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Fraunhofer INT: Einschläge kosmischer Teilchen schädigen Elektronikbauteile

Bislang konnten Schäden durch kosmische Teilchen an elektronischen Bauteilen nicht realistisch getestet werden, was für Anwendungen von Luft- und Raumfahrtanwendungen gefährlich war. Neue Testmethoden mit Pikosekundenlasern am Fraunhofer INT zeigen Schädigungen realistischer.

Bauteil mit SEEs Bildquelle: © Fraunhofer INT

Untersuchtes Bauteil MAX14850 mit Kartierung der auftretenden Effekte. Den rot umrandeten Bereich zeigt Abbildung 2 in feinerer Auflösung.

Die höhere Eindringtiefe des Laserstrahls des Pikosekundenlasers am Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT zeigt Schäden durch sogenannte Single Event Effects (SEEs), die bei bisherigen Versuchen an Schwerionenbeschleunigern nicht gefunden wurden.  Die Untersuchungen zeigten Regionen auf einem elektronischen Bauteil, welche unter Laserbeschuss einen erhöhten Stromfluss, einen Single Event LatchUp (SEL), aufwiesen.

SEEs Bildquelle: © Fraunhofer INT

Ausschnitt aus Abbildung 1. Kartierung der auftretenden Effekte bei verschiedenen Laserintensitäten.

Laut der NASA war ein SEE verantwortlich, als 2005 plötzlich sämtliche Verbindungen zur Kommunikation und Steuerung des Satelliten NASA-Satellit IMAGE  abbrachen, bis ein kanadischer Funkamateur im Januar 2018 überraschend Signale des bis dato verschollenen Satelliten empfing. Auch 2008 bei der Notlandung des Qantas Flug 72 wird ein SEE für den unkontrollierten Sturzflug des Flugzeuges mit 119 Verletzten verantwortlich gemacht.

Ohne Schutzmaßnahmen können diese SELs dazu führen, dass ein elektronisches Bauteil durchbrennt und funktionsunfähig wird (Abb. 1 SELs in blau). Es konnte außerdem die genaue räumliche Verteilung von verschiedenen kurzzeitigen Störungen (Transienten) lokalisiert werden, welche zu Fehlern im Bauteil führen können (Abb. 2). Sämtliche SELs sowie einige der Transienten wurden bei vergleichbaren Schwerionentests nicht beobachtet.

Bei gängigen Beschleunigeranlagen dringen die Ionen nicht tief genug in Bauteile ein, um Treffer einschlagender Teilchen zu simulieren. Außerdem werden bei Beschleunigern mehrere tausend Teilchen pro Sekunde auf ein Bauteil geschossen, es ist jedoch nicht steuerbar, wo genau diese einschlagen. Das Ausbleiben von Effekten kann in diesen Fällen folglich daran liegen, dass keins der Teilchen die relevanten empfindlichen Regionen getroffen hat. Dies kann im Betrieb zu folgenschweren Fehlern führen, wenn ein vermeintlich als sicher eingestuftes Bauteil durch einen unerwarteten SEL ausfällt.

Bei Tests mit dem Pikosekundenlaser am Fraunhofer INT kann ein Bauteil dagegen in Schritten von Bruchteilen von Mikrometern mit verschiedenen Laserenergien abgetastet werden. Dadurch kann für jede Regionen des Bauteils festgestellt werden, ab welcher Energie ein Teilchen-induzierter Effekt auftritt. Durch die schrittweise Abtastung wird sichergestellt, dass keine relevante Region und die darin auftretenden Effekte übersehen werden.