集成电路单粒子效应评估技术研究PPT课件

1、集成电路单粒子效应评估技术研究2021全国辐射探测微电子学交流会全国辐射探测微电子学交流会21 背景需求2 单粒子效应3 单粒子效应评估技术4 单粒子效应评估技术新挑战5 单粒子效应飞行验证31 1 背景需求背景需求航天器航空器地面核基础及应用设施辐射损伤： 总剂量效应 剂量率效应 位移损伤效应 单粒子效应单粒子锁定单粒子烧毁单粒子栅穿单粒子翻转单粒子功能中断影响后果 电子系统故障 缩短工作寿命 破坏工业数据 系统功能失效 。辐射环境影响范围电子系统质子电子射线重离子。电子器件1.1 单粒子效应背景4 由于 CPU、DSP、FPGA等大规模集成电路的使用，含有电子学单机较多的分系统对空间辐射环

2、境较为敏感，由空间环境造成的故障在分系统故障总数中的占比超过 60%，数传分系统甚至达到 71% 1。1) JPL实验室统计结果：对195例在轨异常事件分析表明：在空间环境引起的在轨系统故障率中，单粒子效应类故障占比达到三分之一1；2) 针对我国在轨遥感卫星故障情况，分析在轨故障发生的类型，见图1所示。环境类故障为在轨故障的主要类型之一，占比37.82% 2。1Bedingfield K L，Leach R D，Alexander M BSpacecraft System Failures and Anomalies Attributed to the Natural Space Enviro

3、nmentMHuntsville NationalAeronautics and Space Administration，Marshall Space Flight Center,1996.2Zhang Hua,et al, On-orbit fault statistical analysis for remote sensing satellite, SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING, Vol. 32, No. 3,2015.6:324-329. 图1 1988年-2014年在轨遥感卫星故障率统计数据情况30.13%17.31%37.82%0.64%3

4、.85%5.77%4.49% Others Craft Sofeware Operating Environment Componet Design 1.2 空间单粒子效应事件及分析1 1 背景需求背景需求51 背景需求2 单粒子效应3 单粒子效应评估技术4 单粒子效应评估技术新挑战5 单粒子效应飞行验证 空间辐射环境中的单个高能离子入射半导体器件时电离产生电子空穴对，常用LET （Linear Energy Transfer ）值描述离子在单位路径上电离沉积电子空穴对的能力，LET值与粒子的种类和能量有关。 这些电子空穴对可能被有源区电场收集，形成短暂的电流；当电荷收集量超过临界电荷量Qci

5、rt，或改变存储电路的逻辑状态，或激发电路中的潜在的寄生效应，从而使电路出现错误甚至毁坏器件。l单粒子事件是概率事件，在寿命期内发生机会均等。2.1 单粒子效应机理 2 2 单粒子效应单粒子效应72.2 单粒子效应种类2 2 单粒子效应单粒子效应 针对单粒子事件（SEE）特点，常见的单粒子效应有： 单粒子翻转（SEU） 单粒子瞬态（SET） 单粒子功能中断（SEFI） 单粒子锁定（SEL） 单粒子栅穿（SEGR） 单粒子烧毁（SEB）2.3 空间单粒子效应辐射环境8 引起单粒子效应的空间主要辐射粒子为高能太阳粒子、银河宇宙射线、捕获质子带，以及其他行星捕获带等。具体轨道分布见表所示。任务任务轨

6、道轨道主要考虑的辐射粒子主要考虑的辐射粒子低地球轨道LEO捕获质子、高能太阳粒子、宇宙射线中地球轨道MEO捕获质子、高能太阳粒子、宇宙射线地球同步轨道GEO高能太阳粒子、宇宙射线行星际空间如木星转移轨道JTO）宇宙射线、高能太阳粒子、其他行星捕获带行星着陆器（如火星轨道与火星表面）宇宙射线、高能太阳粒子、其他行星捕获带 空间单粒子辐射环境特征及分布2 2 单粒子效应单粒子效应2.4 核环境单粒子效应辐射环境9 引起单粒子效应的地面核设施和核环境主要辐射粒子为中子、二次核反应产生的重离子（但LET值小于15 MeVcm2/mg ）。2 2 单粒子效应单粒子效应102.5 辐射粒子LET特性分析

