mercoledì 10 marzo 2021

Dallo spazio al Cern

 

Tecnologie Rad-Hard in ST 
 A.I.  rev 10/3/2021 

Per la realizzazione dell’elettronica per l’LHC è stata utilizzata una tecnologia bipolare tollerante alle radiazioni, e in particolare è stato identificato un sotto processo e sviluppate tecniche di progettazione robuste.

I risultati della valutazione rad-hard effettuata in ST Rennes per i regolatori di tensione RH LHC4913 e LHC7913 hanno dimostrato che la variazione della regolazione della tensione di uscita è limitata a pochi mV con TID (Total Ionizing Dose) di 1Mrad.engineering work led by two R&D and product development teams,” added Papa. © CERN Geneva The ATLAS Award citation draws attention to the technical challenges that ST had to overcome and acknowledges the Company’s contribution to this major project and notes that “without the contribution from ST it would have been extremely difficult to complete the liquid argon calorimeter front-end electronics and the ATLAS Collaboration expresses its sincere appreciation for ST’s enormous effort, warm cooperation, and excellent performance.” engineering work led by two R&D and product development teams,” added Papa. © CERN Geneva The ATLAS Award citation draws attention to the technical challenges that ST had to overcome and acknowledges the Company’s contribution to this major project and notes that “without the contribution from ST it would have been extremely difficult to complete the liquid argon calorimeter front-end electronics and the ATLAS Collaboration expresses its sincere appreciation for ST’s enormous effort, warm cooperation, and excellent performance.”

La STMicroelectronics è stata insignita di un riconoscimento prestigioso  ATLAS Supplier Award per lo sviluppo e la fornitura di regolatori di tensione resistenti alle radiazioni da utilizzare nel gigantesco esperimento ATLAS del CERN. Questo premio è stato consegnato al dott. Carmelo Papa durante una cerimonia tenutasi il 10 maggio 2006 a Ginevra.
E' un riconoscimento della collaborazione di successo dell'azienda con  il gruppo Microelettronica del Dipartimento di Fisica del CERN per le eccellenti prestazioni nello sviluppo e nella produzione dei regolatori di tensione RH LHC4913 e LHC7913 co-sviluppati dal 1998 con ST e ora utilizzati anche in tutti gli esperimenti LHC e nelle schede di controllo della macchina LHC.

 

Possiamo citare due applicazioni principali.
Per il rivelatore ATLAS, i regolatori di tensione positivo e negativo sono usati per fornire potenza all’elettronica del calorimetro ad argon liquido, ai pixel del rivelatore e altri sottosistemi.
Questi regolatori sono stati utilizzati dal CERN negli esperimenti che hanno portato a rivelare il bosone di Higgs.
Il bosone di Higgs è la particella descritta per la prima volta dal fisico inglese Higgs nel 1960, per spiegare alcuni aspetti importanti della materia, come il fatto che alcune particelle subatomiche sono prive di massa, mentre altre hanno massa.

La stessa tecnologia è stata utilizzata  per l'industria aerospaziale da diversi anni.
Ad esempio, il regolatore RHFL4913 viene utilizzato nella Missione New Horizons.
Questa missione ha lo scopo di studiare da vicino il pianeta Plutone, ai margini quindi del nostro sistema solare. L'esplorazione di questo "corpo di ghiaccio"
darà indicazioni utili per capire l'evoluzione iniziale del nostro pianeta.

ll lancio di questa missione è stato il 20 gennaio 2006.  

Fonti:
[1]
Press release July 16, 2012: STMicroelectronics Applauds CERN Success in Search for Elusive Higgs Particle.

SGS va nello spazio 2/4

 

Tecnologie e sviluppi Rad-Hard in ST – 
 rev 10/3/2021

Introduzione

Il potenziamento dei dispositivi per resistere alla TID (Total Ionization Dose), è una delle sfide tecnologiche più interessanti, perché fornisce un quadro chiaro sui problemi che i progettisti devono affrontare durante lo sviluppo dei loro schemi circuitali e layout per applicazioni rad-hard.

