PROJETO PEICE

Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante

em Componentes Eletrônicos e Fotônicos

Odair Lelis Gonçalez (IEAv)

Executor: INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS (IEAv)

Convenente: FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA, APLICAÇÕES E TECNOLOGIA ESPACIAIS

(FUNCATE)

Financiamento: FINEP – Fundo Aeronáutico

Dez/2007-Dez/2009 Dez/2010 Set/2011

Projeto PEICE - Estudo dos efeitos da radiação

ionizante em componentes eletrônicos e fotônicos

Motivação:

O desenvolvimento de qualquer projeto

visando aplicações aeroespaciais deve considerar os

efeitos que a contínua ação da radiação cósmica

provoca em materiais e componentes, tais como,

dispositivos semi-condutores analógicos e digitais,

memórias, processadores, fibras óticas e

dispositivos de ótica integrada. O uso e o

desenvolvimento de produtos resistentes à radiação

no país exige o investimento em pesquisa e na

criação de sistemas adequados para sua

qualificação.

Suporte financeiro: CT-Aeronáutico Convênio FINEP

Valor total: R$ 1.181.747,28

R$ 817.142,78 (69%) - materiais, serviços, equipamentos

R$ 354.604,50 (31%) - para bolsas DTI.

Duração prevista: 2 anos (Dez/2007-Dez/2009)

Bolsistas: 5 bacharéis e 2 mestres

Colaboradores: UFRGS, INPE, IFUSP

Projetos ligados: ITASAT, SIA e QDIP/QWIP

Realização de pesquisa sobre os efeitos da

radiação ionizante em:

• componentes e dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos,

• sensores,

• fibras ópticas,

• circuitos analógicos e digitais,

• memórias,

• processadores e

• FPGAs

Aplicação aeroespacial e na defesa, com foco nos

projetos ligados e demandas de colaboradores.

Objetivo geral

Resultados esperados:

Ampliação da capacitação do grupo para a avaliação

experimental dos efeitos da radiação ionizante.

Consolidação das metodologias e processos para a

qualificação de componentes e circuitos quanto à

tolerância à radiação cósmica para uso em satélites e

aeronaves.

Estabelecimento de um centro de referência na

caracterização de componentes quanto à durabilidade

em ambiente sujeito à radiação cósmica.

Formação de um grupo multi-institucional de P&D

sobre os efeitos da radiação ionizante em

componentes e materiais de uso aeroespacial.

Meta 1: Melhoria da infra-estrutura de pesquisa:

a) LRI – Laboratório de Radiação Ionizante

b) LCDS – Laboratório de Caracterização de Dispositivos

Semicondutores

Capacitação para experimentos e testes de qualificação para TID

Metas 2, 3 e 4: Realização de experimentos para

estudo do efeito de dose total de radiação ionizante

(TID) com radiação gama do 60Co

Estudo do aumento da atenuação de fibras ópticas

Efeitos da Radiação Ionizante no

Conversor de Tensão DC/DC LM2596

Análise dos Efeitos de Irradiação Ionizante em dois

Amplificadores Operacionais

Efeitos de TID FPGA

Efeitos de TID num FPAA

Teste de upscreening do transistor JANTX2N2219A

Análise dos efeitos da radiação em memórias DRAM,

SRAM e FRAM

Medidas de TID numa matriz de transistores

Efeito da Radiação em Fibra Óptica Utilizada em

Giroscópio à Fibra Óptica

2

4

223

1

2

111

1

1

TP

TDCP

TP

TDCP

)]exp(1.[)]exp(1.[)( 4321 tPPtPPdBA

XI SIGE - 2009 (ITA)

Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante no Conversor

de Tensão DC/DC LM2596

Multímetro

Osciloscópio

Fonte

0-60V/50A

GPIB BUS

Fonte

Co60

GPIB-LAN

Plataforma Virtual

VEE

Multímetro

Osciloscópio

Fonte

0-60V/50A

GPIB BUS

Fonte

Co60

GPIB-LAN

Plataforma Virtual

VEE

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Dose Total Absorvida [krad(Si)]

Ten

são

de S

aíd

a

(V)

