Componenti spaziali: come la tecnologia Space EP di Texas Instruments aiuta a superare gli ostacoli

Storicamente i programmi satellitari utilizzano componenti qualificati QML-V, sigillati ermeticamente e per uso spaziale al fine di ottenere una maggiore affidabilità e resistenza alle radiazioni. Con l’avvento di una crescita continua nel numero di lanci di satelliti in costellazioni e in orbita terrestre bassa per nuovi programmi commerciali e governativi, è cresciuto anche il bisogno di componenti più piccoli in grado di soddisfare budget rigorosi. Il risultato è un sempre maggiore interesse nell’utilizzo di microcircuiti incapsulati in plastica (PEM, plastic encapsulated microcircuits) nello spazio per svariati motivi. I PEM si sono fatti più interessanti in quanto i prodotti all’avanguardia non sono disponibili nelle versioni qualificate per uso spaziale e, di solito, i PEM presentano ingombri inferiori e sono più leggeri rispetto ai package in ceramica utilizzati in prodotti qualificati per uso spaziale. È ormai riconosciuta la presenza di un rischio in termini di qualità e affidabilità nell’utilizzo di prodotti «preconfezionati» di tipo commerciale (COTS, commercial off the shelf) e, pertanto, alcuni programmi spaziali stanno valutando l’utilizzo di prodotti AEC-Q100 provenienti dal settore automobilistico, i quali presentano requisiti di qualifica più severi. Tuttavia, i passaggi aggiuntivi per la qualifica delle parti Q100 non rispondono a tutti i requisiti di un’applicazione spaziale, anche nel caso di applicazioni spaziali con requisiti ridotti. Ad esempio, le applicazioni commerciali per orbita terrestre bassa LEO (low earth orbit) con una vita utile prevista di tre anni devono ancora soddisfare gli obiettivi in termini di radiazioni ai quali molti prodotti PEM non riescono a sopravvivere. Una delle maggiori problematiche per un programma satellitare consiste nell’individuare e, quindi, testare quei prodotti che soddisfano gli obiettivi in termini di radiazioni.

Sebbene le prestazioni alle radiazioni possano essere l’ostacolo maggiore all’utilizzo di alcuni prodotti COTS o automobilistici nello spazio, occorre considerare una serie di altri rischi e fattori, come i baffi di stagno (whisker), i bond wire di rame, il campo di temperature nominali e il degassamento del package. L’individuazione di un dispositivo in grado di resistere ai gravosi ambienti spaziali può risultare difficoltosa e richiedere molto tempo.

Oltre alla linea completa dei prodotti QML-V resistenti alle radiazioni per missioni spaziali normali e ad alto rischio proposta da Texas Instruments, TI ha introdotto la famiglia di prodotti Space EP (Space Enhanced Plastic) tollerante alle radiazioni in package PEM per ridurre il rischio di utilizzo dei PEM per missioni che presentano requisiti ridotti. I prodotti Space EP presentano le seguenti caratteristiche:

• Immunità SEL (single-event latch-up) a 43 MeV cm2/mg, con alcuni componenti, come la gestione dell’alimentazione, caratterizzati per ulteriori effetti da evento singolo distruttivo (single event effects) e transienti da evento singolo (single event transients). Ogni prodotto è testato alla tensione d’esercizio massima e a 125 °C.
• Senza ELDRS tra 30 e 50 krad(Si). Ogni prodotto bipolare e BiCMOS passa per la caratterizzazione ELDRS a basso rateo di dose (LDR) di 10 mrad(Si)/s.
• Test RLAT (radiation lot acceptance testing) da 20 a 50 krad(Si). Ogni lotto di wafer viene testato e qualificato a 20 krad(Si) e viene fornito un rapporto RLAT. I dispositivi con caratterizzazione TID più elevata sono generalmente garantiti con lo stesso livello RLAT.
• Alcuni componenti presentano inoltre rapporti sul danneggiamento da spostamento di neutroni
• Intervallo di temperatura per uso militare: da –55 °C a +125 °C.
• Assenza di bond wire di rame. Tutti i prodotti hanno bond wire d’oro.
• Assenza di stagno opaco. La finitura dei conduttori è in NiPdAu o altra finitura senza Sn puro.
• Mold compound migliorato per basso degassamento.
• Qualifica estesa di ciascun lotto di assemblaggio, inclusi HAST e cicli di temperatura.
• Ciclo di temperatura al 100%. Ogni unità è sottoposta a cicli di temperatura o equivalenti.
• Singolo flusso di produzione. Una singola fab per wafer e un unico sito di assemblaggio per ridurre al minimo la variazione da lotto a lotto.
• Lunghi cicli di vita del prodotto.
• Ogni prodotto ha il proprio VID (Vendor Item Drawing) sul sito Web DLA.

