脉冲激光模拟空间载荷单粒子效应研究进展

韩建伟 空间抗辐射 今天


作者：韩建伟，上官士鹏，马英起

朱翔，陈睿，李赛

摘要：脉冲激光作为模拟测试空间探测载荷半导体器件的单粒子效应现象的一种较新型手段，具有可以定位器件对单粒子效应敏感的具体单元以及动态测试电路系统对单粒子效应的时间响应特性的特点，能够满足工程部门、器件研发部门的不同需求。通过实验与理论研究，建立单粒子锁定与翻转效应的激光阈值能量与重离子LET值的对应关系，解决了脉冲激光模拟测试的激光结果如何定量的关键问题，据此可以定量摸底评估器件的单粒子效应敏感度，使脉冲激光测试载荷的结果更具评价以及指导意义，这对建立统一的脉冲激光单粒子效应评估试验标准以及对脉冲激光试验的推广具有重要意义。空间探测载荷发生单粒子效应后器件功能特性及电路系统的影响、防范单粒子效应电路条件影响的手段下电路系统的抗单粒子效应设计措施的有效性，以及为空间探测专门研制的抗辐射ASIC电路评价，都需要更加精细的单粒子效应测试方法。通过建立便捷、低成本的脉冲激光定量试验的手段，解决了空间探测载荷上述单粒子效应试验的问题。


关键词：空间探测载荷，单粒子效应，脉冲激光，敏感区域定位，动态测试


0.    背景

高性能、高可靠性、高集成度、低功耗、小质量、小尺寸的半导体器件和集成电路在深空探测载荷中的应用需求不断增加，然而航天电子器件在深空环境中会受到银河宇宙线、太阳宇宙线等高能粒子的辐射，引起的单粒子效应严重威胁航天器的安全可靠运行[1,2]。航天器电子器件在应用于深空环境前，需要评估其单粒子效应特性及对电路系统的影响，需要摸索设计合适的电路条件防范单粒子效应的影响，需要试验验证电路系统的抗单粒子效应设计措施，甚至要研制载荷专用的抗辐射ASIC电路，这些都要求更加精细的单粒子效应测试。

中国科学院国家空间科学中心（以下简称空间中心）于2001年在国内开展脉冲激光试验单粒子效应机理与方法研究。脉冲激光试验单粒子效应设备及技术操作便捷、试验机时充裕，试验环境开放无需真空 [3,4,5]，便于设计师灵活地测试器件的单粒子效应特性及对电路系统的影响，从而确定合理的单粒子效应防护设计措施；能够准确有效地触发单粒子锁定、单粒子翻转、单粒子烧毁、单粒子多位翻转、单粒子瞬态脉冲、单粒子功能中断等，便于设计师试验验证其抗单粒子效应设计措施是否有效。通过研究确定激光单粒子效应能量与重离子LET值的对应关系，可定量评价器件的单粒子效应敏感度。此外，脉冲激光试验可以方便地定位器件单粒子效应敏感区域[13,14,15,16]，获取导致器件单粒子效应的电流脉冲等关键参量[7,8]，为载荷研制抗辐射专用ASIC电路提供精细的单粒子效应特征信息参数。


1.     脉冲激光模拟单粒子效应的试验装置

1.1     脉冲激光试验单粒子效应装置原理

脉冲激光试验单粒子效应装置[3,4,5,6]主要是通过光学系统将脉冲激光器发出的激光聚焦到微米量级，并可以实时对激光能量调节、测试。脉冲激光试验单粒子效应装置总体组成包括六个主要部分：（1）脉冲激光器单元；（2）脉冲激光能量调节单元；（3）脉冲激光能量测量单元；（4）脉冲激光聚焦成像定位单元；（5）试验控制单元；（6）单粒子效应检测设备。试验装置原理如图1所示。

图1 脉冲激光试验单粒子效应装置原理图

Figrue1. Schematic chart of pulsed laser single event effects(PLSEE) Facility

脉冲激光模拟单粒子效应试验的核心装置是脉冲激光器，激光器参数包括波长、脉宽、光斑大小等。因脉冲激光多采用器件硅衬底背部辐照的方式[3,4,5,6,9]，对于体硅工艺的半导体器件，多选用波长为1064nm激光器，1064nm激光在硅中的穿透深度[10,11]（光强衰减为1/e的入射深度）约为700μm，能够穿透常见的CMOS工艺的半导体器件的硅衬底厚度。


