基于差频检测技术的高速AD单粒子翻转评估方法研究

本文基于差频检测的原理,提出一种在高频动态输入模式下,对高速高精度模数转换器（AD）的抗单粒子翻转效应进行评估的测试方法,并以一款8位3 GSPS高速AD为测试对象,设计开发了一套高速AD单粒子翻转效应测试系统,对目标器件进行了重离子试验。通过对试验结果的图像和错误数据进行分析,评估参试器件的抗辐照性能参数,为抗辐照高速高精度AD的加固设计提供数据支撑。     

星载数模转换器抗辐射性能评估测量系统研制

基于面向仪器系统的外围组件互连扩展(Peripheral Component Interconnection extensions for Instrumentation,PXI)平台,提出并实现了一个高精度、高速、全自动星载数模转换器抗辐照性能评估测量系统。该系统采用开尔文四线法和均值滤波算法对芯片电流与电压进行高精度监测,利用软件配置矩阵开关全自动切换参数测量项,使用PXI总线同步与触发模式控制实现模块化仪器间的高速响应,并使用三次样条算法准确提取单粒子饱和截面与线性能量传输值阈值。基于该系统对一款自主研发的星载数模转换器进行辐照试验,试验结果表明研制的系统能够准确、高效地评估出器件抗辐照性能。系统电压识别精度为0.1?V,最高可支持24位数模转换器监测,单粒子效应电流变化与寄存器翻转监测频率分别为50 Hz与100 Hz,总剂量效应时单次表征参数遍历时间为8 s。     

IDT6116单粒子敏感性评估试验技术研究

为评估IDT6116SRAM单粒子敏感性,采用地面试验方法和地面试验系统,利用脉冲激光、重离子和²⁵²Cf源3种不同的地面模拟源,对IDT6116SRAM器件进行单粒子敏感性试验研究,并对3种不同的模拟源的试验结果进行等效性分析比较,同时进行总剂量效应对单粒子效应影响的试验研究。研究结果表明：IDT6116SRAM抗单粒子翻转和锁定的能力较强;接受一定辐照剂量后的试验样品对单粒子翻转更加敏感,且翻转阈值略有降低,翻转截面略有增大。     

FPGA单粒子效应的脉冲激光试验方法研究

通过测试基于静态随机存储器（SRAM）的现场可编程门阵列（FPGA）芯片的单粒子效应,研究脉冲激光的试验方法,评估脉冲激光试验单粒子效应的有效性。研究表明,激光光斑聚焦深度和激光注量是影响脉冲激光单粒子效应试验的重要因素。试验发现,脉冲激光在较高能量时,单个激光脉冲会触发多个配置存储位发生单粒子翻转,造成芯片饱和翻转截面偏大。激光辐照芯片时,观察到芯片的内核工作电流以1～2 mA的幅度逐渐增加,在此期间器件工作正常。试验获得了Virtex 2 FPGA芯片的静态单粒子翻转截面和翻转阈值。通过对比激光与重离子的试验结果发现,二者在测试器件单粒子翻转方面基本一致,脉冲激光可有效研究芯片的单粒子效应特性。     

单粒子翻转敏感区定位的脉冲激光试验研究

利用脉冲激光单粒子翻转敏感区定位成像系统,对静态随机存储器件IDT71256开展了单粒子翻转敏感区定位的试验研究。为避开器件正面金属层对激光的阻挡,试验采用背面辐照方式进行测试。试验结果表明,存储单元中存储数据类型对器件单粒子翻转的敏感性有较大影响,由测得的单粒子翻转敏感区分布图经处理得到单粒子翻转截面,结果与重离子试验测得的翻转截面数据一致。     

空间单粒子效应加速器模拟试验技术及应用

空间环境中存在大量的高能粒子，单个高能粒子穿过航天器壳体轰击到电子器件，引发器件逻辑状态翻转、功能异常等单粒子效应，进而影响航天器的可靠运行和任务达成。基于地面加速器辐照试验模拟空间单粒子效应是评估电子器件在空间应用时发生单粒子错误风险的重要手段，只有其抗单粒子效应的指标符合宇航应用要求的器件才能在航天器中使用。航天器面临的空间辐射粒子主要是重离子和质子，它们诱发的单粒子效应也最为显著。开展宇航器件单粒子效应地面模拟试验主要依托重离子加速器和质子加速器，为满足单粒子试验需求，需要研发大面积束流扩束及均匀化、高精度束流快速诊断等技术，以及满足大批量试验任务需求的高效试验终端，重点介绍中国原子能科学研究院的基于加速器的重离子单粒子效应模拟试验技术、质子单粒子效应模拟试验技术和用于器件辐射损伤敏感区识别的重离子微束技术，以及上述技术在宇航器件单粒子效应风险评估中的应用。     

