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技術(shù)干貨| 關(guān)于電子元器件空間輻射單粒子效應(yīng)的考核

點擊次數(shù)：487 更新時間：2024-01-11

        宇宙遍布著各種高能量的輻射粒子，這些粒子會對元器件帶來影響，如何進行抗輻射設(shè)計成為了工程師針對邏輯類數(shù)字電路、存儲器以及某些功率器件的一個必要考量。

        宇宙空間中存在能量高而數(shù)量極低的輻射粒子，這些粒子會造成瞬態(tài)巨大的電離能量沉積。沉積的能量可以用線性能量沉積LET值來度量。下面兩個圖引用了國際空間站軌道ISS監(jiān)測到的空間軌道粒子能譜，并計算獲得了相應(yīng)的LET值。從圖中可以看出，LET值越高的粒子其豐度越低。

        盡管這些大LET值的粒子存在較少，但它們對半導(dǎo)體元器件的影響極大，尤其是對邏輯器件和存儲器件。幸運的是，高LET值粒子在空間中的分布極少，它們對器件的影響類似于一個個間斷的獨立事件，不會持續(xù)發(fā)生甚至出現(xiàn)粒子之間的重疊耦合。因此，我們將這種由高LET值粒子引發(fā)的器件異常行為定義為單粒子事件效應(yīng)（Single Event Effect-SEE）。


來源;張戰(zhàn)剛，SRAM單粒子效應(yīng)地面加速器模擬試驗研究，中國科學(xué)院大學(xué)，博士學(xué)位論文 2013

        高LET值離子穿透器件會在其入射軌跡上產(chǎn)生強電離效應(yīng)。單位路徑上沉積的能量就是LET值， LET越高，電離產(chǎn)生的電子-空穴越多。如果離子軌跡穿過了器件的耗盡區(qū)（強電場區(qū)），這些電離產(chǎn)生的電子-空穴在電場作用下發(fā)生遷移，并被器件的高低電位點收集，從而產(chǎn)生脈沖電流。這種脈沖電流存在兩種作用：

        其一，電流攜帶的電荷被收集，從而改變各端電極的電位，從而引起邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（高電位變成低電位/低電位變成高電位）。

        其二，電流脈沖作為電流激勵會誘發(fā)某些寄生結(jié)構(gòu)的開啟，如可控硅結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)閂鎖（Latch-up）事件，甚至是某些雪崩擊穿或燒毀。

        在工程上，對于邏輯類數(shù)字電路、存儲器以及某些功率器件，對單粒子效應(yīng)的考核主要考慮單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子閂鎖。而對于某些功率器件，還需要考核單粒子燒毀。

圖片示例

試驗標準

        國內(nèi)目前采用QJ 10005-2008《宇航用半導(dǎo)體器件重離子單粒子效應(yīng)試驗指南》和GJB 7242-2011《單粒子效應(yīng)試驗方法和程序》來指導(dǎo)航天用器件的單粒子試驗。試驗程序如下圖所示，包含了試驗過程中對閂鎖、燒毀和翻轉(zhuǎn)三種現(xiàn)象的監(jiān)測。同時，還兼顧了用于摸底LET閾值和飽和截面的程序。

試驗流程

        不同結(jié)構(gòu)、工藝和功能的半導(dǎo)體元器件，在遭受相同LET值的粒子轟擊時，其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率是不同的。這主要是因為器件對單粒子效應(yīng)的敏感程度各不相同。為了描述這種敏感程度，一般采用以下幾個度量標準：

        1、翻轉(zhuǎn)截面：它描述了單位粒子注量下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的數(shù)量，單位為cm2/device。翻轉(zhuǎn)截面的大小取決于器件的結(jié)構(gòu)和粒子的LET值。換句話說，相同LET值下，翻轉(zhuǎn)截面越大，說明器件對單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感度越高

        2、飽和截面：隨著LET值的增加，器件的翻轉(zhuǎn)截面并不會一直上升，而是會達到一個平臺，這個平臺對應(yīng)的截面就是飽和截面。

        3、LET閾值：這是定義翻轉(zhuǎn)截面為1%的飽和截面時對應(yīng)的LET值。也就是說，LET閾值就是能最小程度地引起器件翻轉(zhuǎn)的LET值。

