais, serviços, equipamentos R$ ,50 (31%) - para bolsas DTI. Duração prevista: 2 anos (Dez/2007-Dez/2009) Bolsistas: 5 bacharéis e 2 mestres Colaboradores: UFRGS, INPE, IFUSP Projetos ligados: ITASAT, SIA e QDIP/QWIP

4 Objetivo geral Realização de pesquisa sobre os efeitos da radiação ionizante em: componentes e dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, sensores, fibras ópticas, circuitos analógicos e digitais, memórias, processadores e FPGAs Aplicação aeroespacial e na defesa, com foco nos projetos ligados e demandas de colaboradores.

5 Resultados esperados: Ampliação da capacitação do grupo para a avaliação experimental dos efeitos da radiação ionizante. Consolidação das metodologias e processos para a qualificação de componentes e circuitos quanto à tolerância à radiação cósmica para uso em satélites e aeronaves. Estabelecimento de um centro de referência na caracterização de componentes quanto à durabilidade em ambiente sujeito à radiação cósmica. Formação de um grupo multi-institucional de P&D sobre os efeitos da radiação ionizante em componentes e materiais de uso aeroespacial.

6 Meta 1: Melhoria da infra-estrutura de pesquisa: a) LRI Laboratório de Radiação Ionizante b) LCDS Laboratório de Caracterização de Dispositivos Semicondutores Capacitação para experimentos e testes de qualificação para TID

7 Metas 2, 3 e 4: Realização de experimentos para estudo do efeito de dose total de radiação ionizante (TID) com radiação gama do 60Co Estudo do aumento da atenuação de fibras ópticas Efeitos da Radiação Ionizante no Conversor de Tensão DC/DC LM2596 Análise dos Efeitos de Irradiação Ionizante em dois Amplificadores Operacionais Efeitos de TID FPGA Efeitos de TID num FPAA Teste de upscreening do transistor JANTX2N2219A Análise dos efeitos da radiação em memórias DRAM, SRAM e FRAM Medidas de TID numa matriz de transistores

8 Efeito da Radiação em Fibra Óptica Utilizada em Giroscópio à Fibra Óptica XI SIGE (ITA) A( db) P.[1 exp( P2 t)] P3.[1 exp( P4 P 1 P P 2 3 P 4 C DT 1 1 T1 C 2 1 T 2 1 t 1 DT 2 )]

9 Tensão de Saída (V) Tensão de Saída (V) Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante no Conversor de Tensão DC/DC LM Brazilian Symposium on Aerospace Eng. & Applications Multímetro GPIB BUS Osciloscópio Fonte 0-60V/50A Fonte Co 60 GPIB-LAN Plataforma Virtual VEE Tensão de Entrada (V) Limiar de dose acumulada [krad(si)] 6 19, , , , , , , , V 10 V 15 V 20 V 25 V 30 V 35 V 40 V V 10 V 15 V 20 V 25 V 30 V 35 V 40 V Dose Total Absorvida [krad(si)] 0 0:00:00 48:00:00 96:00:00 144:00:00 192:00:00 240:00:00 Tempo (h)

10 SR [V/us] Amplitude [V] Corrente [ua] SR [V/us] TID em Amplificadores Operacionais (até 500 Krad) XII SIGE (ITA) Gerador GPIB Multímetro GPIB Osciloscópio GPIB 1 Canal 2 Canais 2 Canais Fonte Co60 PCI Rede LAN IEAv Dose [krad] Dose [krad] krad 300krad 500krad Dose [krad] k Frequência [Hz]

11 TID em FPGA IEEE Trans. Nucl. Science, 2010

12 TID em FPAA

13 Medidas da dose de radiação em altitudes de vôo Medidas do espectro e fluxo de nêutrons no solo em várias altitudes

14 Meta 5: Fomentar a Criação de Rede de P&D Workshops: três (ICT, Universidades, Iniciativa privada) Reuniões com várias instituições (públicas e privadas), e Promoção de interação entre diferentes instituições

15 Grupos de Trabalho OBJETIVO Estudar as condições materiais e humanas para desenvolver e qualificar no País circuitos integrados resistentes a radiações ionizantes. ESCOPO Definição de um conjunto de referências balizadoras para subsidiar a elaboração de um programa voltado para: o estabelecimento de uma infra-estrutura distribuída capaz de apoiar e prover a criação e obtenção de circuitos integrados resistentes a radiação ionizante e A formação de recursos humanos qualificados para atuar nas áreas de interesse.

