2023电力设备大气辐射试验方法 第1部分：集成电路中子单粒子效应

TOC\o"1-3"\t"标准文件_章标题,1,标准文件_前言、引言标题,1,标准文件_参考文献、索引标题,1,标准文件_附录章标题,1,标准文件_一级条标题,2,标准文件_附录一级条标题,2,标准文件_二级条标题,3,标准文件_附录二级条标题,3"目次 I前言 III引言 IV1范围 12规范性引用文件 13术语和定义 14一般要求 24.1辐射源提供单位 24.2辐射安全和辐射防护 24.3试验人员 24.4仪器与设备 24.5试验环境 24.6位移效应的影响 24.7不确定性分析 25试验方法 35.1试验目的 35.2试验原理 35.3辐射源 35.4束流测量系统 45.5单粒子效应测试系统 45.6试验板、电缆和测试设备 45.7试验程序 45.8错误率预计 66试验报告 7附录A（资料性）国内外可用的中子源 8

电力设备大气辐射试验方法第1部分：集成电路中子单粒子效应范围本文件确立了使用中子源对电力设备用集成电路进行大气中子单粒子效应加速试验的评价方法。本文件适用于电力设备用集成电路的中子单粒子效应敏感性检测试验。该环境下的中子来源于初始高能宇宙射线与大气的相互作用，主要为能量高于1MeV的高能中子。本文件适用的单粒子效应包括大气中子在电力设备用集成电路中引起的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子锁定等。本文件不适用于热中子和α粒子引起的单粒子效应。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB3102.10核反应核电离辐射的量和单位GB4792-1984放射卫生防护基本标准GB/T9178集成电路术语GB18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准GJB7242-2011单粒子效应试验方法和程序QJ10005-2008宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南术语和定义GJB7242-2011界定的以及下列术语和定义适用于本文件。中子能量neutronenergy指中子的动能，通常使用单位eV或MeV。中子注量neutronfluence指给定时间内辐照在单位面积芯片上的中子数，通常使用单位n/cm2。中子注量率neutronflux指单位时间辐照在单位面积芯片上的中子数，通常使用单位n/(cm2·s)。中子射程neutronrange指入射中子在集成电路中传播，动能减小至零时穿过的距离。中子间接电离neutronindirectionization入射中子与集成电路材料（包括硅晶格、掺杂原子、金属布线层等包含在集成电路中的材料）发生核反应产生次级粒子，这些次级粒子进一步在集成电路中传播，通过电离过程产生电子-空穴对。多位翻转multiple-bitupset(MBU)指单个具有能量的粒子在存储结构中引起多个存储位逻辑状态改变，这些存储位处于同一个字节/字内。多单元翻转multiple-cellupset(MCU)指单个具有能量的粒子在存储结构中引起多个存储位逻辑状态改变。错误率errorrate指电子器件或系统在辐射环境中发生错误的速率，一般使用FIT值描述应用环境下的大气中子错误率，1FIT指109个工作小时内发生1个错误。一般要求辐射源提供单位辐射源提供单位应具有专业资质，或获得行业或上级主管部门的认可。辐射安全和辐射防护试验人员在辐射源区的操作应符合GB18871-2002和GB4792-1984的规定。注意人身辐射安全和防护，束流打开状态下，试验人员应处于辐照间之外的安全区域；束流关闭状态下，经安全确认后方可进入辐照间。经历过中子辐射的部件具有一定的放射性，应按GB18871-2002及辐射源提供单位的相关文件要求进行处理和贮存。试验人员试验人员应掌握半导体器件的基础知识，了解辐射效应原理，经过放射防护知识培训，熟悉相关仪器设备的操作要求。仪器与设备所使用的仪器和设备应进行校准和计量。试验环境试验环境要求如下：a)环境温度：15℃～35℃（如有特殊温度测试需求，则不受限于本条目）；b)相对湿度：20%～80%。位移效应的影响应评估入射中子产生位移损伤对单粒子效应试验结果的影响。不确定性分析应按GJB3756-1999中第5章的规定进行试验结果的不确定度分析。试验方法试验目的通过试验，获得集成电路在中子源辐照下的单粒子效应截面和在应用环境下的错误率，为评价集成电路的单粒子效应敏感性提供数据。试验原理使用中子源可测量得到单粒子效应截面：或（1）式中：σ——单粒子效应截面，单位为平方厘米或平方厘米每比特（cm2或cm2/Mb）；Ne——单粒子效应数；F——中子注量，单位为中子数每平方厘米（n/cm2）；Nb——被测集成电路的总容量，单位为比特（bit）。辐射源5.3.1散裂中子源散裂中子源的中子谱形状应与大气中子谱相近（参见资料性附录A），适合用于大气中子单粒子效应加速试验。由于实际大气中子能量可达到GeV量级，推荐使用最高能量接近实际大气中子的散裂中子源。使用的散裂中子源应明确表明中子束流是否包含热中子，如果包含，应给出热中子的注量率信息及是否可调、是否可滤除。5.3.2单能中子源14MeV中子源一般通过T(d,n)4He反应,高压倍增器加速氘束，轰击氚靶产生中子。14MeV中子源中子呈4π场分布，可围绕中子靶源布置大量被测对象，也是中子单粒子效应评估试验常用的中子源之一。但由于14MeV中子源的中子能量与实际环境存在差异，故优先推荐使用散裂中子源进行试验。5.3.3中子注量率建议在104~107