6 V

10 V

15 V

20 V

25 V

30 V

35 V

40 V

Tensão de Entrada

(V)

Limiar de dose acumulada

[krad(Si)]

6 19,1

10 21,9

15 23,7

20 25,1

25 26,5

30 27,9

35 29,4

40 31,3

0

1

2

3

4

5

6

0:00:00 48:00:00 96:00:00 144:00:00 192:00:00 240:00:00

Tempo (h)

Ten

são

de S

aíd

a (

V)

6 V

10 V

15 V

20 V

25 V

30 V

35 V

40 V

2009 Brazilian Symposium on Aerospace Eng. & Applications

TID em Amplificadores Operacionais (até 500 Krad)

Fonte

Co60PCI

Multímetro Osciloscópio

Rede LAN IEAv

GPIB GPIBGerador

GPIB

1 Canal

2 Canais 2 Canais

100 1k0

0.5

1

1.5

Frequência [Hz]

Am

plit

ude [V

]

100krad

300krad

500krad

0 100 200 300 400 5000

100

200

300

Dose [krad]

Corr

ente

[uA

]

0 100 200 300 400 5000

2

4

6

8

Dose [krad]

SR

[V

/us]

0 100 200 300 400 5000

2

4

6

8

Dose [krad]

SR

[V

/us]

XII SIGE - 2010 (ITA)

TID em FPGAIEEE Trans. Nucl. Science, 2010

TID em FPAA

Medidas da dose de radiação em altitudes de vôo

Medidas do espectro e fluxo de nêutrons no solo em várias altitudes

Meta 5: Fomentar a Criação de Rede de P&D

• Workshops: três (ICT, Universidades, Iniciativa privada)

• Reuniões com várias instituições (públicas e privadas), e

• Promoção de interação entre diferentes instituições

Grupos de Trabalho

OBJETIVO

• Estudar as condições materiais e humanas para desenvolver e qualificar no País circuitos integrados resistentes a radiações ionizantes.

ESCOPO

• Definição de um conjunto de referências balizadoras para subsidiar a elaboração de um programa voltado para:– o estabelecimento de uma infra-estrutura distribuída capaz de

apoiar e prover a criação e obtenção de circuitos integrados resistentes a radiação ionizante e

– A formação de recursos humanos qualificados para atuar nas áreas de interesse.

Grupos de Trabalho

Dr. Issamu (INPE), Dr. Alirio (INPE),

Maria Helena (Omnisys), Dr. Nicolás (Mosaico), Dr. Leandro (Opto),

Dr. Jackson (AEB),

Dr. Gustavo (SM-DH),

Dr. Odair (IEAv), Angelo (IEAv),

Dr. Nemitala (IFUSP),

Dr. Jader (CTI), Dr. Saulo (CTI), Dr Marcio (CTI)

Dra. Fernanda (UFRGS), Dr. Gilson (UFRGS)

Grupo de Requisitos e Especificações

• Identificar componentes e requisitos relevantes ao

programa espacial

• Identificar funções (ASICS)

• Priorizar, fornecendo estimativas de necessidades para os

próximos 5 anos, visando contribuir para a elaboração de

planos de ação de órgãos de elaboração de políticas

estratégicas.

• Identificar normas relevantes

• Identificar requisitos para qualificação de componentes

Grupos de Trabalho

Grupos de Trabalho

Grupo de Projetos e Fabricação

• Identificar demandas tecnológicas;

• Identificar problemas relacionados com a geração de

projetos;

• Identificar tecnologias a serem utilizadas ;

• Identificar técnicas de endurecimento do projeto; e

• Priorizar necessidades e investimentos.

Grupos de Trabalho

Grupo de Encapsulamento e Testes

• Necessidades previstas x instalações previstas; e

• identificação de prioridades para novos investimentos.

Grupo de Validação e Qualificação

• Instalações existentes e suas áreas de atuação;

• Necessidades x recursos existentes, o que falta no País;

• Priorização; e

• Identificar plataformas para testes de componentes.

