Kosmische straling: killer voor vermogenshalfgeleiders
We mogen van geluk spreken, dat onze aarde door haar magneetveld en dampkring wordt beschermd tegen het grootste deel van het kosmische bombardement met deeltjes van de zon en vanuit de rest van het heelal. Zoals u misschien wel weet, kunnen die deeltjes gemakkelijk de bits in de steeds kleiner wordende structuren van de microelektronica laten omkiepen. Maar sinds kort vinden we steeds meer aanwijzingen dat power-MOSFET’s en IGBT’s zelfs kunnen worden vernield door hoogtestraling.
Wij elektronici kunnen heel goed begrijpen dat allerlei kosmische deeltjes, bijvoorbeeld in flashgeheugens of CPU’s met hun piepkleine structuren (tegenwoordig zelfs maar 14 nm breed), een bit kunnen laten omklappen, zodat waar eerst een logische „1“ stond, opeens een onlogische „0“ komt te staan of andersom. Dat kan problemen veroorzaken. Op aarde valt het nog mee, maar in de ruimte ligt dat anders. Niet alleen het ISS, maar ook sondes die op weg gaan naar verre planeten worden hierdoor getroffen. En kosmische straling is vrijwel niet af te schermen, niet zonder zeer vergaande maatregelen. Microelektronica is zó gevoelig, dat we al lang weten dat het voor de behuizing gebruikte materiaal in hoge mate vrij moet zijn van radioactieve isotopen. Elektor heeft over deze problematiek ook al eerder gerapporteerd.
Kaart van de verdeling van kosmische straling in het heelal. Afbeelding: NASA.
Dat kleine structuren gevoelig zijn voor buitenaardse deeltjes, spreekt voor elektronici met hun inzicht in de natuurkunde vanzelf. Maar dat er nu ook problemen zijn met vermogenshalfgeleiders? Die zijn toch altijd een stuk groter, daar gaat het om meerdere mm³ aan silicium; dat is beslist niet piepklein. Bovendien worden moderne IGBT’s en power-MOSFET’s steeds beter. Sperspanningen tot 1,5 kV en stromen tot honderden ampères zijn haalbaar. Vermogenshalfgeleiders zijn als het ware de natuurlijke tegenhangers van de microelektronica en we associëren ze vooral met robuustheid. En dat blijkt dan een illusie? Waarom dan?
De eindtrappen van motordrivers e.d. bestaan meestal uit één of meerdere halve brugschakelingen die in tegenfase worden aangestuurd. En juist als de transistors worden gebruikt in de buurt van hun maximale sperspanning, wat bij het schakelen van grote vermogens vaak het geval is, kan een „inslag“ van een geladen deeltje de sperlaag van zo’n transistor voor een heel korte tijd op zijn minst gedeeltelijk geleidend maken. En als nu net de andere transistor, die in tegenfase werkt in geleiding is, dan levert dat bijna een kortsluiting tussen de voedingslijnen op en wordt er ogenblikkelijk heel veel elektrische energie omgezet in thermische energie in die transistor, wat niets anders betekent dan dat deze transistor zijn allerlaatste schakelactie heeft gedaan. Dat dit geen puur theoretisch gevaar is, is inmiddels in veel laboratoria aangetoond met testschakelingen zoals in het schema rechts. Daarbij bleek dat bij belasting met hoogenergetische straling uitval bepaald niet zeldzaam is. Andere onderzoekers kwamen tot de conclusie dat IGBT’s nog iets gevoeliger zijn dan MOSFET’s.
Wat zijn de gevolgen? Op het aardoppervlak is dit geen dringend probleem en op de Mount Everest wordt zelden een motordriver of een schakelende regelaar met een heel groot vermogen gebruikt. Maar al bij de vlieghoogtes van moderne verkeersvliegtuigen wordt het probleem acuut. Op 10 tot 12 km hoogte is de hoogtestraling duidelijk merkbaar. En als we dan denken aan de plannen voor elektrische verkeersvliegtuigen, wordt het toch wel precair. Om nog maar te zwijgen van de geplande bemande Mars-missie, waar de elektronica vele maanden lang storingsvrij moet werken. We moeten dan de vermogenshalfgeleiders ver onder hun maximale sperspanning gebruiken en/of dit fenomeen, de oorzaken en de potentiële oplossingen diepgaand onderzoeken.
Kaart van de verdeling van kosmische straling in het heelal. Afbeelding: NASA.
Dat kleine structuren gevoelig zijn voor buitenaardse deeltjes, spreekt voor elektronici met hun inzicht in de natuurkunde vanzelf. Maar dat er nu ook problemen zijn met vermogenshalfgeleiders? Die zijn toch altijd een stuk groter, daar gaat het om meerdere mm³ aan silicium; dat is beslist niet piepklein. Bovendien worden moderne IGBT’s en power-MOSFET’s steeds beter. Sperspanningen tot 1,5 kV en stromen tot honderden ampères zijn haalbaar. Vermogenshalfgeleiders zijn als het ware de natuurlijke tegenhangers van de microelektronica en we associëren ze vooral met robuustheid. En dat blijkt dan een illusie? Waarom dan?
De eindtrappen van motordrivers e.d. bestaan meestal uit één of meerdere halve brugschakelingen die in tegenfase worden aangestuurd. En juist als de transistors worden gebruikt in de buurt van hun maximale sperspanning, wat bij het schakelen van grote vermogens vaak het geval is, kan een „inslag“ van een geladen deeltje de sperlaag van zo’n transistor voor een heel korte tijd op zijn minst gedeeltelijk geleidend maken. En als nu net de andere transistor, die in tegenfase werkt in geleiding is, dan levert dat bijna een kortsluiting tussen de voedingslijnen op en wordt er ogenblikkelijk heel veel elektrische energie omgezet in thermische energie in die transistor, wat niets anders betekent dan dat deze transistor zijn allerlaatste schakelactie heeft gedaan. Dat dit geen puur theoretisch gevaar is, is inmiddels in veel laboratoria aangetoond met testschakelingen zoals in het schema rechts. Daarbij bleek dat bij belasting met hoogenergetische straling uitval bepaald niet zeldzaam is. Andere onderzoekers kwamen tot de conclusie dat IGBT’s nog iets gevoeliger zijn dan MOSFET’s.
Wat zijn de gevolgen? Op het aardoppervlak is dit geen dringend probleem en op de Mount Everest wordt zelden een motordriver of een schakelende regelaar met een heel groot vermogen gebruikt. Maar al bij de vlieghoogtes van moderne verkeersvliegtuigen wordt het probleem acuut. Op 10 tot 12 km hoogte is de hoogtestraling duidelijk merkbaar. En als we dan denken aan de plannen voor elektrische verkeersvliegtuigen, wordt het toch wel precair. Om nog maar te zwijgen van de geplande bemande Mars-missie, waar de elektronica vele maanden lang storingsvrij moet werken. We moeten dan de vermogenshalfgeleiders ver onder hun maximale sperspanning gebruiken en/of dit fenomeen, de oorzaken en de potentiële oplossingen diepgaand onderzoeken.
