Estudio de tolerancia a radiación de satélite APLHA3

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Máster Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Estudio de tolerancia a radiación de satélite APLHA3 Autor: Miguel Balesteros Delgado Tutores: Fernando Muñoz Chavero Tutores José María Hinojo Montero Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 Trabajo Fin de Máster Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Estudio de tolerancia a radiación de satélite APLHA3 Autor: Miguel Balesteros Delgado Tutores: Fernando Muñoz Chavero Catedrático de Universidad José María Hinojo Montero Investigador Postdoctoral Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 Trabajo Fin de Máster: Estudio de tolerancia a radiación de satélite APLHA3 Autor: Miguel Balesteros Delgado Tutores: Fernando Muñoz Chavero José María Hinojo Montero El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos D espués de un recorrido lleno de aprendizajes, desafíos y crecimiento personal, hoy concluye una etapa decisiva en mi formación académica. La finalización de este TFM no solo marca el cierre de otro proyecto, sino el fin de una travesía en la que he contado con el apoyo y la compañía de personas que han hecho este camino más fácil y enriquecedor. Por ello, quiero dedicar unas líneas a quienes, de una u otra forma, han sido parte esencial en este logro. En primer lugar, quiero agradecer profundamente a mi familia, que ha estado conmigo en cada paso de este camino. Gracias por vuestro incondicional aliento, por confiar en mí incluso en los momentos de duda, y por el amor y el apoyo constantes que me han dado. Sin vosotros, este proyecto no hubiera sido posible. También quiero agradecer a mis amigos, quienes han estado ahí en las situaciones más exigentes, brindándome su compañía y su ánimo en los momentos de mayor estrés. Han sido un apoyo incalculable, tanto en lo académico como en lo personal, y su presencia ha sido una fuente de alivio y felicidad en esta etapa. A mi novia, Alicia, que ha estado a mi lado en mis momentos de mayor tensión, gracias por tu paciencia y tu comprensión. Tu apoyo ha sido fundamental, y no puedo expresar con palabras lo importante que ha sido tenerte cerca en esta etapa. Finalmente, quiero expresar mi agradecimiento a mis profesores y a ALTER, que me han guiado y orientado en mi formación. En especial, quiero agradecer a Fernando Muñoz y José María Hinojo, quienes no solo me han inspirado a profundizar en el mundo de la radiación para espacio, sino que me han abierto las puertas al apasionante mundo de los CubeSats y la microelectrónica. Su dedicación y conocimiento han sido clave en este proceso. A todos vosotros, gracias de corazón. Este logro es tanto mío como vuestro, y os estoy eternamente agradecido. Miguel Ballesteros Delgado Sevilla, 2024 I Resumen E ste Trabajo Fin de Máster analiza los efectos de la radiación en componentes electrónicos clave de CubeSats mediante la técnica de Pulsed-Laser Testing (PLT), enfocándose en el fotodiodo del CubeSat ALPHA3 . Este estudio surge como respuesta a las limitaciones de las pruebas convencionales con iones pesados, que, aunque efectivas, son costosas para misiones de bajo presupuesto. La investigación se centra en evaluar cómo los Single Event Effects (SEE) afectan a los componentes electrónicos, simulando con precisión la radiación cósmica que experimentan los CubeSats en órbita. Mediante el uso de PLT, se analiza la fiabilidad de dispositivos como el fotodiodo y el amplificador LM124. Los resultados obtenidos validan el uso de PLT como una alternativa viable a los ensayos de radiación tradicionales, proporcionando datos fundamentales para asegurar el éxito de misiones de bajo coste y el avance en la tecnología de CubeSats en Andalucía. III XÍndice Características de Irradiación y SEE 26 Distribución y Uniformidad del Haz 26 Distribución de carga y Fluencia 27 Preparación y Procesamiento de Muestras 27 Alineación y Enfoque de los Ensayos 27 Software y Adquisición de datos 28 Setups para ensayos Front-side yBackside 28 4.1.4 ¿Por qué utilizar Pulsed-Laser Testing? 29 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing 29 4.2.1 Propagación del Haz Láser: Conceptos Básicos de Óptica 30 Otros Mecanismos 32 4.2.2 Diferencia entre las técnicas de SPA y TPA 33 Técnica "Single-Photon Absorption" (SPA) 33 Técnica "Two-Photon Absorption" (TPA) 33 Comparación entre ambas técnicas 34 4.2.3 Front-side vs Backside Testing 35 Ensayo Frontal (Front-side/Top-side Testing) 36 Ensayo Posterior (Backside Testing) 36 Consideraciones adicionales 37 4.2.4 Modos de escaneo 37 4.2.5 Efectos y Parámetros Experimentales 38 Definición de Parámetros, Impacto y Rangos Recomendados 38 Efecto de la Temperatura 40 5 Pasos previos al experimento 41 5.1 Cálculo de la curva de cross-section frente al LET 41 5.1.1 Cálculo del LET: de picojulios a MeV 41 5.1.2 Cálculo de la cross-section 43 5.1.3 Representación de la curva cross-section 43 5.2 Descripción de los dispositivos de PULSCAN empleados 44 5.2.1 PULSBOX-PICO 44 5.2.2 PULSYS Microscope 45 5.2.3 Comparación con otros equipos de Pulsed-Laser Testing 45 5.3 Preparación y Setup 45 5.3.1 Fotodiodo 46 5.3.2 LM124 48 6 Herramienta 49 6.1 Estructura del código 49 6.2 Descripción Detallada de cada parte del código 50 6.2.1 Inicialización y configuración de la GUI 50 6.2.2 Conexión y desconexión del equipo 50 6.2.3 Configuración de parámetros de medición 51 6.2.4 Control del PULSCAN 51 6.2.5 Procesos de medición y escaneo 52 6.2.6 Procesamiento y visualización de datos 53 6.3 Interfaz Gráfica 53 6.3.1 Pestaña 1: Configuración de los Parámetros de Control 53 Controles adicionales en la Pestaña 1 54 6.3.2 Pestaña 2: Panel de Configuración y Ejecución de Ensayos 55 Ejecución de Ensayos: Opciones de Escaneo y Progresión de Energía 55 6.4 Conclusión 56 7 Experimento 57 7.1 Fotodiodo 57 Índice XI 7.1.1 Ensayo progresivo 59 7.1.2 Barrido Lineal 60 7.1.3 Barrido Z VS Barrido S 61 7.2 LM124 62 7.2.1 Front-side testing 62 Zona 1: Coordenadas (152, 158) 65 Zona 2: Coordenadas (296, 512) 66 Zona 3: Coordenadas (404, 284) 67 Zona 4: Coordenadas (464, 151) 69 Conclusiones 70 7.2.2 Backside testing 70 8 Conclusión 71 8.1 Síntesis de resultados 71 8.2 Líneas futuras de trabajo 71 8.3 Conclusión final 72 Apéndice A Barridos para el Front-side Testing en el LM124 73 A.1 Barrido en Z 73 A.2 Barrido en S 78 Apéndice B Mapas de calor de SEE para el Front-side Testing en el LM124 83 B.1 Barrido en Z 83 B.2 Barrido en S 88 Índice de Figuras 93 Índice de Tablas 97 Bibliografía 99 Notación AEC −QAutomotive Electronics Council Qualification ADCS Actitude Determination and Control System API Interfaz de Programación de Aplicaciones "Application Programming Interface" ASET Analog Single Event Transient BEOL Back end of line BOM Lista de Materiales “Bill of Materials” CERN Centro Europeo para la Investigación Nuclear CME Eyecciones de Masa Coronal "Coronal Mass Ejection" COT S (Commercial Off-The-Shelf DCL Lista Declarada de Componentes “Declared Component List” DD Desplazamiento Atómico "Displacement Damage" DSET Digital Single Event Transient DUT Dispositivo Bajo Prueba "Device Under Test" EEE Electrical and Electronic Engineering ELDRS Enhanced Low Dose Rate Sensitivity EP Enhanced Product EPS Electrical Power System ESA Agencia Espacial Europea “European Space Agency” ESCC European Space Components Coordination FH Flight Heritage GCR Rayos cósmicos galácticos "Galactic Cosmic Rays" GEO Geostationary Eart Orbit GUI Interfaz Gráfica de Usuario "Graphical User Interface" HDR High Dose Rate (referido a TID) IMU Inertial Measurement Unit ISS Estación Espacial Internacional "International Space Station" LDR Low Dose Rate (referido a TID) LEO Low Earth Orbit LET Linear Energy Transfer MEO Medium Earth Orbit NIR Near-infrared OBC On-Board Computer PCB Placa de Circuito Impreso "Printed Circuit Board" PLT Pulsed-Laser Testing RHBD Radiation Hardened by Design SEB Single-Event Burnout SEE Efectos de Eventos Singulares "Single-Event Effects" SEGR Single-Event Gate Rupture SEL Single-Event Latch-Up XIII XIV Notación SEP Space Enhanced Plastic SET Single-Event Transient SEU Single-Event Upset SPA Absorción de Un Solo Fotón "Single-Photon Absorption" SPE Eventos de partículas solares "Solar Particle Events" TID Dosis Total Ionizante "Total Ionizing Dose" TNID Dosis Total No Ionizante"Total Non-Ionizing Dose" TPA Absorción de Dos Fotones "Two-Photon Absorption" UI Interfaz de Usuario "User Interface" 1 Introducción Recuerda mirar arriba, a las estrellas, y no abajo, a tus pies. Intenta encontrar el sentido a lo que ves y pregúntate qué es lo que hace que el Universo exista. Sé curioso. Por muy dificil que te parezca la vida, siempre hay algo que puedes hacer y en lo que puedes tener éxito. Lo único que cuenta es no rendirse. Stephen Hawking E n este capítulo, se presentarán los elementos clave que enmarcan el desarrollo del proyecto. Se comenzará con el objetivo principal: evaluar la respuesta de un fotodiodo a los Single-Event Effects (SEE) mediante la técnica de Pulsed-Laser Testing (PLT), fundamental para garantizar la fiabilidad de los dispositivos en el entorno espacial del CubeSat ALPHA3 . A continuación, se explicará la motivación detrás de esta investigación, resaltando la importancia de la misión ALPHA como un avance significativo en la tecnología espacial en Andalucía. Finalmente, se describirá la estructura del trabajo, organizada en seis capítulos que abordan de manera integral el estudio de los SEE y el uso de Pulsed-Laser Testing, combinando teoría y práctica en la investigación espacial. 1.1 Introducción En la actualidad, los avances en la tecnología espacial y la miniaturización de los sistemas han permitido el desarrollo de satélites de pequeño tamaño, conocidos como CubeSats [ 1 ]. Estos dispositivos son clave en misiones científicas, educativas y comerciales, gracias a su versatilidad y bajo coste de fabricación. Uno de los retos más importantes para los CubeSats es su operación en el entorno espacial, donde se ven expuestos a una alta radiación cósmica, que puede afectar seriamente al rendimiento y fiabilidad de sus componentes electrónicos. Dentro de estos efectos, se encuentran los "Single-Event Effects (SEE)" [ 2 ] que están producidos por la interacción de partículas de alta energía con los semiconductores. Estos fenómenos son los responsables de provocar fallos en los sistemas electrónicos que pueden tener un carácter temporal (SEU o SET) o permanente (SEL, SEB, etc). Para prevenir que esto ocurra, habrá que realizar una serie de pruebas exhaustivas sobre los componentes que simulen las condiciones a las que serán expuestos. Un ejemplo es el ensayo de iones pesados ("Heavy-Ions Testing"). Sin embargo, este tipo de pruebas son muy costosas por lo que su viabilidad queda supeditada al presupuesto económico con el que cuente la misión. En aquellas misiones de bajo coste, como son los lanzamientos de CubeSats, estos ensayos no son posibles realizarlos. En este contexto, es importante el uso de técnicas alternativas que permitan detectar posibles SEE por lo que surgen técnicas más avanzadas y baratas capaces de emular los efectos de las partículas energéticas mediante el uso de pulsos de láser altamente energéticos, sin necesidad de realizar pruebas en aceleradores de partículas o en el propio entorno espacial: "Pulsed-Laser Testing (PLT)" [ 3 ]. El PLT se emplea para analizar el comportamiento de dispositivos que son sensibles a la radiación y tienen un papel fundamental en la detección de los Single-Event Effects. 1 2Capítulo 1. Introducción Un ejemplo de misión de bajo coste es la inciativa "misión ALPHA", liderada por un consorcio de empresas y universidades andaluzas. La misión ALPHA, tal y como se verá posteriormente, representa un avance significativo en la capacidad tecnológica de Andalucía en el sector espacial ya que se trata de un proyecto desarrollado íntegramente por empresas y entidades andaluzas. El CubeSat ALPHA3 estará equipado con un fotodiodo cuya capacidad de respuesta a los SEE debe ser evaluada cuidadosamente mediante PLT. De esta forma, se garantizará la fiabilidad y resistencia del dispositivo en el ambiente espacial, asegurando el éxito de la misión. 1.2 Motivación La misión ALPHA representa un hito importante en la industria aeroespacial andaluza, al ser el primer CubeSat desarrollado completamente en la comunidad. Este avance no solo demuestra la capacidad tecnológica y científica de Andalucía, sino que también sienta las bases para futuras colaboraciones e innovaciones en el ámbito espacial. La oportunidad de formar parte de este proyecto es una motivación intrínseca para la realización de este trabajo, ya que permite aportar conocimientos técnicos directamente aplicables a una misión de gran relevancia. Una de las mayores amenazas para los sistemas electrónicos en el espacio es la radiación ionizante, que puede comprometer la fiabilidad de una misión espacial. La evaluación y mitigación de los Single-Event Effects en los componentes electrónicos de los CubeSats es crucial para asegurar el éxito de las misiones, especialmente cuando se busca una operación prolongada en órbita. La motivación principal detrás de este trabajo radica en la oportunidad de aplicar tecnologías avanzadas, como el Pulsed-Laser Testing, para estudiar los efectos de la radiación en componentes clave como el fotodiodo. Este estudio permitirá evaluar el impacto de los SEE y desarrollar soluciones que aseguren una mayor resistencia y fiabilidad de los dispositivos electrónicos en el espacio. Asimismo, este proyecto no solo contribuye al conocimiento técnico de los SEE en fotodiodos, sino que también establece un marco de referencia para futuras pruebas y evaluaciones de dispositivos electrónicos destinados a misiones espaciales. Además, la fascinación por el espacio y el creciente interés por las aplicaciones satelitales, motivan un enfoque innovador en este proyecto, cuyo objetivo final es contribuir al éxito del ALPHA3 y, por extensión, a la consolidación de Andalucía como un actor clave en la exploración espacial. Este trabajo representa un paso significativo hacia la comprensión y mitigación de los efectos de la radiación espacial, un tema de vital importancia en la era de la nueva carrera espacial. 1.3 Objetivos del trabajo La investigación que se presenta en este trabajo tiene como propósito principal analizar el comportamiento de dispositivos electrónicos clave frente a los Single-Event Effects (SEE) en el entorno espacial, específicamente empleando la técnica de Pulsed-Laser Testing (PLT) como método de prueba. A través de este enfoque, se busca simular los efectos de las partículas energéticas sobre los componentes, evaluando su respuesta y fiabilidad sin recurrir a pruebas más costosas como las de iones pesados. Los objetivos específicos de este trabajo son los siguientes: 1. Estudio detallado del comportamiento del fotodiodo bajo condiciones simuladas de SEEs: El fotodiodo, uno de los componentes críticos del CubeSat ALPHA3 , será sometido a pruebas mediante la técnica de PLT para evaluar su respuesta frente a los SEE. Este objetivo es crucial para asegurar la fiabilidad del dispositivo en el entorno espacial y prevenir posibles fallos durante la misión. 2. Evaluación comparativa de los ensayos del LM124 mediante Front-side Testing yBackside Testing: Además del fotodiodo, se llevará a cabo la caracterización de otros componentes electrónicos, como el amplificador operacional LM124. Este componente será ensayado tanto por su parte frontal (Front-side Testing) como por su parte trasera (Backside Testing), para comparar las respuestas obtenidas en ambas configuraciones y comprender mejor los mecanismos de fallo inducidos por la radiación. 3. Análisis de la viabilidad de la técnica Pulsed-Laser Testing como alternativa a los ensayos con iones pesados: La investigación evaluará la efectividad de la técnica PLT como una solución viable y más accesible frente a las pruebas con iones pesados, en el contexto de misiones de bajo coste como la misión ALPHA. Este objetivo incluye la comparación de las respuestas obtenidas mediante ambas 1.4 Estructura 3 técnicas, buscando demostrar que el PLT es una opción adecuada para la caracterización de dispositivos expuestos a la radiación. 