宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南

合集下载

集成电路的通用单粒子效应测试系统设计

集成电路的通用单粒子效应测试系统设计

第19卷 第2期太赫兹科学与电子信息学报Vo1.19,No.2 2021年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr.,2021 文章编号:2095-4980(2021)02-0347-06集成电路的通用单粒子效应测试系统设计杨婉婉1a,1b,刘海南1a,1b,高见头1a,1b,罗家俊1a,1b,滕瑞1a,1b,韩郑生1a,1b,2(1.中国科学院 a.微电子研究所;b.硅器件技术重点实验室,北京 100029;2.中国科学院大学微电子学院,北京 100029)摘 要:为满足种类繁多、功能复杂集成电路的单粒子效应评估需求,克服目前国内地面单粒子辐照实验环境机时紧张、物理空间有限等方面的限制,设计实现了一款高效通用的集成电路单粒子效应测试系统。

创新性地采用旋转立体垂直结构,包含一个多现场可编程门阵列(FPGA)电测试平台、运动控制分系统和被测器件装载板。

便携式箱体结构仅需3个DB9接口即可完成所有与外界连线;基于LabVIEW实现上位机交互界面,界面友好;基于多FPGA平台实现下位机测试程序,灵活可扩展,通用性强。

可实现8种300及以下管脚集成电路的一次安装、自动切换和10°~90°的角度辐射。

实时监控并后台记录翻转数据、翻转时间、电路状态等细节信息,测试频率可达100 MHz。

已通过专用集成电路(ASIC)、静态随机存取存储器(SRAM)、控制器局域网络(CAN)接口电路等集成电路的多次实测,验证了该系统的可靠性及其高效稳定、集成度高、安装调试方便等特点。

关键词:单粒子效应测试系统;旋转结构;角度辐射;虚拟仪器中图分类号:TN710 文献标志码:A doi:10.11805/TKYDA2019421Design of a general test system for integrated circuit Single Event EffectYANG Wanwan1a,1b,LIU Hainan1a,1b,GAO Jiantou1a,1b,LUO Jiajun1a,1b,TENG Rui1a,1b,HAN Zhengsheng1a,1b,2 (1a.Institute of Microelectronics;1b.Key Laboratory of Silicon Device Technology,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;2.School of Microelectronics,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)Abstract:In order to meet the requirements of Single Event Effect(SEE) evolution for a wide variety of integrated circuits with complex functions and overcome the limitations such as time constraints andlimited physical space in current domestic ground single event irradiation experimental environment, anefficient and universal single event effect test system is designed and implemented for integrated circuits,which innovatively adopts rotating solid vertical structure,including a multi-Field Programmable GateArray(FPGA) electrical test platform,a motion control subsystem and some loading boards of the DevicesUnder Test(DUT). The entire test system is packaged as a portable box, which only needs three DB9interfaces to complete all connections with the outside world. Therein the PC interface is achieved basedon LabVIEW, friendly to users. The lower computer test program is implemented based on the multi-FPGAplatform, which is flexible, extensible and versatile. It can realize one-time installation, automaticswitching and angle radiation test of 8 types of integrated circuits within 300 PINs, meanwhile monitor inreal-time and background record the detail information such as flip data, flip time, circuit status and so on,whose test frequency achieves 100 MHz. The reliability, efficiency, stability, high integration, andconvenient installation and debugging have been verified by multiple tests on Application SpecificIntegrated Circuit(ASIC), Static Random-Access Memory(SRAM), Controller Area Network(CAN) interfacecircuit and other integrated circuits.Keywords:Single Event Effect test system;rotating structure;angle radiation test;virtual instrument人类对于空间以及外太空的不断探索促进了国内外航天事业的迅速发展[1],但辐射环境中的高能粒子入射半导体材料引发的辐射效应,是影响航天器电子系统可靠性的主要问题之一[2],集成电路的抗单粒子效应能力 收稿日期:2019-10-17;修回日期:2019-12-24作者简介:杨婉婉(1989–),女,硕士,主要研究方向为辐照加固集成电路设计及辐照测试试验。

一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计

一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计

现代电子技术Modern Electronics TechniqueMay 2024Vol. 47 No. 102024年5月15日第47卷第10期0 引 言空间带电粒子中有许多成分[1⁃2],主要包含来自外空间射向地球的银河宇宙射线、太阳高能粒子和地球磁场捕获的高能粒子。