Data l'ampia varietà di tipologie di radiazioni ed effetti dei dispositivi, il processo di irrobustimento deve essere fatto separatamente e dettagliato caso per caso, considerando attentamente anche le condizioni di lavoro del circuito e ovviamente i costi di realizzazione.

Tuttavia, ci sono regole generali che il progettista deve seguire e che si devono considerare bene in quasi tutte le circostanze.

La radiazione influenza il comportamento dei dispositivi a semiconduttore per mezzo di due fenomeni principali:
1. Displacement;
2. Ionizzazione.
Il displacement (spostamento) modifica la disposizione degli atomi nel reticolo, influenzando, in questo modo, la struttura del semiconduttore. Crea centri di ricombinazione che riducono la vita dei portatori di minoranza; per questo motivo, i dispositivi bipolari sono più colpiti di quelli CMOS da questo tipo di danno, poiché i BJT dipendono dalla concentrazione di portatori minoritari nella regione di base per il loro guadagno di corrente, subendo quindi una riduzione di questo parametro.

I danni da ionizzazione possono essere dovuti agli effetti di una singola particella che impatta sul materiale (Single Event Effects o SEE), oppure agli effetti cumulati, nel tempo, della radiazione (Total Ionizing Dose o TID).

Il SEE può essere suddiviso in SEU (Single Event Upset), che è la modifica temporanea dello stato di una porta logica o di un elemento di memoria, e SEL (Single Event Latch-up). A seconda della tecnologia utilizzata, l'eliminazione della struttura SCR parassita può essere ottenuta con strutture di layout dedicate o utilizzando un substrato SOI. 

Gli effetti di un singolo evento sono dovuti all'energia depositata da una singola particella nel dispositivo elettronico. Pertanto, possono verificarsi in qualsiasi momento e la loro probabilità è espressa in termini di sezione trasversale (cross-section). Un dispositivo sensibile alla SEE può presentare guasti in qualsiasi momento dall'inizio del suo funzionamento in un ambiente con radiazioni. La SEE può essere suddivisa in due categorie principali: effetti distruttivi e non distruttivi.

I seguenti effetti possono essere classificati come "effetti non distruttivi": Single Event Upset (SEU), Single Event Failure Interrupt (SEFI) e Single Event Transient (SET).

I seguenti effetti possono essere classificati come "effetti distruttivi": Single Event Latch-Up (SEL), Single Event Burn-Out (SEBO), Single Event Gate Rupture (SEGR), Single Event Snapback (SES), Single Event Dielectric Rupture (SEDR), Errore hardware a evento singolo (SEHE).

Questi eventi distruttivi sono spesso innescati da ioni pesanti, poiché l'energia che deve essere depositata per avviare l'evento è in generale più alta che per SEU. Tuttavia, la soglia di alcuni dispositivi per uno di questi effetti distruttivi può essere sufficientemente bassa da mettere in pericolo la sua sopravvivenza in un ambiente di radiazioni "più benigno" dove sono assenti gli ioni pesanti.

Il TID, creando coppie elettrone-lacuna negli ossidi, porta alla variazione della tensione di soglia a correnti di dispersione nei componenti MOS e alla riduzione del guadagno di corrente nei BJT.

Gli effetti della dose ionizzante totale (TID) sono un tipico caso di effetti cumulativi. La dose di ionizzazione viene depositata dalle particelle che attraversano i materiali costituenti i dispositivi elettronici. Ciò accade durante tutto il tempo in cui il dispositivo è esposto alle radiazioni.

La TID è la misura della dose, ovvero l'energia, depositata nel materiale di interesse dalla radiazione sotto forma di energia di ionizzazione.