n/(cm2·s)范围内选择注量率；通常从最高的中子注量率开始试验，若错误率高于1error/s，则降低中子注量率。5.3.4中子注量入射中子注量必须保证被测集成电路的灵敏区全部被辐照到，以产生高的统计可信度。满足以下条件之一可停止辐照：a)单粒子翻转/单粒子瞬态发生数达到100次，或总注量达到1×1010

n/cm2，以先到为准。b)单粒子功能中断/单粒子锁定发生数达到10次，或总注量达到1×1010

n/cm2，以先到为准。上述总注量也可以根据集成电路在实际大气环境的错误率指标和实际大气环境中子通量确定。5.3.5中子入射角度通常，中子束垂直入射至测试样品表面。如有必要，应开展倾角入射试验，评估中子束入射角度对测试结果的影响。例如，对于带有ECC加固的被测集成电路，应开展多组倾角入射试验，验证角度对ECC有效性的影响。5.3.6中子射程中子可以穿透集成电路灵敏区表面的材料，包括封装材料、钝化层、金属布线层等。试验人员应掌握上述材料的厚度、成份、密度等信息，计算到达灵敏区的中子能量。5.3.7束斑面积辐照束斑面积应足够大，能够覆盖被测集成电路，一般要求能覆盖1cm×1cm∼5cm×5cm范围。束流测量系统束流测量系统包括束流注量测量系统、束流能量测量系统等。束流注量测量系统应具有优于±10%的测量精度，能连续、实时监测中子注量。单粒子效应测试系统单粒子效应试验过程中，被测集成电路的测试是一项复杂的技术。对同一集成电路，不同测试方法或测试程序，产生的测试结果不相同，甚至相差很大。单粒子效应测试系统的结构由被测集成电路的类型和功能决定，基本要求如下：a)至少能够对集成电路实际使用的功能进行测试；b)能够对被测集成电路进行初始化设置；c)具有电源电流测试功能，单粒子效应的诊断和记录功能，具有限流功能；d)数据的实时处理、存储和检索；e)具有自动复位或手动复位的功能；f)具有良好的抗电磁干扰能力。试验板、电缆和测试设备被测集成电路放在试验板上，试验板放置在试验环境中。试验板和电缆必须具备以下几个要求：a)试验板和电缆的尺寸、重量满足试验环境的要求；一般情况下，试验板尺寸应不大于30cm×30cm；b)试验板上的安装孔位符合样品台的要求；c)试验板上被测集成电路附近，不应有其它单粒子效应敏感集成电路，或者其它单粒子效应敏感集成电路距离被测集成电路足够远；也可采用主板-子板设计，子板承载被测集成电路，其它对单粒子效应敏感的控制集成电路焊接在主板上，主板和子板通过长线进行通讯。d)试验板应具有良好的机械稳定性、可移动性和抗振动性；e)试验板和电缆应具有良好的抗电磁干扰能力；f)如果在辐照间内使用外围测试设备，应采取必要措施如使用屏蔽岛，保证测试设备不受试验环境的影响，并降低测试设备接受本底辐射环境的辐射剂量。如条件允许，推荐将外围测试设备通过长线引出至辐照间外进行测试。试验程序5.7.1制定试验方案进行试验前需要编制试验方案，试验方案应包括试验目的、辐射源、粒子信息、试验样品信息、测试系统、试验顺序、试验数据处理方法等。5.7.2样品准备除非另有规定，同一批产品的被测集成电路数量应不少于3只。被试集成电路应测试合格。每一个被测集成电路应编号，试验中应按编号记录试验数据。无需对样品进行开帽或衬底减薄工作，但试验人员必须掌握样品的内部结构信息。5.7.3试验流程测试现场布局示意图如图1所示。被测集成电路和电路板放置在辐照间。建议采取措施将电路板上的其它敏感电子元器件远离中子束流，如采用主板-子板分离结构。外围设备用于为DUT和电路板供电、提供激励和控制信号、监视工作电流和输出信号等。外围测试设备应根据实际情况优先放置在辐照间外，如需放置在辐照间内，则需远离中子束流，并评估辐照间内射线对设备运行的影响。