其中银河宇宙射线来自于太阳系以外的宇宙射线,是被星际磁场加速到达地球空间的高能带电粒子,包含质子、α粒子、重离子等[3];太阳上发生耀斑时会发射出高能带电粒子,主要成分是质子、少量的重离子[4];地球磁场俘获大量的高能粒子,在地球周围形成6~7个地球半径的粒子辐射区,称为Van Allen 带,包含质子、电子、重离子等[5⁃7]。

在这些带电粒子中,单粒子效应首要关注的是重离子引起的电离[8⁃9],本文所开展的试验就是模拟宇航空间环境。

单粒子效应是指单个高能粒子穿过集成电路灵敏区时,造成电路状态非正常改变的一种辐射效应,常见的单粒子效应包括单粒子锁定(Single⁃Event Latch up, SEL )、单粒子翻转(Single⁃Event Upset, SEU )、单粒子功能中断(Single⁃Event Functional Interrupt, SEFI )等。

其中单粒子锁定是高能粒子入射到电路,导致电路产生异常突变电流,主要发生于CMOS 电路中[10];单粒子翻转是高能粒子作用于集成电路,使得电路逻辑状态发生异常变化,一般发生在数据存储或指令相关电路中;单粒DOI :10.16652/j.issn.1004⁃373x.2024.10.011引用格式:魏亚峰,蒋伟,陈启明,等.一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计[J].现代电子技术,2024,47(10):57⁃63.一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计魏亚峰1, 蒋 伟1, 陈启明2, 孙 毅3, 刘 杰4, 李 曦1, 张 磊1(1.重庆吉芯科技有限公司, 重庆 400060; 2.中国原子能科学研究院, 北京 102400;3.北京卫星环境工程研究所, 北京 102400;4.中国科学院兰州近代物理研究所, 甘肃 兰州 730000)摘 要: 时钟分配电路是电子系统中信号处理单元参考时钟及多路时钟分配的关键元器件,其跟随系统在宇宙空间中容易受宇宙射线辐照发生单粒子效应,进而影响系统性能指标甚至基本功能。

空间辐射环境单粒子效应研究

空间辐射环境单粒子效应研究

万方数据 万方数据 万方数据航天器环境工程2007年第24卷254cm,工作区域为15.2cm×25.4cm。

如果试验安装板大于25.4cm×25.4cm,则板不能旋转,但也能使用。

一般试验最多可安装20个器件。

束流密度范围一般是Ioz~10cm。

·s~,注量一般是103~10”cm|2,所以试验时间为10~103s。

束斑直径西2~30mm。

样品板安装机构照片如图1。

图1BsEuTF设各样品板安装机构图Fi91Mound“gsampIestotlle鲫plehoIderintheBsEu耶Facn崎(2)LBL(LawrellceBerkeleyLaboratory)的回旋加速重离子单粒子效应辐照设备LBL的2.24m回旋加速设备把回旋加速器与EcR离子源组合起来。

EcR离子源提供荷质比相近的混合离子;回旋加速器本身作为质量分析器分离各种离子,从而实现不同离子的切换,使被辐照器件在几分钟内改变LET值。

束流强度改变主要通过在ECR源出口加各种散射板获得,变化范围达9个数量级。

辐照束斑可调范围毋1~10cm。

提供重离子的LET值范围0.0l~98M“,·cm2/mg,质子能量变化范围1~55Mev。

Aemspace公司在该设备终端建立了一个专门做SEE试验的靶室。

(3)TAMIJ(TexasA&MUIlivers时)回旋加速器重离子单粒子效应试验设备TAMu的SEE试验设备提供重离子的LET值范围是0.0l~93.4Mev·cm2/mg。

离子切换时间一般小于lh。

通过磁散焦、薄膜散射磁扫描技术,器件得到很均匀的辐照,束流调节范围达几个数量级。

设备配备较精密的束性能测试系统。

辐照过程可实现程序化全自动控制。

设备提供各种计算机接口,并且提供用户单粒子效应监测软件包。

3.1.2高能质子辐照试验设备最近,高能质子在复杂器件中产生的单粒子翻转和锁定日益引起研究关注。

星载电子设备抗辐照分析及元器件选用

星载电子设备抗辐照分析及元器件选用

星载电子设备抗辐照分析及元器件选用自1971年至1986年期间,国外发射的39颗同步卫星因各种原因造成的故障共计1589次,其中与空间辐射有关的故障有1129次,占故障总数的71%,由此可见卫星和航天器的故障主要来源于空间辐射。