7、单粒子效应的敏感性主要采用线性能量传递值（LET：Linear Energy Transfer）来进行表征，不同原子序数的重离子对元器件中材料的LET值不同。0.111010010-1010-710-410-1102HFeOIntegral Flux,LETL0(m2.s.sr)-1LET,L0/MeV.cm2mg-1HeForcast dataIntegral LET Spectra for GEO Orbit 典型的GEO空间辐射粒子LET能谱积分曲线典型的GEO空间辐射粒子LET能谱积分曲线见图所示，由图可知：l H:0.50.7 MeVcm2/mg;l He:1.02.0 MeVcm2

8、/mg;l O:8.010 MeVcm2/mg;l Fe:3438 MeVcm2/mg.元器件抗单粒子辐射的LET能力指标的重要依据。2 2 单粒子效应单粒子效应11 空间不同LET值粒子分布情况（数据来源：Forcast软件）轨道特征轨道参数粒子数（/cm2.天）高度/Km倾角 /1MeVcm2/mgLET5MeVcm2/mgLET15MeVcm2/mgLET37MeVcm2/mgLET75MeVcm2/mgLET低轨低倾角4204222.4645.51E-048.90E-063.02E-081.73E-096004025.66086.31E-048.64E-062.07E-110低轨高倾角

9、6006063.33125.88E-043.28E-026.07E-062.51E-0710006071.19366.48E-043.63E-026.83E-062.85E-0720006091.32489.50E-045.18E-029.50E-064.32E-079009875.77281.04E+006.05E-029.50E-063.80E-07中高轨2400055212.5444.23E+002.42E-013.46E-051.30E-06357860213.844.23E+002.42E-013.46E-051.37E-062 2 单粒子效应单粒子效应2.5 辐射粒子LET特性分析

10、 121 背景需求2 单粒子效应3 单粒子效应评估技术4 单粒子效应评估技术新挑战5 单粒子效应飞行验证133 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术单粒子辐照试验地面模拟评估技术流程图 针对单粒子效应敏感筛选出的元器件清单，开展集成电路单粒子效应试验评估，获取元器件抗单粒子辐射能力的试验数据。3.1 单粒子效应评估流程143 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术3.2 元器件单粒子效应评估技术要点工艺类别工艺类别器件类别器件类别单粒子效应敏感类别单粒子效应敏感类别效应表现形式效应表现形式表面工艺表面工艺功率二极管、功率二极管、MOS管等功率类器管等功率类器件件SEB耐压击穿、反向漏电增

11、大等耐压击穿、反向漏电增大等CMOS工艺工艺数字电路、逻辑器件、控制器件、数字电路、逻辑器件、控制器件、大规模集成电路等大规模集成电路等SEL、SEU、SEFI、SET等等电流增大，位翻转、功能中断等电流增大，位翻转、功能中断等双极工艺双极工艺晶体管、运算放大器、比较器、晶体管、运算放大器、比较器、ADC、DAC、脉宽调制器等、脉宽调制器等SET、SER输出电压波动，输出信号码错误等输出电压波动，输出信号码错误等混合工艺混合工艺低压差模块、电源模块、点负载电低压差模块、电源模块、点负载电源、电源管理模块等源、电源管理模块等SEFF、SET、SER输出功能失效、信号电压波动、码输出功能失效、信号

12、电压波动、码值错误等值错误等 元器件单粒子效应敏感性分类试验要点1：单粒子效应敏感性分析n单粒子试验样品加速器粒子能量和射程限制，粒子无法穿透管壳到达器件有源区试验要点2：试验样品需开帽，倒封装器件需减薄3 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术试验要点3：应关注器件芯片版本号 某单位一直用WEDC的SRAM EDI88512但某卫星因该器件SEL而出现分系统故障。原因是低等级器件，内部芯片发生更换。l 以前为Cypress公司芯片 0.5微米工艺，单粒子锁定不敏感l 三星版芯片 0.18微米工艺，单粒子锁定LET阈值小于1 MeVcm2/mg3 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术试验

13、要点4：试验粒子选择(以重离子为例) 3 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术原子能院串列加速器单粒子试验终端近物所回旋加速器单粒子试验终端国内常用单粒子试验终端：3 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术 试验要点5：离子射程与试验结果关系密切Au离子，LET高，短射程，无锁定；Kr离子，LET低、射程长，有锁定。说明：射程对试验结果有影响，需关注。3 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术试验要点6：单粒子试验系统 VDMOS单粒子检测平台DCDC电源转换器单粒子检测平台A/D、D/A转换器单粒子检测平台通用存储器单粒子检测平台SRAM型FPGA单粒子检测平台LDO单粒子检测平台3

