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Laser simuliert Halbleiter-Ausfälle durch kosmische Strahlung

2017-11-20

Versuchsaufbau mit zu beschießendem Bauteil und Mikroskopobjektiv, zur Fokussierung des Laserstrahls (Bild: Fraunhofer INT)
Anklicken zum Vergrößern!

Während die Röhrentechnik noch relativ unempfindlich war, sind Halbleiter durch kosmische Strahlung gefährdet: Fehlfunktionen und Ausfälle sind mögliche Folgen. Schon der erste Fernmeldesatellit Telstar 1 fiel nach wenigen Monaten - allerdings menschengemachter - Partikelstrahlung zum Opfer. Die heutige, immer kleinere Strukturen nutzende Mikroelektronik ist so anfällig gegen Strahlung, dass in Satelliten gerne noch Bausteine älterer Generationen eingesetzt werden.

Doch auch am Boden spielt die kosmische Strahlung eine Rolle. Ihre Intensität ist geringer als im All, dennoch führt sie zum unerwarteten Durchschalten von Leistungshalbleitern, dem Kippen von Bits und in Folge Rechenfehlern in Computern sowie zum dauerhaften Ausfall von Bausteinen. Der Fachmann spricht von "Single Event Effects", also den Auswirkungen einzelner Partikeltreffer. Gerade bei neuen Trends wie Autonomem Fahren und E-Mobilität, bei denen höchstintegrierte Steuer- und Leistungs-Elektronik zum Einsatz kommt, sind diese ein Problem, so Dr. Stefan Metzger, einer der Projektleiter und Leiter der Abteilung Nukleare und Elektromagnetische Effekte (NE) am Fraunhofer INT.

Es wäre interessant, die möglichen Auswirkungen der kosmischen Strahlung vorab testen zu können, um Schaltungen gegebenenfalls anzupassen. Doch das Bestrahlen von Halbleitern mit Partikeln aus radioaktiven Quellen oder Forschungsreaktoren ist problematisch: Die Bausteine können nur unter großen Sicherheitsvorkehrungen bestrahlt werden und sind anschließend selbst radioaktiv. Ein Test unmittelbar nach der Bestrahlung ist daher schwierig. Zudem lässt sich kaum steuern, wo auf dem Halbleiter die radioaktiven Partikel auftreffen.

Das Fraunhofer INT hat deshalb eine Methode entwickelt, zu testende Halbleiter gezielt mit einem Laserstrahl zu "durchbohren". Dieser kann für die Tests auf genau jene Baugruppen auf einem Chip gelenkt werden, bei denen Ausfälle kritisch sind und es tritt nach der "Bestrahlung" keine Radioaktivität mit problematischen Nachwirkungen auf. Der Neodym-dotierte Yttrium-Vanadat Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm lässt sich durch die geringe Wellenlänge auf sehr kleine Bereiche fokussieren. Da es sich außerdem um einen Pikosekundenlaser handelt, ist dieser imstande, extrem kurze Impulse mit einer Dauer von 9 ps (Pikosekunden) zu erzeugen; in den Auswirkungen auf die Schaltungen ist dies mit kosmischen Partikeln vergleichbar.

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