1、抗辐照分析空间辐照环境中的带电粒子会导致星载电子设备工作异常和器件的失效,严重影响航天器的可靠性和寿命。

星载电子设备在工作期间所遇到的辐照问题主要是受到空间高能粒子(重离子和质子)的影响。

1.1 总剂量效应总剂量效应指在电子器件的特性(电流、电压门限值、转换时间)发生重大变化前,器件所能承受的总吸收能量级,超过这个能量级后器件就不能正常工作(出现永久故障)。

该剂量用Rad(Si)即存积在1gSi中的能量来度量。

典型轨道预计辐射量见表1。

总剂量效应会引起星上电子器件的物理效应和电器效应如产生电子空穴对、影响载流子的流动、对双极型器件会降低其增益,对CMOS器件会使其阈值电压漂移、降低转换速率等。

另外在对某星载雷达所用CMOS器件进行总剂量实验时发现,总剂量效应在器件断电后会有一定的退火现象,但如果再加大辐射剂量,退火后的器件很快就不能工作。

所以对长寿命、高可靠的星载电子设备,必须考虑元器件的在轨期间的总剂量问题。

对于总剂量效应的防护可采用如下2种方法。

(1)选择半导体工艺:选择对宇宙射线不敏感的材料,CMOS蓝宝石硅片(SOS)工艺是目前最合适的工艺,但其成本高于其工艺。

(2)辐射屏蔽:卫星的结构框架以及电子设备的外壳的屏蔽作用可减轻辐射的影响,一般可减少2krad~3krad。

因为屏蔽材料本身有2次辐射,所以它并不能有效地防护高能粒子(宇宙射线)产生的影响。

2、单粒子效应空间辐照环境使星载电子器件产生单粒子现象(SEP)。

随着电子器件集成度不断提高,器件尺寸不断减小,星载电子设备也变得更加复杂,电子系统更易受到瞬态干扰,因此在星载电子系统的设计过程中不仅要考虑辐射总剂量的影响同时也要研究高能粒子引起的单粒子现象。

微电子器件重离子推导质子单粒子效应截面不同计算方法比较研究

微电子器件重离子推导质子单粒子效应截面不同计算方法比较研究

微电子器件重离子推导质子单粒子效应截面不同计算方法比较研究张付强; 韩金华; 沈东军; 郭刚【期刊名称】《《真空与低温》》【年(卷),期】2019(025)006【总页数】5页(P387-391)【关键词】空间错误率预估; 重离子单粒子效应; 质子单粒子效应【作者】张付强; 韩金华; 沈东军; 郭刚【作者单位】中国原子能科学研究院核物理研究所国防科技工业抗辐照应用技术创新中心北京 102413【正文语种】中文【中图分类】V520.6; O4830 引言宇宙辐射导致的单粒子效应(SEE)是微电子器件可靠性研究方向中的重要课题之一[1-2]。

航天器搭载的各类微电子器件通常需要先在地面进行单粒子效应考核实验,再将考核实验结果结合空间轨道的辐射环境计算得到在轨错误率,以此作为依据,评判器件在实际应用中的可靠性。

航天器在轨运行面临的宇宙辐射环境主要由超新星爆炸产生的重离子,太阳活动产生的质子,地球捕获带重离子、质子组成,因此目前以NASA及ESA为代表的发达国家及地区宇航组织指出,宇航用微电子器件单粒子效应考核需要评估器件在重离子和质子两种辐照条件下的响应。

重离子单粒子效应的主要机理在于重离子入射后,其能量直接沉积于微电子器件的敏感区中,诱发电子空穴对的产生,使微电子器件的正常工作状态发生改变,通常器件的重离子单粒子效应采用σ-LET(Linear Energy Transfer)曲线进行描述,其中σ表示器件的单粒子效应截面,LET表示重离子在材料单位长度上沉积的能量。