4. Contribución al éxito de la misión ALPHA3 : A través de la validación de los componentes clave frente a los SEE, este trabajo tiene como fin garantizar la operatividad y fiabilidad de los sistemas electrónicos del CubeSat ALPHA3 , contribuyendo así al éxito de la misión y al avance de Andalucía como un actor relevante en la exploración espacial. Con la consecución de estos objetivos, se pretende no solo fortalecer el conocimiento técnico sobre la respuesta de los componentes electrónicos ante la radiación espacial, sino también desarrollar una metodología de pruebas eficiente y económicamente viable que pueda aplicarse en futuras misiones CubeSat. 1.4 Estructura Conociendo el proyecto, a continuación se va a definir cuál será la estructura mediante una lista de los puntos principales. El presente trabajo se estructura en ocho capítulos, cada uno de los cuales aborda aspectos fundamentales relacionados con la evaluación de SEE en sistemas electrónicos mediante el uso de la técnica Pulsed-Laser Testing y haciendo uso de varios vehículos de test (fotodiodos y LM124), dentro del marco del proyecto ALPHA. A continuación, se describe brevemente el contenido de cada uno de los capítulos. • Capítulo 1, Introducción: Presenta el contexto general del proyecto, objetivos y motivaciones, además de una descripción de las dificultades del entorno espacial para los sistemas electrónicos, justificando el uso del Pulsed-Laser Testing. • Capítulo 2, Estado del Arte: Revisión de las misiones espaciales relacionadas con CubeSats y la tendencia del New Space, así como el uso de componentes COTS. También se abordan los peligros de la radiación espacial y los tipos de SEE que afectan a los dispositivos electrónicos. • Capítulo 3, Análisis de las DCLs: Examina las Listas de Componentes (DCLs) del CubeSat, detallando los componentes clave como el fotodiodo y el RADFET, y sus implicaciones para el experimento. • Capítulo 4, Laser Testing: Describe los principios del Pulsed-Laser Testing, comparando las técnicas y pruebas con láser frente a los ensayos con iones pesados, y sus aplicaciones para la caracterización de SEE. • Capítulo 5, Pasos Previos: Explica los cálculos que se deben realizar para representar la curva de cross-section frente al LET. Posteriormente, describe los equipos que se van a emplear y los pasos para la preparación y el setup de las muestras. • Capítulo 6, Herramienta: Expone la estructura de la Aplicación de Gráfica de Usuario (GUI) empleada para el manejo del equipo PULSCAN junto a una breve explicación de su funcionamiento. • Capítulo 7, Experimento: Detalla el desarrollo experimental del fotodiodo y del LM124 mostrando los resultados obtenidos de cada una de las pruebas realizadas. • Capítulo 8, Conclusiones: Resume los hallazgos principales y propone futuras investigaciones para mejorar la fiabilidad de los componentes en misiones espaciales. Esta estructura permite abordar el estudio de los SEE desde una perspectiva teórica, experimental y aplicada, asegurando un enfoque integral que cubre tanto los aspectos fundamentales de la radiación espacial como las técnicas avanzadas para su análisis. 2 Estado del Arte L a humanidad ha estado siempre fascinada por el espacio exterior, viéndolo como la última frontera por explorar. Desde los primeros intentos por alcanzar la órbita terrestre, las misiones espaciales han avanzado de forma exponencial, llevando a un crecimiento sin precedentes en nuestro conocimiento sobre el universo. A lo largo de la historia, estas misiones han pasado de estar únicamente bajo el control de gobiernos y grandes agencias espaciales, a incluir la participación de empresas privadas, universidades y pequeñas startups en lo que se denomina "New Space". En este capítulo, se explorará la evolución de las misiones espaciales, los tipos de satélites que se utilizan, así como las tecnologías y retos asociados a la exploración del cosmos. Desde los tradicionales sistemas espaciales hasta las más recientes innovaciones tecnológicas como los "CubeSats" y componentes COTS, este recorrido nos permitirá entender cómo la humanidad continúa superando barreras en su camino hacia las estrellas. 2.1 Misiones espaciales A lo largo de los años, se han llevado a cabo muchas misiones espaciales con el fin de explorar, investigar y aprovechar el espacio. Desde el lanzamiento del Sputnik en 1957 [ 4 ], que dio inicio a la era espacial, estas misiones han cambiado de manera impresionante. Hoy en día, podemos hablar de dos tipos principales: los sistemas espaciales tradicionales y los nuevos sistemas que pertenecen al creciente sector conocido como "New Space". Este último, se distingue por la participación activa de empresas privadas y el uso de nuevas tecnologías que buscan abaratar los costos y facilitar el acceso al espacio. Dentro de este marco, las misiones espaciales se pueden dividir en varios tipos, como tripuladas o no tripuladas, científicas, comerciales o militares, cada una con sus propios objetivos y tecnologías, lo que refleja la diversidad y complejidad de las actividades espaciales actuales. Entre las décadas de 1950 y 1960, la competencia entre la Unión Soviética y Estados Unidos fue clave en la carrera espacial, llevándonos a grandes logros como el primer satélite, el primer ser humano en el espacio y, por supuesto, la llegada del hombre a la Luna. Ya en las décadas de 1970 y 1980, se desarrollaron estaciones espaciales como Skylab y la MIR [ 5 ], y empezamos a enviar sondas hacia otros planetas. Durante los años 90 y 2000, proyectos como el Telescopio Espacial Hubble [ 6 ] y la Estación Espacial Internacional (International Space Station, ISS) ampliaron muchísimo nuestro entendimiento del universo. A partir de 2010, ha habido un aumento notable en las misiones lideradas por empresas privadas como SpaceX y Blue Origin, que ahora juegan un papel clave en el panorama espacial. 5 12 Capítulo 2. Estado del Arte 5. Carga útil (Payload): I) Payload 1: Medición del campo magnético. Este instrumento está diseñado para estudiar las variaciones en el campo magnético terrestre mientras el satélite orbita en LEO. II) Payload 2: Medición de SEE y TID. Uno de los aspectos más innovadores de la misión ALPHA es la medición de estos fenómenos relacionados con la radiación espacial. La medición de SEE y TID es crucial para entender los efectos de la radiación sobre los componentes electrónicos, especialmente los COTS, que son más susceptibles a los daños por radiación. Esto ayudará a mejorar el diseño y la selección de componentes en futuras misiones, optimizando su uso en entornos espaciales. 6. ADCS (Actitude Determination and Control System): Este subsistema es responsable de mantener el satélite orientado correctamente. Gracias a sensores y actuadores, como giroscopios y ruedas de reacción, el ADCS permite que el satélite mantenga su orientación para asegurar la correcta recolección de datos y la comunicación con la estación en tierra. 7. EPS (Electrical Power System): El sistema de energía del satélite está diseñado para proporcionar la electricidad necesaria a todas las partes del CubeSat. Este sistema incluye paneles solares que recogen energía del Sol, electrónica de gestión de energía, y baterías para almacenar energía y mantener el funcionamiento del satélite durante los períodos en los que no está expuesto a la luz solar. 8. OBC (On-Board Computer): Este es el "cerebro" del satélite. El OBC se encarga de controlar todos los subsistemas, procesar la información de los sensores, y asegurar que el satélite funcione de manera autónoma en órbita. También gestiona la transmisión de datos científicos y comandos operacionales entre la carga útil y la estación terrestre. Como ya se ha comentado anteriormente, este proyecto se enfoca en la medición del SEE. Al medir los Single-Event Effects (SEE), la misión ALPHA proporcionará datos cruciales para mejorar la selección y uso de componentes comerciales en futuras misiones espaciales, ayudando a diseñar sistemas más robustos y rentables. Para ello, se dispondrá una matriz de 4 fotodiodos sensibles a partículas de alta energía los cuales, al recibir un impacto, se creará un pulso de corriente indicando que se ha captado un SEE. La combinación de estos sistemas y tecnologías en un CubeSat compacto hace de ALPHA un proyecto innovador que no solo contribuirá al avance de la ciencia, sino que también impulsará la economía espacial andaluza y fomentará nuevas iniciativas y colaboraciones en el sector. 2.1.4 El Futuro de las Misiones Espaciales Por último, al comienzo de esta sección se ha mostrado la evolución de las misiones espaciales, pero ¿a dónde apuntan? El futuro de las mismas incluye planes ambiciosos para la exploración humana y robótica de la Luna, Marte y más allá. Nuevas tecnologías, como la inteligencia artificial y la robótica avanzada, junto con la fabricación en el espacio, prometen revolucionar la exploración espacial. El sector privado jugará un papel creciente, con nuevas empresas y colaboraciones público-privadas. Además, la sostenibilidad y la ética en el espacio se convertirán en temas cruciales, con la gestión de desechos espaciales y la legislación espacial tomando mayor importancia. Con la inclusión de los COTS y, a su vez, la considerable bajada de los costes de las misiones, la tendencia apunta a que se lanzarán muchos más satélites menos costosos y de menor duración disminuyendo el riesgo de las misiones. Las misiones espaciales han transformado nuestra comprensión del universo y han impulsado avances tecnológicos significativos. La evolución desde los primeros satélites hasta las misiones modernas y futuras refleja la capacidad de la humanidad para superar desafíos técnicos y científicos. El desarrollo de CubeSats, en particular, destaca cómo la innovación puede democratizar el acceso al espacio y abrir nuevas posibilidades para la exploración y el uso del espacio exterior. 2.2 Peligros del Entorno Espacial Las misiones espaciales enfrentan numerosos desafíos que deben ser considerados durante la planificación y diseño de los sistemas, especialmente debido al entorno extremadamente hostil del espacio [ 22 ]. A diferencia 2.2 Peligros del Entorno Espacial 13 de la Tierra, el espacio carece de una atmósfera protectora y un campo electromagnético que atenúen los efectos de la radiación, lo que supone un riesgo elevado para los sistemas y componentes electrónicos. Además de la radiación, las variaciones térmicas extremas, que pueden oscilar entre -180ºC y 122ºC, requieren componentes capaces de operar bajo estas condiciones. El impacto del lanzamiento, con altas aceleraciones y fuerzas necesarias para alcanzar la velocidad de escape, también representa un desafío significativo. Por estas razones, los componentes y sistemas utilizados deben ser extremadamente fiables y someterse a pruebas rigurosas para asegurar su funcionamiento en condiciones tan adversas. Para mitigar estos riesgos, los componentes y sistemas espaciales deben ser altamente robustos y someterse a rigurosas pruebas antes de ser lanzados al espacio. A continuación, se describen los principales peligros del entorno espacial y sus efectos sobre los sistemas electrónicos y estructurales. 2.2.1 ¿Cómo afecta la Radiación a los componentes? Uno de los principales peligros del espacio es la radiación cósmica y solar. La radiación espacial se refiere a la emisión de partículas de alta energía que incluyen protones, electrones, iones pesados y rayos gamma. Estas partículas pueden tener varios orígenes, estos son algunos de los más frecuentes: 1. Rayos cósmicos galácticos (Galactic Cosmic Rays, GCR) : Son partículas de alta energía que provienen de fuera del sistema solar, posiblemente de eventos astrofísicos como explosiones de supernovas. Estas partículas, generalmente protones, tienen una energía mucho mayor que las del viento solar y son más difíciles de mitigar. 2. Viento solar (Solar Wind) : Consiste en una corriente continua de protones y electrones de baja a media energía emitida por el Sol. Si bien las partículas de viento solar no son las más energéticas, su flujo constante y exposición prolongada puede afectar los sistemas electrónicos en órbita. 3. Eventos de partículas solares (Solar Particle Events, SPE) : Durante eventos solares extremos, como las Erupciones Solares (Solar Flares) y las Eyecciones de Masa Coronal (Coronal Mass Ejection, CME), el Sol puede emitir ráfagas de protones y partículas cargadas con una energía extremadamente alta. Estos eventos pueden representar un peligro inmediato para las misiones en órbita baja y más allá. Estos eventos pueden producir diversos efectos de la radiación en los componentes pudiéndose clasificar en tres categorías distintas: • Desplazamiento atómico (Displacement Damage, DD): Las partículas de alta energía pueden colisionar con los átomos de los materiales del dispositivo, desplazándolos de sus posiciones originales y causando defectos en la estructura cristalina. Esto afecta el comportamiento eléctrico de los semiconductores. • Dosis Total Ionizante (Total Dose Ionizing, TID): La radiación degrada progresivamente las propiedades de los materiales semiconductores. A medida que un componente acumula más dosis de radiación ionizante, su rendimiento puede degradarse, lo que afecta a la fiabilidad y eventualmente causa fallos catastróficos. • Efectos de Eventos Singulares (Single-Event Effects, SEE): Estos eventos ocurren cuando una partícula de alta energía, generalmente un ion pesado o un protón de alta energía, impacta un área sensible de un componente electrónico, provocando fallos temporales o permanentes. A continuación, se explica más sobre los SEE. 2.2.2 ¿Qué son los SEE? Anteriormente, se han mencionado varias veces los SEE, ¿qué consecuencias pueden llegar a tener? Los Single-Event Effects son una de las principales preocupaciones en el diseño de sistemas electrónicos para el espacio, ya que estos fallos pueden ser difíciles de predecir y mitigar. Existen varias manifestaciones de los SEE, cada una con diferentes grados de riesgo, entre otros: •Single-Event Upset (SEU): Un SEU ocurre cuando una partícula cargada cambia el estado de un bit en un dispositivo de memoria o en un registro digital. Este fallo es temporal y no daña físicamente el dispositivo, pero puede provocar errores en los datos o en el procesamiento si no se detecta y corrige a tiempo. En sistemas críticos, un SEU puede tener consecuencias graves si altera comandos importantes o valores numéricos clave. 14 Capítulo 2. Estado del Arte Figura 2.7 Tipos de Single-Event Effects (SEE) [23]. • Single-Event Latchup (SEL): Este fallo es más grave que un SEU y ocurre cuando una partícula activa las estructuras parásitas del sustrato en los circuitos CMOS y aparece una corriente descontrolada por él, dando lugar a un mal funcionamiento del sistema o la destrucción. Si no se interrumpe rápidamente el suministro de energía, un SEL puede destruir el componente afectado debido al sobrecalentamiento. • Single-Event Burnout (SEB): Este es uno de los tipos más destructivos de SEE y ocurre en dispositivos de potencia como los transistores de alta tensión. Un SEB ocurre cuando una partícula provoca una ruptura dieléctrica, lo que resulta en una corriente desmedida que destruye el transistor. Este tipo de fallo es irreversible y puede llevar a la pérdida total del sistema afectado. • Single-Event Transient (SET): Un SET es un pulso transitorio en una señal analógica o digital causado por el impacto de una partícula cargada. Este pulso puede alterar temporalmente el comportamiento de un circuito, aunque no causa daños permanentes. En sistemas digitales, un SET puede generar un pulso espurio que altere el funcionamiento del sistema. Los SEE pueden ser particularmente problemáticos en entornos espaciales debido a la alta densidad de partículas cargadas, especialmente, durante eventos de alta actividad solar. Para mitigar sus efectos, se pueden emplear varias estrategias, como el uso de componentes tolerantes a radiación, blindaje físico, y técnicas de corrección de errores en software yhardware. Además, se podrá evaluar la susceptibilidad a SEE mediante ensayos bajo condiciones como Heavy-Ions Testing,Protons Testing yPulsed-Laser Testing. En primer lugar, el ensayo de Iones Pesados (Heavy-Ions Testing) simula el impacto de partículas pesadas de alta energía, como los iones que forman parte de los rayos cósmicos galácticos. Durante estos ensayos, se bombardean los dispositivos con iones pesados en aceleradores de partículas, lo que permite medir la susceptibilidad de los componentes a los efectos de los SEE más severos, como los SEGR, SEL y SEB. El ensayo con iones pesados es particularmente útil para evaluar el comportamiento de circuitos sensibles, como los microprocesadores y memorias, que son vulnerables a cambios en sus estados lógicos. Por otro lado, el ensayo con Protones (Protons Testing) simula la radiación que proviene del viento solar y de los eventos de partículas solares, evaluando cómo las partículas más livianas afectan a los sistemas. Aunque los protones tienen menos masa que los iones pesados, su mayor frecuencia en el espacio hace que las pruebas con protones sean cruciales para estudiar los efectos acumulativos de los Single-Event Upsets y los fallos temporales en la lógica de los circuitos. Estas pruebas se realizan en instalaciones de aceleradores que emiten haces de protones a diferentes energías, simulando las condiciones de radiación típicas que experimentan los satélites en órbita terrestre baja (LEO). Por último, está el ensayo con Láser (Pulsed-Laser Testing) del que se hablará más adelante. 