Durcissement

Le durcissement des composants électroniques contre les rayonnements ionisants sert à désigner un mode de conception, de réalisation et de test des dispositifs et composants électroniques pour les rendre résistants aux dysfonctionnements et dégradations causés par des rayonnements électromagnétiques et les particules subatomiques énergétiques rencontrés lors des vols spatiaux ou en haute altitude, mais aussi dans l'environnement des réacteurs nucléaires, ou alors lors d'opérations militaires.

La plupart des composants «durcis» face aux rayonnements ionisants sont des adaptations de composants du marché, réalisés selon des procédés conçus pour limiter les effets des radiations sur les matériaux qui les forment. À cause de la complexité de ces adaptations, le développement de tels composants, conçus pour un marché de niche, prend du temps et revient cher. C'est pourquoi ces composants offrent des performances fréquemment particulièrement en retrait comparé à leurs équivalents contemporains du marché.

Dommages dus aux rayonnements ionisants

Une simple particule chargée de haute énergie traversant un matériau semi-conducteur est susceptible d'injecter des centaines d'électrons dans la bande de conduction, accroissant le bruit électronique et provoquant un pic de signal dans un circuit analogique, ou faussant les calculs dans un circuit numérique. À plus forte énergie, c'est la qualité même des matériaux, et donc leurs propriétés physiques, qui peut être définitivement dégradée, conduisant à la destruction pure et simple du composant irradié. C'est un problème spécifiquement critique pour l'électronique des satellites et des vaisseaux spatiaux, de l'aviation militaire, et des installations nucléaires.

Les méthodes employées pour rendre les composants électroniques résistants aux radiations sont le plus souvent désignées du terme anglais radiation hardening, et de tels composants sont dits rad-hard ; les termes français radiodurcissement et radiodurci, qui seraient équivalents, ne se rencontrent presque jamais dans la littérature.

Principales sources d'exposition

Les principales sources d'exposition aux rayonnements ionisants sont le vent solaire et les ceintures de Van Allen pour l'électronique spatiale, le rayonnement cosmique dans l'espace mais aussi dans l'atmosphère à haute altitude, des isotopes radioactifs dans les matériaux des boîtiers des composants électroniques eux-mêmes, et évidemment les réactions nucléaires dans les centrales nucléaires ou lors d'explosions d'ogives nucléaires.

• Le vent solaire provient du soleil et est constitué de protons et d'électrons pourvus d'énergies de l'ordre de 1 keV. Le vent solaire est en particulier dangereux lors des rafales consécutives aux éruptions solaires, ce qu'on nomme les tempêtes solaires, au cours desquelles le flux de particules énergétiques peut ête multiplié par mille.

• Les ceintures de Van Allen s'étagent de 700 à 10 000 km d'altitude pour la ceinture intérieure, et de 13 000 à 65 000 km d'altitude pour la ceinture extérieure. La ceinture intérieure est constituée de protons pourvus d'énergies de l'ordre de 100 MeV avec des flux pouvant atteindre 10⁹ protons/m²/s selon l'activité solaire et l'état de la magnétosphère. La ceinture extérieure est constituée d'électrons pourvus d'énergies de l'ordre de 10 MeV avec des flux d'environ 10⁷ à 10⁸ électrons/m²/s.

• Les rayons cosmiques proviennent de l'ensemble des directions et sont composés à près de 90 % de protons, 9 % de particules α et 1 % d'électrons (rayonnement β⁻), avec quelques ions lourds spécifiquement énergétiques mais aussi des rayons X et ultraviolets. La majeure partie des dommages provient de particules aux énergies comprises entre 10⁸ et 2×10¹⁰ eV, quoique certaines particules atteignent des énergies aussi énormes que 10²⁰ eV : la particule la plus énergétique jamais observée, détectée le 15 octobre 1991 et surnommée «particule "Oh My God!"», possédait une énergie de 3×10²⁰ eV, c'est-à-dire une grandeur macroscopique de 50 J correspondant à l'énergie cinétique d'une balle de baseball lancée à 96 km/h ; on pense qu'il s'agissait d'un proton relativiste se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, exactement à (1 - 5×10⁻²⁴) ×c selon les calculs. L'atmosphère filtre la majorité de ces particules, de sorte qu'elles affectent essentiellement les vols stratosphériques et spatiaux.

• Certains matériaux des boîtiers électroniques peuvent produire, par désintégration, des particules α.

• Les réactions nucléaires génèrent des flux de neutrons et en particulier des rayons gamma.