L’azione principale degli effetti TID è la deposizione di energia nel biossido di silicio, perché le coppie elettrone-lacuna create in questo materiale non si ricombinano completamente in un tempo molto breve. In presenza di un campo elettrico nell'ossido, una grande quantità delle coppie non si ricombina e sia gli elettroni che le lacune iniziano a spostarsi nel campo elettrico. Gli elettroni, che hanno una mobilità molto più elevata, possono facilmente lasciare l'ossido. Invece le lacune possono essere intrappolate nei difetti dell'ossido. Inoltre, questo processo può creare (o meglio attivare) difetti all'interfaccia di ossido di silicio. L'accumulo di carica e l'attivazione di difetti sono i due motivi del degrado del dispositivo indotto da TID.

Nei componenti MOS queste degradazioni consistono principalmente in uno spostamento della soglia Vth e in una corrente di dispersione (leakage). I due tipi di effetti, la cattura delle lacune e la creazione di stati di interfaccia, hanno una dinamica molto diversa. Le lacune vengono intrappolate molto rapidamente e possono essere “liberate” dall'energia termica (questo è il fenomeno dell’annealing). Pertanto, aumentare la temperatura è un buon metodo per liberare la carica intrappolata. Gli stati dell'interfaccia mostrano invece una formazione lenta e non c’è annealing a temperature inferiori a circa 400 °C.

Gli effetti TID nei dispositivi bipolari sono anche dovuti all'intrappolamento di carica nell'ossido e alla creazione di stati di interfaccia. Gli effetti possono essere ricompresi in due categorie:

1) inversione del silicio sotto un ossido spesso, aprendo un canale conduttivo,

2) effetti che diminuiscono il guadagno del transistor.

Il TID agisce sul guadagno aumentando la componente superficiale della corrente di base, è principalmente dovuto ad un aumento degli stati di interfaccia alla superficie della base e ad un accumulo di carica positiva vicino alla giunzione emettitore-base (entrambi aumentando il tasso di ricombinazione del drogante minoritario). La corrente di base in eccesso è in generale l'effetto dominante, a corrente di collettore costante.

La sensibilità è maggiore a livelli di iniezione inferiori, poiché in questo caso c'è una maggiore sensibilità ai fenomeni superficiali. In questo caso, è possibile definire l'effetto ELDR (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity).

Questo effetto sembra verificarsi per un campo elettrico vicino allo zero nell'ossido durante l'irradiazione e la densità netta delle lacune intrappolate è più alta a bassa velocità.

 


·       Un esempio di sviluppi per il CERN

3A POSITIVE LOW DROP VOLTAGE REGULATOR WITH INHIBIT FUNCTION

Una delle maggiori sfide scientifiche è fare ipotesi appropriate sull'origine dell’universo.

Ciò può essere ottenuto con studi teorici e soprattutto con la sperimentazione scientifica che coinvolge l'infinitamente piccolo, cioè la struttura della materia.

Si possono seguire due percorsi: l'esame della struttura in laboratori speciali (fisica delle alte energie), e l’esplorazione dello spazio. Entrambi gli studi dovrebbero fornire informazioni sull'origine dei fenomeni dopo il Big Bang.

L’approccio sperimentale richiede un'elettronica robusta e si descrivono due regolatori che, con opportune validazioni, possono funzionare in entrambe le applicazioni.

Sono stati sviluppati i regolatori di tensione rad-hard in collaborazione tra la ST e il CERN, il

il più grande laboratorio del mondo per la fisica delle particelle vicino Ginevra, per le applicazioni della fisica.

Ora vengono utilizzati in tutti gli esperimenti Large Hadron Collider (LHC) e le schede di controllo dell’esperimento LHC. Il Team responsabile dello sviluppo è stato composto dalla R&D e Divisioni di prodotto di STMicroelectronics, dall’Università di Montpellier, l’INFN di Milano e il CERN. I ricercatori del Team si sono incontrati più volte per condividere l’avanzamento del progetto.

Gli acceleratori principali a disposizione del CERN sono, in ordine dall'anello principale di collisione fino alla sorgente iniziale delle particelle a bassa energia:

Il Large Hadron Collider (LHC), entrato in funzione il 10 settembre 2008 si estende su una circonferenza di 27 chilometri ed è stato inizialmente progettato per accelerare fino a un massimo di 7 TeV-protone equivalenti di energia; permettendo di studiare le particelle elementari in condizioni sperimentali paragonabili a quelle dei primi momenti di vita dell'Universo, subito dopo il Big Bang.

