Effets radiatifs et durcissement technologique
Tenue des circuits aux radiations ionisantes

La tenue des circuits aux radiations ionisantes prend une place sans cesse croissante.

Cela tient d’une part à l’augmentation constante de l’utilisation de l’électronique dans les équipements et systèmes, d’autre part à l’évolution de la microélectronique.

Les composants sont de plus en plus intégrés ; augmentation du nombre de transistors par puce, augmentation de la surface des circuits, diminution des longueurs de grille, diminution de la tension de fonctionnement, apparition de nouvelles technologies, etc.

Une grande partie de ces évolutions technologiques contribue à rendre plus sensibles les composants aux environnements radiatifs et fait apparaître de nouvelles sources de perturbation (upset multiple, courant de fuite des MOS à bas niveau...).

Les techniques de durcissement et la prise en compte des nouveaux phénomènes par les experts « durcissement » doivent s’adapter à ces évolutions technologiques très rapides.

Historiquement, le durcissement nucléaire s’est développé sous l’impulsion de la menace nucléaire ; dissuasion stratégique, guerre froide, équilibre de la terreur... La conquête spatiale et le développement des satellites ont également contribué au besoin en électronique « durcie » ou « rad tolérante » avec ses spécifications propres. Aujourd’hui, le besoin évolue et de nouveaux environnements apparaissent ; ils sont associés à la physique des particules, au nucléaire civil et à l’avionique. Demain, d’autres perspectives s’ouvriront, comme la radiothérapie (protonthérapie, neutronthérapie, thérapie par ions lourds...) ou la fusion thermonucléaire contrôlée. Il y a donc multiplication et évolution des environnements radiatifs à considérer. Par ailleurs, l’emploi de l’électronique dans les équipements et systèmes se généralise, ce qui s’explique par la diminution des coûts, l’augmentation de la fiabilité et l’augmentation des fonctionnalités offertes. Cette omniprésence de l’électronique a pour conséquence une forte augmentation du volume de production (les composants militaires, spatiaux et, a fortiori, durcis, qui représentent moins de 0,25 % du marché, deviennent marginaux) et une forte augmentation de l’intégration. Le concepteur est donc amené à choisir des composants « civils » très intégrés, qui peuvent être très sensibles aux radiations. Il est impossible de décorréler les aspects environnement des aspects évolution de la microélectronique. Deux cas illustrent bien ce propos. Le premier est celui de l’espace. L’utilisation de dispositifs électromécaniques, de tubes ou de composants électroniques discrets rendait la préoccupation radiative presque marginale. Elle devient maintenant essentielle avec l’utilisation de composants sophistiqués (mémoires, microprocesseurs, ASICs...). Ainsi, la prise en compte des effets des ions lourds, inexistante en 1980, est devenue prépondérante en 1998. Dans le même ordre d’idées, les effets singuliers dus aux protons sont apparus au début des années 90 et prennent maintenant une place importante. Le second exemple est celui des mémoires, qui illustre la multiplication des environnements à considérer. La conception des dernières mémoires DRAM 64 Mbit a dû être effectuée en prenant en compte le phénomène d’upset induit par interaction de la composante au sol des ions lourds du rayonnement cosmique !

On notera une grande différence d’approche entre le durcissement électromagnétique (et particulièrement la compatibilité électromagnétique) et le durcissement des circuits aux radiations ionisantes. Cela tient au fait que dans le premier cas la source de perturbation est un champ électromagnétique que l’on peut écranter, soit directement par des techniques de blindage électromagnétique, soit indirectement en disposant de protections filaires dont l’objet est de réduire les surtensions et/ou les surcourants, arrivant sur les composants électroniques. Dans le second cas, les rayonnements à considérer sont la plupart du temps pénétrants (rayons X et γ , neutrons et protons, ions lourds...) de sorte que la technique de blindage est rarement efficace. Il faut donc considérer le problème à sa base, c’est-à-dire prendre en compte l’interaction entre le rayonnement et le composant.

On peut alors chercher à réduire le volume sensible (cas des technologies durcies ou « immunes ») ou à rendre supportables (« encaisser ») les dérives par conception ou, encore, à corriger les défaillances au niveau circuit ou système.