微处理器中子单粒子效应测试系统设计与试验研究

为开展微处理器的空间大气中子单粒子效应研究,以一款TI公司65 nm CMOS工艺的微处理器为研究对象,研制了一套微处理器中子单粒子效应测试系统。该测试系统可实现对被测微处理器的单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁效应的实时监测。利用加速器中子源,对该微处理器开展14 MeV中子辐照试验。试验结果表明,中子注量累积达3?5×1011 cm-2时,该器件未发生单粒子锁定效应。但总线通信、模数转换等功能模块发生了多次单粒子功能中断,其中集成总线通信接口模块为最敏感单位,试验获得的器件中子单粒子效应截面为6?6×10-11 cm2。     

深亚微米SRAM器件单粒子效应的脉冲激光辐照试验研究

利用脉冲激光模拟试验装置对IDT公司0.13 μm工艺IDT71V416S SRAM的单粒子效应进行了试验研究。在3.3 V正常工作电压下,试验测量了单粒子翻转阈值和截面、单粒子闩锁阈值和闩锁电流及其与写入数据和工作状态的关系。单粒子翻转试验研究表明,该器件对翻转极敏感,测得的翻转阈值与重离子、质子试验结果符合较好;该器件对多位翻转较敏感,其中2位翻转占绝大部分且其所占比例随辐照激光能量增加而增大,这与重离子试验结果也一致。单粒子闩锁试验分析了闩锁效应的区域性特点,发现了器件闩锁电流呈微小增大的现象,即表现出单粒子微闩锁效应,分析了这种现象对传统的抗闩锁电路设计可能造成的影响。     

单粒子效应辐射模拟实验研究进展

应用质子直线加速器进行了静态随机存取存储器(SRAM)的单粒子效应模拟实验研究.采用金箔散射法降低质子束流,研制了弱流质子束测量系统,测量散射后的质子束流,实验测得SRAM质子单粒子翻转截面为10-14 cm2/bit量级.利用重离子加速器和锎源进行了SRAM的单粒子效应实验.研究其单粒子翻转截面与重离子线性能量传输(LET)值的关系,得到了单粒子翻转阈值和饱和截面.实验表明252Cf源单粒子翻转截面与串列加速器的重离子单粒子翻转截面一致,说明对于SRAM,可以用252Cf源替代重离子加速器测量单粒子翻转饱和截面.与中国原子能研究院、东北微电子研究所合作开展了国内首次重离子微束单粒子效应实验.建立了大规模集成电路重离子微束单粒子效应实验方法,找到了国产SRAM的单粒子翻转敏感区.应用14MeV强流中子发生器进行了SRAM单粒子效应实验,测得了64K位至4M位SRAM器件14MeV中子单粒子翻转截面.用α源进行SRAM单粒子效应辐照实验,模拟封装材料中的232Th和238U杂质发射出的α粒子导致的单粒子翻转.测量α粒子射入SRAM导致的单粒子翻转错误数,计算单粒子翻转截面和失效率,比较三种器件的抗单粒子翻转能力,为器件的选型提供依据.并开展了路由器的α粒子辐照实验,复演了路由器在自然环境中的出错情况,为路由器的设计改进提供了依据.     

一种基于抗辐照体系架构的单粒子效应等效评估拟合算法

针对国内加速器辐照实验无法充分满足航天器单粒子抗辐照设计验证需求的问题,本文提出了一种单粒子效应抗辐照等效评估拟合算法模型。该算法模型基于抗辐照体系架构,构建可靠性贡献度耦合因子,获取单粒子效应下系统功能中断截面随粒子线性能量转移(LET)值变化的等效耦合关系,从而降低对辐照实验条件依赖,为航天器抗辐照设计验证提供更多基准数据。最终通过实验数据分析比对,该算法模型可用于辐照实验数据的评估拟合,提升了航天器系统抗辐照设计可靠性评估效率。     

65nm三阱CMOS静态随机存储器多位翻转实验研究

利用4种不同线性能量转换值的重离子对一款65nm三阱CMOS静态随机存储器(SRAM)进行重离子垂直辐照实验,将多位翻转图形、位置和事件数与器件结构布局结合对器件单粒子翻转截面、单粒子事件截面及多位翻转机理进行深入分析。结果表明,单粒子事件截面大于单个存储单元内敏感结点面积,单粒子翻转截面远大于单个存储单元面积。多位翻转事件数和规模的显著增长导致单粒子翻转截面远大于单粒子事件截面,多位翻转成为SRAM单粒子翻转的主要来源。结合器件垂直阱隔离布局及横向寄生双极晶体管位置,分析得到多位翻转主要由PMOS和NMOS晶体管的双极效应引起,且NMOS晶体管的双极效应是器件发生多位翻转的主要原因。     

ASO-S HXI量能器电荷测量ASIC的抗辐照性能研究

先进天基太阳天文台卫星(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)是我国科学家提出的专用于观测太阳的科学卫星。硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager,HXI)是ASO-S的三个科学载荷之一，HXI的量能器由99个溴化镧晶体-光电倍增管探测单元构成。量能器的前端电子学采用了一种型号为IDE3381的高集成度电荷测量ASIC(Application-specific Integrated Circuit)，利用它在空间和功率受限的卫星平台上实现了对99路探测单元信号的处理。为了评估IDE3381在空间辐射环境中的抗辐照性能，设计了一套自动化测试系统，用重离子束流和⁶⁰Co γ源分别进行了单粒子效应(包括单粒子翻转和单粒子闩锁)和总剂量辐照效应试验。测试结果表明：ASIC IDE3381的抗辐照性能满足HXI飞行件的要求。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