In questa nota applicativa sono trattati i rischi dell’utilizzo dei PEM nello spazio e il modo in cui i prodotti Space EP di TI affrontano questi rischi.

1 Le sfide poste dalle radiazioni

Tecnologie per semiconduttori diverse presentano tolleranze di radiazione intrinseche diverse (vedere il Manuale sulle radiazioni per l’elettronica di TI per ulteriori dettagli). Al tempo stesso, due prodotti che utilizzano la stessa tecnologia di processo potrebbero presentare risposte alle radiazioni totalmente differenti per via della progettazione del prodotto e dei moduli utilizzati nel processo. Di conseguenza, i clienti devono dedicare tempo e risorse per valutare l’affidabilità e le prestazioni alle radiazioni di questi dispositivi. Per ridurre i tempi di sviluppo, i prodotti Space EP di Texas Instruments offrono una vasta caratterizzazione delle radiazioni per rispondere ai requisiti delle missioni LEO.

Inoltre, vi sono molti preconcetti generali sulla tolleranza alle radiazioni che non sono veri per tutti i casi. È probabile che un processo a 65 nm sia immune a SEL, ma solo per i circuiti a 1,1 V. Se un prodotto utilizza circuiti a tensione più elevata, è più probabile che presenti SEL. La presenza di un sostrato epi o SOI non si traduce necessariamente nel fatto che un prodotto CMOS sia immune ai SEL. Per la maggior parte dei prodotti CMOS, l’uso di un substrato epi non ha alcun impatto sulla suscettibilità a SEL, mentre il SOI assicura l’immunità SEL solo se l’ossido di campo (STI) copre tutto il percorso attraverso lo strato attivo fino all’ossido annegato.

Un fornitore come TI conosce il processo utilizzato sui suoi prodotti. Sfruttando queste informazioni, TI è in grado di scegliere prodotti che abbiano un’elevata probabilità di essere tolleranti alle radiazioni e utilizza spesso un processo o una modifica di progettazione al fine di raggiungere l’obiettivo fissato in termini di radiazioni. Dopo aver scelto un componente, TI verifica la scelta tramite test con ioni pesanti, NDD (danneggiamento da spostamento di neutroni) e TID (dose ionizzante totale).

Il flusso Space EP di TI segue inoltre un singolo flusso di produzione e offre il test RLAT (radiation lot acceptance testing) per ridurre il rischio di variazione da lotto a lotto. La maggior parte delle fab per wafer non dispone di monitoraggi o controlli della tolleranza alle radiazioni. Le moderne fab per wafer presentano controlli molto rigorosi volti a garantire prestazioni elettriche costanti, ma i parametri controllati non sono gli stessi che incidono sulla tolleranza alle radiazioni. Ad esempio, la stechiometria e lo spessore degli strati di passivazione hanno un effetto limitato sulle prestazioni elettriche, ma possono essere variabili enormi nella tolleranza alle radiazioni. Un caso estremo è stato quello di un prodotto in cui un lotto superava i 100 krad (Si) e un altro lotto lavorato nella stessa fab per wafer un mese dopo superava solo i 10 krad (Si). Ecco perché il test RLAT è così importante.

