N° 03 2010
Dossier : Effets des radiations naturelles sur l'électronique au niveau atmosphérique & terrestre
Effet des radiations naturelles sur l'électronique : de la contrainte à la prédiction
La problématique de l'effet des radiations naturelles sur la fiabilité de l'électronique au niveau atmosphérique et terrestre est une réalité. Avec l'intégration technologique l'ensemble des systèmes électroniques est concerné. Dans cet article nous tentons d'apporter tous les ordres de grandeur nécessaires pour appréhender ce sujet.
Dans un premier temps nous définissons la contrainte, c'est-à-dire l'environnement radiatif naturel et plus particulièrement l'environnement neutronique en replaçant les données fournies dans le cadre des problèmes de fiabilité des technologies actuelles.
Ensuite, nous rappelons l'effet des neutrons sur la matière et plus précisément les éléments constitutifs des composants.
Ceci nous permet d'analyser l'effet de cette interaction neutron-matière sur la réponse électrique d'une mémoire SRAM à la problématique spécifique de l'aléa logique.
Les processus physiques à l'origine des dégradations étant présentés, nous décrivons les différents principes des codes de prédiction des aléas logiques avec leurs avantages et inconvénients.
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Contraintes radiatives associées aux matériaux des composants micro et nanoélectroniques
L'intégration technologique a tendance à multiplier le nombre de matériaux entrant dans la composition des systèmes microélectroniques. Cependant, l'introduction de ces nouveaux matériaux est susceptible d'exacerber le problème de la fiabilité associée aux rayonnements naturels. En effet, à cause du rayonnement cosmique,
l'environnement atmosphérique terrestre est constitué de neutrons capables d'interagir différemment avec les matériaux des composants électroniques et d'en perturber ainsi le fonctionnement. Par ailleurs, la radioactivité naturelle des matériaux représente une contrainte grandissante qu'il convient d'évaluer.
Cet article permet ainsi de quantifier la fréquence des interactions des neutrons avec les matériaux et d'identifier les matériaux à risque en termes de radioactivité naturelle.
Il apparaît clairement, que pour les applications au niveau du sol, la contrainte associée à la radioactivité naturelle est fortement liée au choix des matériaux utilisés pour la fabrication des composants.
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La plateforme ASTEP du Plateau de Bure. Tests en environnement radiatif naturel de composants et circuits électroniques
• La réduction des dimensions des composants microélectroniques et l'augmentation de la densité d'intégration des circuits qui en découle (suivant la fameuse Loi de Moore) a pour conséquence une augmentation de la sensibilité
des circuits à l'environnement radiatif terrestre naturel.
• Cette sensibilité aux particules atmosphériques directement (protons) ou indirectement (neutrons) ionisantes peut provoquer des défaillances non destructives (aléas logiques) ou destructives (latchup) dans la plupart des circuits électroniques,
notamment les mémoires volatiles de type RAM statique (SRAM), objet d'étude des travaux menés depuis 2004 sur la plateforme de test européenne ASTEP du Plateau de Bure.
• Cet article présente en détail la plateforme ASTEP, son implantation, les instruments (moniteur neutron du Plateau de Bure) et expériences (testeurs de mémoires) actuellement installées sur le Plateau de Bure ainsi qu'une synthèse
des principaux résultats portant sur la caractérisation de mémoires SRAM fabriquées en technologies 130 nm et 65 nm sur silicium massif.
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Mesures de très faible radioactivité au Laboratoire Souterrain de Modane
Cet article a pour but de présenter le Laboratoire Souterrain de Modane et ses activités liées à l'électronique. Le laboratoire Souterrain de Modane est remarquable par sa situation, il est situé au milieu du tunnel du Fréjus où la couverture rocheuse
lui sert de blindage naturel contre le rayonnement cosmique. Cette protection offerte par la montagne permet la détection de processus très rares qui en surface seraient masqués par le bruit de fond provenant des rayonnements cosmiques. Les technologies actuelles de l'électronique sont sensibles aux interactions avec
les particules qui sont majoritairement constituées au niveau du sol par les neutrons dus au rayonnement cosmique et par les particules alpha provenant des impuretés radioactives de matériaux. La qualité des expériences effectuées sous la montagne a mené à l'émergence d'un pôle de mesure de faible radioactivité. Une spectrométrie gamma d'une plaque a été réalisée et la connaissance des contaminants présents dans la plaque a permis de calculer l'émissivité alpha.
L'émissivité alpha a aussi été mesurée dans un compteur alpha total à gaz.
L'article présente une discussion sur l'intérêt et les compatibilités de ces deux méthodes.