Lo scopo principale dei regolatori è quello di fornire energia drop alle schede elettroniche in Large Hadron Collider o per applicazioni satellitari. Si garantiscono tensioni di alimentazione basse, precise e con una buona stabilità.


Figure 1:LHC Tunnel (Source of image:CERN

Ai due chip, denominati LHC4913 e LHC7913, sono i primi regolatore rad-hard di tensione positivo e negativo con funzione di inibizione ed erogano 3A e hanno una bassa caduta di tensione.

Vengono utilizzati in condizioni estreme e soddisfano alcuni requisiti importanti:

1)     Alta tolleranza alle radiazioni:

2)     Bassa caduta di tensione nell'elemento di potenza e basso consumo di energia.

3)     Possibilità di monitoraggio e controllo a distanza di condizioni di sovraccarico statiche e dinamiche.


 

 


Fonti:
[1]
G. Bonna(1), A. Imbruglia (1), H. Duperray (3), P. Jarron (2), F. Faccio (2), A. Bigga (2), M. Glaser (2), B. Roberts (2)
(1) STMicroelectronics, Catane, Italy, (2) CERN Geneva, Switzerland, (3) STMicroelectronics, Rennes, France

A RADIATION-HARDENED LOW-DROPOUT VOLTAGE REGULATOR FOR LHC AND SPACE APPLICATIONS.

5th workshop on electronic LHC experiments for Snowmass (Colorado) 20-25 September 1999: A radiation-hardened low-dropout voltage regulator for LHC and space applications.

[2] Patrick BRIAND (1), Marielle BELASIC (2), Jean-François VADROT (1)

(1) STMicroelectronics, (2) CNES

EVALUATION OF STMICROELECTRONICS RH-L4913 POSITIVE HARDENED LOW DROP VOLTAGE REGULATOR

ESCCON 2002 Toulouse (France) Sep. 2002

lunedì 8 marzo 2021

Una storia per SGS: SGS-Ates va nello spazio 1/4

Una storia per SGS: SGS-Ates va nello spazio
G. Ferla 

Molte della missioni attuali, ultima quella di Perseverance su Marte, New Horizons che si sta avventurando nella Kuiper Belt hanno componenti ST.

La storia ha un inizio molto lontano e molti staffettisti.
Ho partecipato a quasi tutte le frazioni.
Nella prima frazioni agli inizi del 1970, hanno un ruolo l'INFN che ha messo a disposizione competenze ed attrezzatura ed il prof Giampiero Ottaviani
I personaggi di rielevo sono l'ing. Fabio Borri, responsabile della qualità, Gianni Vignola suo assistente ed io come responsabile del processo per rendere i dispositivi resistenti alle radiazioni.
L'attività non era vista molto di buon occhio dalla direzione di progettazione  dei circuiti digitale MOS a cui appartenevo. Io ero molto contento dell'attività sia per il contenuto tecnico ed anche perché lavorare con Gianni Vignola era un piacere.
Era un ragazzone alto con qualche problema di peso, anche se era abbastanza sportivo. Giocavamo a tennis insieme e qualche volta andavamo anche in piscina insieme.
La ragione del suo peso stava nell'appetito.
In una missione all'INFN di Trieste a pranzo eravamo in quattro. Si ordina del pesce ed un'insalata, il cameriere porta per una grossa una grossa insalatiera.
Quando alla fine arriva il pesce chiediamo al cameriere dell'insalata.
Gianni credendo fosse una singola porzione aveva completamente ripulito l'insalatiere mentre il gruppo discuteva di radiazioni.

Credo che i componenti progettati a quel tempo stiano viaggiando con i due Voyager a nord ed a sud del sistema solare ed ancora (2021), a quasi un giorno luce dalla terra, sono funzionanti.
Tuttavia non sono certo che vi siano nostri componenti a bordo. La mia ipotesi e' basata sul fatto che i Voyagers sono stati lanciati nel 1977 e poco dopo SGS-ATES fece una grossa campagna pubblicitaria dal titolo Top Designers Know con sotto un grosso lanciatore.
Purtroppo Gianni, che potrebbe darne la certezza e' morto prematuramente.

