集成電路單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)研究PPT課件

1、集成電路單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)研究2021全國(guó)輻射探測(cè)微電子學(xué)交流會(huì)全國(guó)輻射探測(cè)微電子學(xué)交流會(huì)21 背景需求2 單粒子效應(yīng)3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)5 單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證31 1 背景需求背景需求航天器航空器地面核基礎(chǔ)及應(yīng)用設(shè)施輻射損傷： 總劑量效應(yīng) 劑量率效應(yīng) 位移損傷效應(yīng) 單粒子效應(yīng)單粒子鎖定單粒子燒毀單粒子?xùn)糯﹩瘟Ｗ臃D(zhuǎn)單粒子功能中斷影響后果 電子系統(tǒng)故障 縮短工作壽命 破壞工業(yè)數(shù)據(jù) 系統(tǒng)功能失效 。輻射環(huán)境影響范圍電子系統(tǒng)質(zhì)子電子射線重離子。電子器件1.1 單粒子效應(yīng)背景4 由于 CPU、DSP、FPGA等大規(guī)模集成電路的使用，含有電子學(xué)單機(jī)較多的分系統(tǒng)對(duì)空間輻射環(huán)

2、境較為敏感，由空間環(huán)境造成的故障在分系統(tǒng)故障總數(shù)中的占比超過 60%，數(shù)傳分系統(tǒng)甚至達(dá)到 71% 1。1) JPL實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)結(jié)果：對(duì)195例在軌異常事件分析表明：在空間環(huán)境引起的在軌系統(tǒng)故障率中，單粒子效應(yīng)類故障占比達(dá)到三分之一1；2) 針對(duì)我國(guó)在軌遙感衛(wèi)星故障情況，分析在軌故障發(fā)生的類型，見圖1所示。環(huán)境類故障為在軌故障的主要類型之一，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. 圖1 1988年-2014年在軌遙感衛(wèi)星故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)情況30.13%17.31%37.82%0.64%3

4、.85%5.77%4.49% Others Craft Sofeware Operating Environment Componet Design 1.2 空間單粒子效應(yīng)事件及分析1 1 背景需求背景需求51 背景需求2 單粒子效應(yīng)3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)5 單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證 空間輻射環(huán)境中的單個(gè)高能離子入射半導(dǎo)體器件時(shí)電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)，常用LET （Linear Energy Transfer ）值描述離子在單位路徑上電離沉積電子空穴對(duì)的能力，LET值與粒子的種類和能量有關(guān)。 這些電子空穴對(duì)可能被有源區(qū)電場(chǎng)收集，形成短暫的電流；當(dāng)電荷收集量超過臨界電荷量Qci

5、rt，或改變存儲(chǔ)電路的邏輯狀態(tài)，或激發(fā)電路中的潛在的寄生效應(yīng)，從而使電路出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至毀壞器件。l單粒子事件是概率事件，在壽命期內(nèi)發(fā)生機(jī)會(huì)均等。2.1 單粒子效應(yīng)機(jī)理 2 2 單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)72.2 單粒子效應(yīng)種類2 2 單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng) 針對(duì)單粒子事件（SEE）特點(diǎn)，常見的單粒子效應(yīng)有： 單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU） 單粒子瞬態(tài)（SET） 單粒子功能中斷（SEFI） 單粒子鎖定（SEL） 單粒子?xùn)糯⊿EGR） 單粒子燒毀（SEB）2.3 空間單粒子效應(yīng)輻射環(huán)境8 引起單粒子效應(yīng)的空間主要輻射粒子為高能太陽粒子、銀河宇宙射線、捕獲質(zhì)子帶，以及其他行星捕獲帶等。具體軌道分布見表所示。任務(wù)任務(wù)軌