1.2     脉冲激光试验单粒子效应装置

空间中心于2001年开展脉冲激光试验单粒子效应机理与方法研究[12]。2006年自主研制了国内第一台纳秒脉冲激光单粒子效应模拟装置[5]，如图2(上)。其后，又自主研制了皮秒脉冲和飞秒脉冲激光单粒子效应试验装置如图2(中)，图2(下)。

图2 空间中心纳秒（上）、皮秒（中）和飞秒（下）脉冲激光试验单粒子效应装置

Figure 2. Nanosecond (left), Picosecond (middle) andFemtosecond (right) PLSEE of National Space Science Center(NSSC)

三套装置最主要的区别是脉冲激光器发出的激光脉冲宽度不同。纳秒激光器发射的脉冲激光宽度为25ns，此套系统成本低，容易搭建；皮秒激光器发射的脉冲宽度为25ps，脉宽与重离子和器件作用的时间尺度相近，最适合用于定量模拟器件的单粒子效应；飞秒激光器脉宽为35fs，激光波长可调，可适用多种工艺器件的单粒子效应测试，选择合适的波长可以以双光子吸收的方式触发器件单粒子效应。
空间中心经过多年积累，开展了0.8μm、0.6μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm等多种尺寸，体硅、双极、SOI、GaAs等多种工艺的集成电路芯片的单粒子锁定、翻转、瞬态脉冲、功能中断、烧毁等多种单粒子效应研究。对SRAM、Flash、FPGA、EEPROM、CPU、DSP等多种数字器件以及运放、DC-DC等模拟器件进行了单粒子效应研究，积累了丰富的脉冲激光模拟试验经验。


2.脉冲激光模拟单粒子效应的试验研究进展

2.1     激光有效能量与重离子LET阈值对应关系

脉冲激光模拟单粒子效应的一个关键问题是在一定的不确定度内将激光能量对应于重离子LET值，给出器件抗单粒子效应能力的量化指标。空间中心首先通过利用皮秒脉冲激光测试0.13μm以上多种CMOS工艺19款不同类型的器件单粒子锁定效应激光阈值能量，19款器件包括SRAM、ADC、FPGA、LCD controller、power supply等，需要采用器件硅衬底入射的方式辐照，将得到的激光有效能量阈值与重离子LET阈值一一对应并进行拟合[17,18,19]，得到激光有效能量与重离子LET值对应关系曲线，如图3（左），考虑对应关系曲线应在一定的不确定度内，包含尽可能多的数据点，相关系数取拟合值+3倍的标准偏差（具有99.7%的置信度），LET均值取值有±25%的不确定度。采用背面试验方法，利用10款90nm至0.6μm CMOS工艺的SRAM、FPGA得到的激光翻转有效阈值能量与重离子LET值对应关系曲线如图3（右）。

图3. 激光锁定（左）/翻转（右）有效阈值能量与重离子LET阈值对应关系曲线

Figure3. Effective laser energy with heavy ionthreshold LET, single event latch-up(left)/single event upset(right)


2.2     脉冲激光正面辐照试验图像传感器单粒子效应

随着半导体工艺尺寸的减小以及器件金属布线层数的增多，利用脉冲激光多采用从器件背部硅衬底入射的方式触发器件单粒子效应。但是型号任务周期紧，需要为背部重新设计试验电路，如果器件的金属布线之间有空隙，可以利用脉冲激光对器件进行正面单粒子效应辐照试验。激光穿透器件表面钝化层后经过金属布线层缝隙到达器件有源区触发器件发生单粒子效应。搭建光路测得到达有源区的有效激光能量，可以建立激光有效能量与重离子LET值的对应关系。

厂商工艺线要求，该0.18μm工艺器件有4层金属布线，要求金属布线覆盖芯片面积的65%，芯片设计师实际设计时金属布线覆盖的整个芯片面积只有约50%。通过设计反射率光路，测得器件表面反射的激光能量约为60%，且器件表面钝化层会让激光能量损失掉[17]（0.685至0.950之间，均值为0.8175，取均值），所以表面入射的激光能量到达有源区时的有效能量为表面入射能量的0.4×0.8175=0.327。通过扫描测试，测得表面入射能量为1600pJ时芯片发生锁定，则到达有源区的激光有效能量为1600pJ×0.327=523pJ，由图3（左）中激光有效能量与LET值对应关系，则对应的LET值为(43.2±10.1)MeV·cm2·mg-1[18,19]，与重离子给出的小于37 MeV·cm2·mg-1，激光试验给出的LET值阈值范围与重离子给出的LET阈值有交叉。

