Strahlungshärten
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Härten oder Strahlungshärten bezeichnet in der Elektronik eine Reihe von Maßnahmen oder Prozessen, mit denen elektronische Komponenten und Schaltungen gegen Beschädigungen oder Fehlfunktionen durch hohe ionisierende Strahlung (Partikelstrahlung und energiereiche elektromagnetische Strahlung) resistent gemacht werden.[1] Einsatzgebiete solcher Elektronik ist der Weltraum, der Flug in großen Höhen, Geräte in der Nähe von Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern und Aufgaben bei und nach nuklearen Unfällen oder Atomkriegen. Alle elektronischen Halbleiterbauteile sind mehr oder weniger anfällig für Strahlenschäden und Funktionsstörungen. So können sich Speicherinhalte verändern, wenn Ladungen durch Teilchenbeschuss zu oder abgeführt werden. Es können sich in Kristallstrukturen temporär oder latent leitfähige Kanäle bilden, die direkt oder indirekt durch nachfolgenden Stromdurchgang zum Versagen führen. Um die Anfälligkeit für strahleninduzierte Fehlfunktionen und Strahlenschäden zu verringern, werden aktive Maßnahmen ergriffen, z. B. physische Redundanz und redundante Datenverarbeitung, oder passive (geringere Taktraten, Abschirmung, strahlenresistentere Halbleitermaterialien wie z. B Galliumarsenid). Aufgrund der umfangreichen Entwicklung und den Tests, die erforderlich sind, um ein strahlungstolerantes Design eines mikroelektronischen Chips herzustellen, sind diese bei gleichem Funktionsumfang und gleicher Leistungsfähigkeit wesentlich teurer. Funktionalitäten und Integrationsgrad strahlungsharter Chips bleiben tendenziell hinter den jüngsten Entwicklungen zurück. Strahlengehärtete Produkte werden einem oder mehreren Tests unterzogen, zum Beispiel der Gesamtionisierungsdosis (engl. total ionizing dose, TID), verstärkten Effekten mit niedriger Dosisleistung (engl. enhanced low dose rate sensitivity, ELDRS), Neutronen- und Protonenverschiebungsschäden und Einzelereigniseffekten.
Entwicklungsgeschichte
Die theoretische Grundlage geht auf eine Arbeit von John Torkel Wallmark und S. M. Marcus aus dem Jahr 1962 zurück. Sie folgerten aus der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen, dass künftige, kleinere integrierte Schaltungen durch einzelne energiereiche Teilchen der kosmischen Strahlung gestört werden könnten.[2][3]
Erste praktische Hinweise ergaben sich an Satelliten. 1975 führten Daniel Binder, Edward C. Smith und A. B. Holman beobachtete Anomalien im Betrieb von Nachrichtensatelliten darauf zurück, dass galaktische kosmische Strahlung empfindliche Transistoren ungewollt schaltete; ihre Veröffentlichung gilt als erste Beschreibung eines solchen Einzelereigniseffekts (Single Event Upset).[4][2]
Bald darauf rückten auch Fehler auf Meereshöhe in den Blick. 1978 wiesen Timothy C. May und Murray H. Woods bei Intel nach, dass sogenannte weiche Fehler (soft errors) in dynamischen Speichern durch Alphateilchen aus radioaktiven Spurenelementen in den Gehäusematerialien ausgelöst werden konnten.[5] 1979 zeigten James F. Ziegler (IBM) und William A. Lanford, dass auch kosmische Strahlung auf Meereshöhe solche Speicherfehler verursachen kann.[6] Diese frühen Arbeiten etablierten Strahlungseffekte als eigenständiges Entwurfsproblem und bildeten die Grundlage für die später entwickelten Verfahren des Strahlungshärtens.[2]