Study of synergistic effects in integrated circuits subjected to ionizing and neutral radiation in space

par Thomas Borel

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Laurent Dusseau.

Soutenue le 27-11-2018

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Jérôme Boch.

Le jury était composé de Laurent Dusseau, Jérôme Boch, Jean-Luc Autran, Laurent Bechou, Alain Michez, Salvatore Danzeca, Bruno Azais.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Autran, Laurent Bechou.

  • Titre traduit

    Etude des effets de synergie dans les circuits intégrés soumis à l'environnement spatial de rayonnements ionisants et neutres


  • Résumé

    Tout composant envoyé dans l'espace est soumis à de nombreuses contraintes (radiations, température) qui peuvent conduire à une défaillance de l'ensemble du système. Dans un avenir proche, ces contraintes deviendront de plus en plus critiques à mesure que les agences spatiales développeront des missions visant d'autres planètes, telles que Jupiter, pour lesquelles la contrainte radiative est extrême. Dans ce travail, deux types d'effets dus aux radiations sont étudiés : les effets cumulatifs et les effets transitoires. L'un correspond à la dégradation induite par les radiations au cours du temps, tandis que l'autre correspond à un événement ponctuel qui peut se produire à tout moment lorsque le système est dans l'espace. Pour garantir le bon fonctionnement en vol, des normes de qualification des composants électroniques ont été élaborées par différentes agences spatiales. Toutes ces normes précisent que les effets cumulatifs et transitoires doivent être vérifiés à l'aide de composants intacts pour chaque essai. Par conséquent, les effets cumulatifs sont traités séparément des effets transitoires, alors qu'il y a une forte probabilité qu'ils apparaissent simultanément pendant une mission spatiale. L'étude des effets de synergie est alors le thème principal de cette thèse.Sur un amplificateur opérationnel bipolaire, la réponse de sortie du composant due à un événement transitoire est directement liée aux paramètres internes du composant, qui varient sous l’effet des radiations. A l’aide d’une comparaison entre trois amplificateurs opérationnels différents partageant la même référence, l'impact du design sur la dégradation due aux radiation est étudié.Récemment, des défaillances imprévues ont été reportées pour lesquelles le mode de défaillance semblait indiquer qu'une structure de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) était en cause. Par conséquent, pour comprendre si ces protections peuvent causer des défaillances inattendues, la dégradation des « Gate Grounded n-MOSFET » (GGnMOS) est également étudiée.


  • Résumé

    Any system sent to space is submitted to many constraints (radiations, temperature) which may lead to a failure of the whole system. In a close future, these constraints will become more and more critical as the space agencies are developing missions aiming at others planets such as Jupiter for which the radiative constraint is extremely harsh. In this work, two types of radiation effects are studied: the cumulative effects and the transient effects. One corresponds to the radiation-induced degradation over time, while the other corresponds to a punctual event that can happen at any time when the system is in space. To ensure a proper functioning of a system sent to space, qualifications standards for electronic components have been developed by different space agencies. All of these standards specify that the components must be tested for cumulative and transient effects, using pristine components for each test. Therefore, cumulative effects are treated separately from transient effects, while there is a significant probability that they will appear simultaneously during a space mission. The study of the synergistic effects is then the main frame of this thesis.On a bipolar operational amplifier, the output response of the component due to a transient event is directly related to the internal parameters of the component, which vary over time once in space. Through a comparison between three different operational amplifier sharing the same reference, the impact of the design over the degradation is explained.Lately, some unexpected failures were reported for which the failure mode seemed to indicate that an Electrostatic Discharge (ESD) protection structure was involved. Therefore, to understand if those protections may cause some unexpected failures, the degradation of gate grounded n-MOSFET (GGnMOS) will be investigated next.


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