图4. 利用脉冲激光正面模拟试验图像传感器单粒子锁定效应

Figure4. Single event latch-up of CMOS image sensor byfront-side pulsed laser

因为是图像传感器，芯片被测试时，脉冲激光光斑可以被器件实时成像。上图中（上列）为图像传感器工作正常时的成像状态，最右边含有白色光点的即为实时对器件进行扫描的激光光斑。当激光光斑扫描触发器件的敏感部位使器件发生锁定时，器件无法正常成像输出，如图4中（下列）所示。


2.3     脉冲激光模拟试验FPGA单粒子效应

利用脉冲激光试验装置对XQ4VSX55型 FPGA进行了充分的单粒子翻转和锁定试验。试验获得器件的单粒子翻转LET阈值为（3.4±0.4）MeV·cm2·mg-1，饱和截面为1.34×10-8cm2/bit。翻转截面如图5，依据此单粒子翻转试验数据，采用“空间环境效应分析”软件包预估了该器件在轨应用时具体发生软错误的频次，据此载荷设计师设计了合理的软错误刷新减缓方案。试验测得了LET值为（60±15）MeV·cm2·mg-1时器件出现工作电流短时增大随后恢复正常的现象，该现象未对FPGA功能造成影响。综合判断该器件的单粒子锁定LET阈值大于（60±15）MeV·cm2·mg-1，满足空间应用需要。

图5. 利用脉冲激光模拟试验FPGA单粒子翻转效应

Figure5. SEU of FPGA by pulsed laser simulating testing 


2.4     电路系统抗单粒子翻转EDAC验证试验

选取一款CY7C1061DV33SRAM作为被测试对象，CY7C1061DV33是一款工业级54pin TSOP封装的SRAM，正常工作电压为3.3V。利用脉冲激光触发单粒子翻转效应，并利用开发的EADC验证纠错效果。

首先利用激光能量为160pJ（对应LET值为(9.0±1.8)MeV.cm2.mg-1）激光注量4×106/cm2对SRAM进行辐照扫描。此时，不启动EDAC纠错功能，器件发生单比特位的单粒子翻转效应，测试系统检测发生的错误位置。SRAM发生翻转后，启动EDAC纠错。EDAC可以找到错误位置并完全进行纠错。
提高激光能量至500pJ（对应LET值为(23.5±5.3)MeV.cm2.mg-1）对SRAM进行辐照扫描，此时翻转中包含单比特和多比特位的翻转，启动EDAC纠错。此时EDAC仍可以完全纠正单比特位的翻转，但无法纠正多比特位的翻转。通过控制激光能量的高低，可以方便的触发器件的单比特位翻转和多比特位翻转。对芯片的指定区域进行辐照，可以触发不同单元结构的翻转，验证EDAC对不同区域的纠错效果。


2.5     单粒子锁定对ADC输出影响试验

选取一款工业级ADC作为被测试对象，主要测试单粒子锁定效应对其输出的影响。AD7476芯片是一款6-leadSOT-23 封装的串行AD转换芯片，工作电压为2.35V到5.25V，SPI接口，电源电压做参考电压，由片选、时钟和数据接口完成通信。

ADC未发生锁定前，对输出信号测试，输出正常，如图6（a）。利用能量1nJ、注量4×106/cm2的激光对ADC进行辐照扫描，测试软件统计ADC发生锁定1000次后对ADC重新断电上电，输出数据正常，如图6（b），其噪声水平上升，但对于功能无影响；使芯片处在锁定状态60s后，ADC输出异常，如图6（c），锁定状态退出后，ADC输出正常。

             

（a）

（b）

（c）


图6单粒子锁定对ADC输出影响试验结果

Figure 6. Results of SEL effects for ADC outputs 

以上试验结果表明，频繁的锁定断电功能对于此款ADC功能没有影响，但会造成噪声水平上升；锁定持续一段时间60s，虽然锁定时器件功能异常，但锁定造成的电流增加对器件的功能也未造成影响，ADC进行重新断电上电后，ADC输出重新恢复正常。利用此试验结果，可以确定此款ADC空间应用策略。


2.6     电路系统抗单粒子锁定验证试验

以时间测量芯片 TDC-GP1[20]为试验对象，试验器件为 ACAM 公司的工业级TDC-GP1芯片，它是一款高精度时间测量数字转换芯片，其时间测量精度高达125ps，可用于对主波和回波脉冲信号的时间间隔测量，以实现空间目标信息的高精度测量。TDC-GP1 采0.8µm 的 COMS 工艺所生产，具备双通道信号输入，其测时范围为 3 ns～200ms。利用纳秒脉冲单粒子效应模拟试验设备开展了无限流保护电阻和有限流保护电阻的单粒子锁定效应脉冲激光模拟试验研究。