Da nasa.gov: Solar System Portrait: Earth as Pale Blu

La seconda frazione ebbe inizio con le giornate sulla ricerca in IRI organizzate a Genova dall'ing, Barabaschi e da un pranzo con l'ing, Salvatore Castorina nel 1986

Il progetto era Astromag.
Ma questa è un'altra storia, con molti risvolto.
Parte dallo spazio e finisce sotto terra,  al CERN


giovedì 4 marzo 2021

Lettera di Anna Santi. Richiesta di contributi

 Una storia per SGS

Carissimi buongiorno,

come già annunciato telefonicamente ad alcuni di voi e sull’onda dell’entusiasmo che accompagna la grande passione condivisa per il nostro lavoro, abbiamo pensato di mettere in atto la raccolta delle nostre testimonianze sugli anni iniziali della storia della SGS, dalle sue origini dai primi anni fino alla fine della gestione dell’ing Pistorio

L’intento è di valorizzare l’incontro di persone e di conoscenze dal ventennio iniziale degli anni ’60 e ’70 che ci ha visti ‘pionieristici fondatori’ di un’azienda ai suoi esordi, in un’epoca di espansione economica e di slancio italiano nel settore dei semiconduttori.

Il proposito è di raccogliere le nostre testimonianze, con saggi, contributi, racconti, aneddoti per il racconto di una storia di ST a più voci: un racconto di progetti e relazioni, di conquiste in campo e di collaborazioni internazionali a partire proprio dalla restituzione e dall’esperienza diretta dei suoi protagonisti, molti dei quali in età avanzata

Ti invitiamo perciò a collaborare con il tuo contributo: un testo che hai già scritto o che andrai a scrivere, di libera lunghezza e libero stile, capace di rivelare in forma di racconto un aneddoto, un progetto, un periodo, un proposito, un sogno realizzato o disatteso, con il tuo personale e peculiare punto di vista.

Lungo il filo cronologico della storia di ST, stempereremo i contributi di tutti noi, di chi ha lavorato e lavora per questa azienda virtuosa, di chi si è speso per la sua evoluzione e affermazione, di chi è stato pioniere nella ricerca e di chi ha raccolto la lezione dei ‘più vecchi’ facendone tesoro per proiettarsi in nuovi progetti, di chi ha fatto dell’eredità ricevuta un’occasione di sviluppo e di ulteriore evoluzione dei processi tecnologici.

L’intento è di rivelare la storia di STMicroelectronics, dal suo incipit iniziale: una storia di eccellenza sul territorio nazionale nelle sue sedi principali di Agrate, Castelletto e Catania -  e di alleanze strategiche internazionali, di un’impresa pronta a raccogliere le sfide e le dinamiche di sviluppo.

Nota la struttura evolutiva di STMicroelectronics e per dare ordine e ragionevole forma ai contenuti, ci proponiamo di delimitare la ricerca all’Italia e alle sue relazioni internazionali, ipotizzando, ad oggi, una sommaria suddivisione dei contenuti in 2 capitoli:

1-     Origini di SGS ed evoluzioni dell’attività pionieristico fino al 1980

2-     Sviluppo ed evoluzione della società sotto la guida di Pistorio

Il progetto è sostenuto dal Rettore del Politecnico di Milano Ferruccio Resta, e si avvarrà dei contributi scientifici dei docenti del Politecnico di Milano proff. Andrea Lacaita, Sergio Cova, Maria Giovanna Sami.

L’ufficio Pubbliche Relazioni di STMicroelectronics ne è informato.

Il coordinamento editoriale è di Anna Santi, ricercatrice del Politecnico di Milano, Dipartimento di Design, affezionata ammiratrice e sostenitrice del progetto che guarda alla spinta per l’innovazione.