不同于重离子,质子单粒子效应的主要机理在于质子入射到器件后,与器件中的各种材料发生核反应产生次级粒子,而次级粒子在器件敏感区中进行能量沉积产生电子空穴对,导致器件正常工作状态的改变。

质子单粒子效应截面采用σ-E曲线进行描述,其中σ为器件质子单粒子效应截面,E为质子的能量。

可以认为重离子单粒子效应的机理属于质子单粒子效应机理的一个子集,由此为利用器件的重离子单粒子效应截面推算质子单粒子效应截面提供了理论基础。

252Cf源和重离子加速器对FPGA的单粒子效应

252Cf源和重离子加速器对FPGA的单粒子效应
究 , 对试 验结 果进 行 了对 比研 究 。 并
1 基 于 S AM 的 F G 芯 片 及 其 单 粒 子 效 应 R P A
根 据存 储 配置信 息 的存储 器 件不 同 , P F GA 主 要包 括基 于反熔 丝 型 、 于 F ah型和 基 于静 态 随机 存储 器 基 ls
型 三大 类口 。由于基 于 S AM 的 F GA具 有可 重复 编程 的 特性 及 集 成 度 高 的优 势 , 航 天 电子 领 域有 很 大 R P 在 的吸引 力 , 至 因其 可 重 复 编 程 的优 点 , 得 “ 重 编 程 卫 星 ” 望 实 现[ 。本 文 研 究 的 F GA 芯 片 为 基 于 甚 使 可 有 1 ] P S AM 型 的 F GA, R P 采用 0 2 m 5层金 属 、 .5 浅槽 隔离 ( T ) MOS工 艺制 成 , 模 为 1 S IC 规 0万系 统 门 。内部 电路
摘 要 : 对 1 万 门 基 于 静 态 随 机 存 储 器 的 现 场 可 编 程 门 阵 列 ( P A) 别 在 锎 一5 ( C ) 和 HI 3 O FG 分 2 2 f源 1
串 列 加 速 器 下 进 行 了单 粒 子 效 应 试 验 研 究 , 测试 了 静 态 单 粒 子 翻 转 截 面 及 发 生 单 粒 子 闩锁 的 线 性 能 量 转 移 阈
中 , C 源 不 是 理 想 的 测 试 单 粒 子 闩锁 的辐 射 源 。 f 关 键 词 : 现 场 可 编 程 门 阵列 ; 单 粒 子 效 应 ; 。 C 源 ; 重 离子 加 速 器 ; 线 性 能 量 转 移 阈值 f 。
中 图分 类 号 : 04 2; TN3 6 1 7 8 . 文 献标 志码 : A d i 1 . 7 8 HPI 2 1 2 0 . 2 9 o:0 3 8 / 0 13 8 2 2 PB

COTS 处理器单粒子效应检测系统设计

COTS 处理器单粒子效应检测系统设计

Vol. 39, No. 6航 天 器 环 境 工 程第 39 卷第 6 期590SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING2022 年 12 月 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544COTS处理器单粒子效应检测系统设计胡鑫犇1,王 通1,刘书萌1,许志宏2*,杨凯文1,王新锋1,焦运良1,张洪印1(1. 中电长城圣非凡信息系统有限公司,北京 102209; 2. 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)摘要:商用现货(COTS)处理器应用于星载计算机主控制器前须经过地面单粒子效应试验验证。

与同等价位的宇航级处理器相比,COTS处理器具有集成度高、功能复杂、接口丰富的特点,需要为其定制化设计单粒子效应试验测试系统。

文章针对COTS处理器的片内存储器、寄存器数量万倍于宇航级处理器以及接口功能更加丰富的特点,确定单粒子锁定(SEL)测试、存储器翻转测试、寄存器翻转测试、典型指令集测试和接口功能测试作为试验测试项;并提出一套单粒子效应试验测试系统方案,实现了对被测处理器的各路供电电流、存储器、寄存器和外部接口功能的有效测试和监控。