6、道軌道主要考慮的輻射粒子主要考慮的輻射粒子低地球軌道LEO捕獲質(zhì)子、高能太陽粒子、宇宙射線中地球軌道MEO捕獲質(zhì)子、高能太陽粒子、宇宙射線地球同步軌道GEO高能太陽粒子、宇宙射線行星際空間如木星轉(zhuǎn)移軌道JTO）宇宙射線、高能太陽粒子、其他行星捕獲帶行星著陸器（如火星軌道與火星表面）宇宙射線、高能太陽粒子、其他行星捕獲帶 空間單粒子輻射環(huán)境特征及分布2 2 單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)2.4 核環(huán)境單粒子效應(yīng)輻射環(huán)境9 引起單粒子效應(yīng)的地面核設(shè)施和核環(huán)境主要輻射粒子為中子、二次核反應(yīng)產(chǎn)生的重離子（但LET值小于15 MeVcm2/mg ）。2 2 單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)102.5 輻射粒子LET特性分析

7、單粒子效應(yīng)的敏感性主要采用線性能量傳遞值（LET：Linear Energy Transfer）來進(jìn)行表征，不同原子序數(shù)的重離子對(duì)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空間輻射粒子LET能譜積分曲線典型的GEO空間輻射粒子LET能譜積分曲線見圖所示，由圖可知：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.元器件抗單粒子輻射的LET能力指標(biāo)的重要依據(jù)。2 2 單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)11 空間不同LET值粒子分布情況（數(shù)據(jù)來源：Forcast軟件）軌道特征軌道參數(shù)粒子數(shù)（/cm2.天）高度/Km傾角 /1MeVcm2/mgLET5MeVcm2/mgLET15MeVcm2/mgLET37MeVcm2/mgLET75MeVcm2/mgLET低軌低傾角4204222.4645.51E-048.90E-063.02E-081.73E-096004025.66086.31E-048.64E-062.07E-110低軌高傾角

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中高軌2400055212.5444.23E+002.42E-013.46E-051.30E-06357860213.844.23E+002.42E-013.46E-051.37E-062 2 單粒子效應(yīng)單粒子效應(yīng)2.5 輻射粒子LET特性分析

10、 121 背景需求2 單粒子效應(yīng)3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)5 單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證133 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子輻照試驗(yàn)地面模擬評(píng)估技術(shù)流程圖 針對(duì)單粒子效應(yīng)敏感篩選出的元器件清單，開展集成電路單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估，獲取元器件抗單粒子輻射能力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.1 單粒子效應(yīng)評(píng)估流程143 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)3.2 元器件單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)要點(diǎn)工藝類別工藝類別器件類別器件類別單粒子效應(yīng)敏感類別單粒子效應(yīng)敏感類別效應(yīng)表現(xiàn)形式效應(yīng)表現(xiàn)形式表面工藝表面工藝功率二極管、功率二極管、MOS管等功率類器管等功率類器件件SEB耐壓擊穿、反向漏電增

11、大等耐壓擊穿、反向漏電增大等CMOS工藝工藝數(shù)字電路、邏輯器件、控制器件、數(shù)字電路、邏輯器件、控制器件、大規(guī)模集成電路等大規(guī)模集成電路等SEL、SEU、SEFI、SET等等電流增大，位翻轉(zhuǎn)、功能中斷等電流增大，位翻轉(zhuǎn)、功能中斷等雙極工藝雙極工藝晶體管、運(yùn)算放大器、比較器、晶體管、運(yùn)算放大器、比較器、ADC、DAC、脈寬調(diào)制器等、脈寬調(diào)制器等SET、SER輸出電壓波動(dòng)，輸出信號(hào)碼錯(cuò)誤等輸出電壓波動(dòng)，輸出信號(hào)碼錯(cuò)誤等混合工藝混合工藝低壓差模塊、電源模塊、點(diǎn)負(fù)載電低壓差模塊、電源模塊、點(diǎn)負(fù)載電源、電源管理模塊等源、電源管理模塊等SEFF、SET、SER輸出功能失效、信號(hào)電壓波動(dòng)、碼輸出功能失效、信號(hào)