2.2.3 ¿Qué diferencia hay entre ASET y DSET? Dentro de los SEE, es útil diferenciar entre dos tipos de transitorios (SET) que afectan de manera distinta a los sistemas analógicos y digitales [24]: • ASET (Analog Single-Event Transient): Un ASET se refiere a un transitorio que ocurre en sistemas analógicos. Los circuitos analógicos son responsables de procesar señales continuas, como las señales 2.2 Peligros del Entorno Espacial 15 de sensores o amplificadores de radiofrecuencia (RF). Cuando una partícula cargada impacta en un nodo sensible de un circuito analógico, genera un pulso transitorio que altera temporalmente la señal de salida. Estos fallos pueden ser difíciles de detectar y corregir, ya que los sistemas analógicos suelen ser más vulnerables a pequeñas perturbaciones que los digitales. • DSET (Digital Single-Event Transient): Los DSET ocurren en circuitos digitales y se manifiestan como pulsos transitorios en las señales lógicas. En los sistemas digitales, una pequeña variación en el voltaje puede cambiar temporalmente el valor lógico de una señal (de 0 a 1 o viceversa). Aunque los DSET no causan daño permanente, pueden generar errores en el procesamiento de datos si la señal transitoria es capturada por un registro o un sistema de memoria. Los DSET suelen ser más fáciles de mitigar en comparación con los ASET, ya que los sistemas digitales pueden implementar técnicas de corrección de errores más efectivas. La diferencia clave entre los ASET y los DSET radica en el tipo de circuito afectado y la naturaleza de la señal que procesan. Los circuitos analógicos operan con señales continuas y, por lo tanto, son más sensibles a pequeñas perturbaciones; mientras que los circuitos digitales procesan señales discretas, lo que facilita la detección y corrección de fallos. No obstante, ambos tipos de transitorios representan riesgos que deben ser mitigados adecuadamente en sistemas espaciales. 3 Análisis de las DCLs E n la ingeniería espacial, cada componente de un equipo o sistema desempeña un papel crítico en el éxito de la misión. Sin embargo, la selección de estos componentes no siempre es sencilla, ya que deben cumplir con rigurosos estándares de calidad y fiabilidad para operar en el entorno extremo del espacio. Por esta razón, este capítulo tiene como objetivo evaluar una variedad de componentes utilizados en la misión espacial ALPHA, asegurando que cumplan con los estándares de calidad y fiabilidad necesarios para operar en el espacio. Se analizan componentes de diferentes equipos, se proponen alternativas cuando es necesario, y se describen las características y consideraciones especiales para su selección. El análisis incluye componentes comerciales y aquellos con certificación espacial, evaluando su resistencia a la radiación y su historial de vuelo. El capítulo destaca la importancia de seleccionar componentes adecuados para garantizar la eficacia y el éxito de la misión espacial. En concreto, mientras que el capítulo principal muestra el montaje de las partes de cada uno de los cuatro subsistemas del satélite (OBC, las dos cargas de pago y el sistema de comunicaciones), el presente capítulo pretende evaluar si los componentes que conforman estos subsistemas resisten la radiación y propone alternativas cuando sea necesario. 3.1 Introducción A continuación, se presenta un análisis detallado de una variedad de componentes que componen diferentes equipos, evaluando sus características y proponiendo alternativas cuando sea necesario para garantizar la eficacia de la misión. Estas han sido elegidas conforme al siguiente criterio: • Para misiones espaciales de nivel bajo o medio, conforme a las especificaciones ECSS se podría corresponder con una misión Clase 4, se han propuesto alternativas de automoción con cierto Flight Heritage e incluso datos de radiación. • Para misiones espaciales de nivel alto, según las especificaciones ECSS se corresponderá con un Clase 1, se han propuesto alternativas espaciales con un nivel de calidad alto, como JANS, QML V y ESCC, entre otros. 3.2 Análisis de las Listas de Componentes 3.2.1 Lista de Componentes de la Carga de Pago de la US En esta "Bill of Materials" (BOM) desarrollado por la Universidad de Sevilla, se pueden encontrar los componentes que se van a utilizar en el diseño del payload para la misión ALPHA. La figura 3.1 muestra la disposición de los distintos elementos de la carga de pago de la US: la matriz de fotodiodos y el RADFET. A continuación, se detalla cada componente, su relevancia y las consideraciones especiales que se han tenido en cuenta para su selección y uso en el entorno espacial. En primer lugar, es importante destacar el conector TC2050-IDC de Tag-Connect LLC. Este es un componente comercial y, por lo tanto, puede presentar ciertos problemas de fiabilidad en el entorno espacial 17 18 Capítulo 3. Análisis de las DCLs Figura 3.1 Layout de la PCB del Payload del CubeSat ALPHA3. de la misión ALPHA. Debido a esto, se recomienda optar por dos conectores y un cable con las mismas especificaciones que el componente base, pero de un fabricante calificado para espacio como Glenair. Los conectores calificados para el espacio están diseñados para soportar condiciones extremas y asegurar una mayor fiabilidad. Los conectores comerciales, aunque son adecuados para aplicaciones terrestres, pueden no soportar adecuadamente los desafíos que presenta el espacio, tales como la exposición a radiación, temperaturas extremas y vibraciones. Glenair ofrece conectores que han sido rigurosamente probados y calificados para estas condiciones, garantizando así la integridad y continuidad de las conexiones eléctricas durante toda la misión. En este BOM se han empleado algunos componentes con nivel de calidad Space Enhanced Plastic (SEP), los cuales ofrecen una gran fiabilidad, aunque no están calificados explícitamente para el espacio. Dos ejemplos de estos componentes son el SN55HVD233-SEP [ 25 ] y el TLV1704-SEP, ambos ensayados frente a ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) [ 26 ] hasta 30 krad y libres de SEL (Single-Event Latch-up) [ 27 ] hasta 43 MeV/mg/cm2. Estos componentes ofrecen una buena opción intermedia entre componentes comerciales y calificados para espacio. Texas Instruments ha desarrollado una gama de componentes SEP que proporcionan una mayor resistencia a la radiación en comparación con los componentes comerciales estándar, aunque no alcanzan el nivel de los componentes específicamente calificados para espacio. El uso de componentes SEP es una estrategia que permite reducir costos sin comprometer significativamente la fiabilidad. Estos componentes están diseñados para ofrecer un rendimiento mejorado bajo condiciones de radiación, lo que los hace aptos para misiones de baja y media duración en órbitas terrestres bajas. El transistor bipolar SOC2222ARHRx [ 28 ] de STM ha sido ensayado frente a TID (Total Ionizing Dose) a alta tasa de dosis (High Dose Rate, HDR) hasta 100 krad. Sin embargo, es necesario medir su comportamiento a baja tasa de dosis (Low Dose Rate, LDR) debido a la naturaleza bipolar del componente. El transistor 3.2 Análisis de las Listas de Componentes 19 2N2222, por ejemplo, ha sido ensayado y utilizado en múltiples misiones como BEPI COLOMBO, JUICE y SOLAR ORBITER, lo que proporciona una base sólida para su consideración en la misión ALPHA. Por otro lado, los transistores BSS84 de Onsemi y el Si2316DS de Vishay, ambos comerciales, han tenido que ser sustituidos debido a que, tras haber realizado el ensayo de radiación del RADFET, no han sido capaces de soportar más de 10 krad sin degradarse por completo. Por esta razón, se han propuesto las siguientes alternativas: • BSS84: El IRHLUB7970Z4 (2N7626) [ 29 ] de Infineon es una buena opción calificada por JANS. Presenta datos de radiación contra TID a 100 o 300 krad y es SEE-hardened. También tiene Flight Heritage en ARIEL, BEPI COLOMBO, JUICE, etc. • Si2316DS: El IRHLUB770Z4 (2N7616) [ 30 ] de Infineon es una buena opción calificada por JANS. Presenta datos de radiación contra TID a 100 o 300 krad y es SEE-hardened. También tiene Flight Heritage en SOLAR ORBITER y SENTINEL 3. Por último, se va a hablar de las DCLs (Declared Components List, Lista de Componentes en español) por separado del payload (carga útil) diseñado por la Universidad de Sevilla: RADFET En la DCL del RadFET, además de algunos de los componentes anteriormente mencionados, se incluye el transistor comercial SMP5116. Informes de ALTER indican que el JANTXV2N5116 ha sido probado frente a TID a 75 krad y utilizado en la misión BEPI COLOMBO. Otros transistores como el 2N5114 y el 2N5115 han sido ensayados a TID de 100 krad. Asimismo, el amplificador operacional OPA2227-EP de Texas Instruments, con nivel de calidad Enhanced Product (EP), cuenta con un informe de radiación realizado por el CERN [31]. El componente principal de esta DCL es el RADFET, específicamente el VT02 de Varadis. Este sensor de detección de radiación es un Transistor de Efecto de Campo Sensible a la Radiación optimizado para detectar radiación ionizante de alta energía, con un rango de dosis de TID de 1 rad a 100 krad [ 32 ]. El VT02 es crucial para monitorear la exposición a la radiación de los sistemas críticos de la nave espacial, asegurando que los niveles de radiación se mantengan dentro de los límites operativos seguros. El RADFET es fundamental para la misión ALPHA debido a su capacidad para proporcionar datos en tiempo real sobre los niveles de radiación. Esto permite tomar decisiones informadas sobre la gestión de la carga útil y la protección de los sistemas electrónicos. Además, el RADFET ayuda a prever posibles fallos debidos a la radiación, permitiendo intervenciones proactivas. Fotodiodo En la DCL del fotodiodo, se destaca el uso del fotodiodo de silicio S1336-18BQ de Hamamatsu. Este componente está diseñado para medir el SEE durante la misión espacial, siendo ideal para la fotometría de precisión. Es crucial conocer cómo la radiación afectará a este componente, ya que será sensible a TNID, TID y SET. Para una correcta evaluación, es necesario determinar parámetros críticos como el LET umbral (LET threshold) y el crossection de saturación (σSAT). El fotodiodo S1336-18BQ de Hamamatsu es especialmente relevante para la misión ALPHA debido a su capacidad de proporcionar mediciones precisas de los SEE. Esto es vital para entender cómo los eventos de radiación individuales pueden afectar los sistemas de la nave espacial. La sensibilidad a TNID, TID y SET requiere que se realicen pruebas extensivas para asegurar que el fotodiodo pueda mantener su precisión y fiabilidad en el entorno espacial. 20 Capítulo 3. Análisis de las DCLs Figura 3.2 Imagen del fotodiodo S1336-18BQ del fabricante Hamamatsu. Conocer el LET y el cross-sectiont de saturación ( σSAT ) del fotodiodo permite diseñar sistemas de mitigación de radiación más efectivos, asegurando que el payload de la misión ALPHA pueda operar sin interrupciones debido a eventos de radiación. Estas mediciones también ayudan a calibrar otros instrumentos a bordo, garantizando la integridad de los datos científicos recogidos durante la misión. 3.2.2 Lista de Componentes de la Carga de Pago de la UCA En este caso, esta DCL se refiere a otra BOM o Lista de Materiales en español. Esta lista es crucial para asegurar que todos los componentes utilizados en el diseño del equipo cumplan con los estándares y requisitos específicos de la misión espacial ALPHA. A continuación, se presenta una evaluación detallada de los componentes, destacando sus características y proponiendo alternativas cuando sea necesario. Inicialmente, es importante mencionar que el inductor de RF 1206CS-101XJLC fabricado por Coilcraft no se recomienda actualmente para nuevos diseños debido a ciertas limitaciones. Para solucionar este inconveniente, se proponen alternativas del fabricante Exxelia, algunas de las cuales están calificadas por la ESCC y cuentan con cierto Flight Heritage en misiones espaciales reconocidas como BEPI COLOMBO, EUCLID, SOLAR ORBITER y SENTINEL 3. Estas alternativas ofrecen una mayor fiabilidad y han demostrado su eficacia en entornos exigentes como el espacio. A pesar de que la mayoría de los componentes incluidos en el BOM son de calidad comercial, algunos presentan un historial de vuelo (Flight Heritage) e incluso datos de radiación. A continuación, se detallan algunos de estos componentes clave: • Convertidor Digital-Analógico DAC08CSZ de Analog Devices: Este componente ha sido ensayado contra la Dosis Total Ionizante (TID), y todas las piezas han pasado las pruebas hasta 25 krads [ 33 ] [ 34 ]. Además, el DAC08CSZ está libre de eventos de Latch-up (SEL) y eventos de Upset (SEU) hasta un LET de 60 MeV/mg/cm2[ 35 ] [ 36 ]. Su robustez frente a la radiación lo hace adecuado para su uso en el espacio. • Amplificador Operacional OP470GSZ de Analog Devices: Se ha probado un componente de la misma familia, pero con un número de parte diferente (OP470A), contra TID hasta 100 krads [ 37 ]. Este amplificador ha sido utilizado en misiones espaciales como BEPI COLOMBO y SOLAR ORBITER, demostrando su fiabilidad y resistencia en condiciones extremas. En cuanto a la memoria FRAM FM33256B-G de Infineon, el Part Number listado actualmente está obsoleto, lo que requiere la búsqueda de alternativas adecuadas. Se propone el uso de memorias DRAM como alternativa viable, debido a su construcción similar a la de las FRAM. Las DRAM utilizan una capa dieléctrica en lugar de una capa ferroeléctrica para lograr la no volatilidad, ofreciendo así una funcionalidad comparable. Las DRAM, además, suelen tener más experiencia de vuelo (Flight Heritage) y han sido ensayadas en muchos casos frente a la radiación, proporcionando datos más extensos y fiables. Esta información es crucial para aumentar la fiabilidad de la misión, incluso si se trata de un CubeSat. Las DRAM, con su historial 3.3 Conclusiones 21 probado y su capacidad para soportar condiciones espaciales adversas, representan una alternativa sólida y confiable para la memoria FRAM obsoleta. 