• Les particules secondaires résultent de l'interaction des particules énergétiques avec les matériaux environnant immédiatement les composants électroniques.

Effets des radiations sur les composants électroniques

Mécanismes physiques

Deux types d'effets sont à considérer :

• Les défauts cristallins induits par les particules subatomiques mais aussi par les photons gamma de très grande énergie, perturbent le réseau cristallin des matériaux électroniques et provoquent des désordres irrémédiables en multipliant les centres de recombinaison. Ceci a pour effet de neutraliser la majeure partie des porteurs minoritaires et par conséquent de modifier sensiblement les propriétés électroniques des matériaux irradiés. De façon quelque peu paradoxale, des doses de radiations supérieures sur de brèves périodes de temps peuvent générer un recuit qui restaure partiellement les propriétés du matériau, conduisant à des dommages moindres que ceux produits par des doses de radiations plus faibles mais sur une plus longue période de temps. Les transistors bipolaires sont spécifiquement sensibles à ce type de dégâts en raison du rôle déterminant que jouent les porteurs minoritaires dans ce type de structures.

• Les effets ionisants génèrés par les particules chargées, y compris celles dont l'énergie est trop faible pour induire des défauts cristallins, sont le plus souvent transitoires mais peuvent conduire à la destruction des composants touchés, surtout par effet de latchup (voir plus loin). Les photocourants induits par les rayons X et ultraviolet peuvent aussi être rangés dans cette catégorie d'effets. L'irradiation des transistors MOSFET provoque l'accumulation progressive de trous dans la couche d'oxyde qui finit par dégrader leurs performances jusqu'à les détruire.

Manifestation de ces effets

Du point de vue de l'utilisateur, on peut classer ces effets en plusieurs groupes :

• Effets des neutrons : il s'agit essentiellement des défauts cristallins induits par les neutrons de grande énergie. Ces défauts cristallins forment tout autant de centres de recombinaison qui diminuent la durée de vie des porteurs minoritaires. Ils affectent par conséquent en particulier les transistors bipolaires et peu les transistors CMOS. Le comportement des transistors bipolaires en silicium change dès 10¹⁰ à 10¹¹ neutrons/cm², alors que les transistors CMOS demeurent indemnes jusqu'à des taux de 10¹⁵ neutrons/cm². Les diodes électroluminescentes (LEDs) en arséniure de gallium (GaAs) sont aussi particulièrement sensibles aux neutrons. La sensibilité des composants électroniques à ce type de défauts augmente avec le degré d'intégration et par conséquent avec la finesse des circuits. Les neutrons sont aussi susceptibles d'induire une radioactivité secondaire par excitation des noyaux atomiques dans le matériau du composant électronique.

• Effet de dose : c'est une dégradation progressive des performances des composants électroniques sous l'effet d'une irradiation prolongée. Un composant en silicium ayant reçu une dose de radiations cumulée de plus de 50 Gy pendant quelques secondes à quelques minutes sera définitivement endommagé. Dans les circuits CMOS, les rayonnements ionisants génèrent des paires électrons-trous dans les couches isolantes de la grille qui provoquent la naissance d'un photocourant lors de leur recombinaison, alors que les trous piégés dans le réseau cristallin de l'isolant modifient le courant de seuil des transistors : les MOSFETs canal N commutent de plus en plus aisément, alors que les MOSFETs canal P commutent de plus en plus difficilement ; à terme, ces transistors cessent totalement de fonctionner.

• Effets transitoires : ils surviennent lors d'une exposition intense mais brève à un rayonnement ionisant, typiquement en cas d'explosion nucléaire, et génèrent des photocourants à travers la totalité du matériau semi-conducteur, conduisant les cellules mémoires à basculer et les transistors à changer d'état logique de façon aléatoire. Des dégâts permanents peuvent survenir quand l'irradiation se prolonge ou si l'impulsion provoque des court-circuits ou des phénomènes de latchup ; ces derniers sont souvent causés par les flashes de rayons X et gamma des explosions nucléaires.

• Effets singuliers : ils sont génèrés au passage d'une particule unique, le plus souvent un ion lourd ou un proton énergétique, et se décomposent en effets transitoires (erreurs logicielles : SEU «SINGLE EVENT UPSET») et effets permanents (erreurs matérielles : SEL «SINGLE EVENT LATCHUP»).
  • Un SEU se matérialise typiquement par le changement d'état logique d'une cellule mémoire sous l'effet d'une particule chargée. C'est un effet transitoire qui sera effacé par la réécriture de la cellule mémoire affectée. Tout circuit électronique qui possède des cellules mémoires est susceptible de connaître des SEU.
  • Un SEL survient par la mise en conduction d'une succession de jonctions PNPN, présente dans l'ensemble des circuits CMOS, formant un thyristor parasite dont le déclenchement provoque un court-circuit entre l'alimentation et la masse du circuit, ce qui peut conduire à sa destruction.