12、電壓波動(dòng)、碼值錯(cuò)誤等值錯(cuò)誤等 元器件單粒子效應(yīng)敏感性分類試驗(yàn)要點(diǎn)1：?jiǎn)瘟Ｗ有?yīng)敏感性分析n單粒子試驗(yàn)樣品加速器粒子能量和射程限制，粒子無法穿透管殼到達(dá)器件有源區(qū)試驗(yàn)要點(diǎn)2：試驗(yàn)樣品需開帽，倒封裝器件需減薄3 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)試驗(yàn)要點(diǎn)3：應(yīng)關(guān)注器件芯片版本號(hào) 某單位一直用WEDC的SRAM EDI88512但某衛(wèi)星因該器件SEL而出現(xiàn)分系統(tǒng)故障。原因是低等級(jí)器件，內(nèi)部芯片發(fā)生更換。l 以前為Cypress公司芯片 0.5微米工藝，單粒子鎖定不敏感l(wèi) 三星版芯片 0.18微米工藝，單粒子鎖定LET閾值小于1 MeVcm2/mg3 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)試驗(yàn)

13、要點(diǎn)4：試驗(yàn)粒子選擇(以重離子為例) 3 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)原子能院串列加速器單粒子試驗(yàn)終端近物所回旋加速器單粒子試驗(yàn)終端國(guó)內(nèi)常用單粒子試驗(yàn)終端：3 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù) 試驗(yàn)要點(diǎn)5：離子射程與試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系密切Au離子，LET高，短射程，無鎖定；Kr離子，LET低、射程長(zhǎng)，有鎖定。說明：射程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，需關(guān)注。3 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)試驗(yàn)要點(diǎn)6：?jiǎn)瘟Ｗ釉囼?yàn)系統(tǒng) VDMOS單粒子檢測(cè)平臺(tái)DCDC電源轉(zhuǎn)換器單粒子檢測(cè)平臺(tái)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器單粒子檢測(cè)平臺(tái)通用存儲(chǔ)器單粒子檢測(cè)平臺(tái)SRAM型FPGA單粒子檢測(cè)平臺(tái)LDO單粒子檢測(cè)平臺(tái)3

14、 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)21 在軌預(yù)計(jì)是單粒子數(shù)據(jù)處理的重要手段。3.3 元器件單粒子數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析根據(jù)測(cè)量的器件的單粒子事件數(shù)N(i)，計(jì)算每種LET下的單粒子事件截面(i)，見下面公式： (i)=N（i）/(i)eff繪制出單粒子事件截面(i)與入射離子有效LET值的關(guān)系曲線（威布爾擬合）。根據(jù)曲線獲得單粒子事件飽和截面和單粒子事件閾值LETth，等器件單粒子敏感性信息。3 3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)221 背景需求2 單粒子效應(yīng)3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)5 單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證234 4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)單粒子效應(yīng)評(píng)估技

15、術(shù)新挑戰(zhàn) 4.1 模擬電路抗單粒子瞬態(tài)效應(yīng)及評(píng)估（一）典型產(chǎn)品：AMP、LDO、DC/DC、POL器件等；（二）應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)：擾動(dòng)導(dǎo)致后端電路發(fā)生過壓燒毀、欠壓斷電的風(fēng)險(xiǎn)。（三）工程問題：重點(diǎn)單粒子瞬態(tài)的判據(jù)，難點(diǎn)瞬態(tài)檢測(cè)；準(zhǔn)確但非唯一性：應(yīng)用要求+檢測(cè)指標(biāo) 運(yùn)算放大器不同部位單粒子瞬態(tài)波形圖244 4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn) 4.2 COTS器件空間抗輻射問題及評(píng)估技術(shù)發(fā)展中發(fā)展中（一 ）發(fā)展需求：1）低成本、可重構(gòu)、快速響應(yīng)；2）研制進(jìn)度、產(chǎn)品性能、降本增效；3）衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)革命性突破與創(chuàng)新。（二）應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)：抗輻射風(fēng)險(xiǎn)-在軌安全性和可靠性。（三）工程評(píng)估：COTS器件