3.2.3 Lista de Componentes del OBC En la evaluación de los componentes que conforman este equipo, se ha identificado una variedad de elementos en calidad comercial. No obstante, para muchos de estos componentes, se proponen alternativas que podrían ser más adecuadas dependiendo de los requisitos específicos de la misión ALPHA. Sin embargo, hay otros componentes para los cuales no se han encontrado alternativas viables debido a ciertas particularidades. A continuación, se presentan los comentarios y recomendaciones pertinentes para estos componentes. Entre los distintos microcircuitos del equipo, se destaca el regulador de corriente en calidad automoción INA237AQDGSRQ1. A pesar de no estar calificado para aplicaciones espaciales ni haber sido utilizado anteriormente en misiones espaciales, podría llegar a ser válido para la misión ALPHA. Este componente, aunque es de calidad "AEC-Q", ofrece características técnicas que podrían ser aprovechadas en el entorno espacial, siempre y cuando se realicen las pruebas y validaciones necesarias para confirmar su resistencia a las condiciones extremas del espacio. En cuanto a la memoria FRAM MB85RS2MTAPNF de Fujitsu Semiconductor, enfrenta una situación similar a la mencionada para el OBC (On Board Computer) en el apartado anterior. Dado que se trata de una memoria comercial, podría presentar fallos en el entorno espacial debido a la radiación y otros factores adversos. Como alternativa viable, se recomienda el uso de memorias DRAM. Las DRAM, a diferencia de las FRAM, utilizan una capa dieléctrica en lugar de una ferroeléctrica para lograr la no volatilidad. Estas memorias suelen tener más Flight Heritage y han sido ensayadas frente a radiación en múltiples ocasiones, proporcionando datos más robustos y fiables. Esto aportará mayor fiabilidad a la misión, a pesar de tratarse de un CubeSat. El multiplexor de potencia TPS2117DRLR, actualmente no disponible en el mercado espacial, representa otro desafío. Dado su funcionamiento, la mejor opción es sustituir este componente por un Relé de Estado Sólido de dos entradas. Estos relés se pueden encontrar calificados para aplicaciones espaciales o con información relevante como Flight Heritage o informes de radiación, lo que garantizará su rendimiento y fiabilidad en la misión ALPHA. Por último, se encuentran la Unidad de Medición Inercial (Inertial Measurement Unit, IMU) ASM330LHHTR y el sensor magneto-resistivo IIS2MDCTR, ambos de STM. No hay constancia de que estos componentes hayan sido utilizados en misiones espaciales. Por esta razón, se han propuesto las alternativas HG1700 de Honeywell y MAG-3 de ACC Clyde Space, respectivamente. • HG1700 de Honeywell: Esta IMU podría cumplir con algunos de los requisitos del componente original ASM330LHHTR. Además, Honeywell ofrece otras alternativas que han sido utilizadas en diversas investigaciones y misiones espaciales, lo que proporciona un nivel adicional de confianza en su desempeño. • MAG-3 de ACC Clyde Space: Este es un magnetómetro tolerante a las radiaciones, desarrollado específicamente para proporcionar mediciones confiables y precisas de la actitud de la nave espacial. Su diseño y pruebas extensivas en entornos radiactivos aseguran su idoneidad para misiones espaciales. 3.3 Conclusiones La selección de componentes para misiones espaciales como la misión ALPHA es un proceso crítico que requiere una evaluación detallada para garantizar su fiabilidad y resistencia en condiciones extremas. Aunque inicialmente se consideran componentes comerciales, es esencial optar por alternativas calificadas para el espacio que cumplan con los estándares de calidad y tengan un historial probado de desempeño en misiones anteriores. La revisión de componentes ha identificado opciones con Flight Heritage y ensayos específicos frente a radiación, lo que asegura su adecuación para la misión. Adoptar estos componentes robustos y probados, junto con estrategias de mitigación de riesgos, es fundamental para la integridad y éxito de las operaciones espaciales. Un enfoque basado en datos y pruebas rigurosas es esencial para maximizar la fiabilidad y eficacia de la misión. 28 Capítulo 4. Principios del Pulsed-Laser Testing adecuada en el área deseada del DUT. La posición axial del DUT se selecciona en función de la accesibilidad, pero es crucial registrarla con precisión para estimar el perfil LET. En cambio, las pruebas con láser pulsado requieren una resolución espacial submicrométrica, lo que hace crítica la alineación lateral en los ejes X e Y. Para lograr esta precisión, se utiliza un microscopio que permite visualizar el haz láser enfocado en el DUT. Además, se emplea una etapa de traducción controlada por computadora para posicionar el haz con exactitud en la región de interés. Es beneficioso contar con un diseño detallado del chip y puntos de referencia en el mismo para facilitar la navegación y los escaneos espaciales. La alineación axial (Z) es de suma importancia en las pruebas con láser pulsado debido a que el perfil de carga depende de su posición relativa a la región sensible del DUT. La posición axial se determina enfocando el haz láser en la superficie del DUT, estableciendo la posición Z=0. Esta posición puede variar dependiendo de las ubicaciones X-Y, lo que puede complicar la interpretación de datos en escaneos espaciales grandes. Este desafío se puede mitigar ajustando el ángulo del dispositivo para que sea perpendicular al haz, o idealmente, corrigiendo en software utilizando interpolación para calcular la posición Z=0 en todas las coordenadas X-Y. En cuanto al enfoque de los ensayos, el objetivo principal de las pruebas SEE con Heavy-Ions es medir la sección transversal del evento en función del LET. Para SEE no destructivos, se usan iones con los LET más altos primero, y para SEE destructivos, se comienza con LET bajos. Sin embargo, en los ensayos con Pulsed-Laser, se escanea el dispositivo con el haz láser enfocado para identificar regiones sensibles SEE. Los escaneos pueden ser manuales o automáticos según el DUT y los objetivos de la prueba y habrá que ajustar cuatro parámetros: pulse energy (o LET) y dimensiones X, Y y Z. Tras identificar las regiones sensibles, se usa un objetivo de mayor magnificación para obtener información detallada y se ajusta la energía del pulso según el tipo de SEE. Por último, recalcar que en los ensayos con iones pesados, una vez posicionado el DUT, no es necesario moverlo, por lo que no se requiere un control de movimiento automatizado de alta precisión. En PL Testing por contra, se necesita un control de movimiento automatizado preciso para identificar áreas sensibles en el DUT. La resolución espacial requerida depende del tamaño del área a escanear, las dimensiones estimadas de las regiones sensibles, el tiempo disponible y el tamaño del haz láser enfocado. Software y Adquisición de datos El software desempeña un papel crucial en la automatización y control de los procesos de prueba en ambas metodologías. En las pruebas con iones pesados, el software está diseñado para ajustarse a los protocolos específicos del acelerador y los requisitos del DUT, facilitando la adquisición y el análisis de datos durante las pruebas. Para el PL Testing, se requieren protocolos especializados que coordinen la interacción precisa del láser con el DUT, asegurando la captura y registro exacto de coordenadas espaciales, señales de calibración y resultados de cada prueba. Esta coordinación es crucial para mantener la reproducibilidad y precisión en la evaluación de efectos SEE bajo condiciones controladas de laboratorio. Setups para ensayos Front-side yBackside En la tabla 4.1 se detallan las condiciones de prueba para dos métodos de ensayo utilizados en la caracterización de dispositivos semiconductores: PL Testing y Heavy-ions Testing. Estas técnicas son cruciales para evaluar diversas propiedades del dado semiconductor bajo condiciones específicas. En el contexto del ensayo frontal (Front-side Testing), se observa una diferencia significativa en los requisitos de limpieza superficial entre ambas técnicas. Mientras que el ensayo de pulsos láser demanda una superficie extremadamente limpia para evitar interferencias con la luz láser y los fotones, los ensayos con iones pesados son más flexibles con respecto a la limpieza inicial del dado. En cuanto al ensayo trasero (Backside Testing), las diferencias en los requisitos de acabado superficial y espesor también son notables. Como antes, el PL Testing requiere un "acabado de espejo" para garantizar una calidad óptica adecuada, mientras que el Heavy-ions Testing puede tolerar superficies no pulidas. Además, la uniformidad del espesor juega un papel crucial en ambas técnicas, pero por razones distintas: en el PL Testing para evitar interferencias debido a la variación de espesor, y en el Heavy-ions Testing para asegurar la uniformidad del LET. 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing 29 Tabla 4.1 Tabla de condiciones de prueba. PL Testing Heavy-ions Testing Ensayo frontal (Front-side Testing) Se requiere una superficie del dado extremadamente limpia Se acepta una superficie del dado sucia o "barrosa" Los óxidos BEOL son transparentes a la luz láser y no necesitan ser removidos Los óxidos BEOL podrían necesitar ser removidos si se usan iones de energía ultra baja Ensayo trasero (Backside Testing) Se requiere una superficie de calidad óptica (es decir, "acabado de espejo") Se acepta una superficie no pulida Se desea un espesor uniforme para SPA de la parte inferior; se acepta un espesor desigual para TPA debido al enfoque 3D, pero puede dificultar el experimentos Se desea un espesor extremadamente uniforme para la uniformidad del LET a través del dado El espesor final del sustrato depende de los niveles de dopaje y la longitud de onda El espesor final del sustrato depende de la penetración del haz de iones Estas diferencias subrayan la importancia de seleccionar el método de prueba adecuado según los objetivos específicos de caracterización del dispositivo semiconductor, considerando tanto las propiedades físicas del dado como los parámetros de la técnica de medición utilizada. 4.1.4 ¿Por qué utilizar Pulsed-Laser Testing? Llegados a este punto, tras conocer las diferencias entre ambos ensayos, se deberá presentar la siguiente pregunta: "¿Por qué utilizar Pulsed-Laser Testing?" [ 41 ]. Como se ha podido apreciar al principio del capítulo, el Pulsed-Laser Testing (PL Testing) es una técnica muy útil en la caracterización de dispositivos semiconductores por diversas razones. En primer lugar, es menos invasiva que el Heavy-Ions Testing, ya que los pulsos láser no causan daños permanentes en la estructura cristalina del semiconductor. Esto permite que los dispositivos sean sometidos a múltiples pruebas sin degradar su integridad física, lo cual es especialmente valioso en las etapas iniciales de desarrollo y evaluación. Además, el PL Testing es capaz de proporcionar datos detallados sobre la dinámica de portadores y la recombinación de portadores en escalas de tiempo muy cortas, desde femtosegundos a nanosegundos, lo que es esencial para el estudio de procesos ultrarrápidos en semiconductores. Otra ventaja significativa del PL Testing es su capacidad para realizar evaluaciones pre y post prueba, estudios mecanicistas y exploraciones en la identificación de Single-Event Effects (SEE). Sin embargo, habrá que tener en cuenta que el PL Testing no exime de después tener que realizar un ensayo de Heavy-Ions Testing para así poder construir la curva de cross-section y calcular las tasas de error, por contra, el PL Testing permite una comprensión más profunda de los mecanismos subyacentes que conducen a estos efectos, facilitando así el desarrollo de estrategias de diseño para mitigar los SEE en dispositivos electrónicos. Además, la accesibilidad y la simplicidad relativa de la instalación y el equipo requerido para el PL Testing lo hacen ideal para estudios preliminares y evaluaciones rápidas, ampliando su uso en diversos contextos de investigación y desarrollo. Por concluir, la elección entre Pulsed-Laser Testing yHeavy-Ions Testing depende de los objetivos específicos del estudio y las condiciones de operación del dispositivo bajo prueba (DUT). Ambos métodos complementarios desempeñan roles importantes en la evaluación de la robustez de componentes electrónicos frente a efectos de radiación, contribuyendo así al desarrollo de tecnologías más seguras y confiables para aplicaciones críticas en diversos sectores como el espacial. 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing En el ámbito del Pulsed-Laser Testing, es fundamental comprender los principios detrás de la propagación del haz láser y su interacción con los materiales semiconductores [42]. Esta sección se centra en explorar estos conceptos desde una perspectiva óptica y física, detallando desde la propagación básica del haz gaussiano hasta los mecanismos avanzados de absorción y efectos no lineales. Además, se discuten técnicas cruciales como la absorción de un solo fotón (Single-Photon Absorption, SPA) y la absorción de dos fotones (Two-Photon Absorption, TPA), destacando sus diferencias y aplicaciones específicas en la caracterización de materiales. 30 Capítulo 4. Principios del Pulsed-Laser Testing Asimismo, se analiza la elección entre ensayos frontales y posteriores, considerando las limitaciones y ventajas de cada enfoque en la evaluación de dispositivos semiconductores modernos. Por último, se verán los diferentes párametros a tener en cuenta para la preparación del ensayo y los efectos que se pueden producir mientras se está realizando la prueba. Esta sección proporciona un marco integral para entender cómo el uso del láser como herramienta de prueba puede revelar propiedades críticas de los dispositivos electrónicos actuales. 4.2.1 Propagación del Haz Láser: Conceptos Básicos de Óptica La propagación de un haz láser [ 23 ] está fundamentada en principios ópticos básicos que determinan su comportamiento al viajar a través de diferentes medios, como el modo fundamental de Gauss-Hermite, una solución aproximada de la ecuación de Helmholtz dentro de la aproximación paraxial. Este modo define el llamado haz gaussiano, caracterizado por una distribución radial gaussiana de la amplitud del campo y, por tanto, de la intensidad óptica. Figura 4.5 Definición de la distribución del haz láser Gaussiano. La intensidad óptica I(r,z,t) [ 43 ] de un haz gaussiano pulsado en el vacío, y aproximadamente en el aire, se describe por la ecuación: I(r,z,t) = I0w0 w(z)2 e −2r2 w(z)2e−t2 τ2 donde I0 es la intensidad pico, τ es la duración del pulso, y w(z) describe la evolución de la anchura del perfil radial a lo largo del eje óptico, dada por: w(z) = w0s1+z z02 Aquí, w0 es la mitad de la anchura característica del perfil radial en la posición de la cintura del haz, y z0 es el parámetro confocal o de Rayleigh del haz. 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing 31 Al considerar la propagación del haz, es esencial comprender conceptos como la refracción, la divergencia del haz, la reflexión, y la transmitancia. Figura 4.6 Efecto del índice de refracción en el haz a través del Silicio. 1. Refracción y Divergencia del Haz: La refracción ocurre cuando un haz de luz pasa de un medio a otro con diferente índice de refracción, alterando su dirección y velocidad [44]. Este fenómeno es descrito por la ley de Snell [45]: n1sin(θ1) = n2sin(θ2) Donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios, y θ1 y θ2 son los ángulos de incidencia y refracción, respectivamente. La divergencia del haz se refiere a la expansión angular del haz a medida que se propaga. Este comportamiento es cuantificado por el parámetro de Rayleigh ( zA ), que define la distancia desde el punto donde el haz tiene el diámetro mínimo (waist) hasta el punto donde el área de la sección transversal del haz se ha duplicado: zA=nπw2 0 λ0 Donde w0 es el radio del haz en el punto waist y λ es la longitud de onda del láser. La comprensión de la divergencia del haz es crucial para aplicaciones de precisión en Pulsed-Laser Testing, ya que influye en la distribución de la intensidad del haz sobre la superficie del material a analizar. 