16 Grupos de Trabalho Dr. Issamu (INPE), Dr. Alirio (INPE), Maria Helena (Omnisys), Dr. Nicolás (Mosaico), Dr. Leandro (Opto), Dr. Jackson (AEB), Dr. Gustavo (SM-DH), Dr. Odair (IEAv), Angelo (IEAv), Dr. Nemitala (IFUSP), Dr. Jader (CTI), Dr. Saulo (CTI), Dr Marcio (CTI) Dra. Fernanda (UFRGS), Dr. Gilson (UFRGS)

17 Grupos de Trabalho Grupo de Requisitos e Especificações Identificar componentes e requisitos relevantes ao programa espacial Identificar funções (ASICS) Priorizar, fornecendo estimativas de necessidades para os próximos 5 anos, visando contribuir para a elaboração de planos de ação de órgãos de elaboração de políticas estratégicas. Identificar normas relevantes Identificar requisitos para qualificação de componentes

18 Grupos de Trabalho Grupo de Projetos e Fabricação Identificar demandas tecnológicas; Identificar problemas relacionados com a geração de projetos; Identificar tecnologias a serem utilizadas ; Identificar técnicas de endurecimento do projeto; e Priorizar necessidades e investimentos.

19 Grupos de Trabalho Grupo de Encapsulamento e Testes Necessidades previstas x instalações previstas; e identificação de prioridades para novos investimentos. Grupo de Validação e Qualificação Instalações existentes e suas áreas de atuação; Necessidades x recursos existentes, o que falta no País; Priorização; e Identificar plataformas para testes de componentes.

20 Grupos de Trabalho Grupo de Negócios (financiamento e PI) Identificar áreas de contato do setor aeroespacial outras possíveis fontes de financiamento que permitissem criar as condições para formar a capacitação desejada para atender as necessidades do setor espacial brasileiro (no contexto de componentes robustecidos). Buscar as justificativas para os desenvolvimentos propostos e possível impactos em outras áreas de interesse para o País. Fazer o levantamento de problemas e propostas de soluções (estratégias) relacionados com a propriedade intelectual

21 Grupos de Trabalho Grupo de Requisitos e Especificações Componentes relevantes para o programa espacial ID Descrição C1 Osciladores (VCO e PLL) C2 PWM - Pulse Width Modulator C3 Transistores de RF (UHF) C4 Conversores DC/DC (miniaturizados até 100W, V) C5 Transistores MOSFET C6 Circuito integrado digital memória PROM C7 Circuito integrado digital comunicação 1553 C8 Circuito integrado digital LVDS 031 Line driver C9 Circuito integrado digital LVDS 032 line receiver C10 Circuito integrado digital LVDM crosspoint C11 Microcontrolador 196 C12 FPGA C13 Sensor de Imagem CCD linear C14 Sensor de Imagem APS com 1000 x 1000 elementos C15 Sensor de Imagem com array linear de microbolômetros C16 Sensor de imagem na banda SWIR Em uso 2020 perspectivas upscreening (C1-C12) Desenvolvimento (C13-C16) (questão estratégica)

22 Grupos de Trabalho Grupo de Requisitos e Especificações Funções relevantes identificadas. ID Função F1 Chave de potência MOSFET com limitação de corrente, com possível aplicação para conversores DC/DC de tensão. Consiste de um CI misto analógico-digital capaz de controlar correntes in-rush em equipamentos e mitigar o efeito de latch-up em componentes sensíveis à radiação; F2 Circuito driver utilizado para a geração do pulso de telecomando On/Off. É um circuito integrado misto analógico/digital, amplamente utilizado em projetos de sistemas eletrônicos embarcados em satélites; F3 ASIC para plano focal do sensor CCD de câmeras imageadoras incluindo as funções: drivers clocks, CDS digital, polarizações, e conversão A/D; F4 Função de controle de comunicação avançado utilizando o bus MIL-STD 1553; F5 Função de interface de comunicação de rede, segundo a especificação SpaceWire da ESA (ECCS). SpaceWire é um protocolo utilizado na troca de informação entre equipamentos embarcados em satélites. Em uso Desejável ASICS

23 Grupos de Trabalho Grupo de Projetos e Fabricação Recomendações I Desenvolver biblioteca de células (digitais e analógica) endurecidas à radiação. Desenvolver microcontrolador modular, a partir de blocos e periféricos de base. Priorizar uso de processos de fabricação convencionais. Investir na interface entre potenciais clientes (INPE, empresas do setor aeroespacial) e centros de P&D/universidades. Projetar-se no pais um microcontrolador modular, endurecido à radiação, com os módulos distribuídos às DHs. Promover intercâmbios (no país e exterior) de treinamento, de modo a fomentar parcerias comerciais e/ou acadêmicas. Utilização de tecnologias convencionais, mas com CI s endurecidos via técnicas de projeto e/ou layout especial.