Techniques de durcissement aux radiations

Techniques de durcissement matériel

Les circuits durcis aux radiations sont fréquemment réalisés sur matériau isolant plutôt que sur substrat semiconducteur. Les techniques SOI («Silicon On Insulator», en l'occurrence de l'oxyde de silicium SiO₂) et SOS («Silicon On Sapphire», c'est-à-dire sur oxyde d'aluminium Al₂O₃) sont les plus employées. Les composants commerciaux supportent des doses de radiations de 50 à 100 Gy, tandis que les composants spatiaux conçus en SOI ou SOS supportent des doses plusieurs dizaines de fois plus élevées.

A défaut, on choisit plutôt des substrats à large bande interdite, tels que le carbure de silicium et le nitrure de bore, pour limiter l'effet des centres de recombinaison des porteurs (électrons et trous) au niveau des défauts cristallins induits par les radiations.

On utilise plutôt les mémoires statiques (SRAM) plutôt aux mémoires dynamiques (DRAM), dont les cellules sont plus petites (donc plus sensibles aux effets d'une particule énergétique isolée) et les condensateurs structurellement plus sensibles aux radiations au niveau de la couche isolante sous la grille.

On recouvre le circuit de verre de borophosphosilicate appauvri en bore 10, lequel absorbe les neutrons et se désintègre en émettant des particules α.

Il est aussi envisageable de blinder le boîtier du composant pour protéger ce dernier des radiations.

Techniques de durcissement logique

Les mémoires à correction d'erreur implémentent des bits de parité pour contrôler la validité des informations stockées pour pouvoir peut-être restaurer l'intégrité de leurs informations. Elles doivent être en permanence nettoyées par un circuit dédié qui contrôle les bits de parité et gère le rafraîchissement des données corrompues.

Il est envisageable d'implémenter, dans la logique des circuits électroniques, un certain niveau de redondance, par exemple en remplaçant un bit critique par trois bits dont la valeur unique sera évaluée par une logique de vote à partir de la valeur commune à au moins deux bits sur les trois. Cette technologie présente l'avantage d'être fiable en temps réel car elle ne demande pas de recalcul. Elle est néanmoins particulièrement consommatrice en silicium, multipliant par cinq la surface du circuit ainsi adapté, de sorte qu'on la réserve pour les logiques critiques de petite taille. Une alternative consiste à introduire une logique de vote entre trois blocs logiques plutôt qu'entre chacun des bits d'un bloc logique, par exemple entre trois instances d'une même unité d'un processeur (ALU, FPU, MMU etc. ).

La redondance des dispositifs électroniques eux-mêmes est une réponse classique aux aléas génèrés par les radiations, par exemple avec au moins trois dispositifs fonctionnant en même temps qui comparent leurs résultats ; les dispositifs qui produisent des résultats minoritaires doivent les recalculer, et tout dispositif qui produit des résultats erronés de façon répétée peut être programmé pour être neutralisé.

Un mécanisme reposant sur une horloge de surveillance peut aussi permettre de réinitialiser un circuit logique quand le dispositif n'est plus en mesure d'écrire une valeur correcte dans l'horloge ; celle-ci termine alors son compte à rebours en forçant la réinitialisation du dispositif. C'est le stade ultime après les autres techniques de durcissement contre les radiations.

Exemples de dispositifs électroniques radiodurcis

• IBM System/4 Pi, conçu dans les années 1970 pour équiper surtout les bombardiers B52 de l'USAF mais aussi le Skylab et les navettes spatiales de la NASA.
• Mongoose-V réalisé pour la NASA dans les années 1990 à partir d'un MIPS R3000 pour équiper surtout le satellite Earth Observer 1 mais aussi la sonde New Horizons à destination de Pluton et de la ceinture de Kuiper.
• ERC32 puis LEON ont été conçus par Jiri Gaisler pour l'Agence spatiale européenne. Ils sont disponibles en, respectivement sous licence publique générale limitée GNU et licence publique générale GNU.
• RAD6000 de BÆ Systems sur la base d'une architecture IBM POWER qu'on trouve dans les rovers martiens Spirit et Opportunity.
• RAD750 comme successeur du RAD6000 pour la sonde Deep Impact mais aussi pour Mars Reconnaissance Orbiter.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

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