        這些度量標準的存在，使工程師們能夠更好地理解半導(dǎo)體元器件對于單粒子效應(yīng)的敏感程度，從而為器件的設(shè)計和制造提供參考。

試驗源選擇

        為進行單粒子試驗工程師需要獲得具有較大LET的粒子，一般都要采用能量達到GeV/nucleon的帶電粒子。這就需要用的加速器，GJB 7242-2011中主要推薦兩種加速器，即串列靜電加速器和回旋加速器。兩者各有特點，適用于不同需求場景：

        1、串列靜電加速器，高能粒子容易獲得，可連續(xù)變換粒子種類和能量，適用于翻轉(zhuǎn)截面摸底試驗，但其對粒子加速能力有限，故只能獲得能量較低的帶電粒子，這造成其穿透深度有限，故不適用于敏感區(qū)較深的器件，硅中射程一般在幾十微米。

        2、回旋加速器，其加速能力強，可獲得較大能量的帶電粒子，穿透深度高，硅中射程在幾百微米，但其不易改變粒子的種類和能量，適用于考核試驗。

考核試驗時對試驗源參數(shù)的選擇

        單粒子效應(yīng)較其他輻射效應(yīng)而言，其不確定性更大。因此對單粒子效應(yīng)的考核需要充分考慮空間實際情況，來選擇考核粒子LET值范圍。如下圖所示為GEO（其他軌道幾乎與GEO相同），隨著LET值的增大，粒子強度呈現(xiàn)九級“瀑布"式分布，且不同分布上，粒子種類也存在差異。


        由圖中可見，按照粒子的通量存在兩大板塊，其一為LET值在26 MeV cm2/mg以下的區(qū)域，這部分是高能粒子的主力，如果器件在LET閾值小于15-26這個區(qū)間，意味著器件在空間應(yīng)用時會頻繁發(fā)生軟錯誤。所以一般工程抗考核時，對翻轉(zhuǎn)閾值≤ 26 MeV cm2/mg不建議使用。

        另外一個區(qū)域是達到105 MeV cm2/mg時，此時粒子通量極低，可基本忽略。所以對于器件翻轉(zhuǎn)閾值大于105 MeV cm2/mg時，可認為該器件對單粒子效應(yīng)免疫。

        對于某些功率器件，其內(nèi)部敏感區(qū)普遍處于較深的位置，粒子必須有足夠的能量穿透到器件，觸發(fā)其可控硅結(jié)構(gòu)方能發(fā)生閂鎖。具有這種能力的粒子，基本上其粒子LET峰值在75 MeV cm2/mg以下。所以當(dāng)器件在75 MeV cm2/mg考核下，不發(fā)生閂鎖，可認為對單粒子鎖定免疫。同時也不希望在更高通量的粒子下發(fā)生閂鎖，所以建議器件的閂鎖閾值下限要高于37 MeV cm2/mg。

        綜合上述，對于單粒子翻轉(zhuǎn)的考核，粒子LET考核要考慮低于15-26 MeV cm2/mg，一旦低于15 MeV cm2/mg則為不可用 。而單粒子閂鎖的考核范圍為37-75 MeV cm2/mg。

試驗過程試驗結(jié)尾的規(guī)定

        對單粒子試驗的粒子通量（單位時間，單位面積的粒子數(shù)），注量（單位面積，累積粒子數(shù)）和累積錯誤數(shù)的規(guī)定主要從以下幾個方面考量：

        1、對粒子通量，原則上應(yīng)盡可能接近實際應(yīng)用，不希望兩個粒子作用時間存在交疊，交疊可能產(chǎn)生嚴重的單粒子現(xiàn)象。同時要考慮加速器所能給定的z低通量，以及兼顧試驗成本（通量越低，試驗時間越長，試驗成本越高）。

        2、對注量的要求，主要是防止總劑量效應(yīng)的發(fā)生，根據(jù)工程經(jīng)驗，當(dāng)重離子累積注量不超過107 ions/cm2時，重離子輻射的累積總劑量效應(yīng)可以忽略；

        3、對累積錯誤數(shù)的考慮，單粒子效應(yīng)試驗本質(zhì)上是一種統(tǒng)計試驗，是以小子樣評估為基礎(chǔ)，實踐中，盡量獲得更多的錯誤數(shù)據(jù)，以保證評估的置信度，標準中要求至少累積100個錯誤。