I clienti possono usare i prodotti Space EP di Texas Instruments per i loro progetti in modo da contribuire a portare più velocemente i nuovi sistemi spaziali sul mercato e garantire che questi sistemi soddisfino i requisiti di radiazioni per le missioni LEO. Ogni dispositivo è testato anticipatamente per le radiazioni e presenta la caratterizzazione per TID, SEE e spesso NDD fornita in rapporti sulle radiazioni separati e disponibili nel dossier del prodotto. Per una maggiore affidabilità alle radiazioni, i prodotti Space EP utilizzano soltanto un singolo flusso di produzione e ogni lotto è sottoposto al test RLAT, eliminando quindi i rischi posti dalle variazioni da lotto a lotto.

2 Intervallo di temperatura

Spesso i satelliti sono sottoposti agli estremi valori di temperatura calda e fredda nello spazio. Per garantire prestazioni elettriche affidabili da parte del circuito in questo ambiente, i prodotti Space EP di TI hanno un intervallo di temperatura tra -55 °C e 125 °C, con parametri elettrici testati e garantiti per il funzionamento in tali condizioni. L’intervallo di temperatura di livello commerciale è tipicamente compreso tra 0 °C e 70 °C. Per i prodotti automobilistici, esistono diversi intervalli di temperatura specificati, il più comune dei quali è il Grado 3 da –40 °C a 85 °C. Mentre alcuni COTS e prodotti automobilistici possono funzionare oltre la temperatura nominale, molti altri non ne sono in grado. Si rende quindi necessario testare i prodotti alle temperature estreme dell’applicazione per determinare se un COTS o un prodotto automobilistico funzionerebbero.

3 Baffi di stagno (whisker)

Molti prodotti commerciali e automobilistici utilizzano ora lo stagno puro (Sn) come finitura dei conduttori o come componente principale delle sfere dei BGA (ball grid array) come soluzione a basso costo ed ecologica.

Il rischio è che la placcatura in Sn opaco, ora usata comunemente sui PEM COTS e AEC-Q100, possa portare alla formazione di baffi (whisker) in condizioni gravose, lunghi abbastanza da mettere in cortocircuito due conduttori metallici. Inoltre, questi baffi possono rompersi, causando quindi cortocircuiti elettrici in altri punti di un modulo. Per ridurre questo rischio di guasto, il flusso Space EP di TI opta per non utilizzare alcuna terminazione in Sn puro. Il rivestimento conforme non è una soluzione completa in quanto ritarda soltanto parzialmente la crescita dei baffi, i quali possono comunque crescere attraverso il rivestimento. Numerosi casi di guasti ai satelliti sono stati attribuiti ai baffi di Sn.

La soluzione di TI consiste nel non utilizzare terminazioni in Sn puro. La terminazione sui prodotti Space EP di TI è composta da lega per saldatura a immersione in Sn63Pb37, placcatura in NiPdAu o finitura simile senza Sn opaco. Per i BGA, i prodotti Space EP di TI utilizzano sfere di saldatura in Sn63Pb37.

4 I rischi del filo di Cu

Il ciclo termico è particolarmente importante nei satelliti LEO che compiono più orbite al giorno intorno alla Terra. I prodotti Space EP di TI utilizzano bond wire in oro anziché i classici bond wire in rame (Cu) che si trovano tipicamente nei prodotti AEC-Q100 commerciali e automobilistici, al fine di ridurre i rischi potenziali.

Per risparmiare sui costi, un numero sempre maggiore di prodotti COTS sta passando dai bond wire in oro (Au) ai bond wire in rame (Cu). Ora l’uso di bond wire in rame è consentito addirittura nei prodotti AEC-Q100 automobilistici. Su alcuni prodotti è possibile utilizzare i bond wire in Au o Cu e la scelta di quale filo utilizzare è a discrezione del fornitore: tuttavia, di solito ci si basa sulla capacità disponibile per la giunzione del filo in Cu. Spesso il cliente non sa quale materiale è utilizzato per i bond wire su un determinato lotto.