2. Reflexión y Transmitancia: Cuando un haz láser incide en la superficie de un material, parte de la luz se refleja y parte se transmite a través del material. La cantidad de luz reflejada y transmitida depende de los coeficientes de reflectancia ( R ) y transmitancia ( T ) del material, que están relacionados con los índices de refracción del medio incidente (n1) y del medio de transmisión (n2). Los coeficientes de reflectancia y transmitancia para la incidencia normal se pueden calcular mediante las siguientes fórmulas: R=n1−n2 n1+n22 32 Capítulo 4. Principios del Pulsed-Laser Testing T=1−R Estos coeficientes determinan la intensidad de la luz reflejada y transmitida y son fundamentales en el diseño de experimentos de Pulsed-Laser Testing. Un conocimiento preciso de R y T permite ajustar los parámetros del láser para maximizar la eficiencia de la prueba y obtener resultados más precisos. La intensidad transmitida Itse determina como: It= (1−R)I0=T I0 donde I0 es la intensidad incidente. Estos coeficientes dependen de los índices de refracción de los medios y del ángulo de incidencia del haz. Otros Mecanismos Además de la propagación del haz, la interacción del láser con los materiales puede involucrar otros mecanismos que son relevantes para el ensayo: 1. Absorción lineal y no lineal: La absorción de la luz láser en los materiales semiconductores puede ocurrir a través de varios mecanismos. En la absorción lineal, un fotón con energía suficiente puede promover un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción, creando un par electrón-hueco. Este proceso, conocido como absorción interbanda, es crucial en la fotoelectricidad. Figura 4.7 Coeficiente de Absorción lineal. En condiciones de alta intensidad, también pueden ocurrir efectos de absorción no lineal, como la absorción de dos fotones, donde dos fotones simultáneamente excitan un electrón a la banda de conducción. Estos efectos son significativos en materiales con umbrales de daño elevados y son utilizados en aplicaciones avanzadas de láser. 2. Efecto Kerr y autoenfoque: El efecto Kerr es un fenómeno óptico no lineal donde el índice de refracción de un material cambia con la intensidad del haz láser. Este cambio puede inducir el autoenfoque del haz, donde el centro del haz, al tener mayor intensidad, experimenta un mayor cambio en el índice de refracción que los bordes, causando que el haz se enfoque más estrechamente. Este efecto puede ser utilizado para controlar y manipular la propagación del haz en diversas aplicaciones tecnológicas. 3. Efecto plasma y autoabsorción: En materiales semiconductores, la generación de un plasma de portadores libres debido a la absorción del láser puede modificar tanto el índice de refracción como el coeficiente de absorción del material. Este efecto, conocido como efecto de plasma, puede impactar significativamente la propagación y absorción del haz, particularmente en pulsos de alta intensidad donde la densidad de portadores libres es considerable. 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing 33 Estos mecanismos, junto con la propagación del haz y la interacción con materiales, constituyen la base del Pulsed-Laser Testing, permitiendo una amplia gama de aplicaciones desde la caracterización de materiales hasta la medición de parámetros dinámicos en sistemas complejos. 4.2.2 Diferencia entre las técnicas de SPA y TPA En el campo de los ensayos con haz láser, se utilizan diversas técnicas para analizar la respuesta de los materiales semiconductores a la radiación. Dos de las técnicas más relevantes son la absorción de un solo fotón (Single-Photon Absorption, SPA) y la absorción de dos fotones (Two-Photon Absorption, TPA) [ 43 ] [ 46 ]. Estas técnicas se diferencian en la manera en que los electrones en el material semiconductor absorben la energía de los fotones, lo que afecta su eficiencia y aplicación. A continuación, se examinan en detalle las características y diferencias fundamentales entre SPA y TPA, considerando sus mecanismos de absorción, generación de carga, distribución de carga inducida, y su resolución y sensibilidad. Técnica "Single-Photon Absorption" (SPA) La técnica de Abosrción de un Solo Fotón (Single-Photon Absorption, SPA) es el proceso en el cual un electrón del material (silicio) absorbe la energía producida por un solo fotón de luz lo cual hace que pase de un estado de energía fundamental a un estado de energía excitado. Para que esto ocurra la energía del fotón deberá ser igual o superior a la de la bandgap ( Eg ). El electrón se desplazará de la banda de valencia a la banda de conducción dentro del material semiconductor creando un par electrón-hueco. Este proceso es el mecanismo de absorción de luz más común y se rige por la ley de Beer-Lambert, como se ha comentado en , que describe cómo la absorción de luz por un medio está relacionada con la concentración del medio y la longitud de la trayectoria de la luz. Figura 4.8 Principio del proceso Single-Photon Absorption (SPA). La técnica SPA es un proceso lineal ya que la probabilidad de que ocurra la absorción es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Es ideal para pruebas a nivel de chip donde no se requiere una resolución muy alta Técnica "Two-Photon Absorption" (TPA) La técnica de Absorción de Dos Fotones (Two-Photon Absorption, TPA) [ 47 ] es el proceso en el cual un electrón del silicio absorbe simultáneamente dos fotones de menor energía para alcanzar un estado excitado, creando un par electrón-hueco. En este caso la suma de energías de cada uno de los fotones deberá ser igual o superior a la de la bandgap ( Eg ). La suma de las energías de los dos fotones absorbidos debe coincidir con la diferencia de energía entre la banda de valencia y la de conducción. 34 Capítulo 4. Principios del Pulsed-Laser Testing Figura 4.9 Principio del proceso Two-Photon Absorption (TPA).. Por otro lado, la técnica TPA es un proceso no lineal ya que, en este caso, la probabilidad de que ocurra la absorción de dos fotones es proporcional al cuadrado de la intensidad de la luz incidente.Adicionalmente, este proceso requiere fuentes de luz con alta intensidad, como láseres pulsados de alta potencia. Sin embargo, este permite una mejor resolución espacial en técnicas de microscopía. Comparación entre ambas técnicas A pesar de las similitudes entre los procesos descritos anteriormente, trabajan bajo diferentes consideraciones y producen diferentes efectos. A continuación, se van a describir algunos de ellos en función de distintas categorías [23]: • Condición para la Absorción: Como ya se ha visto antes, la energía necesaria para que el electrón pase de la banda de valencia a la de conducción será que la energía del fotón sea superior o igual a la de la brecha de banda en el caso de SPA ( ¯ hω>Eg ). Además, en el próximo capítulo se verá que la máxima longitud de onda que se podrá emplear utilizando la técnica SPA será de 1100nm. Por contra, en TPA, estas restricciones son superiores ya que la energía del fotón debe estar comprendida entre la de bandgap y la mitad de este valor (( Eg>¯ hω>(Eg/2) ) y la longitud de onda deberá cumplir 1100nm <λ0<2200nm. • Generación de carga: En SPA, la tasa de generación de carga es proporcional a la intensidad del láser G=α ¯ hωI , mientras que la relación de la técnica TPA es cuadrática: G=β 2¯ hωI2 . Donde α y β son los coeficientes de absorción en las técnicas SPA y TPA, respectivamente. • Distribución de carga: Ambos tienen un perfil gaussiano para la distribución de carga inducida. No obstante, en el caso del TPA es más estrecha y confinada a la región focal debido a la relación cuadrática entre la intensidad y la generación de carga. Figura 4.10 Distribución de carga inducida típica en SPA (izquierda) y TPA (derecha). Single-Event Effects Testing. • Resolución y Sensibilidad: En SPA, la resolución lateral es similar a la del haz óptico y la resolución en 3D es pobre debido a la atenuación exponencial. En cambio, en TPA, la resolución lateral es mejorada ligeramente y la resolución en 3D es considerablemente mejor, permitiendo un mapeo detallado a nivel de célula. Sin embargo, TPA es muy sensible a la posición del enfoque. Tanto la técnica de absorción de un solo fotón (SPA) como la técnica de absorción de dos fotones (TPA) ofrecen métodos valiosos para la investigación y prueba de semiconductores mediante láser. SPA, siendo un proceso lineal, es ideal para aplicaciones que no requieren una alta resolución espacial, como las pruebas a 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing 35 nivel de chip. Por otro lado, TPA, con su naturaleza no lineal y mayor resolución espacial, es más adecuada para estudios detallados a nivel celular y estructuras verticales gruesas. La elección entre SPA y TPA dependerá de los requisitos específicos de la aplicación, incluyendo la resolución deseada, la intensidad de luz disponible y la precisión necesaria en la generación y distribución de carga. 4.2.3 Front-side vs Backside Testing Otra de las decisiones previas que se deberán tomar antes de comenzar con el Pulsed-Laser Testing será el que se tratará en este apartado. Uno de estos consistirá en poder acceder directamente al dado descubierto utilizando el haz de luz. Por esta razón, este proceso constará a su vez de otros primeros pasos para destapar el encapsulado y poder comenzar con el ensayo. Históricamente, la única manera que había para incidir en el dado utilizando el láser ha sido el acceso por la parte frontal (Front-side/Top-side Testing), ya que los dispositivos tenían solo unas pocas capas de interconexión metálica. Para ello, el Pulsed-Laser Testing se realizaba enfocando el haz a través de las capas dieléctricas frontales entre las interconexiones metálicas. Sin embargo, con la evolución de la tecnología y la aparición de nodos más pequeños, el número y la densidad de las capas de interconexión metálica han aumentado, haciendo que este enfoque sea cada vez más impracticable. Desde aproximadamente el nodo de 0.25 µm en los años 90, el acceso frontal se ha vuelto imposible en la mayoría de los chips debido a la alta reflexión del haz láser por las capas metálicas superiores. Figura 4.11 Principio de la aproximación del a)Front-side y el b)Backside Pulsed-Laser Testing [43]. Actualmente, la aproximación preferida para las pruebas con láser es el ensayo posterior (Backside Testing), donde el haz se enfoca a través del sustrato hacia la capa activa del dispositivo. Este método ha ganado relevancia ya que permite sortear las limitaciones impuestas por las múltiples capas metálicas del lado frontal, utilizando longitudes de onda de infrarrojo cercano para obtener una penetración suficiente en el silicio. A continuación, se detallan los procedimientos y consideraciones para realizar tanto el ensayo Front-side como el ensayo Backside [ 48 ], incluyendo los desafíos y requisitos específicos de preparación de muestras para cada enfoque. Figura 4.12 Ejemplo LM124: Comparación del ensayo Front-side (izquierda) y el Backside (derecha) [ 49 ] [39]. 36 Capítulo 4. Principios del Pulsed-Laser Testing Ensayo Frontal (Front-side/Top-side Testing) El ensayo Front-side implica enfocar el haz láser a través de las capas superiores del DUT. Para ello, el DUT se orienta de manera que el haz primero atraviese las capas de metal y pasivación de la línea de fondo de la parte superior (Back-End-Of-Line, BEOL) antes de depositar carga en el volumen sensible. Además, antes de comenzar el ensayo, habrá que tener en cuenta una serie de consideraciones previas ya que se requiere una superficie lisa y limpia para asegurar una calidad óptica adecuada, lo cual puede afectar al rendimiento del DUT debido a los pasos de desencapsulado. Sin embargo, el ensayo frontal, tanto para la aproximación SPA como para la TPA, presenta ciertas limitaciones. Las capas metálicas densas pueden impedir el acceso óptico a los volúmenes sensibles limitando la capacidad de realizar pruebas cualitativas y dificultando las estimaciones cuantitativas de la carga depositada. A las longitudes de onda de interés para las pruebas con láser, un haz láser que incide en una interconexión de aluminio o cobre se refleja en más del 95%. La pequeña fracción que se transmite en el metal es absorbida en unas pocas decenas de nanómetros (efecto piel). Esto hace que la transmitancia de una sola línea metálica sea siempre inferior a 10−3. Tabla 4.2 Tabla de transmitancia para algunos materiales [43]. Interface or stack Transmittance @ 1064nm @ normal incidence Air / Si 69% Si / SiO282% SiO2/ Cu 4% SiO2/ Al 6% SiO2/ Cu (200nm) / SiO2<10−5% El ensayo Front-side se ve limitada a dispositivos con no más de dos capas de metal, lo que es cada vez menos común en los procesos modernos de fabricación de semiconductores. Las tecnologías modernas tienen múltiples capas de interconexión, y las áreas no ocupadas por interconexiones se llenan con celdas metálicas pasivas ("dummies") para fines de planarización, haciendo que el enfoque Front-side sea imposible en la mayoría de los dispositivos. En cuanto a los requisitos de preparación del ensayo, además de los comentados anteriormente como son la limpieza y pulido de la superficie, se deberá tener en cuenta que la cobertura metálica sobre el volumen deberá ser mínima para permitir el acceso del láser. Recalcar que, en casos especiales, como vehículos de prueba diseñados específicamente para pruebas Front-side o dispositivos comerciales lineales fabricados con tecnologías antiguas que utilizan una o dos capas metálicas de baja densidad, el enfoque Front-side puede proporcionar resultados suficientes. Aunque, actualmente, en la mayoría se emplea una cobertura metálica más densa, por lo que el ensayo por la parte frontal es ineficiente y se recurre al ensayo por la parte posterior. En conclusión, este ensayo Front-side, por la parte frontal, como se ha podido apreciar, es más común que el ensayo Backside ya que históricamente ha sido el elegido. Además, facilita el acceso en componentes con conexiones por alambre. Sin embargo, y como se ha comentado anteriormente, su uso ha ido decreciendo ya que este enfoque frontal está limitado por la densidad de metalización y se necesitan superficies extremadamente limpias. Ensayo Posterior (Backside Testing) El ensayo Backside implica aplicar el haz láser a través de la parte posterior del DUT. Este enfoque es particularmente útil en situaciones donde el acceso por la parte frontal está obstruido o cuando se requiere evaluar capas más profundas del dispositivo y para dispositivos tipo flip-chip. En cambio, al igual que en el enfoque Front-side, la superficie del sustrato debe estar pulida ópticamente para asegurar una buena calidad del haz, lo cual es especialmente crítico para la prueba de absorción de dos fotones (Two-Photon Absortion, TPA). Adicionalmente, el grosor del sustrato debe ser uniforme y suficientemente delgado para permitir la penetración del haz y evitar distorsiones en el perfil de depósito de 4.2 Principios del Pulsed-Laser (PL) Testing 37 carga. Por último, en este enfoque, se debe considerar la atenuación del haz por absorción a medida que se propaga a través del sustrato. Es necesario para este ensayo un acabado "espejo" para la superficie trasera del chip de silicio, con valores de rugosidad superficial relativos a la longitud de onda utilizada, normalmente entre λ /5 a λ /20. La superficie trasera debe ser suficientemente lisa para que la metalización en la parte frontal sea visible a través del sustrato usando una cámara de infrarrojos cercanos (NIR). Finalmente, se podría concluir que el enfoque Backside destaca porque permite realizar pruebas en dispositivos con alta metalización en la parte frontal, solucionando el problema que existía en el ensayo Front-side y es adecuado para flip-chips. En cambio, requiere de un sustrato ópticamente pulido y puede ser laborioso ajustar el grosor del sustrato. Consideraciones adicionales El tipo de empaque y las técnicas de desencapsulado disponibles pueden limitar la viabilidad de la excitación por el Front-side oBackside. Por ejemplo, los componentes con conexiones por alambre generalmente requieren irradiación por el Front-side debido a la dificultad de preparar estos componentes para la irradiación por el Backside. Por otro lado, los dispositivos flip-chip suelen ser más adecuados para la excitación a través del sustrato. Figura 4.13 Iluminación Frontal y Posterior [48]. 