        4、為保證試驗的置信度，盡量累積多的錯誤，但同時不能超過總劑量效應(yīng)發(fā)生的累積粒子數(shù)，所以以記錄到的錯誤和達到的累積粒子數(shù)最先觸及的條件作為試驗中止條件。

受試器件的準備

        在進行單粒子試驗時，受試器件的處置方法極為重要。首先，工程師必須確保器件的封裝不會阻礙試驗源重離子到達器件的敏感區(qū)，否則將無法觀察到任何單粒子現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致試驗失敗。因此，工程師需要參照標準給定能量的Si中射程，在試驗前充分評估并保證粒子能夠到達敏感區(qū)的方法。

        為了實現(xiàn)這個目標，工程師可以通過機械或化學(xué)開封的方式將裸芯片暴露出來。對于倒裝器件，應(yīng)采用機械研磨或切削進行襯底減薄。如果使用環(huán)形加速器進行試驗，應(yīng)盡可能保證器件襯底低于100μm。無論是通過機械開封還是襯底減薄的方式，我們都應(yīng)確保器件能夠保持正常的加電和工作狀態(tài)。

        對于功率器件，如果正面金屬層較厚，工程師應(yīng)采用背面襯底減薄的方式進行評估和考核試驗。這樣可以確保試驗的準確性和可靠性，同時也能有效地保護器件不受損傷?？偟膩碚f，對受試器件的處置是一個需要綜合考慮多種因素的過程，旨在保證試驗的成功進行和結(jié)果的準確性。

對測試系統(tǒng)的要求

        參考GB/T 39343-2020《宇航用處理器器件單粒子試驗設(shè)計與程序》，進行單粒子試驗的電路板及測試系統(tǒng)應(yīng)考慮如下：

        1、能夠承載待測器件，可采用焊接，也可采用Socket裝夾；

        2、能夠施加供電電壓，并可根據(jù)需要改變電壓；

        3、能夠?qū)ζ骷M行讀/寫操作，能夠抓取讀寫單元的地址信息，包括物理地址；

        4、上位機軟件能夠記錄讀操作的數(shù)據(jù)，并可與預(yù)期值比較，并根據(jù)錯誤的物理地址信息區(qū)分SEU和MBU；

        5、控制回路和待測器件承載板盡量采取字母板的方式，以避免輻射粒子對控制回路器件影響，導(dǎo)致試驗噪聲；

        6、線纜進行必要屏蔽，避免電噪聲；

        7、ECC糾錯盡量關(guān)閉，否則單位翻轉(zhuǎn)監(jiān)測不到，只能監(jiān)測多位翻轉(zhuǎn)；

        8、軟錯誤可能對供電電壓十分敏感，盡量將可能的供電狀態(tài)都進行獨立的試驗，這是因為很多用戶十分關(guān)注軟錯誤率與供電狀態(tài)之間的關(guān)系。

        9、減少死時間：讀與寫間隔內(nèi)，發(fā)生錯誤是無法被監(jiān)控到，會導(dǎo)致錯誤率的低估；

        10、re-rewritten的向量寫補碼；

        11、禁止整體寫、整體讀，如此會使死時間增加50%，錯誤率低估一倍；

        12、 建議即時讀寫，即一個地址進行兩個訪問循環(huán)，其中一個訪問位讀訪問，同時比較錯誤和記錄錯誤，另一個訪問循環(huán)寫入補碼；

        13、 要進行地址碼和存儲數(shù)據(jù)一一核實，會存在地址譯碼電路翻轉(zhuǎn)造成的錯誤寫入。

廣電計量半導(dǎo)體服務(wù)優(yōu)勢

        ● 牽頭工信部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺建設(shè)項目" ，參與工信部“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺"等多個項目；

        ●牽頭建設(shè)江蘇省發(fā)改委“江蘇省第三代半導(dǎo)體器件性能測試與材料分析工程研究中心"

        ● 在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力全面、認可度高的第三方檢測機構(gòu)之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型號的芯片驗證；并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。

        ● 在車規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324一站式能力，獲得了近50家車廠的認可，出具近400份AEC-Q及AQG324報告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。