24 Grupos de Trabalho Grupo de Projetos e Fabricação Recomendações II Utilização de tecnologias endurecidas, assim como SOI e EPI-CMOS. Identificar custos. Identificar as foundries que venderiam para o Brasil CIs endurecidos à radiação. Identificar necessidades de encapsulamento especial para altas e baixas temperaturas, umidade, etc... Identificar fornecedores, custo e disponibilidade de venda para o Brasil. Considerando processos convencionais de fabricação, além de técnicas de layout (ELT, guard rings, etc.), adquirir know-how em técnicas de circuito (DICE, redundância temporal, TMR, polarização dinâmica de substrato,etc.) e de sistema (códigos de bloco).

25 Grupos de Trabalho Grupo de Projetos e Fabricação Recomendações III Promover intercambio entre pesquisadores no Brasil e no exterior. Aumentar a formação de recursos humanos na área. RH preparado para atuar em CIs robustos para radiação é capaz de migrar com facilidade para a área de sistemas, contribuindo para transferir para a iniciativa privada o conhecimento para atuarem no setor espacial. Desenvolvimento de IPs tolerante não vinculada a patentes internacionais (patentes e produtos próprios). Sendo o CEITEC, certamente, parte da solução na questão processo, investimentos em equipamentos serão provavelmente necessários por parte do governo.

26 Grupos de Trabalho Grupo de Validação e Qualificação Recomendações gerais Fomentar a integração da comunidade de testes (Universidades e Institutos de pesquisa) Investir na criação de infraestrutura de irradiação com valores altos de energia/nucleon para caracterização em ensaios DD e SEE. Fomentar a formação de RH qualificados para a especificação de condições adequadas de irradiação em função do experimento pretendido. Fomentar a colaboração nacional e internacional para o desenvolvimento de plataformas de testes com transferência de tecnologia. Fomentar o intercâmbio de pesquisadores e estudantes com instituições nacionais e do exterior, para trabalhar na realização de experimentos de estudo de efeitos de radiação em diferentes tipos de componentes.

27 Grupos de Trabalho Grupo de Negócios (financiamento e PI) Identificar áreas de contato do setor aeroespacial outras possíveis fontes de financiamento que permitam criar as condições para formar a capacitação desejada para atender as necessidades do setor espacial brasileiro (no contexto de componentes robustecidos). Buscar as justificativas para os desenvolvimentos propostos e possível impactos em outras áreas de interesse para o País. Fazer o levantamento de problemas e propostas de soluções (estratégias) relacionados com a propriedade intelectual

28 Próximos passos Definidos os componentes de interesse, identificar: Tecnológica Dificuldades de desenvolvimento Tecnologias chave Potencial de mercado dual Potencial de mercado intermediário Perspectivas de uso futuro Valor agregado Estabelecimento de biblioteca(s) de células básicas, módulos básicos, e resultados de ensaios (radiação) Urgência na definição do modelo de PI, divulgação de resultados, formalização de documentação e regras de uso Participação da Iniciativa Privada Gestão do conhecimento Questões estratégicas e de Mercado (sustentabilidade)

29 Próximos passos Refinamento do levantamento de necessidades de infraestrutura e Priorização de investimentos Revisão Buscar mecanismos complementares de financiamento do desenvolvimento, incluindo a iniciativa privada Estabelecer relações de confiança entre os vários atores: Definição do negócio Identificação de competências PI Caminho tecnológico

30 Eventos importantes Novos projetos - Continuidade de investimentos CTI-FINEP-MCT -> CITAR : desenvolvimento CIs robustecidos P&D MCT/CNPq/AEB 033/2010 -> RH UNIESPAÇO Reorientação do ITASAT Convênio LSI-Tec Cubesats SERESSA

31 DISCUSSÕES Mais incentivo ao mercado (inter)nacional de produtos dos mais diversos setores, como automobilístico(?) Mais apoio da política de defesa nacional As quotas governamentais terão preferência no desenvolvimento tecnológico no país A questão é explorar esse recurso (mais motivação da iniciativa privada?)