4.2.4 Modos de escaneo Tras investigar, se ha podido observar que existen diferentes modos o formas de escaneos a la hora de realizar el Pulsed-Laser Testing. En un principio, podemos describir modos como el helicoidal, sin embargo, entre todos los existentes se van a destacar dos que son los más interesantes debido al espacio abarcado y su simplicidad de programación: • Standard scanning (Escaneo Estándar o Barrido en S): Es uno de los modos más comunes de escaneo y uno de los más simples a la hora de programar. También, es conocido coloquialmente por el recorrido en "S": 44 Capítulo 5. Pasos previos al experimento •σsat es la cross-section de saturación, el valor máximo alcanzado cuando el dispositivo se ha visto completamente afectado por los eventos de ionización. •LETsat es el umbral de LET, por debajo del cual no se observan eventos SEE. •W y S son parámetros ajustables que definen la pendiente y la forma de la curva. Esta representación de Weibull es útil para describir cómo la cross-section aumenta gradualmente desde cero a medida que el LET alcanza el umbral y se acerca al valor de saturación. Al correlacionar la energía del láser con el LET equivalente, y calcular la cross-section para diferentes condiciones, se puede construir una curva de cross-section frente al LET que permita comparar el comportamiento del dispositivo con los resultados obtenidos en ensayos de Heavy-Ions Testing. 5.2 Descripción de los dispositivos de PULSCAN empleados En esta sección, se van a introducir los diferentes equipos de la empresa PULSCAN empleados para la realización del Pulsed-Laser Testing. La empresa PULSCAN [ 53 ] se especializa en la fabricación de equipos ópticos que emplean técnicas láser avanzadas para la simulación de entornos extremos y la caracterización de componentes electrónicos en situaciones críticas. Los dos dispositivos principales empleados en el marco de este estudio son el PULSBOX-PICO y el PULSYS Microscope, ambos diseñados para realizar pruebas con láser pulsado de alta precisión [54] [55]. A continuación, en la tabla 5.2, se muestran algunas de las instalaciones más destacadas en el ámbito de Pulsed-Laser Testing y sus características. Estos datos permiten comparar las capacidades del equipo de PULSCAN con otras instalaciones de referencia a nivel mundial, subrayando su competitividad y precisión. 5.2.1 PULSBOX-PICO El PULSBOX-PICO es la unidad de control y fuente láser que genera los pulsos necesarios para realizar la prueba. Este equipo es crucial en el proceso de Pulsed-Laser Testing, ya que es el encargado de disparar pulsos láser con las características específicas que permiten simular el impacto de partículas cargadas en los dispositivos bajo prueba. Las características técnicas de este equipo son las siguientes: • Longitud de onda: 1064 nm, que es una de las longitudes de onda estándar para este tipo de pruebas, proporcionando una penetración adecuada en el silicio de los dispositivos. • Duración de pulso: 30 ps, lo que garantiza que el pulso láser sea extremadamente corto y preciso, simulando de manera adecuada los efectos rápidos que ocurren en entornos espaciales o de radiación. • Energía de pulso: hasta 50 nJ, suficiente para inducir eventos en los circuitos sin causar daño permanente en los componentes. • Rango de Frecuencias: entre 1 MHz y 20 MHz, lo que permite ajustar la velocidad de los disparos de acuerdo con los requisitos del ensayo. El PULSBOX-PICO también cuenta con diferentes modos de operación, que permiten una gran flexibilidad en las pruebas. Entre los modos disponibles se encuentran: • Gate In: Envía un tren de pulsos seleccionado por un tiempo definido determinado por una señal en bajo conectada a la entrada "Gate In". • Trigger In: Envía un único pulso del láser seleccionado por el flanco de subida de una señal aplicada a la entrada "Trig In". •Internal Clock: Utiliza el reloj interno del dispositivo para definir la frecuencia de los pulsos. • Continuous: Modo de operación continua, que mantiene un flujo constante de pulsos para pruebas de larga duración. Este dispositivo se destaca por su capacidad de realizar ensayos a diferentes frecuencias, permitiendo un alto grado de personalización según los requerimientos de la prueba. 5.3 Preparación y Setup 45 5.2.2 PULSYS Microscope El PULSYS Microscope es el complemento óptico del PULSBOX-PICO, encargado de enfocar y dirigir el haz láser hacia el área precisa del dispositivo bajo prueba. Su función es esencial para garantizar la precisión y el enfoque adecuado en las pruebas, permitiendo una caracterización exacta de los puntos críticos en los componentes electrónicos. Este microscopio presenta las siguientes características clave: • Aumentos: Proporciona tres niveles de aumento (x5, x20 y x100), que permiten ajustar el tamaño del punto láser en función de la resolución requerida. Con un aumento menor, el haz cubre un área mayor, mientras que los aumentos más altos permiten mayor precisión en áreas reducidas. Tabla 5.1 Características de los diferentes juegos de lentes del microscopio. Aumento x5 x20 x100 Distancia focal (mm) 36.1 22.2 10 Apertura Numérica 0.16 0.35 0.7 Profundidad de campo (µm) 10.7 2.2 0.7 • Movilidad en 3 ejes (X, Y, Z): Esto le permite realizar barridos sobre el plano XY para estudiar diferentes áreas de la muestra, así como ajustes en el eje Z para enfocar o desenfocar la imagen. Esta capacidad es vital para realizar mapeos de los componentes y analizar diferentes capas del dispositivo. • Cámara integrada: Dispone de una cámara que permite la visualización directa de las muestras durante los ensayos. Esto no solo facilita el posicionamiento correcto del láser, sino que también proporciona un registro visual en tiempo real de la prueba, mejorando la precisión de los resultados. 5.2.3 Comparación con otros equipos de Pulsed-Laser Testing El sistema PULSBOX-PICO y PULSYS Microscope se puede comparar con equipos de otras instalaciones líderes en todo el mundo, como se muestra en la tabla 5.2. Las propiedades ópticas, como la longitud de onda, la energía y el ancho de pulso, son parámetros críticos para realizar pruebas exitosas. Por ejemplo, en comparación con equipos como los de EADS o IMS, el PULSBOX-PICO comparte una longitud de onda similar (1064 nm) pero se destaca por su capacidad de ajuste en la frecuencia de repetición y el tamaño del pulso, lo que le otorga una mayor versatilidad en las pruebas. Tabla 5.2 Tabla de instalaciones láser y sus propiedades [55]. Instalación Longitud de Onda (nm) Energía (eV) Ancho de pulso (ps) Penetración (µm) Índice de Refracción Coeficiente de Absorción (cm−1) Apertura Numérica (N.A.) EADS 1064 1.17 600 676 3.4 14.8 0.75 IMS 1064 1.17 30 676 3.4 14.8 0.8 JPL 789 1.55 2 10.3 3.6 972 0.42 NRL 590 2.11 1 1.7 3.9 5824 0.55 En términos de aplicaciones, el equipo permite evaluar dispositivos electrónicos en condiciones críticas simulando los efectos de partículas de alta energía que se encuentran en entornos espaciales o nucleares. La capacidad de realizar pruebas con pulsos cortos y precisos hace que este equipo sea una herramienta fundamental en la investigación y desarrollo de sistemas resistentes a la radiación. 5.3 Preparación y Setup En esta sección, se van a exponer las muestras que se han empleado para realizar los ensayos describiendo cuáles son sus características principales y su funcionamiento. Además, se van a detallar los pasos que habrá 46 Capítulo 5. Pasos previos al experimento que seguir para preparar las muestras previo al ensayo y el setup de medida de cada una de ellas. 5.3.1 Fotodiodo Como se ha comentado anteriormente, el cubesat ALPHA3 dispone de una matriz de fotodiodos con la cual se pretende medir los Single-Event Effects (SEE), figura 3.1. Para este propósito, se va a realizar un Pulsed-Laser Testing en uno de los fotodiodos para caracterizar el comportamiento ante la radiación. Con este fin, se ha diseñado una PCB específica que funcionará como Device Under Test (DUT) en el ensayo. La figura 5.2 muestra el diseño de la PCB diseñada para este propósito. La PCB ha sido cuidadosamente diseñada para optimizar la captura de señales de bajo nivel provenientes del fotodiodo, utilizando una arquitectura de amplificación de alta precisión y bajo ruido. Esto es particularmente importante en entornos espaciales, donde la radiación ionizante y el ruido electromagnético pueden afectar significativamente la señal. Figura 5.2 Layout de la PCB de prueba. Para ahondar más en el funcionamiento de la PCB, habrá que echarle un vistazo al esquemático del circuito (figura 5.3) el cual está compuesto por dos etapas: una etapa de amplificación de transimpedancia (TIA) y otra de amplificación adicional: • La primera etapa TIA se trata del bloque principal responsable de convertir las pequeñas señales de corriente generadas por el fotodiodo en señales de voltaje. Estos pulsos son emitidos por el fotodiodo cuando este recibe el haz láser. Para ello, se ha utilizado el amplificador operacional LTC6268 con una resistencia de retroalimentación (R5) que determina la ganancia. Un condensador (C13) estabiliza la respuesta del amplificador y reduce el ruido. Por otro lado, el nodo VREF_TIA_IN proporciona una referencia de voltaje para asegurar una amplificación adecuada. • La segunda etapa es un amplificador de voltaje adicional, diseñado para aumentar aún más la señal procesada en la etapa anterior. La señal amplificada por el TIA es transferida a esta sección a través de R9, que limita la señal y ajusta la impedancia. Se utiliza otro LTC6268 para amplificar el voltaje con una ganancia determinada por las resistencias R9 y R10. Los condensadores (C16 y C17) aseguran una operación estable y libre de ruido. La radiación espacial puede causar fluctuaciones en la referencia de voltaje y afectar la amplificación. 5.3 Preparación y Setup 47 Figura 5.3 Esquemático de la PCB de prueba. Gracias a este circuito, se logra obtener una señal de voltaje amplificada cuando el fotodiodo es estimulado. Para conocer cuál será el valor de la misma, se deberán realizar una serie de mediciones y ajustes de las tensiones de referencia en la PCB de la figura 5.2. Para ello, se comenzó alimentado los amplificadores con 5V y ajustando a 1.65V sus referencias de entrada utilizando los dos potenciómetros de la PCB (se han medido los test points TP19 y TP17 que se corresponden con la salida de los potenciómetros). Al realizar este ajuste, el punto de trabajo, es decir, cuando el fotodiodo no está estimulado, será una señal constante alrededor de 1.65V. Por otro lado, cuando al fotodiodo llegan los pulsos del haz láser, esta tensión de salida disminuirá del valor anterior a uno más bajo dependiendo de la potencia láser que se esté aplicando. Posteriormente, tras medir y ajustar las tensiones de los diferentes test points del DUT y conocer cuál deberá ser la respuesta en voltaje cuando el fotodiodo es estimulado, se procederá a configurar el setup de medida que será empleado durante el ensayo. Este ha sido desarrollado utilizando impresión 3D tal y como se indica en la siguiente figura 5.4: Figura 5.4 Setup de medida del fotodiodo S1336-18BQ. 48 Capítulo 5. Pasos previos al experimento 5.3.2 LM124 El LM124 es un amplificador operacional cuádruple muy utilizado para llevar a cabo Pulsed-Laser Testing. Este componente se emplea frecuentemente para la calibración del equipo láser con el que se vayan a realizar los ensayos ya que hay muchos artículos que lo han usado anteriormente y, por consiguiente, hay mucha información al respecto. Por esta razón, se van a ejecutar una serie de pruebas para verificar si la metodología con la que se está procediendo es la correcta. A continuación, se muestra el esquemático de uno de los cuatro amplificadores del LM124. En la figura 5.5, se pueden identificar los diferentes componentes que conforman el circuito como son los transistores y las fuentes de corriente. Figura 5.5 Esquemático del circuito eléctrico de un amplificador del LM124. Antes de definir los ensayos que se pretenden realizar, se deberá escoger una configuración para el componente. En artículos como "Single-Event Transients in LM124 operational amplifier Laser test report" realizado por la NASA/GSFC [ 56 ], se explican distintas configuraciones: Voltage Comparator,Non Inverting Gain amplifier 1,Non Inverting Gain amplifier 2 yVoltage Follower. Para las pruebas que se van a llevar a cabo, se va a configurar el LM124 conforme al siguiente esquemático: Figura 5.6 Esquemático de la Configuración modo "Voltage Follower" del LM124. En cuanto a las condiciones de polarización del circuito, se suministrarán +15V y -15V por Vcc para la alimentación del amplificador. Respecto a la tensión de entrada, se utilizarán 5V y 0V por V+ y V-, respectivamente, para obtener 5V por la salida (señal OUT). Entonces, el punto de trabajo para los tests venideros será 5V. Los ensayos que se van a realizar tienen que ver con la medición del SEE y de cómo afecta en el amplificador operacional. En este contexto, habrá que definir que efectos se podrán detectar y se llegará a la conclusión que serán SEUs (Single-Event Upset) y ASETs (Analog Single-Event Transients) ya que en el circuito se podrán encontrar tanto zonas digitales como analógicas, respectivamente. Estos SEEs podrán ser tanto positivos como negativos respecto al punto de trabajo. En este caso, habrá que tener en cuenta una serie de consideraciones previas adicionales. El LM124 es un circuito integrado por lo que tendrá distintas capas de metalización además del sustrato. Por lo tanto, no tendrá el mismo efecto que se realicen las pruebas atacando desde la zona superior (Front-side) a hacerlo por la inferior (Backside). En esta sección se mostrará la respuesta obtenida en ambos casos. 6 Herramienta E l software diseñado permite la operación remota de un sistema de medición de eventos únicos (SEE) mediante una Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) desarrollada en PyQt5. La GUI, junto con los módulos de comunicación y procesamiento de datos, facilita al usuario la conexión con el equipo, el control de parámetros de medición, el procesamiento de datos y su posterior visualización y análisis. Este software puede emplearse en la investigación y caracterización de eventos SEE en distintas superficies y bajo diversas condiciones experimentales. En este capítulo se detallan las funciones y módulos principales del código de la aplicación, destacando su estructura en pseudocódigo, con el objetivo de presentar su funcionamiento de manera comprensible sin mostrar el código fuente privado. 6.1 Estructura del código La estructura del software está dividida en módulos que organizan la funcionalidad en bloques específicos. Esta segmentación permite modularidad y facilita tanto el mantenimiento como la actualización de componentes individuales sin afectar la lógica global. A continuación, se describen los módulos esenciales del software: 1. Inicialización y configuración de la GUI: se carga el diseño visual de la aplicación, se establecen los parámetros iniciales y se configuran los botones de control y sus acciones. 2. Conexión y desconexión del equipo: gestión de la comunicación entre el software y el hardware, permitiendo encender y apagar el equipo de medición. 3. Configuración de parámetros de medición: permite al usuario establecer parámetros como la frecuencia, energía del láser, límites de movimiento y aceleración. 4. Control del PULSCAN: funciones para encender y apagar el láser, con gestión de errores para evitar fallos. 5. Procesos de medición y escaneo: métodos que permiten realizar escaneos en patrones específicos sobre la superficie de prueba, recolectando datos SEE para cada posición. 6. Procesamiento y visualización de datos: funciones de guardado y representación gráfica de los datos obtenidos en archivos Excel y gráficos interactivos. Por otro lado, se encuentra la propia Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) que ha sido diseñada en "QT Designer" y que cuenta con todos los botones y argumentos que aumentarán la configurabilidad del ensayo. 