Strahlungsgehärtete Halbleiter Microchip übernimmt Technologie zur Strahlungshärtung von Chips

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Mit der Übernahme von Vorago Technologies sichert sich Microchip die patentierte HARDSIL‑Technologie. Zusätzliche Strukturen im Silizium sollen herkömmliche CMOS-Schaltungen widerstandsfähiger gegen Strahlung machen, ohne dass dafür ein vollständiges Redesign erforderlich ist.

Elektronik für den Einsatz im Weltall muss Belastungen standhalten, die auf der Erde bei gewöhnlichen Anwendungen kaum eine Rolle spielen. Hochenergetische Teilchen können Speicherinhalte verändern, Fehlfunktionen auslösen oder Halbleiter dauerhaft beschädigen. Entsprechend aufwendig ist die Entwicklung strahlungsgehärteter Chips, die über Jahre hinweg zuverlässig arbeiten sollen.

Mit der Übernahme des US-Unternehmens Vorago Technologies hat sich Microchip eine Technologie gesichert, die genau hier ansetzt. Die am 9. Oktober 2026 bekannt gegebene Akquisition umfasst neben strahlungsgehärteten Mikrocontrollern und Mikroprozessoren auch das patentierte HARDSIL‑Verfahren. Es ermöglicht, die Strahlungsfestigkeit von CMOS-Bausteinen durch zusätzliche Schritte bei der Waferfertigung zu erhöhen. Finanzielle Einzelheiten der Übernahme wurden nicht genannt.

Strahlungsschutz durch zusätzliche Strukturen im Silizium

HARDSIL gehört zu den sogenannten Radiation-Hardened-by-Process-Technologien (RHBP). Im Unterschied zur Strahlungshärtung durch spezielle Schaltungsentwürfe, dem Radiation Hardening by Design (RHBD), setzt das Verfahren unmittelbar bei der Herstellung der Halbleiter an.

Dafür werden zusätzliche Ionenimplantationsschritte in einen konventionellen CMOS-Fertigungsprozess integriert. Sie erzeugen unterhalb der aktiven Transistorbereiche leitfähige Strukturen, sogenannte Buried Guard Rings (BGR). Diese sollen die Ausbreitung und Ansammlung elektrischer Ladung begrenzen, die beim Auftreffen hochenergetischer Teilchen im Silizium entsteht. Dadurch lässt sich verhindern, dass sich Störungen ungehindert auf benachbarte Schaltungselemente auswirken.

Nach Angaben von Vorago sind dafür keine grundlegend neuen Fertigungsanlagen oder speziellen Designbibliotheken erforderlich. Bestehende Schaltungsentwürfe und IP-Blöcke können je nach Fertigungsprozess weitgehend weiterverwendet werden. Das könnte die Entwicklungszeit und die Kosten strahlungsgehärteter Halbleiter reduzieren.

Warum ein einzelnes Teilchen einen Chip zerstören kann

Eine besonders kritische Fehlerart ist der sogenannte Single-Event Latch-up (SEL). In CMOS-Schaltungen existieren aufgrund ihres physikalischen Aufbaus parasitäre Transistorstrukturen. Werden diese beispielsweise durch den Einschlag eines energiereichen Teilchens aktiviert, kann ein niederohmiger Strompfad zwischen Versorgungsspannung und Masse entstehen. Im ungünstigsten Fall führt der dadurch ausgelöste hohe Strom zu einer dauerhaften Beschädigung des Chips.

Die vergrabenen Schutzstrukturen von HARDSIL setzen an diesem Mechanismus an: Sie reduzieren den wirksamen Widerstand im p-Wannenbereich und schwächen die Verstärkung parasitärer Transistoren. Damit wird es schwieriger, die Rückkopplung auszulösen, die zum Latch-up führt.

Vorago nennt in einem technischen Whitepaper für seine HARDSIL-Implementierung eine Latch-up-Festigkeit gegenüber schweren Ionen mit einem linearen Energietransfer (LET) von mehr als 110 MeV·cm²/mg. Der Wert beschreibt die Energieabgabe der Teilchen im Material. Welche Strahlungsfestigkeit ein konkretes Produkt erreicht, hängt allerdings weiterhin von seinem Aufbau und seiner Qualifikation ab.

Schutz vor Speicherfehlern und langfristigen Strahlenschäden

Neben dem Latch-up adressiert HARDSIL weitere Strahlungseffekte. Dazu gehören Single-Event Upsets (SEU), bei denen ein Teilcheneinschlag beispielsweise den Zustand einer Speicherzelle verändert, sowie die über längere Zeit aufgenommene ionisierende Gesamtdosis (Total Ionizing Dose, TID).

Vorago zufolge verringern die zusätzlichen Strukturen das Volumen, aus dem bei einem Teilcheneinschlag Ladung von empfindlichen Schaltungsknoten aufgenommen wird. Das reduziert die räumliche Ausbreitung einer Störung und kann insbesondere Mehrfachfehler in benachbarten Speicherzellen begrenzen.

Vollständig ausschließen lassen sich einzelne Bitfehler damit allerdings nicht. Deshalb kombiniert Vorago die Technologie mit ergänzenden Maßnahmen wie Fehlerkorrekturcodes (ECC) und einer regelmäßigen Überprüfung und Korrektur von Speicherinhalten, dem sogenannten Memory Scrubbing.

Auch gegen die langfristigen Folgen ionisierender Strahlung soll HARDSIL wirken. Hierzu verändert das Verfahren unter anderem die Eigenschaften parasitärer NMOS-Strukturen, um strahlungsbedingte Leckströme zu begrenzen.

In seinem technischen Whitepaper nennt Vorago eine tolerierbare Gesamtdosis von mehr als 300 krad(Si) für entsprechend gefertigte CMOS‑Bausteine. Die Angaben beziehen sich auf die dort beschriebenen Implementierungen und sind nicht pauschal auf beliebige Chips übertragbar.

Bestehende Chipdesigns für extreme Umgebungen nutzen

Der Ansatz ist primär für Anwendungen interessant, in denen hohe Zuverlässigkeit und begrenzte Entwicklungsbudgets zusammenkommen. Dazu zählen Satelliten, Raumfahrtsysteme und industrielle Anlagen mit erhöhter Strahlungsbelastung. Auch extreme Temperaturen können den Einsatz gewöhnlicher CMOS-Bausteine einschränken.

Vorago entwickelt unter anderem Mikrocontroller auf Basis von Arm-Cortex-M-Kernen, die auf solche Einsatzbedingungen ausgelegt sind. Das Unternehmen gibt für einzelne seiner Lösungen Betriebstemperaturen von bis zu 200 °C an.

Für Microchip ergänzt die Übernahme das bestehende Angebot an strahlungsgehärteter Elektronik für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Das Unternehmen verfügt bereits über entsprechende Mikrocontroller und Prozessoren sowie weitere Komponenten für besonders zuverlässige Systeme.

Ob und in welchen zusätzlichen Produktfamilien Microchip die HARDSIL-Technologie künftig einsetzen wird, ist bislang nicht bekannt. Die Möglichkeit, bestehende CMOS-Entwürfe durch Anpassungen des Fertigungsprozesses strahlungsfester zu machen, eröffnet jedoch einen anderen Entwicklungsweg als die aufwendige Neuentwicklung speziell gehärteter Schaltungen. (sb)

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