Design and Experimental Verification of IC Techniques for Harsh Environments: Automotive, Aerospace and HEP case studies

L’odierna incredibile crescita dell’elettronica di consumo è affiancata dalla pervasiva diffusione dei dispositivi elettronici negli ambienti più ostili. In questi contesti, i Circuiti Integrati (ICs) devono fronteggiare condizioni avverse che influiscono sul corretto funzionamento dei dispositivi in silicio. Nonostante gli attuali mondi automotive e aerospace siano due degli ambienti più ostili dove i ICs possono operare, la prossima generazione di veicoli terrestri e spaziali sarà sempre maggiormente gestita da sistemi elettronici. L’attuale tendenza nella gestione della potenza di bordo mostra una coesistenza di diversi domini di tensione per l’alimentazione dei diversi sottosistemi elettronici, come 48 V, 12 V e 5 V. Per queste ragioni, in questo lavoro di tesi, alcune tecniche per affrontare gli effetti derivati da sistemi costituiti da domini multi-tensione sono proposti insieme alla progettazione di un convertitore DC/DC senza induttore. Il convertitore DC/DC, progettato nella tecnologia 0.35 μm HV, è in grado di convertire un ampio range di tensioni in ingresso, da 6 V a 60 V, in due punti di carico, 5 V e 1.65 V, per l’alimentazione di sensori. Dalla conoscenza dell’autore della letteratura e del mercato, questo è il primo convertitore DC/DC senza induttore in grado di convertire un range di ingresso così ampio. Questo ampio range è gestito usando un’architettura multi-stadio con stadi a condensatori commutati riconfigurabili e MOSFETs ad alta tensione. In risposta ai pressanti requisiti per la gestione dell’errore in sistemi critici, un’innovativa e integrabile tecnica tollerante ai faults è proposta in questa tesi. Il convertitore è stato realizzato in un chip 6*6 mm^2, e in risposta alla crescente richiesta di sempre maggiore integrazione, la campagna di misura del convertitore DC/DC si è focalizzata sul confronto tra le prestazioni ottenute da una classica configurazione 2D, con i passivi situati a lato del chip, ed un’innovativa struttura 3D, con condensatori in silicio impilati sopra il chip. Le misure elettriche hanno mostrato la fattibilità dell’utilizzo della struttura 3D al fine di ridurre l’area occupata, mantenendo quasi le stesse prestazioni della configurazione 2D. Per la verifica della compatibilità con l’ambiente spaziale del IC progettato, il convertitore è stato esposto a test di radiazione di dose accumulata e di ioni pesanti, evidenziando la possibilità di un suo impiego per viaggi Terra-Luna. Data la sempre crescente richiesta di sistemi compatti, l’interazione elettromagnetica tra dispositivi differenti è una delle maggiori sfide nell’odierna progettazione elettronica. Essendo il convertitore DC/DC switching uno dei principali generatori di disturbi elettromagnetici, alcune tecniche per mitigare la generazione di questi disturbi sono state adottate in questa tesi, al livello di progettazione del chip. In particolare, tecniche come l’adozione di un filtro d’ingresso e il soft-start sono state implementate per ridurre le interferenze condotte, mentre tecniche come una bassa frequenza di switching, un’architettura senza induttore e l’allargamento dello spettro sono state usate per la mitigazione delle interferenze irradiate. Sul fronte radiazioni, gli esperimenti ad alta energia, usati nella fisica particellare per la verifica di nuove teorie, sono caratterizzati da livelli di radiazione quasi tre ordini di grandezza superi rispetto alle applicazioni spaziali standard. Queste estreme condizioni stressano pesantemente le prestazioni dei dispositivi elettronici dello stato dell’arte usati per la rilevazione delle particelle. Per garantire la corretta operazione dei ICs operanti in questo ambiente, in questa tesi sono state sviluppate alcune tecniche Radiation Hardened By Design (RHBD) per la mitigazione degli effetti sui ICs dovuti alle radiazioni, come la logica current-mode, una lunghezza dei MOSFETs doppia e l’enclosed layout dei transistors. Queste tecniche RHBD sono state utilizzate per la progettazione di drivers per modulatori elettro-ottici ad elevata velocità in tecnologia CMOS 65 nm. I driver multistadio, in aggiunta alle soluzioni per fronteggiare le radiazioni, implementano tecniche di buffer chain e inductive peaking per l’estensione della banda. I driver, realizzati in un chip 1*1 mm^2, sono stati connessi direttamente su una board e testati elettricamente, mostrando buone prestazioni fino a 5 Gbps. I modulatori elettro-ottici usati in questo lavoro sono il modulatore Mach Zehnder ed il Ring Resonator realizzati in tecnologia silicon-photonic, i quali hanno mostrato maggiori proprietà di resistenza alle radiazioni rispetto ai classici VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). I test a livello di sistema, eseguiti connettendo il chip in silicio dei drivers ed il chip in silicon-photonics dei modulatori attraverso bonds in alluminio, confermano il raggiungimento di una velocità di trasmissione di 5 Gbps. In risposta al requisito di tolleranza