利用脉冲激光扫描辐照时观测GP1的工作状态。当GP1正常工作时，测量其2路脉冲信号的时间间隔，并完成内部校准后输出“完成”标志信号，通过8位数据总线读出32位测量结果。如果在脉冲输入信号正常给定的情况下无“完成”标志信号出现或 32 位测量结果出现大幅跳动，并伴随供电电流激增，则认为器件发生了单粒子锁定。

为了保证 GP1 芯片的功能在锁定后不被损坏，在芯片的供电端串联限流保护电阻。当发生锁定时，供电电流会大增，在限流电阻处形成压降，使得 GP1 芯片供电电压下降，锁定电流维持低值。更换不同限流保护电阻，进行 GP1 芯片锁定试验。增加了24Ω限流保护电阻的长时间工作试验，在 GP1 芯片发生锁定后供电电压拉低，并且在持续锁定电流的通电状态下功能中断 30min后断电再重启仍能正常工作。图7（a）为增加 24Ω 限流保护电阻的 TDC-GP1 锁定电流波形。在采用限流电阻的同时适当提高器件工作电压，在发生锁定时，控制锁定电流为较小值，同时锁定电流导致的压降在器件可以容忍的范围，取得较好的设计效果，如图7（b）所示。

（a）

（b）

图7 TDC-GP1器件（a）增加24Ω限流电阻和（b）同时提高工作电压时的锁定电流波形

Figure7. TDC-GP1 (a) 24Ω resistance for currentlimitation (b) raising working voltages for SEL current 

结果表明有24Ω限流保护电阻的情况下，TCD-GP1芯片在发生锁定时能够降低锁定大电流有效避免器件的功能损伤，适当提高工作电压避免了器件因锁定电流导致的压降过大无法正常工作，激光试验有效验证了上述措施的效果。


2.7     器件单粒子效应敏感区域定位试验

选取一款高压双极工艺DC-DC电源模块作为被测试对象。逐一扫描DC/DC内部单粒子效应敏感元件（包括PWM控制器、隔离反馈发生器、短路保护控制器），观测芯片单粒子效应对DC/DC变换器的影响，采用实时数据采集系统获取试验过程数据，通过离线分析实验数据推知DC/DC变换器单粒子效应机理，帮助DC/DC变换器优化设计。定位到芯片的SET敏感区域及各单元输出如图8。

图8 DC-DC组件SET敏感区域及各功能单元输出

Figure 8. SET sensitivity areas and functional unitsoutput of DC-DC

整个试验测试很好的完成了器件开发者对其模拟电路内部各个敏感功能单元的单粒子效应对整个DC/DC变换器整体电路的影响全过程的试验需求。对未加固DC/DC变换器内部MOSFET单元键合区进行脉冲激光照射，出现SEB效应，如图9；通过改变脉冲激光的能量，确定了未加固器件的SEB激光能量阈值在10nJ到24nJ范围内。

图9 DC-DC组件SEB敏感区域定位

Figure 9. DC-DC single event burnout (SEB) sensitivityarea orientation 

因脉冲激光光斑尺寸可以聚焦到微米量级，配合移动精度为1μm的三维精密移动平移台，可以准确定位测试器件不同的功能结构[13,14]，分析不同结构发生单粒子效应对系统功能的影响，并根据影响不同设计抗单粒子效应加固措施，单粒子瞬态敏感区域可为模拟分析提供输入参数。此外，脉冲激光可以测试器件的单个功能单元，分析引起器件发生单粒子效应的敏感单元结构，指导器件级的抗单粒子效应加固设计。


3.     结论

脉冲激光模拟试验作为单粒子效应测试的重要手段，试验机时充裕，方便设计师在桌面上灵活细致测试器件和电路的单粒子效应特性。空间中心经过多年的理论研究和试验研究，初步建立了器件单粒子锁定和单粒子翻转的激光有效阈值能量与重离子LET值的对应关系，可以定量评价器件的单粒子效应敏感度。模拟试验能够有效试验验证电路系统的抗单粒子锁定、单粒子翻转防护设计效果。总之，便捷的脉冲激光试验为空间探测载荷合理、安全、低成本地使用半导体器件提供了重要试验数据支撑。


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