Méthodologie de prédiction des effets destructifs dus à l’environnement radiatif naturel

Effet de l’environnement radiatif naturel sur les composants à semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar

 Les particules de l’environnement radiatif naturel peuvent interagir avec l’électronique embarquée et avoir des effets potentiellement dommageables et donc compromettant pour le succès de la mission. Les phénomènes associés aux ions lourds ont été découverts et pris en compte seulement au début des années 1980. L’impact des ions lourds n’avait jusqu’alors que peu d’effet sur l’électronique, les composants étant beaucoup moins intégrés qu’aujourd’hui. En 1996 des tests ont montré une sensibilité des systèmes et composants électroniques de puissance aux neutrons [OBER96]. La part croissante d’électronique embarquée dans les missions spatiales, l’allongement de ces missions et l’évolution des technologies font qu’aujourd’hui, la prise en compte de l’effet des ions lourds est d’une importance majeure dans le choix de certains composants pour la fiabilité d’un satellite. Il en va de même pour les systèmes avioniques qui sont principalement concernés par les effets des neutrons et en particulier dans le cadre du projet de l’avion plus électrique dans lequel des commandes électriques de puissance sont implémentées en complément des commandes hydrauliques. Ce chapitre présente dans un premier temps les différents types de radiations naturelles spatiales et atmosphériques auxquelles sont soumis les systèmes électroniques. Les outils expérimentaux permettant de reproduire les effets de ces radiations sur les composants à semiconducteurs sont ensuite décrits. Ceux sont principalement les accélérateurs de particules, les sources naturelles radioactives et les lasers. Les différents mécanismes d’interactions particule-matière d’une part et faisceau laser-matière d’autre part sont expliqués. Les effets électriques résultant de ces interactions peuvent conduire à une défaillance des composants. Les différents types de défaillances sont identifiés et brièvement présentés. Celles faisant l’objet de cette étude sont le Single-Event Burnout et le Single-Event Latchup. Ces évènements peuvent se produire dans les transistors de puissance de type MOSFET et IGBT. Après avoir rappelé le mode de fonctionnement de ces transistors, leur structure Chapitre 1 Effet de l’environnement radiatif naturel sur les composants à semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 18 parasite et les mécanismes de défaillance associés sont expliqués. Enfin, nous terminons avec l’état de l’art sur l’étude de ces phénomènes dans les composants étudiés. 

L’environnement radiatif naturel

Les environnements radiatifs spatial et atmosphérique auxquels sont soumis les systèmes électroniques et en particulier ceux affectés à la gestion de l’énergie structurés à partir de composants de puissance (MOSFET et IGBT) sont décrits dans ce paragraphe. Ces deux environnements radiatifs naturels se distinguent principalement par la nature des particules qui les composent. 

L’environnent spatial

Il existe principalement quatre sources de rayonnement dans l’environnement spatial qui sont successivement les éruptions solaires, le vent solaire, le rayonnement cosmique, la magnétosphère et les ceintures de radiations. Les composants de puissance plongés dans cet environnement sont soumis à des particules d’origines et énergies diverses telles que des photons, des électrons, des protons et des ions couvrant une large gamme de numéros atomiques [BOUD-95]. 

Les éruptions solaires

Une éruption solaire est un évènement primordial dans l’activité du soleil. Elle se produit à la surface de la photosphère, couche de gaz qui constitue la surface visible du soleil, et projette un jet de matière ionisée qui se perd dans la couronne solaire à des centaines de milliers de kilomètres d’altitude avant de se diluer dans l’espace environnant (cf. Figure 1-5). En plus des particules et des rayons cosmiques, l’éruption solaire s’accompagne d’un intense rayonnement (UV, rayons X, etc.) qui perturbe les transmissions radioélectriques terrestres (orage magnétique) et provoque l’apparition d’aurores boréales. L’activité du soleil est cyclique et se compose d’années actives suivies d’années calmes. La période des cycles solaires récents a varié entre 9 et 13 ans. L’intensité de cette activité est caractérisée par le nombre de taches visibles observées sur la surface du soleil. La Figure 1-1 montre la corrélation entre le nombre de taches solaires (courbe continue) et la Chapitre 1 Effet de l’environnement radiatif naturel sur les composants à semiconducteur MOSFET et IGBT de type planar 19 fluence de protons émis (raies de rayonnement) [BAR97]. Une période d’activité solaire importante est donc caractérisée par un nombre de taches élevé et par des fluences de protons significatives. De plus, cette figure illustre le caractère cyclique des éruptions solaires.