Ci auguriamo di ritrovare confermato l’entusiasta spirito di adesione a questo progetto di scrittura a più mani. E per questo proponiamo di raccogliere adesioni e materiale entro lunedì 19 aprile 2021.

I contributi sono liberi, per stile (saggio, articolo, studio, elaborato, report, progetto) per modalità (una cronistoria, un racconto, un’intervista, un aneddoto, un avvenimento, un ricordo etc.) e per lunghezza (2000-6000 battute).
Il testo in word, carattere Times New Roman, fonte 12
Rimaniamo a disposizione per ogni richiesta, chiarimento, proposito o proposta di ulteriore sviluppo.

Un saluto cordiale,
Bruno Murari e Aldo Romano
con Anna Santi, ricercatrice Politecnico di Milano

4 marzo 2021


lunedì 1 marzo 2021

Scienza dei materiali e microelettronica

G. Ferla 40 anni con il silicio 

In 50 trasparenti sono mostrate le tappe più importanti della storia personale, ma soprattutto il contributo di tutto il gruppo di lavoro, per lo sviluppo della microelettronica.

Il primo transistore, 1947
novembre 2003, emitter da 90 nm

Si va dai primi Power Mos, ante litteram, del novembre del 1965 e del 6/6/1966  al primo milione di dollari di fatturato del 1986, agli oltre 300 milioni del 2005.
L'introduzione della superjiunction quasi di colpo ha migliorato di un fattore 10 le loro prestazioni.

Trovano posto tutte le principali innovazioni del periodo, dal primo transistore planare europeo, all'invenzione del planox, ai VIPOWER, dal brevetto che ha dato il via allo sviluppo delle accensioni elettroniche (12% di market sharenel 1990), ai rad-hard i cui componenti stanno viaggiando con i due Voyager oltre il sistema solare, mentre altri compnenti sono con Perseverance su Marte.

Trovano spazio l'invenzione delle memorie non volatili ed il progetto del ST 20.
In qualche caso si hanno dei bei trasparenti in qualche caso un po' meno.

Si ha anche una brevissima storia di ST e della varie società che si sono via via fuse per dar luogo alla ordiera ST.


La presentazione fa parte di un insieme di presentazioni organizzate dal Prof E, Rimini ed organizzate da Mario Saggio in un volume di quasi 500 trasparenti.



Lo sviluppo delle società industriali. STMicroelectronics

 Lo sviluppo delle societa' industriali

Il file ha 150 trasparenti, preparati per un lungo seminario all'università di Catania nel 2014, presso il dipartimento di economia, Prof GB Dagnino.

Come contributi originali comprende il ciclo economico delle società dalla fase di crescita, alla fase di maturità. E' presentato il confronto della redditività delle società quotate alla borsa di Milano e quelle quotate nelle borse di New York. Il confronto è fatto in termini di Rona (Return on net asset).
E' evidente la non competitività del sistema italiano.

E' presentata anche la nascita dell'industria dei semiconduttori.
Dall'invenzione del transistore nel 1947, alla Shockley Semiconductor, alla Fairchild Semiconductor fondata nel 1957, che poi di fatto ha creato la Silicon Valley in California.
La STMicroelectronics è stata fondata da Adriano Olivetti e Virgilio Floriani nell'ottobre del 1957 con il nome di SGS è quindi fra le prime ditte del settore. 
La storia è illustrata con documenti originari presi dei vari rapporti annuali, a quei tempi manoscritti, come la nomina di Bob Noyce a consigliere, quando il 3/11/1960 la Fairchild inizio a far parte della società come terzo azionista.

Vi è poi una parte che riguarda gli anni di gestione dell'ingegner Pasquale Pistorio sotto la cui guida rapidamente la ST conseguì un ruolo di leadership fra le società del settore.
Si vede come una leadership carismatica e con visione riesce a creare valore non solo per la società ma per tutti coloro che in qualche misura partecipano alla società, fornitori, clienti e tutti gli enti che interagiscono con essa.
La leadership crea valore non solo per gli shareholders ma anche per gli stakeholders.