14、 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术21 在轨预计是单粒子数据处理的重要手段。3.3 元器件单粒子数据处理试验数据分析根据测量的器件的单粒子事件数N(i)，计算每种LET下的单粒子事件截面(i)，见下面公式： (i)=N（i）/(i)eff绘制出单粒子事件截面(i)与入射离子有效LET值的关系曲线（威布尔拟合）。根据曲线获得单粒子事件饱和截面和单粒子事件阈值LETth，等器件单粒子敏感性信息。3 3 单粒子效应评估技术单粒子效应评估技术221 背景需求2 单粒子效应3 单粒子效应评估技术4 单粒子效应评估技术新挑战5 单粒子效应飞行验证234 4 单粒子效应评估技术新挑战单粒子效应评估技

15、术新挑战 4.1 模拟电路抗单粒子瞬态效应及评估（一）典型产品：AMP、LDO、DC/DC、POL器件等；（二）应用风险：扰动导致后端电路发生过压烧毁、欠压断电的风险。（三）工程问题：重点单粒子瞬态的判据，难点瞬态检测；准确但非唯一性：应用要求+检测指标 运算放大器不同部位单粒子瞬态波形图244 4 单粒子效应评估技术新挑战单粒子效应评估技术新挑战 4.2 COTS器件空间抗辐射问题及评估技术发展中发展中（一 ）发展需求：1）低成本、可重构、快速响应；2）研制进度、产品性能、降本增效；3）卫星关键技术革命性突破与创新。（二）应用风险：抗辐射风险-在轨安全性和可靠性。（三）工程评估：COTS器件

16、应用广，无规范，可复用性差等。如何快速评估。254 4 单粒子效应评估技术新挑战单粒子效应评估技术新挑战 4.3 复杂集成电路单粒子效应测试及评估工程问题： 器件复杂，机时有限，内部的多个单元，如何选择典型单元，资源覆盖率与频率的取舍 高速传输处理的单粒子效应检测技术 针对微系统器件抗辐射能力评价难题，基于MBSE的建模思想，建立内部芯片辐射效应对微系统整体可靠性影响的模型评估方法发展需求：超前任务和灵活决策-系统重构（软件定义）、分布式技术卫星。典型产品： SoC、SiP、FPGA、DSP、GPU等复杂电路内部结构单元较多，功能复杂264 4 单粒子效应评估技术新挑战单粒子效应评估技术新挑战

17、 4.4 人工智能芯片辐射效应评估 人工智能芯片辐射效应评估技术研究，如何建立人工智能芯片硬件辐射效应与神经网络算法软错误的影响关系。 针对新一代人工智能芯片（脉冲神经网络），尤其是基于非易失存储的脉冲神经网络，是否能解决单粒子问题，是否存在薄弱点。CIMON, 在国际空间站的第一个人工智能机器人在国际空间站的第一个人工智能机器人 (2018年年6月月)多项人工智能技术用于毅力号火星车多项人工智能技术用于毅力号火星车271 背景需求2 单粒子效应3 单粒子效应评估技术4 单粒子效应评估技术新挑战5 单粒子效应飞行验证5 5 单粒子效应飞行验证单粒子效应飞行验证28元器件辐射效应飞行验证必要性：

18、 NASA等航天机构均开展了元器件辐射效应的飞行试验，获取了大量在轨数据。 当前国内的宇航元器件抗辐射评估均基于地面辐照源模拟试验，缺乏在轨飞行验证数据。 通过飞行试验验证新型、先进器件的空间环境适应性和地面新模型、新方法的有效性。l 元器件辐射效应飞行验证TZ-1飞行搭载2017年4月发射试验九号搭载2021年已发射空间站舱内、舱外长期试验平台预计2022年发射 物资部首台元器件飞行验证搭载单机，探索元器件在轨试验技术。首次实现元器件飞行验证。 建立长期、通用化、高可靠元器件在轨试验平台，逐步形成天地一体化的元器件可靠性综合评价手段，推动飞行验证业务可持续发展。元器件在轨试验首次成为航天器(空间站)有效载荷主任务之一。SJ-20飞行搭载2019年12月发射采用试验任务在轨自主管理技术、测试用例在轨重构技术，形成模块化、可配置试验平台。一步正样研制周期缩短至6.5个月。突破了元器件关键电特性在轨测试等关键技术，为后续飞行验证提供技