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Tests accélérés pour la détermination du taux d'erreurs induits par les particules uniques pour les composants des systèmes électroniques terrestres et aéronautiques
Cet article décrit les principales caractéristiques des procédures de tests accélérés utilisées pour obtenir les valeurs de fiabilité des composants microélectroniques utilisés en environnement terrestre. Le papier se focalise sur les tests aux particules de hautes énergies qui peuvent être conduits soit avec une source de neutrons de spallation,
soit avec des sources quasi-mono-énergétique de neutrons ou de protons. L'évolution des normes est illustrée par rapport à l'état de l'art des connaissances des effets des rayonnements et l'évolution des technologies microélectroniques.
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Effets destructifs induits par les particules de l'environnement naturel dans les composants de puissance
L'environnement radiatif naturel est à l'origine de phénomènes destructifs dans les composants de puissance. Pour assurer la fiabilité et la sûreté des systèmes électroniques utilisant des composants de puissance, il est nécessaire de disposer d'outils permettant d'évaluer les niveaux de sensibilité,
de manière à pouvoir choisir les meilleurs composants et dimensionner de façon adéquate les protections. L'accélérateur de particules est le moyen de référence utilisé pour caractériser la sensibilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations mais il peut présenter certaines limitations en ce qui concerne les composants de puissance.
Une méthodologie complémentaire aux tests en accélérateur de particules a été développée.
Elle utilise de manière couplée un moyen d'expérimentation laser et un code de prédiction.
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Repères : Méthodes et techniques optiques pour l'industrie
Spectroscopie pour la caractérisation de combustions
Nous présentons ici une méthode optique couplée à un programme d'inversion de mesures radiatives spectrales permettant la détermination simultanée des profils de température et de concentration, pour différentes espèces présentes dans une colonne de gaz. La principale application est la caractérisation de combustions dans le milieu automobile ou aéronautique.
Cependant, elle peut être généralisée à l'analyse de tous types de combustion. Cet article présente le modèle utilisé et le principe de l'inversion numérique mis en oeuvre. Le résultat d'une expérience monodimensionnelle, menée en laboratoire avec du CO2 à 300°C sous pression atmosphérique illustre les performances obtenues grâce à des données issues de la base HITRAN. Nous montrons
également la possibilité d'établir des cartographies 2D de températures et de concentrations
d'espèces par inversion de spectres issus de calculs utilisant des données de la base HITEMP à 1 600 K. Ainsi, deux domaines de températures et de pressions sont abordés en prévision de la création d'une base de données spectrales pour les hautes températures et hautes pression, adaptée aux combustions dans différents types de moteurs.
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Utilisation des capteurs à fibre optique en environnement nucléaire
Cet article propose un nouveau regard sur l'utilisation des capteurs à fibre optique en environnement nucléaire. Nous présentons des résultats sur la technique de durcissement aux radiations des fibres optiques par hydrogénation ainsi que sur le comportement de divers capteurs soumis aux rayonnements nucléaires, comme le capteur distribué en température à effet Raman, les réseaux de Bragg haute température et un capteur de rayonnement-??à effet Cerenkov.
Une discussion de la tenue aux radiations des fibres à cristaux photoniques est aussi très brièvement abordée.
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Identification par voie optique des concentrations de contraintes à l'origine des défaillances d'une carte électronique embarquée
Avec la miniaturisation des systèmes électroniques et la densité croissante des composants montés sur les cartes électroniques, nous sommes confrontés à la complexité qui en découle du point de vue des matériaux utilisés ainsi que du point de vue géométrique. Les sollicitations dues aux différences entre les paramètres mécaniques et thermiques des différents composants peuvent générer des défaillances à caractère destructif.
L'évaluation des déformations induites par ce type de sollicitations devient donc un facteur important pour la fiabilité des systèmes. Les techniques de mesure optiques présentent l'intérêt de ne pas perturber le phénomène étudié.
Cet article présente l'application de l'interférométrie speckle utilisant des lasers continus pour la mesure des déformations statiques induites par des sollicitations thermiques, et pour l'étude du comportement vibratoire des cartes électroniques.
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Analyse spectrale ultra rapide des diodes laser accordables
Les diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) utilisées dans les transmissions sur fibres optiques DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) sont des sources optiques accordables et monochromatiques.
Chaque canal est matérialisé par une fréquence optique particulière. Nous désirons déterminer leur temps de commutation entre deux modes adjacents d'oscillation (fréquences différentes). Le temps d'analyse des appareils commerciaux est trop élevé pour cet usage.
Nous proposons donc une méthode d'analyse spectrale ultra rapide. Nous présentons enfin les résultats obtenus avec cette méthode pour une diode laser DBR typique.
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