49 50 Capítulo 6. Herramienta 6.2 Descripción Detallada de cada parte del código 6.2.1 Inicialización y configuración de la GUI La Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) es la primera parte que se inicializa. Esta interfaz permite al usuario interactuar con el software de manera intuitiva y cómoda. En la posterior sección, se explicará detalladamente el funcionamiento de la interfaz. FUNCION inicializar_interfaz: CARGA el archivo de diseño UI para la estructura visual de la GUI, que incluye botones, campos de texto y etiquetas. ESTABLECE el título de la ventana principal y el directorio de trabajo donde se almacenarán los archivos generados por el programa. CREA una instancia de la clase de comunicación ’pulsys’, que servirá para controlar y enviar comandos al equipo de medición. PARA CADA BOTÓN en la interfaz gráfica: ASIGNA cada botón a su función correspondiente en el software: - ’connect_bt’: inicia la conexión al equipo. - ’disconnect_bt’: finaliza la conexión al equipo. - ’apply_bt’: permite aplicar configuraciones específicas de los par ámetros de medición. - ’scan_bt’: ejecuta el proceso de escaneo. - ’laseron_bt’ y ’laseroff_bt’: activan y desactivan el láser. INICIALIZA variables de uso general: - Una lista vacía para almacenar los datos obtenidos durante el escaneo. - El estado de conexión, que inicialmente está definido como ’ desconectado’ (0). Este módulo configura el entorno de trabajo y permite una inicialización rápida y flexible de los componentes, simplificando las interacciones con el usuario desde la interfaz gráfica. La conexión de los botones con sus respectivas funciones asegura que el usuario pueda operar el equipo de manera controlada y evitar errores. 6.2.2 Conexión y desconexión del equipo Para la comunicación con el equipo, el programa debe establecer una conexión que asegure que los comandos y configuraciones se transfieren correctamente. La conexión implica la inicialización de dos módulos: pico y stageXY, encargados de manejar la comunicación y el movimiento del equipo, respectivamente. FUNCION openconnection: ASIGNA el estado de conexión como activo (1). INICIALIZA la conexión al equipo de medición mediante la carga de un archivo de configuración (’pulsys_config.txt’). INTENTA activar el modo de traza en un archivo de registro para monitoreo. ABRE conexión con los módulos: - ’pico’: utilizado para la captura de datos de señal. - ’stageXY’: encargado del movimiento y posicionamiento del equipo. SI ambos módulos se conectan exitosamente: MUESTRA mensaje de conexión exitosa en la consola o interfaz. ACTIVA botones de control para permitir funciones como mover el equipo (’moveto’), aplicar configuraciones (’apply’), realizar escaneos (’ scan’) y contar eventos SEE (’countSEE’). 6.2 Descripción Detallada de cada parte del código 51 EN CASO DE FALLA: MUESTRA mensaje de error e impide acceso a funciones avanzadas. FUNCION closeconnection: ESTABLECE el estado de conexión como inactivo (0). DESACTIVA el láser y mueve el dispositivo a la posición inicial (0,0) para asegurar una desconexión segura. CIERRA conexiones con los módulos ’pico’ y ’stageXY’. SI la desconexión es exitosa: DESACTIVA los botones de la GUI relacionados con la operación del equipo. MUESTRA un mensaje indicando que la desconexión fue exitosa. EN CASO DE ERROR: MUESTRA un mensaje de advertencia para indicar que no se pudo desconectar correctamente. Esta estructura de conexión y desconexión permite que el usuario controle la vinculación del equipo de manera segura y sencilla. La verificación de la conexión asegura que el equipo está listo para recibir comandos y evita errores en la transmisión de datos. 6.2.3 Configuración de parámetros de medición En este bloque se gestionan parámetros clave para el funcionamiento del sistema, como frecuencia, rango de energía, y velocidad de movimiento. Este módulo permite configurar el dispositivo de medición de acuerdo con los requisitos del experimento. FUNCION Apply: LEE parámetros especificados por el usuario en la GUI para ajustar las configuraciones del equipo: - ‘frecuencia‘: frecuencia de reloj interna del dispositivo. - ‘retraso‘: tiempo de espera antes de activar el láser. - ‘rango de energía‘: energía emitida por el láser. - ‘tasa de repetición‘: frecuencia de repetición del láser. - ‘modo de disparo‘: modo de activación del láser. CONFIGURA cada parámetro en el equipo utilizando métodos de ‘pulsys‘. ACTUALIZA también parámetros de movimiento y límites de posición: - ‘velocidad‘ y ‘aceleración‘ para el desplazamiento del equipo. - Límites de movimiento en ‘x‘ e ‘y‘ para asegurar que el dispositivo no exceda el área de trabajo. MUESTRA mensaje confirmando la aplicación de configuraciones. Este módulo proporciona un control detallado de las condiciones experimentales, permitiendo al usuario ajustar cada parámetro específico para cumplir los objetivos de la prueba de eventos SEE. 6.2.4 Control del PULSCAN El láser es fundamental para generar los eventos únicos (SEE) que luego serán medidos y analizados. Las funciones "Laseron" y "Laseroff" permiten activar y desactivar el láser de forma controlada. FUNCION Laseron: INTENTAR activar el láser usando el método ‘LaserOn‘ de ‘pulsys‘. SI la activación es exitosa: DESACTIVA campos de configuración en GUI para evitar cambios mientras el láser está activo. 52 Capítulo 6. Herramienta EN CASO DE ERROR: MUESTRA mensaje de advertencia indicando que el láser no pudo activarse. FUNCION Laseroff: DESACTIVA el láser utilizando el método ‘LaserOff‘. HABILITA los campos de configuración en GUI para permitir ajustes adicionales. MUESTRA un mensaje confirmando que el láser ha sido apagado exitosamente. Este control del láser permite que el usuario active el equipo para generar eventos SEE de forma segura y controlada, impidiendo que se realicen cambios de configuración mientras el láser está en operación. 6.2.5 Procesos de medición y escaneo Este módulo permite al usuario realizar un escaneo automatizado en la superficie del dispositivo en busca de eventos SEE. La función "Scan" recorre una matriz de posiciones y captura datos de voltaje en cada punto, generando así un mapa de eventos SEE. FUNCION Scan: CONFIGURAR equipo para el escaneo: Inicializa el osciloscopio y el equipo de control de movimiento. INICIAR un ciclo de escaneo en una matriz de coordenadas ‘(x, y)‘: PARA cada posición ‘(x, y)‘ en la cuadrícula: MOVER el equipo a ‘(x, y)‘. ESPERAR hasta que el osciloscopio indique que la medición está lista . CAPTURAR valores de voltaje: - ‘vpp‘: voltaje pico a pico. - ‘vmin‘: voltaje mínimo. - ‘vmax‘: voltaje máximo. - ‘promedio‘: voltaje promedio. SI ‘promedio‘ es menor que el ‘thresh_voltage‘: REGISTRAR evento como SEE negativo. EN CASO CONTRARIO: REGISTRAR evento como SEE positivo. GUARDAR cada valor en matrices de almacenamiento para análisis posterior. EXPORTAR resultados a archivo Excel llamado "TestResults.xlsx". GENERAR gráficos de eventos SEE positivos y negativos para visualización. Esta función realiza una búsqueda sistemática de SEE en toda la superficie del dispositivo, permitiendo al usuario observar la distribución de estos eventos a través de gráficos y datos tabulados. Además, la función "Count SEE", adicionalmente al barrido, hará que se repitan varios barridos para diversas energías de pulso, según un rango de energías determinado. Este ensayo servirá para contar el número de SEE que se han detectado para cada una de las energía de pulso. Para ello, se emplea la variable "Threshold Energy" que no es más que el valor umbral en voltios para el cual, si se detecta una amplitud de la respuesta de la muestra en tensión mayor a esta variable, se podrá decir que se ha dado con un SEE y se almacenará la cantidad total de ellos en una matriz. Esta matriz, junto a los datos de cada uno de los barridos, se guardarán en una hoja del Excel llamada "CountSEE". 6.3 Interfaz Gráfica 53 6.2.6 Procesamiento y visualización de datos El procesamiento final implica almacenar los datos en Excel y generar gráficos para analizar los resultados de manera visual. Esto facilita la interpretación de la ubicación y la intensidad de los eventos SEE. FUNCION guardar_resultados: ABRIR archivo Excel. GUARDAR matrices de datos en hojas específicas: - Eventos SEE positivos. - Eventos SEE negativos. - Matrices de voltaje mínimo y máximo. CERRAR el archivo y mostrar mensaje de confirmación. FUNCION generar_graficos: USAR datos de eventos SEE para crear gráficos: - Mapa de calor que muestra los eventos en función de la energía y la ubicación. - Gráficos de superficie 3D que representan los voltajes de eventos positivos y negativos. EXPORTAR gráficos en formato PNG. MOSTRAR gráficos en pantalla para permitir análisis visual inmediato. 6.3 Interfaz Gráfica Por otro lado, la automatización y ejecución de los ensayos con el láser requieren una interfaz de usuario que permita configurar los parámetros necesarios de manera intuitiva y flexible. Para ello, se ha desarrollado una Interfaz de Programación de Aplicaciones (API) en PyQt5, utilizando Qt Designer para construir un entorno gráfico que simplifique la interacción con el equipo y agilice la configuración de los ensayos. El diseño de la interfaz consta de dos pestañas principales: una para los controles de configuración del equipo y otra para la ejecución y el manejo de los ensayos. La organización en pestañas permite dividir de manera lógica las tareas y facilita la navegación para el usuario. 6.3.1 Pestaña 1: Configuración de los Parámetros de Control La primera pestaña, mostrada en la figura 6.1, permite al usuario configurar todos los parámetros esenciales antes de iniciar un ensayo. Los controles están organizados en secciones claras y funcionales que incluyen la configuración del equipo PULSBOX-PICO y el instrumento StageXY, así como botones de conexión y desconexión para estos dispositivos. 60 Capítulo 7. Experimento Figura 7.4 Captura del Dado completo. energía de pulso de entre 160 y 170 pJ, la respuesta no satura, sino que la amplitud se sitúa aproximadamente a la mitad de lo que se encontraban las anteriores, en 0.7V. El punto en el que la tensión de salida comienza a saturar y llegar a 0V, será cuando se alcanza una energía de 380pJ. Los resultados indican que el tamaño del spot tiene un impacto significativo en la sensibilidad y respuesta del fotodiodo. Un spot más amplio (aumento x5) permite una interacción más extendida del haz láser, mientras que los spot sizes más pequeños requieren una mayor potencia para alcanzar el mismo nivel de salida. La comparación de estas respuestas destaca la importancia de ajustar la energía de pulso en función del tamaño del spot, especialmente para aplicaciones en las que se busque maximizar la sensibilidad en zonas específicas del dado. 7.1.2 Barrido Lineal Después de haber conocido cuál es el umbral de saturación para cada uno de los aumentos, se va a realizar un barrido lineal que pasará por el centro del dado del fotodiodo. El objetivo de este test será ver cómo actúan las distintas zonas del dado del fotodiodo cuando se somete a la misma energía de pulso. Para ello, previamente se deberán conocer las dimensiones del dado que será de 1.1 x 1.1mm, por lo que el centro estará en 550nm en x y en y. Por esta razón, el test se va a llevar a cabo en la altura (eje y) 550 nm siendo el origen del sistema de referencia la esquina inferior izquierda. En cuanto al eje x, se va a realizar un barrido desde el borde izquierdo hacia el derecho. Sin embargo, para una mejor representación gráfica 2D, se ha decidido disponer el origen de coordenadas en el centro de manera que se recorrerá desde el punto en x -550nm hasta el +550nm, tal y como se muestra a continuación en la figura 7.5. 7.1 Fotodiodo 61 Figura 7.5 Representación de los resultados del Ensayo lineal. Para esta prueba, también se va a emplear una frecuencia de pulso de 20MHz junto con el aumento de x20. Este ensayo se llevará a cabo utilizando 3 energías de pulso distintas haciendo referencia a tres niveles distintos de potencia láser: bajo (10pJ), medio (50pJ) y alto (100pJ). Para comenzar, la curva de la tensión en amplitud a 10pJ, muestra levemente como hay una mejor respuesta en el centro comparada con la de los laterales, donde se encuentra la unión del sustrato p con el n. Sin embargo, en la curva a 50pJ, se puede ver como a medida que se va aumentando la energía del haz láser, se incrementa a su vez la diferencia que se comentaba y la respuesta se curva más aún. Esto se consolida cuando se llega a los 100pJ ya que, mientras en los lateras se obtiene una tensión en amplitud de alrededor de 0.67V, en la zona central del dado del fotodiodo es de 0.94V. Por otro lado, se puede concluir también que en las zonas más cercanas a la metalización que une a la resistencia de pull-up del fotodiodo, alrededor de los -300nm en x, se obtiene una mejor respuesta que en otras partes del dado, lo cual tiene coherencia según diferentes artículos. 7.1.3 Barrido Z VS Barrido S Para una caracterización más precisa, se realiza un análisis comparativo entre dos tipos de barrido: el barrido Z y el barrido S. En el barrido Z, el láser sigue una trayectoria en una única dirección a lo largo de cada fila del dado, mientras que en el barrido S el láser alterna el sentido de cada fila, formando un patrón en forma de zigzag. Este experimento permite evaluar las diferencias de respuesta según la trayectoria del haz láser y su interacción con el dado. Figura 7.6 Comparación entre los esquemas de los barridos Z (izquierda) y S (derecha). Para este ensayo se va a emplear el aumento x20 ya que crea un spot size bastante razonable, ni muy grande ni muy pequeño, y permite ir viendo que zona se está atacando en cada momento. Por otro lado, se ha establecido que la potencia del láser razonable es 100pJ con una frecuencia de pulso de 20MHz ya que, como se explicó al comienzo de la sección, la potencia que aporta es de alrededor de 0.2W. 62 Capítulo 7. Experimento Al igual que en el ensayo anterior, se puede ver que tanto en el ensayo de barrido Z como en el ensayo S, se puede apreciar como a medida que el "spot" del láser se acerca a los bordes, la unión p-n, se va perdiendo el efecto del haz láser, mientras que en la zona central es más homogénea y mayor la respuesta de la tensión de salida en amplitud. Figura 7.7 Comparación entre los resultados obtenidos de los barridos Z (izquierda) y S (derecha). Otra apreciación que se puede hacer es alrededor de las coordenadas (100, 100)nm porque en esta zona se encuentra la metalización y cuando el haz láser pasa por encima, como es coherente, no se produce efecto. Por esta razón, en la gráfica 3D ?? se puede ver un agujero indicando que la amplitud de tensión ha sido despreciable ya que el haz láser se ha topado con la metalización. 7.2 LM124 En esta sección se definen los pasos comunes que siguen ambos ensayos: Mapping yThresholding. Primero, se realiza un Mapping, es decir, varios barridos de uno de los amplificadores del LM124 con diferentes potencias de láser y un incremento amplio (50 pJ) para identificar las zonas sensibles. Posteriormente, se ataca cada área identificada con un incremento menor (1 pJ) para determinar la potencia láser umbral o threshold. Antes de proceder con el experimento, se seleccionan las piezas a desencapsular para exponer el dado y permitir su ataque con el láser. Se emplean varias piezas del mismo lote del LM124 con empaquetado plástico, lo que facilita el desencapsulado necesario. Tras el decapado de las piezas en sus caras superior e inferior, se inicia el Front-side testing (parte superior) y el Backside testing (parte inferior), que permite observar cómo la radiación láser afecta tanto las estructuras superficiales como internas del circuito. 7.2.1 Front-side testing El Front-side testing consiste en irradiar el amplificador operacional desde la parte superior del dado, accediendo directamente a las estructuras del circuito en el lado frontal. Para ello, se realiza un decapado de la parte superior del encapsulado, eliminando la cubierta protectora y exponiendo las zonas activas del LM124. Esta irradiación directa permite evaluar cómo responden los componentes internos a la exposición de pulsos de energía, simulando y analizando los efectos de eventos singulares (Single-Event Effects o SEE) en la superficie del dispositivo, donde el impacto de la radiación espacial es más inmediato y crítico. Tras realizar el desencapsulado frontal, se procederá a seleccionar uno de los amplificadores del LM124 para atacarlo individualmente. 