alle radiazioni, il chip dei drivers è stato esposto a raggi X, mostrando la sua abilità ad operare fino a 800 Mrad, livello di radiazione che oggi nessun altro dispositivo elettronico presente in letteratura o industria è in grado di raggiungere. Today’s incredible growth of the consumer electronics market is flanked by the pervasive diffusion of electronic devices in harsh environments. In these contexts, Integrated Circuits (ICs) have to withstand rugged conditions that affect the proper functioning of silicon devices. Although today’s automotive and aerospace worlds are two of the most difficult environments where ICs can operate, the next generation of space and terrestrial vehicles will be ever-more managed by electronic systems. Today’s onboard power management trend shows the coexistence of multi-levels voltage domains, such as 48 V, 12 V, and 5 V, to supply different electronic sub-systems. For these reasons, in this thesis work, techniques to withstand issues deriving from multi-voltage domains systems are proposed in an inductorless DC/DC converter design framework. The integrated DC/DC converter, designed in 0.35 μm HV technology, is able to convert a wide range of input voltages, from 6 V to 60 V, in two output points of loads, 5 V and 1.65 V, for sensors supply. At the best of the author’s knowledge, this is the first silicon integrated inductorless DC/DC converter, in literature or market, able to convert such a wide input range. This wide range is managed using a multi-stage cascade architecture with reconfigurable switched capacitors stages and high-voltage MOSFETs. In addition, in response to strong fault-management requirements of safety-critical systems, an innovative and integrable fault-tolerant technique is proposed in this thesis. The IC DC/DC converter was implemented in 6*6 mm^2 chip, and in response to the growing requirement of ever-more integration, the measurement campaign of the inductorless DC/DC converter was focused on the comparison between the performances extracted from a classical 2D configuration, with external passives placed side-by-side with the IC, and an innovative 3D assembled structure, with silicon capacitors stacked on the chip of the DC/DC converter. The electrical measurements showed the feasible use of the compact 3D structure for area reduction purposes, maintaining nearly the same 2D conversion performances. In order to verify compliance with the space environment, the designed IC DC/DC converter was exposed to cumulative dose and heavy-ions radiation tests, highlighting the feasible use of the DC/DC converter for the Heart-Moon travels. Since the ever-growing requirement of compact systems, the electromagnetic interaction between different devices is one of the hardest challenges in today’s electronic design. Being the switching DC/DC converter one of the main generators of electromagnetic disturbances, some techniques to mitigate the generation of these disturbances have been adopted, in this thesis, at the ICs design level. In particular, techniques such as input filter and soft-start have been implemented to reduce conducted interference, instead low-switching frequency, inductorless architecture and spread spectrum techniques have been used to mitigate radiated interference. On the radiation side, the high-energy experiments, used by the particle physics for the verification of new theories, are characterized by radiation levels nearly three orders higher than that used for standard space applications. This extremely harsh condition heavily stresses the performances of state-of-the-art electronic devices used for particle detection. In order to guarantee the correct functioning of ICs when they operate in this challenging environment, in this thesis some Radiation Hardened By Design (RHBD) techniques to mitigate the radiation effects on silicon ICs are applied, such as current mode logic, double long MOSFETs and enclosed layout transistors. These RHBD techniques have been then used for the design of high-speed electro-optical modulator drivers in 65 nm CMOS technology. These multi-stage drivers, in addition to the rad-hard solutions, implement buffer chain and inductive peaking techniques for bandwidth extension. The drivers, realized in a 1*1 mm^2 chip, were directly bonded on a carrier board and electrically tested, showing 5 Gbps data rate performances. The electron-optical modulators targeted in this work are the Mach Zehnder Modulator and the Ring Resonator, both realized on silicon-photonic technology. These modulators have shown higher radiation hardness property than the classical VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers). The system-level test, performed bonding the silicon drivers chip with the silicon-photonics modulators chip through aluminum bonding wires, confirmed the achievement of a data rate up to 5 Gbps. In response to the radiation-hard requirement, the drivers chip was exposed to X-ray, showing its ability to work up to 800 Mrad, level of radiation that, today, no electronic device in literature or industry is able to reach.