Nonostante il continuo miglioramento nel processo di giunzione in rame e nell’affidabilità dei bond wire in rame, permangono ancora alcuni rischi potenziali, in particolare nelle applicazioni in ambienti gravosi. La giunzione con filo in Cu richiede controlli di processo molto più stringenti; inoltre, potrebbero verificarsi problemi di integrità e affidabilità della giunzione. Eventi sporadici di corrosione del filo in Cu si sono verificati a causa dell’interazione con il mold compound in plastica. Inoltre vi sono stati alcuni casi di corrosione dell’interfaccia tra bond wire in Cu e telaio conduttivo in presenza di delaminazione del package. L’aspetto più preoccupante in ambienti gravosi è forse il fatto che il filo in Cu presenta un coefficiente di temperatura più elevato rispetto a quello in Au, che lo rende più suscettibile alle rotture del collo della giunzione durante i cicli termici. Ciò potrebbe essere fondamentale in alcune applicazioni LEO nelle quali un satellite può trovarsi ad attraversare cicli di temperatura estremi più volte al giorno.

5 Degassamento della plastica e assorbimento dell’umidità

Una preoccupazione comune nell’utilizzo dei PEM per i sistemi spaziali è il fatto che il materiale del package è un mold compound organico che può assorbire l’umidità ed essere soggetto a degassamento dei composti organici. L’assorbimento di umidità può causare una riduzione dell’affidabilità e della durata del prodotto. Le sostanze risultanti dal degassamento possono condensarsi su altri componenti, causandone la contaminazione e compromettendone le prestazioni. Ciò costituisce un grosso problema per i sensori, ad esempio per i sensori di imaging.

L’industria dei semiconduttori utilizza molti mold compound diversi a seconda del tipo di prodotto, delle dimensioni e dell’architettura del package, dell’applicazione e dei mold compound disponibili presso il sito di assemblaggio. Mold compound diversi presentano livelli diversi di sensibilità all’umidità e degassamento.

I prodotti Space EP di TI utilizzano mold compound migliorati e sono sottoposti ad estesi test di qualifica, oltre a quanto richiesto per i prodotti automobilistici dalla normativa AEC-Q100.

I mold compound utilizzati sui prodotti Space EP superano i requisiti di degassamento dettati dalla NASA nella norma ASTM E-495 in termini di perdita di massa totale (TML, Total Mass Loss) inferiore all’1,0% e un valore CVCM (Collected Volatile Condensable Material) inferiore allo 0,1%.

6 Qualifica per ambienti gravosi

I COTS e i prodotti automobilistici non sono testati o qualificati per le gravose condizioni del volo spaziale, come le elevate forze G nel corso di un lancio o il ciclo di temperatura che raggiunge più volte al giorno le temperature estreme di una missione LEO.

Ogni lotto di assemblaggio Space EP di TI passa attraverso una qualifica estesa. I test di qualifica del lotto di assemblaggio comprendono il test HAST (highly accelerated stress test) a 130 °C e all’85% di umidità per 192 ore, i cicli di temperatura tra –65 °C e 150 °C per 500 cicli e il test MSL (moisture level sensitivity) di precondizionamento, seguito dalla microscopia acustica (CSAM). Le ispezioni a campione volte a garantire un package adeguato comprendono l’ispezione visiva dopo la giunzione dei fili e prima del processo di stampaggio, nonché le ispezioni visive e ai raggi X dopo la realizzazione del package.

Dopo la creazione del package, ogni unità Space EP viene sottoposta a cicli di temperatura (20 cicli) oppure a uno stress di riflusso simile prima del test elettrico. Questa qualifica estesa serve a garantire le prestazioni e l’affidabilità del dispositivo negli ambienti gravosi dello spazio e si spinge oltre rispetto alla qualificazione dei tipici componenti commerciali e automobilistici.