7.2 LM124 63 Figura 7.8 Dado del LM124 descubierto tras desencapsulado frontal. Figura 7.9 Layout del dado del LM124 descubierto tras desencapsulado frontal. Como se observa en la figura 7.9, se pueden identificar los distintos componentes del circuito (figura 5.5) de uno de los amplificadores. Tras haber echado el primer vistazo a la muestra, se van a comenzar las 64 Capítulo 7. Experimento pruebas empezando con un escaneo de todo el amplificador incrementando progresivamente la potencia del pulso láser con un paso mayor, en este caso, 50 pJ. Con esto, como se ha comentado anteriormente, se podrá identificar la localización de las zonas sensibles. Figura 7.10 Representación 3D del Barrido en Z por la parte frontal a 50 pJ. El análisis de estas áreas sensibles se complementa con una serie de imágenes en 2D que representan mediante un mapa de calor las zonas que presentan mayor exposición a SEE, tal como se muestra en la figura 7.11. Figura 7.11 Mapa de las zonas susceptibles a SEE del layout del dado. Como resultado de este escaneo inicial, se han identificado como áreas de mayor susceptibilidad las salidas de los transistores y zonas cercanas a la resistencia de pull-up, algunas de ellas presentando distintos umbrales de potencia láser para la inducción de SEE. La ubicación precisa de estas áreas, marcada en el mapa de calor, facilita la identificación exacta de las coordenadas y permite establecer un plan de ataque con pasos menores, necesarios para el análisis detallado de cada área. Luego de identificar las coordenadas (x,y) de las zonas sensibles, se ataca cada una de las áreas detectadas con incrementos menores en la potencia del láser. Las cuatro localizaciones seleccionadas, basadas en el mapeo inicial, son: (464, 151), (404, 284), (296, 512) y (152, 158). Para cada localización, se somete al área a un rango de energía que va de 10 pJ a 400 pJ con un paso de 5 pJ. Una vez que se identifica un SEE, el paso se reduce a 1 pJ para determinar con precisión el umbral de energía. Durante cada prueba, se mide y registra la corriente consumida. Esto permite determinar si el SEE detectado corresponde a un Single-Event Transient (SET) o a un Single-Event Latch-up (SEL). En un SEL, la corriente se 7.2 LM124 65 incrementa progresivamente hasta llegar a un punto de saturación, donde permanece constante. En contraste, un SET se caracteriza por una corriente estable que no varía significativamente. A continuación, se detallan los resultados para cada una de las zonas, incluyendo gráficos de tensión de salida en función de la energía del láser en picojulios (pJ) y la corriente consumida ( µA ), tanto para los pasos de 5 pJ como para los de 1 pJ. Zona 1: Coordenadas (152, 158) En la figura 7.12 se presentan los resultados de un ensayo progresivo en la zona (152, 158) utilizando un paso de 5 pJ, mientras que la figura 7.13 muestra el mismo ensayo con un paso más pequeño de 1 pJ. En la figura 7.14, se observa el consumo de corriente durante el ensayo. Figura 7.12 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 1 (152, 158) con paso 5pJ. Figura 7.13 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 1 (152, 158) con paso 1pJ. 66 Capítulo 7. Experimento Figura 7.14 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 1 (152, 158). Los gráficos muestran que esta zona presenta una respuesta de SET, con un consumo de corriente estable y sin un incremento sostenido en la amplitud, lo que indica que no se alcanza el umbral de un SEL en esta localización. Zona 2: Coordenadas (296, 512) La zona 2, con coordenadas (296, 512), muestra un comportamiento diferente en los ensayos. Las figuras correspondientes presentan el ensayo progresivo y el registro de corriente. Figura 7.15 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 2 (296, 512) con paso 5pJ. 7.2 LM124 67 Figura 7.16 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 2 (296, 512) con paso 1pJ. Figura 7.17 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 2 (296, 512). A pesar de que se observa un aumento de corriente progresivo en función del aumento de potencia, lo cual sugiere que en esta zona se alcanzaría un SEL, este incremento es temporal ya que se permite que el dispositivo regrese a su comportamiento típico sin necesidad de intervención. En un SEL, veríamos un incremento más marcado y sostenido de la corriente que no regresaría al nivel basal sin un reinicio manual. Por lo tanto, con esta información, es más probable que se trate de SET en lugar de SEL. Zona 3: Coordenadas (404, 284) En la figura 7.18, se presentan los resultados del ensayo progresivo en la zona (404, 284) usando un paso de 5 pJ, mientras que en la figura 7.19 se observa el mismo ensayo con un paso menor de 1 pJ. La figura 7.20 muestra el registro de corriente consumida durante el ensayo. 68 Capítulo 7. Experimento Figura 7.18 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 3 (404, 284) con paso 5pJ. Figura 7.19 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 3 (404, 284) con paso 1pJ. Figura 7.20 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 3 (404, 284). En esta zona, se observa una respuesta de SET, donde el consumo de corriente se mantiene relativamente constante, sugiriendo que esta área del LM124 es menos susceptible a un SEL y tiene mayor estabilidad frente a SEE inducidos por la radiación láser. 7.2 LM124 69 Zona 4: Coordenadas (464, 151) Para la zona 4, situada en las coordenadas (464, 151), se presentan los resultados del ensayo progresivo en las figuras 7.21 y 7.22, que muestran los ensayos con pasos de 5 pJ y 1 pJ, respectivamente. La figura 7.23 muestra el comportamiento de la corriente consumida durante el ensayo. Figura 7.21 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 4 (464, 151) con paso 5pJ. Figura 7.22 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 4 (464, 151) con paso 5pJ. Figura 7.23 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 4 (464, 151). 76 Capítulo A. Barridos para el Front-side Testing en el LM124 Figura A.8 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 400 pJ. Figura A.9 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 450 pJ. Figura A.10 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 500 pJ. A.1 Barrido en Z 77 Figura A.11 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 550 pJ. Figura A.12 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 600 pJ. Figura A.13 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 650 pJ. 78 Capítulo A. Barridos para el Front-side Testing en el LM124 Figura A.14 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 700 pJ. Figura A.15 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 750 pJ. Figura A.16 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 800 pJ. A.2 Barrido en S A continuación, se muestran las representaciones gráficas en 3D de los diferentes ensayos realizados en un determinado rango de energías de pulso láser para un escaneo en S. Como se puede apreciar, se diferencia para SEE positivos y negativos dependiendo de si la respuesta de salida en amplitud de tensión (V) ha sido hacia arriba (positiva) o hacia abajo (negativa). A.2 Barrido en S 79 Figura A.17 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 50 pJ. Figura A.18 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 100 pJ. Figura A.19 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 150 pJ. 80 Capítulo A. Barridos para el Front-side Testing en el LM124 Figura A.20 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 200 pJ. Figura A.21 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 250 pJ. Figura A.22 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 300 pJ. A.2 Barrido en S 81 Figura A.23 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 350 pJ. Figura A.24 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 400 pJ. Apéndice B Mapas de calor de SEE para el Front-side Testing en el LM124 En este anexo, se muestran los mapas de calor que muestran las zonas más susceptibles tras el escaneo en Z y en S del dado por la parte frontal B.1 Barrido en Z A continuación, se muestran las representaciones gráficas en 2D de los diferentes ensayos realizados en un determinado rango de energías de pulso láser para un escaneo en Z. Como se puede apreciar, se diferencia para SEE positivos y negativos dependiendo de si la respuesta de salida en amplitud de tensión (V) ha sido hacia arriba (positiva) o hacia abajo (negativa). Figura B.1 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 50 pJ. 83 84 Capítulo B. Mapas de calor de SEE para el Front-side Testing en el LM124 Figura B.2 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 100 pJ. Figura B.3 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 150 pJ. Figura B.4 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 200 pJ. B.1 Barrido en Z 85 Figura B.5 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 250 pJ. Figura B.6 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 300 pJ. Figura B.7 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 350 pJ. Índice de Figuras 2.1 Estación Espacial Internacional (International Space Station, ISS) 6 2.2 Clasificación de los satélites según la masa [7] 6 2.3 Clasificación de los satélites según la órbita 7 2.4 Nanosatélites lanzados y por lanzar de 1998 a 2025 [12] 8 2.5 CubeSat desarrollado por Alen Space 9 2.6 Estructura del CubeSat ALPHA311 2.7 Tipos de Single-Event Effects (SEE) [23] 14 3.1 Layout de la PCB del Payload del CubeSat ALPHA318 3.2 Imagen del fotodiodo S1336-18BQ del fabricante Hamamatsu 20 4.1 Configuración del Pulsed-Laser Testing (izquierda) y del Heavy-Ions Testing (derecha) [39] 25 4.2 Mapa de la accesibilidad a ensayos de Pulsed-Laser y de Heavy-Ions en Norte América 26 4.3 Relación entre la Pulse Energy y el LET en el caso de SPA (izquierda) y TPA (derecha) [39] 26 4.4 Distribución de carga en Pulsed-Laser Testing y en Heavy-Ions Testing [39] 27 4.5 Definición de la distribución del haz láser Gaussiano 30 4.6 Efecto del índice de refracción en el haz a través del Silicio 31 4.7 Coeficiente de Absorción lineal 32 4.8 Principio del proceso Single-Photon Absorption (SPA) 33 4.9 Principio del proceso Two-Photon Absorption (TPA). 34 4.10 Distribución de carga inducida típica en SPA (izquierda) y TPA (derecha). Single-Event Effects Testing 34 4.11 Principio de la aproximación del a)Front-side y el b)Backside Pulsed-Laser Testing [43] 35 4.12 Ejemplo LM124: Comparación del ensayo Front-side (izquierda) y el Backside (derecha) [49] [39] 35 4.13 Iluminación Frontal y Posterior [48] 37 4.14 Representación del recorrido del Escaneo Estándar o Barrido en S 38 4.15 Representación del recorrido del Escaneo Unidireccional o Barrido en Z 38 4.16 Representación gráfica de la Energía de pulso [50] 39 5.1 Gráfica del Coeficiente de absorción en función de la longitud de onda 42 5.2 Layout de la PCB de prueba 46 5.3 Esquemático de la PCB de prueba 47 5.4 Setup de medida del fotodiodo S1336-18BQ 47 5.5 Esquemático del circuito eléctrico de un amplificador del LM124 48 5.6 Esquemático de la Configuración modo "Voltage Follower" del LM124 48 6.1 Ventana de "Control" de la API 54 6.2 Ventana de "Test" de la API 55 7.1 Representación de la Respuesta Espectral de la serie S1336 de fotodiodos (Fotosensibilidad vs Longitud de onda) 58 7.2 Respuesta en tensión al emplear el puntero láser (izquierda) y el PULSCAN (derecha) 58 93 94 Índice de Figuras 7.3 Representación de los resultados del Ensayo progresivo 59 7.4 Captura del Dado completo 60 7.5 Representación de los resultados del Ensayo lineal 61 7.6 Comparación entre los esquemas de los barridos Z (izquierda) y S (derecha) 61 7.7 Comparación entre los resultados obtenidos de los barridos Z (izquierda) y S (derecha) 62 7.8 Dado del LM124 descubierto tras desencapsulado frontal 63 7.9 Layout del dado del LM124 descubierto tras desencapsulado frontal 63 7.10 Representación 3D del Barrido en Z por la parte frontal a 50 pJ 64 7.11 Mapa de las zonas susceptibles a SEE del layout del dado 64 7.12 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 1 (152, 158) con paso 5pJ 65 7.13 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 1 (152, 158) con paso 1pJ 65 7.14 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 1 (152, 158) 66 7.15 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 2 (296, 512) con paso 5pJ 66 7.16 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 2 (296, 512) con paso 1pJ 67 7.17 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 2 (296, 512) 67 7.18 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 3 (404, 284) con paso 5pJ 68 7.19 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 3 (404, 284) con paso 1pJ 68 7.20 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 3 (404, 284) 68 7.21 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 4 (464, 151) con paso 5pJ 69 7.22 Resultados de un ensayo progresivo en la zona 4 (464, 151) con paso 5pJ 69 7.23 Corriente consumida durante el ensayo progresivo en la zona 4 (464, 151) 69 A.1 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 50 pJ 73 A.2 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 100 pJ 74 A.3 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 150 pJ 74 A.4 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 200 pJ 74 A.5 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 250 pJ 75 A.6 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 300 pJ 75 A.7 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 350 pJ 75 A.8 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 400 pJ 76 A.9 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 450 pJ 76 A.10 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 500 pJ 76 A.11 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 550 pJ 77 A.12 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 600 pJ 77 A.13 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 650 pJ 77 A.14 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 700 pJ 78 A.15 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 750 pJ 78 A.16 Ensayo de Barrido en Z por la parte frontal a 800 pJ 78 A.17 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 50 pJ 79 A.18 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 100 pJ 79 A.19 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 150 pJ 79 A.20 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 200 pJ 80 A.21 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 250 pJ 80 A.22 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 300 pJ 80 A.23 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 350 pJ 81 A.24 Ensayo de Barrido en S por la parte frontal a 400 pJ 81 B.1 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 50 pJ 83 B.2 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 100 pJ 84 B.3 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 150 pJ 84 B.4 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 200 pJ 84 B.5 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 250 pJ 85 B.6 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 300 pJ 85 B.7 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 350 pJ 85 B.8 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 400 pJ 86 B.9 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 450 pJ 86 B.10 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 500 pJ 86 Índice de Figuras 95 B.11 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 550 pJ 87 B.12 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 600 pJ 87 B.13 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 650 pJ 87 B.14 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 700 pJ 88 B.15 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 750 pJ 88 B.16 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en Z por la parte frontal a 800 pJ 88 B.17 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 50 pJ 89 B.18 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 100 pJ 89 B.19 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 150 pJ 89 B.20 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 200 pJ 90 B.21 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 250 pJ 90 B.22 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 300 pJ 90 B.23 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 350 pJ 91 B.24 Mapa de calor de los SEE tras el Barrido en S por la parte frontal a 400 pJ 91 Índice de Tablas 4.1 Tabla de condiciones de prueba 29 4.2 Tabla de transmitancia para algunos materiales [43] 36 5.1 Características de los diferentes juegos de lentes del microscopio 45 5.2 Tabla de instalaciones láser y sus propiedades [55] 45 97 Bibliografía [1] European Space Agency (ESA), “Cubesats,” https://www.esa.int/Enabling_Support/Preparing_for_ the_Future/Discovery_and_Preparation/CubeSats, 2023. 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