32 DISCUSSÕES Não adianta só olhar para o nosso mercado, se quisermos atuar na área devemos olhar com seriedade para mercados internacionais Nós temos acordo com a China, com uma série de problemas. Por que também não haver acordo com Índia e Japão por exemplo no setor de satélites geoestacionários? A maior dificuldade do Inpe é a interação com a China (gerou dificuldade de importação) Não se sabe de onde serão lançados nossos satélites PMN, se for lançadores da China poderá ter embargo

33 DISCUSSÕES Componentes espaciais e sua implementação são caros por natureza A ideia seria gastar parte dos R$ 30 milhões do CBERS no próprio Brasil e diversificar o recurso para outros projetos que não do âmbito aeroespacial No entanto, Ângelo defende que a China cresceu no setor, mais que o Brasil Jackson quer focar mais no setor nacional do que discutir o âmbito internacional, ele acha mais importante

34 DISCUSSÕES Componentes espaciais e sua implementação são caros por natureza A ideia seria gastar parte dos R$ 30 milhões do CBERS no próprio Brasil e diversificar o recurso para outros projetos que não do âmbito aeroespacial No entanto, Ângelo defende que a China cresceu no setor, mais que o Brasil Jackson quer focar mais no setor nacional do que discutir o âmbito internacional, ele acha mais importante

35 DISCUSSÕES Saulo: É necessário fazer um prospecto das necessidades Por exemplo, temos DH s crescendo bem, deveríamos pensar em como consolidar a demanda para utilizar a mão de obra das academias brasileira É necessário fazer uma interação maior entre as diversas instituições no sentido de começar de fato a fabricar componentes rad hard e outros qualificados NACIONAIS Jackson: busca contato com setor automobilístico, forças armadas (Saulo concorda)

36 DISCUSSÕES Odair participou de congresso na marinha sobre o ambiente cósmico radioativo e componentes rad hard, eles manifestaram interesse Saulo: tem acesso pelo CTI ao exército. Quer propor interação Márcio fialho: falou sobre exploração petrolífera de poços profundos. As técnicas para tornar componentes resistentes a Altas profundidades são bem semelhantes às técnicas rad hard. Ângelo disse que há parcial contato nesse sentido com a Petrobrás (só falta $$ por parte da Petrobras)

37 DISCUSSÕES Apresentação institucional para a área seria interessante, segundo Ângelo Jackson quer focar na realidade, quer formar uma lista de colaboradores Ângelo quer nomear pessoas para fazer contatos Márcio cita indústria de aviação civil. EMBRAER, por exemplo Foi levantado a necessidade de indústria que queira trabalhar com rad hard? Exemplo: Philips, GE, medicina, etc, etc... Não seria interessante convidar a grande indústria para nossos eventos?

38 DISCUSSÕES Ângelo reforça: cadê a iniciativa privada? Saulo: sugestões Nós aqui nos organizarmos como sociedade Elaboração de um plano estratégico que deverá evoluir para um plano de negócios Jackson: antes de falar em quem devemos falar em como Saulo e Jackson concordam em documentar como fazer para depois definir quem fazer Saulo reforça preparar a sociedade e documentos de divulgação consistentes para o setor industrial de forma que eles tenha RESPOSTAS e não DÚVIDAS

39 DISCUSSÕES Luiz Bernabe: devemos antes conhecer melhor as indústrias e os recursos que temos para atende-las Alguém está de fato procurando o mercado de forma consistente? É necessário que haja um bom programa de captação Alguém disse que o documento citado por Saulo/Jackson é atrasado Cláudio trouxe uma publicação de 29 de nov de 2010 que diz que o congresso vai olhar de forma relevante para meios alternativos de financiamento, adequação de alguns instrumentos judiciais e jurídicos a favor do setor aeroespacial, formação de recursos humanos, fomento, finaciamento, etc, etc...

40 DISCUSSÕES Ângelo disse que criamos um plano estratégico para falarmos todos envolvidos, uma mesma língua Ângelo propõe a Jackson a colaboração para de fato iniciar, como recursos humanos, a agilizar tudo o que foi debatido hoje à tarde (29 Nov 2010). Ele aceita, mas quer mais participantes Odair propõe, dentro do que nós já fizemos, algumas reuniões dos grupos de trabalho criados no workshop PEICE 2009, coordenados por Ângelo e Jackson. Odair pretende disponibilizar estrutura

41 FIM