7 Siti di produzione multipli

Per consentire flessibilità a livello di produzione, la produzione di un prodotto COTS potrebbe aver luogo in diverse fab per wafer. Ciascuna fab per wafer può disporre di attrezzature e processi leggermente diversi. La differenza tra le fab per wafer non avrebbe alcun impatto sulle prestazioni di un prodotto a condizione che il prodotto venga utilizzato entro i parametri previsti dalla scheda tecnica. Queste differenze potrebbero incidere sulle prestazioni del componente nel momento in cui viene utilizzato al di fuori dei parametri nominali e potrebbero avere un effetto significativo sulle prestazioni del prodotto rispetto alle radiazioni.

Analogamente, l’assemblaggio di un prodotto COTS o automobilistico potrebbe avere luogo in più siti, i quali potrebbero utilizzare mold compound e bond wire differenti. Come precedentemente descritto, queste differenze potrebbero incidere in modo significativo sull’affidabilità del prodotto nel momento in cui è utilizzato in un ambiente gravoso oltre le prestazioni nominali. Normalmente, un cliente non ha la possibilità di scegliere quali siti di produzione utilizzare.

Per i prodotti Space EP di TI sono previsti un unico flusso di produzione, un’unica fab per wafer e un unico sito di assemblaggio per ciascun prodotto. In questo modo si vanno a ridurre sensibilmente le variazioni tra lotto e lotto.

8 Lunghi cicli di vita

Un rischio nella progettazione di prodotti COTS è il breve ciclo di vita di alcuni prodotti COTS, i quali diventano obsoleti e difficili da ottenere per le future versioni dei veicoli spaziali. Texas Instruments sostiene storicamente l’industria militare/aeronautica fornendo prodotti con un lungo ciclo di vita. TI continuerà a fornire prodotti militari e per uso spaziale che sono stati resi disponibili per la prima volta oltre 50 anni fa.

9 VID – Vendor Item Drawing

Ogni prodotto Space EP è dotato di un proprio VID gestito dalla Defense Logistics Agency (DLA) – Land and Maritime del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. I VID sono disponibili per il download sul sito Web della DLA con accesso illimitato. Il VID è simile all’SMD utilizzato per i prodotti qualificati per uso spaziale QML-V in modo da garantire la standardizzazione della produzione, della qualificazione e del collaudo dei prodotti Space EP. Nella scheda tecnica TI e nella pagina del prodotto sul sito ti.com è disponibile un link al VID.

10 Conclusioni

L’ambiente gravoso nello spazio richiede l’impiego di circuiti integrati robusti e affidabili. Sebbene alcuni dispositivi COTS e Q100 siano in grado di soddisfare i requisiti relativi alle radiazioni, la qualificazione di questi dispositivi può risultare costosa e dispendiosa in termini di tempo. Inoltre, sebbene la preoccupazione principale sia l’affidabilità alle radiazioni, vi sono anche molti altri rischi e molte incertezze quando si tratta di dimostrare l’affidabilità di un prodotto nello spazio.

TI ha presentato la famiglia di prodotti Space Enhanced Plastic (Space EP) al fine di eliminare tali incertezze e il costo dell’upscreening, oltre a velocizzare notevolmente i cicli di progettazione. I clienti possono quindi puntare a sfruttare i rapporti dettagliati sulle radiazioni e il miglioramento nel flusso di qualità reso possibile da Space EP e che ha dimostrato di rispondere ai requisiti delle missioni per satelliti LEO. I prodotti Space EP sono riconoscibili su ti.com dal suffisso «-SEP» nella pagina prodotto e nella scheda tecnica.

Per le missioni spaziali a più alto rischio, che richiedono requisiti più stringenti in termini di affidabilità e radiazioni, TI propone ancora la famiglia di prodotti per uso spaziale completamente qualificati QMLV, con livelli TID fino a 300 krad(Si), immunità SEL e SEFI fino a 120 MeVcm2/mg e caratterizzazione SEE completa.

Ulteriori informazioni sulle opzioni per i prodotti di TI per uso spaziale sono disponibili in qualsiasi momento visitando il sito ti.com/space.