脉冲激光模拟SRAM器件单粒子翻转效应的试验方法研究

针对0.13 μm和0.35 μm工艺尺寸的两款商用SRAM器件进行了脉冲激光背部单粒子翻转效应试验方法研究。单粒子翻转效应主要测试单粒子翻转阈值和单粒子翻转截面,本文主要研究了激光聚焦深度、激光脉冲注量、测试模式和芯片配置的数据对测试两者的影响。试验结果表明：只有聚焦到芯片有源区才可测得最低的翻转阈值和最大的翻转截面,此时的结果与重离子结果基本一致;注量对翻转阈值测试无影响,但注量增大时翻转截面会减小,测试时激光脉冲注量应小于1×10⁷cm^-2;测试模式和存储数据对翻转阈值和翻转截面的影响不大,测试时可不考虑。     

MLFC在质子单粒子效应实验束流诊断中的应用

对宇航微电子器件进行抗质子辐射性能评估时,常利用加速器产生的质子束流来测量其质子单粒子效应截面曲线（σ-E曲线）。基于北京HI-13串列加速器重离子辐照装置,研制了适用于质子能量测量的多叶法拉第筒（MLFC）,为今后开展质子单粒子效应辐照实验奠定基础。测试结果表明,研制的MLFC既可测量质子能量和束流强度,也能测量质子束流的能量纯度,这对判定束流是否符合实验要求及调束非常实用。     

静态随机存取存储器辐射效应测试系统的研制

由于空间辐射效应会导致SRAM器件单粒子翻转、单粒子锁定等现象的产生。文中介绍了SRAM辐射效应测试装置的硬件、软件构成及有关测试技术。通过对SRAM芯片电流的检测、断电保护,解决了在SRAM实验过程中SRAM芯片的损坏问题,利用该装置在不同的辐射实验源上对SRAM进行辐射效应实验研究,获得了预期的实验数据。为星载计算机系统存储器的运行寿命评估及加固设计提供重要参考依据。     

星用功率VDMOS器件SEGR效应研究

对源漏击穿电压为400 V和500 V的N沟功率VDMOS器件进行碘离子单粒子辐照实验,讨论了不同偏置下两种功率器件的SEGR效应。研究结果显示:栅源电压为0 V、漏源电压为击穿电压时,器件未发生单粒子效应,表明两种星用功率器件的抗单粒子效应能力达到技术指标要求。     

抗辐射加固高压NMOS器件的单粒子烧毁效应研究

由于施加高栅极工作电压,使得器件容易发生重离子辐射损伤效应,其中,重大的重离子辐射损伤效应是单粒子栅穿效应（SEGR）和单粒子烧毁效应（SEB）。本文介绍了抗辐射加固高压SOI NMOS器件的单粒子烧毁效应。基于抗辐射加固版图和p型离子注入工艺,对高压器件进行抗辐射加固,提高器件的抗单粒子烧毁能力,并根据电路中器件的电特性规范,设计和选择关键器件参数。通过仿真和实验结果研究了单粒子烧毁效应。实验结果表明,抗辐射加固器件在单粒子辐照情况下,实现了24 V的高漏极工作电压,线性能量传输（LET）阈值为835 MeV·cm2/mg。     

一种新型高抗辐照可配置SOI器件技术

本文介绍了一种新型的高抗辐照可配置SOI(configurable-SOI, CSOI)器件技术。CSOI器件在制备完成后,可以通过改变配置层电压,实现对总剂量辐照引起的性能退化进行补偿、对单粒子引起寄生晶体管放大进行抑制,从而提升器件的抗辐照性能。基于CSOI工艺,研制出了高抗辐照4kb SRAM验证芯片。辐照实验证实,该芯片的抗总剂量水平达到6 Mrad(Si)、单粒子翻转阈值大于118 (MeV·cm²)/mg,达到国际先进水平,有望应用于深空探测、核应急等极端领域。     

重离子单粒子效应实验研究

在HI—l3串列加速器上建立了对微电子器件进行单粒子效应模拟实验的辐照和检测技术。利用该Q3D磁谱仪获得种类和能量单一、强度分布均匀且足够弱的重离子辐照源，利用散射室内的半导体探测器和焦面上的位置灵敏半导体探测器监测辐照离子。用该装置和技术测量了在8个传能线密度(LET)值的重离子辐照下引起的几个存储器器件的单粒子翻转（SEI）截面o(L)。从测得的o(L)——LET曲线，结合空间重离子和质子辐照环境模型以及离子与微电子器件相互作用模型计算，预言了器件在空间的单粒子翻转率。