Grupos de Trabalho

Grupo de Negócios (financiamento e PI)

• Identificar áreas de contato do setor aeroespacial – outras possíveis fontes de financiamento que permitissem

criar as condições para formar a capacitação desejada para atender as necessidades do setor espacial brasileiro (no contexto de componentes robustecidos).

– Buscar as justificativas para os desenvolvimentos propostos e possível impactos em outras áreas de interesse para o País.

• Fazer o levantamento de problemas e propostas de soluções (estratégias) relacionados com a propriedade intelectual

Grupos de Trabalho

Grupo de Requisitos e Especificações

Componentes relevantes para o programa espacial

ID Descrição

C1 Osciladores (VCO e PLL)

C2 PWM - Pulse Width Modulator

C3 Transistores de RF (UHF)

C4 Conversores DC/DC (miniaturizados até 100W, 10 - 30 V)

C5 Transistores MOSFET

C6 Circuito integrado digital memória PROM

C7 Circuito integrado digital comunicação 1553

C8 Circuito integrado digital LVDS 031 Line driver

C9 Circuito integrado digital LVDS 032 line receiver

C10 Circuito integrado digital LVDM crosspoint

C11 Microcontrolador 196

C12 FPGA

C13 Sensor de Imagem CCD linear

C14 Sensor de Imagem APS com 1000 x 1000 elementos

C15 Sensor de Imagem com array linear de microbolômetros

C16 Sensor de imagem na banda SWIR

Em uso – 2020 perspectivas

upscreening (C1-C12)

Desenvolvimento (C13-C16)

(questão estratégica)

Grupos de TrabalhoGrupo de Requisitos e Especificações

Funções relevantes identificadas.

ID Função

F1 Chave de potência MOSFET com limitação de corrente, com possível aplicação para conversores DC/DC de tensão. Consiste de um CI misto analógico-digital capaz de controlar correntes in-rush em equipamentos e mitigar o efeito de latch-up em componentes sensíveis à radiação;

F2 Circuito “driver” utilizado para a geração do pulso de telecomando On/Off. É um circuito integrado misto analógico/digital, amplamente utilizado em projetos de sistemas eletrônicos embarcados em satélites;

F3 ASIC para plano focal do sensor CCD de câmeras imageadoras incluindo as funções: drivers clocks, CDS digital, polarizações, e conversão A/D;

F4 Função de controle de comunicação avançado utilizando o bus MIL-STD 1553;

F5 Função de interface de comunicação de rede, segundo a especificação SpaceWire da ESA (ECCS). SpaceWire é um protocolo utilizado na troca de informação entre equipamentos embarcados em satélites.

Em uso Desejável

ASICS

Grupos de Trabalho

Grupo de Projetos e Fabricação

Recomendações I• Desenvolver biblioteca de células (digitais e analógica) endurecidas à

radiação.

• Desenvolver microcontrolador modular, a partir de blocos e periféricos de base.

• Priorizar uso de processos de fabricação convencionais.

• Investir na interface entre potenciais clientes (INPE, empresas do setor aeroespacial) e centros de P&D/universidades.

• Projetar-se no pais um microcontrolador modular, endurecido à radiação, com os módulos distribuídos às DHs.

• Promover intercâmbios (no país e exterior) de treinamento, de modo a fomentar parcerias comerciais e/ou acadêmicas.

• Utilização de tecnologias convencionais, mas com CI´s endurecidos via técnicas de projeto e/ou layout especial.

Grupos de Trabalho

Grupo de Projetos e Fabricação

Recomendações II

• Utilização de tecnologias endurecidas, assim como SOI e EPI-CMOS. Identificar custos.

• Identificar as foundries que venderiam para o Brasil CIs endurecidos à radiação.

• Identificar necessidades de encapsulamento especial para altas e baixas temperaturas, umidade, etc...

• Identificar fornecedores, custo e disponibilidade de venda para o Brasil.

• Considerando processos convencionais de fabricação, além de técnicas de layout (ELT, guard rings, etc.), adquirir know-how em técnicas de circuito (DICE, redundância temporal, TMR, polarização dinâmica de substrato,etc.) e de sistema (códigos de bloco).

Grupos de Trabalho

Grupo de Projetos e Fabricação

Recomendações III

• Promover intercambio entre pesquisadores no Brasil e no exterior.