16、應(yīng)用廣，無規(guī)范，可復(fù)用性差等。如何快速評(píng)估。254 4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn) 4.3 復(fù)雜集成電路單粒子效應(yīng)測(cè)試及評(píng)估工程問題： 器件復(fù)雜，機(jī)時(shí)有限，內(nèi)部的多個(gè)單元，如何選擇典型單元，資源覆蓋率與頻率的取舍 高速傳輸處理的單粒子效應(yīng)檢測(cè)技術(shù) 針對(duì)微系統(tǒng)器件抗輻射能力評(píng)價(jià)難題，基于MBSE的建模思想，建立內(nèi)部芯片輻射效應(yīng)對(duì)微系統(tǒng)整體可靠性影響的模型評(píng)估方法發(fā)展需求：超前任務(wù)和靈活決策-系統(tǒng)重構(gòu)（軟件定義）、分布式技術(shù)衛(wèi)星。典型產(chǎn)品： SoC、SiP、FPGA、DSP、GPU等復(fù)雜電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元較多，功能復(fù)雜264 4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)

17、 4.4 人工智能芯片輻射效應(yīng)評(píng)估 人工智能芯片輻射效應(yīng)評(píng)估技術(shù)研究，如何建立人工智能芯片硬件輻射效應(yīng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法軟錯(cuò)誤的影響關(guān)系。 針對(duì)新一代人工智能芯片（脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），尤其是基于非易失存儲(chǔ)的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是否能解決單粒子問題，是否存在薄弱點(diǎn)。CIMON, 在國(guó)際空間站的第一個(gè)人工智能機(jī)器人在國(guó)際空間站的第一個(gè)人工智能機(jī)器人 (2018年年6月月)多項(xiàng)人工智能技術(shù)用于毅力號(hào)火星車多項(xiàng)人工智能技術(shù)用于毅力號(hào)火星車271 背景需求2 單粒子效應(yīng)3 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)4 單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)新挑戰(zhàn)5 單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證5 5 單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證單粒子效應(yīng)飛行驗(yàn)證28元器件輻射效應(yīng)飛行驗(yàn)證必要性：

18、 NASA等航天機(jī)構(gòu)均開展了元器件輻射效應(yīng)的飛行試驗(yàn)，獲取了大量在軌數(shù)據(jù)。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)的宇航元器件抗輻射評(píng)估均基于地面輻照源模擬試驗(yàn)，缺乏在軌飛行驗(yàn)證數(shù)據(jù)。 通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證新型、先進(jìn)器件的空間環(huán)境適應(yīng)性和地面新模型、新方法的有效性。l 元器件輻射效應(yīng)飛行驗(yàn)證TZ-1飛行搭載2017年4月發(fā)射試驗(yàn)九號(hào)搭載2021年已發(fā)射空間站艙內(nèi)、艙外長(zhǎng)期試驗(yàn)平臺(tái)預(yù)計(jì)2022年發(fā)射 物資部首臺(tái)元器件飛行驗(yàn)證搭載單機(jī)，探索元器件在軌試驗(yàn)技術(shù)。首次實(shí)現(xiàn)元器件飛行驗(yàn)證。 建立長(zhǎng)期、通用化、高可靠元器件在軌試驗(yàn)平臺(tái)，逐步形成天地一體化的元器件可靠性綜合評(píng)價(jià)手段，推動(dòng)飛行驗(yàn)證業(yè)務(wù)可持續(xù)發(fā)展。元器件在軌試驗(yàn)首次成為航天器(空間站)有效載荷主任務(wù)之一。SJ-20飛行搭載2019年12月發(fā)射采用試驗(yàn)任務(wù)在軌自主管理技術(shù)、測(cè)試用例在軌重構(gòu)技術(shù)，形成模塊化、可配置試驗(yàn)平臺(tái)。一步正樣研制周期縮短至6.5個(gè)月。突破了元器件關(guān)鍵電特性在軌測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)飛行驗(yàn)證提供技