图1测试现场布局示意图（1）单粒子翻转（SEU）测试以电力设备用典型集成电路（FPGA、存储器）为例，进行说明。a)FPGA采用专用测试软件进行单粒子翻转的测试和数据记录。具体地：对于CLB，将CLB配置为移位寄存器链条，写入数据55A并循环读比，检测CLB输出结果的逻辑状态是否发生改变，记录翻转的数量、地址等信息，计算翻转截面数据；对于存储模块（BRAM、UltraRAM、配置存储器、分布式RAM、OCM等）和内置处理器（APU、RPU、GPU）缓存，写入数据55A并循环读比，检测输出结果的逻辑状态是否发生改变，记录翻转的数量、地址等信息，计算翻转截面数据。b)存储器采用专用测试软件进行单粒子翻转的测试和数据记录。具体地，辐照试验前，将数据55A写入待测存储器；辐照过程中或辐照结束后，检测存储器内部存储单元的逻辑状态是否发生改变，记录翻转的数量、地址等信息，计算翻转截面数据。（2）单粒子功能中断（SEFI）测试以电力设备用典型集成电路（FPGA、存储器）为例，进行说明。a)FPGA试验过程中，实时监控FPGA的工作状态，若集成电路功能发生异常中断如配置失败、输出数据异常、大面积错误、工作电流异常减小/增大时，对集成电路进行软复位操作，若可恢复正常，则记为1次SEFI。可结合失效现象如配置失败信息、报错结果等，探究SEFI发生的位置和原因。对于内置处理器（APU、RPU、DSP等），循环运行典型应用程序（如浮点运算等），判断输出结果是否正确；外设接口等资源：采用遍历回环测试（golden数据遍历各个接口），判断输出结果是否正确。b)存储器试验过程中，实时监控存储器的工作状态，若集成电路功能发生异常中断如无法写入/读出、出现大面积错误、工作电流异常减小/增大时，对集成电路进行软复位操作，若可恢复正常，则记为1次SEFI。（3）多位翻转（MBU）测试当SEU测试数据中出现单个字内多个错误，同时满足以下条件时，判定发生MBU：a)中子注量率较低，产生的错误率低于1error/s；b)采用动态测试，效应测试系统检测速度较快；c)效应测试系统发现SEU时，能够及时纠正。（4）单粒子锁定（SEL)测试用监测电源电流突然增加的方法测试SEL现象。用计算机控制的可编程电源进行被测集成电路的单独供电和电流实时监测和记录，并进行实时数据的图形化显示。也可通过测量采样电阻的压降来监视电流实现SEL的测试，当电流超过规定值时，电压比较器通过与参考电压比较，发出信号，切断电源开关，保护被测集成电路。SEL测试系统应能够检测和记录闩锁状态，并根据需要采取保护措施，确保被测集成电路不出现损伤。集成电路偏置电压选用最大工作电压或根据实际情况确定。5.7.4样品处置被辐照后的试验样品可能具有一定的放射性，应对辐照后样品进行放射性测量，若超出规定值，则应存放于专用空间至放射性符合规定。5.7.5辐照试验工序单编制试验工序单，并进行原始数据记录，格式如下：试验板号：；集成电路编号：；中子能量：MeV；注量率：n/(cm2·s)表1辐照试验工序单开始时间结束时间总注量（n/cm2）工作电流（mA）SEU数SEFI数SEL数数据记录文件名备注错误率预计（1）散裂中子源试验对于E>1MeV的大气中子，散裂中子源中子能谱与实际大气中子能谱十分相近，仅相差一个系数。被测集成电路在实际大气环境中的中子错误率（SER，单位为FIT或FIT/Mb）等于试验获得的单粒子效应截面（σ，单位为cm2/Mb)）乘以实际大气环境中的中子通量（f，单位为n/(cm2·hr)）：SER=σ×f×109（2）（2）14MeV中子试验被测集成电路在实际大气环境中的中子错误率等于14MeV中子试验获得的单粒子效应截面乘以实际大气环境中的中子通量和能量修正因子：SER=σ×f×R×109