• Aumentar a formação de recursos humanos na área. RH preparado para atuar em CIs robustos para radiação é capaz de migrar com facilidade para a área de sistemas, contribuindo para transferir para a iniciativa privada o conhecimento para atuarem no setor espacial.

• Desenvolvimento de IPs tolerante não vinculada a patentes internacionais (patentes e produtos próprios).

• Sendo o CEITEC, certamente, parte da solução na questão “processo”, investimentos em equipamentos serão provavelmente necessários por parte do governo.

Grupos de Trabalho

Grupo de Validação e Qualificação

Recomendações gerais• Fomentar a integração da comunidade de testes (Universidades e

Institutos de pesquisa)

• Investir na criação de infraestrutura de irradiação com valores altos de energia/nucleon para caracterização em ensaios DD e SEE.

• Fomentar a formação de RH qualificados para a especificação de condições adequadas de irradiação em função do experimento pretendido.

• Fomentar a colaboração nacional e internacional para o desenvolvimento de plataformas de testes com transferência de tecnologia.

• Fomentar o intercâmbio de pesquisadores e estudantes com instituições nacionais e do exterior, para trabalhar na realização de experimentos de estudo de efeitos de radiação em diferentes tipos de componentes.

Grupos de Trabalho

Grupo de Negócios (financiamento e PI)

• Identificar áreas de contato do setor aeroespacial – outras possíveis fontes de financiamento que permitam

criar as condições para formar a capacitação desejada para atender as necessidades do setor espacial brasileiro (no contexto de componentes robustecidos).

– Buscar as justificativas para os desenvolvimentos propostos e possível impactos em outras áreas de interesse para o País.

• Fazer o levantamento de problemas e propostas de soluções (estratégias) relacionados com a propriedade intelectual

Próximos passos

• Definidos os componentes de interesse, identificar:

– Dificuldades de desenvolvimento

– Tecnologias chave

– Potencial de mercado dual

– Potencial de mercado intermediário

– Perspectivas de uso futuro

– Valor agregado

• Estabelecimento de biblioteca(s) de células básicas,

módulos básicos, e resultados de ensaios (radiação)

– Urgência na definição do modelo de PI, divulgação de

resultados, formalização de documentação e regras de uso

– Participação da Iniciativa Privada

– Gestão do conhecimento

Questões

estratégicas e de

Mercado

(sustentabilidade)

Tecnológica

Próximos passos

• Refinamento do levantamento de necessidades de

infraestrutura e Priorização de investimentos –

Revisão

• Buscar mecanismos complementares de financiamento

do desenvolvimento, incluindo a iniciativa privada

• Estabelecer relações de confiança entre os vários

atores:

– Definição do negócio

– Identificação de competências

– PI

– Caminho tecnológico

Eventos importantes

Novos projetos - Continuidade de investimentos

• CTI-FINEP-MCT -> CITAR : desenvolvimento CIs

robustecidos – P&D

• MCT/CNPq/AEB 033/2010 -> RH

• UNIESPAÇO

• Reorientação do ITASAT

• Convênio LSI-Tec

• Cubesats

SERESSA

DISCUSSÕES

• Mais incentivo ao mercado

(inter)nacional de produtos dos mais

diversos setores, como automobilístico(?)

• Mais apoio da política de defesa nacional

• As quotas governamentais terão

preferência no desenvolvimento

tecnológico no país

• A questão é explorar esse recurso (mais

motivação da iniciativa privada?)

DISCUSSÕES

• Não adianta só olhar para o nosso mercado, se

quisermos atuar na área devemos olhar com seriedade

para mercados internacionais

• Nós temos acordo com a China, com uma série de

problemas. Por que também não haver acordo com

Índia e Japão por exemplo no setor de satélites

geoestacionários?

