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Erzeugung und Untersuchung von Effekten kosmischer Strahlung mit einem Klasse-1-Laseraufbau

Zöllner, Hannes

Der Einsatz von nicht-raumfahrtqualifizierten Bauteilen in der Satellitentechnik rückt derzeit immer weiter in den Fokus. Ein großes Problem dabei ist jedoch, dass die Hersteller in der Regel keine Angaben zu Strahlungsempfindlichkeiten machen, was für die Raumfahrt wichtig wäre. Somit ist die Datenbasis zur Selektion geeigneter Bauteile sehr klein. Eine Verbesserung der Daten durch eine Nachqualifizierung ist sehr aufwändig und teuer. Das widerspricht aber den Gründen des Einsatzes nicht-raumfahrtqualifizierter Bauteile. Daher wird üblicherweise nur eine Charakterisierung und Vorselektion geeigneter Bauteile für ein verringertes Ausfallrisiko durchgeführt. Dennoch haben diese Bauteile entscheidende Vorteile. Sie sind besser verfügbar, haben niedrige Beschaffungskosten und einen technologischen Vorsprung mit einhergehenden erweiterten Funktionalitäten und geringem Energieverbrauch. Häufig sind die auftretenden Einzelereigniseffekte kosmischer Strahlung unvermeidlich. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der Frage, wie Bauteile auf ihr Verhalten beim Eintreten dieser Effekte möglichst einfach und kostengünstig untersucht werden können. Es wird eine wesentlich einfachere Variante vorgestellt, diese Effekte nachzubilden, als bisher angewendet wird. Dazu wird betrachtet, welche Möglichkeiten ein Diodenlaseraufbau mit Komponenten aus einem kommerziellen Massenprodukt bietet, um diese Effekte nachzubilden, und welche Grenzen den Untersuchungen dabei gesetzt werden. Es stellt sich die Frage, wie aufwändig ein solcher Laseraufbau gestaltet sein muss und welche Vor- und Nachteile er aufweist. Beachtet werden dabei auch notwendige Schutzmaßnahmen, wie sie für den Betrieb bestimmter Laserklassen obligatorisch sind. Ein Hauptuntersuchungspunkt stellt die Reproduzierbarkeit der mit dem Aufbau erzielten Ergebnisse dar. Beispielsweise ist es bei Vergleichsuntersuchungen mehrerer Bauteile gleichen Typs relevant, jeweils dieselben Stellen zu beeinflussen. Um dies zu ermöglichen, bedarf es einer genauen Ortskenntnis der Fehlerinjektionsbereiche. Zudem ist es äußerst hilfreich, diese Positionen auf einem Bild der Chipoberfläche überlagern zu können. So kann direkt gesehen werden, ob möglicherweise eine Metallisierung auf dem Chip die Laserpulse daran hindert, in die empfindlichen Bereiche einzudringen. Auch ist es von Vorteil, die Bildgebung mit demselben System durchzuführen. So werden sowohl die Lagetoleranzen als auch der Aufwand der Untersuchungen minimiert, und die Reproduzierbarkeit verbessert. In der Arbeit wird gezeigt, dass der Laseraufbau auch als Laser-Scanning-Mikroskop mit Auflösungen im einstelligen Mikrometerbereich verwendet werden kann. Der Fokus der untersuchten Effekte liegt zum einen in der Problematik des Auftretens von unvorhersehbarem Kippen von Speicherzellen, den Single Event Upsets. Um dessen Folgen zu vermeiden werden üblicherweise Fehlerkorrekturcodes und Redundanzen eingesetzt, die jedoch auf ihre Wirksamkeit getestet werden sollten. Es wird gezeigt, dass es der entwickelte Laseraufbau ermöglicht, ohne softwareseitige Eingriffe gezielt Speicherzellen zu setzen oder zu löschen. Zudem wird herausgestellt, dass bei dieser Methode Hardwareeigenschaften mit bedacht werden. Dazu gehören Halbleiterbereiche, die für mehrere Speicherzellen gleichzeitig genutzt werden und somit Mehrbitfehler verursachen. Zum anderen wird der noch kritischere Single Event Latchup genauer analysiert, der leicht die Zerstörung eines Bauteils verursachen kann. Auch dieser Effekt ist bei der Verwendung von nicht-raumfahrtqualifizierten Bauteilen oft nicht verhinderbar. Zur Vermeidung der Folgen eines Latchups müssen Schutzmaßnahmen implementiert werden, die auf ihre Wirksamkeit untersucht werden sollten. Mit dem Aufbau lassen sich diese Effekte reproduzierbar ohne aufwändige Anlagen wie Teilchenbeschleuniger oder große Laseranlagen erzeugen. Es wird gezeigt, dass der Aufbau zur Optimierung von Latchupschutzmaßnahmen und der Verifizierung ihrer Wirksamkeit verwendbar ist.
The use of commercial off-the-shelf components in satellite technology is currently coming increasingly into focus. However, one major problem is that manufacturers generally do not provide information on radiation sensitivities, which would be important for space applications. Thus, the data base for selecting suitable components is very small. Improving the data by post-qualification is very time-consuming and expensive. However, this contradicts the reasons for using commercial off-the-shelf components. Therefore, usually only a characterization and pre-selection of suitable components for a reduced failure risk is performed. Nevertheless, these components have decisive advantages. They are more readily available, have low procurement costs and a technological edge with accompanying enhanced functionalities and low energy consumption. Often the occurring single event effects of cosmic radiation are unavoidable. Therefore, this work deals with the question of how components can be examined for their behavior when these effects occur as simple and inexpensive as possible. A much simpler way to reproduce these effects than has been used so far is presented. To this end, the possibilities offered by a diode laser setup with components from a commercial mass-produced product to reproduce these effects are considered, as well as the limits imposed on the investigations. The question is how complex such a laser setup has to be and which advantages and disadvantages it has. Necessary safety measures are also taken into account, as they are obligatory for the operation of certain laser classes. A main point of investigation is the reproducibility of the results obtained with the setup. For example, in comparative tests of several components of the same type, it is relevant to influence the same locations in each device. In order to make this possible, it is necessary to have an exact knowledge of the location of the error injection areas. In addition, it is extremely helpful to be able to superimpose these positions on an image of the chip surface. In this way, it can be seen directly whether any metallization on the chip may be preventing the laser pulses from penetrating the sensitive areas. It is also advantageous to perform the imaging within the same system. This minimizes both the positional tolerances and the effort of the examinations, and improves reproducibility. In the thesis, it is shown that the laser setup can also be used as a laser scanning microscope with resolutions in the single-digit micrometer range. The focus of the investigated effects lies on the one hand in the problem of the occurrence of unpredictable flipping of memory cells, the single event upsets. Error correction codes and redundancies are usually used to avoid their consequences, but their effectiveness should be tested. It is shown that the developed laser setup allows targeted setting or resetting of memory cells without software intervention. In addition, it is highlighted that hardware specifics are considered in this method. These include semiconductor regions that are used for multiple memory cells simultaneously, causing multi-bit errors. On the other hand, the even more critical single event latchup is analyzed in more detail, which can easily cause the destruction of a component. This effect is also often not preventable when using commercial off-the-shelf components. To avoid the consequences of a latchup, protective measures must be implemented and their effectiveness should be investigated. The setup can be used to trigger these effects reproducibly without the need for expensive equipment such as particle accelerators or large laser facilities. It is shown that the setup can be used to optimize latchup protection circuits and verify their effectiveness.