• A maior dificuldade do Inpe é a interação com a China

(gerou dificuldade de importação)

• Não se sabe de onde serão lançados nossos satélites

PMN, se for lançadores da China poderá ter embargo

DISCUSSÕES

• Componentes espaciais e sua implementação são caros

por natureza

• A ideia seria gastar parte dos R$ 30 milhões do CBERS

no próprio Brasil e diversificar o recurso para outros

projetos que não do âmbito aeroespacial

• No entanto, Ângelo defende que a China cresceu no

setor, mais que o Brasil

• Jackson quer focar mais no setor nacional do que

discutir o âmbito internacional, ele acha mais

importante

DISCUSSÕES

• Componentes espaciais e sua implementação são caros

por natureza

• A ideia seria gastar parte dos R$ 30 milhões do CBERS

no próprio Brasil e diversificar o recurso para outros

projetos que não do âmbito aeroespacial

• No entanto, Ângelo defende que a China cresceu no

setor, mais que o Brasil

• Jackson quer focar mais no setor nacional do que

discutir o âmbito internacional, ele acha mais

importante

DISCUSSÕES

• Saulo: É necessário fazer um prospecto das

necessidades

• Por exemplo, temos DH’s crescendo bem, deveríamos

pensar em como consolidar a demanda para utilizar a

mão de obra das academias brasileira

• É necessário fazer uma interação maior entre as

diversas instituições no sentido de começar de fato a

fabricar componentes rad hard e outros qualificados

NACIONAIS

• Jackson: busca contato com setor automobilístico,

forças armadas (Saulo concorda)

DISCUSSÕES

• Odair participou de congresso na marinha sobre o

ambiente cósmico radioativo e componentes rad hard,

eles manifestaram interesse

• Saulo: tem acesso pelo CTI ao exército. Quer propor

interação

• Márcio fialho: falou sobre exploração petrolífera de

poços profundos. As técnicas para tornar componentes

resistentes a Altas profundidades são bem semelhantes

às técnicas rad hard.

• Ângelo disse que há parcial contato nesse sentido com a

Petrobrás (só falta $$ por parte da Petrobras)

DISCUSSÕES

• Apresentação institucional para a área seria

interessante, segundo Ângelo

• Jackson quer focar na “realidade”, quer formar uma

lista de colaboradores

• Ângelo quer nomear pessoas para fazer contatos

• Márcio cita indústria de aviação civil. EMBRAER, por

exemplo

• Foi levantado a necessidade de indústria que queira

trabalhar com rad hard? Exemplo: Philips, GE,

medicina, etc, etc...

• Não seria interessante convidar a grande indústria

para nossos eventos?

DISCUSSÕES

• Ângelo reforça: cadê a iniciativa privada?

• Saulo: sugestões

• Nós aqui nos organizarmos como sociedade

• Elaboração de um plano estratégico que deverá evoluir

para um plano de negócios

• Jackson: antes de falar em “quem” devemos falar em

“como”

• Saulo e Jackson concordam em documentar como fazer

para depois definir quem fazer

• Saulo reforça preparar a sociedade e documentos de

divulgação consistentes para o setor industrial de

forma que eles tenha RESPOSTAS e não DÚVIDAS

DISCUSSÕES

• Luiz Bernabe: devemos antes conhecer melhor as

indústrias e os recursos que temos para atende-las

• Alguém está de fato procurando o mercado de forma

consistente?

• É necessário que haja um bom programa de captação

• Alguém disse que o documento citado por

Saulo/Jackson é atrasado

• Cláudio trouxe uma publicação de 29 de nov de 2010

que diz que o congresso vai olhar de forma relevante

para meios alternativos de financiamento, adequação

de alguns instrumentos judiciais e jurídicos a favor do

setor aeroespacial, formação de recursos humanos,

fomento, finaciamento, etc, etc...

DISCUSSÕES

• Ângelo disse que criamos um plano estratégico para

falarmos todos envolvidos, uma mesma língua

• Ângelo propõe a Jackson a colaboração para de fato

iniciar, como recursos humanos, a agilizar tudo o que

foi debatido hoje à tarde (29 Nov 2010). Ele aceita, mas

quer mais participantes

• Odair propõe, dentro do que nós já fizemos, algumas

reuniões dos grupos de trabalho criados no workshop

PEICE 2009, coordenados por Ângelo e Jackson. Odair

pretende disponibilizar estrutura

FIM