关键词:单粒子效应;商用现货器件;中央处理器;测试系统中图分类号:TP391.9文献标志码:A文章编号:1673-1379(2022)06-0590-07 DOI: 10.12126/see.2022041Design of a single event effects detection system for COTS processorHU Xinben1, WANG Tong1, LIU Shumeng1, XU Zhihong2*, YANG Kaiwen1, WANG Xinfeng1,JIAO Yunliang1, ZHANG Hongyin1(1. China Electronic Greatwall Shengfeifan Information System Co. Ltd., Beijing 102209, China;2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)Abstract: Commercial off-the-shelf (COTS) processor needs to be verified by ground-based single event effects (SEE) test before being used in the main controller of the space-borne computers. Compared with the space-level processors of the same price, COTS processors have the characteristics of high integration, complex functions, and rich interfaces. Therefore, it is necessary to customize the design of a SEE test system for it. In this paper, based on the characteristics that the number of COTS processor’s on-chip memory and register are ten thousand times more than that of the space-level processor and that the interface functions of COTS processor are more abundant, single event latchup (SEL) test, memory flip test, register flip test, typical instruction set test, and interface function test were selected as the test items. A set of SEE test system was proposed to effectively test and monitor the power supply current, memory, register, and external interface function of the tested processor.Keywords: single event effects; COTS device; CPU; test system收稿日期:2022-04-24;修回日期:2022-11-15基金项目:科技部重点研发计划项目(编号:2022YFB2902700)引用格式:胡鑫犇, 王通, 刘书萌, 等. COTS处理器单粒子效应检测系统设计[J]. 航天器环境工程, 2022, 39(6): 590-596HU X B, WANG T, LIU S M, et al. Design of a single event effects detection system for COTS processor[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2022, 39(6): 590-5960 引言空间单个高能粒子入射到半导体器件或集成电路芯片时可能会产生单粒子效应[1]。

SRAM型FPGA的单粒子效应及TMR设计加固

SRAM型FPGA的单粒子效应及TMR设计加固
第3 3卷第 2期
21 0 2年 0 4月
航天 返 回与遥 感
S AC C F EC VE Y & RE P E RA T R O R MO E S NSN T E I G 4 9
S A 型F G R M P A的单粒子效应及 T MR设计加固
黄伟 刘涛 王华 潘 卫 军
( 北京 空 间 机 电研 究 所 , 京 10 7 ) 北 0 0 6
摘 要 宇 宙 空 间 中存在 多种 高能粒 子 .其 辐 射 效 应 会 严 重威 胁 航 天 器 中现 场 可编 程 j阵 列 (id , - i Fe l
Por m b a r v F G ) rg m al G t Ar .P A 器件工作 的可靠性。文章研究 了静 态随机存储 器型(ti R n o ce a e e a S t adm A cs ac s Me oyS AM)P A 中的 单粒 子翻 转效应 。 m r,R FG 理论 计 算表 明 , 用三模 冗余 (r l MoueR d nac ,MR 采 Ti e dl eu dnvT ) p
m d l rd n a c (MR) e o o g a lae h a g sl db E . ni poe MRaci c r o ue e u d n y T m t dl ycnr e s e mae eut y U A rvdT rht t e s h o e t d r e S m eu i
3 个相同的输入 . 产生的结果送至多数选择器 , 选择器的输出取决于 3 个输入的多数 . 如图 1 所示 。 假设某一天用户逻辑 因 S U的影响而出错的概率为 P。 E n 选择器出错概率为 P, 。 两者都采用 F G P A中相
同的逻辑资源实现 , 因此具有相同的数量级 , 根据文献【 , 7 该数值应该小于百万分之一。 M ] T R操作之后 , 用户 逻辑出错的概率为 , 计算过程如式 () 1:
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

英文回答:
In the light of the context and significance of the tests on the effects of heavy ion particles in space semiconductor units, full consideration must be given to the stability and reliability of the space vehicle under the effects of heavy ion ion ions. In the course of the experiment, particular attention will need to be paid to key elements to ensure that the data are accurate and reliable, and that the test guide is summarized and analysed, emphasizing its importance and significance for improving the resistance of space semiconductors to interference.
根据宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验的相关背景和意义,在确定试验方法时,必须充分考虑宇航器件在重离子单粒子效应下的稳定性和可靠性。

在试验过程中,需特别注意各关键环节,确保数据准确可靠,并对试验指南进行总结分析,强调其对于提高宇航用半导体器件抗干扰能力的重要性和意义。

The single particle effect of heavy ion means the effect of high energy heavy ion on semiconductor devices in space or in the nuclear radiation environment. In space spacecraft, semiconductors play very important roles, such as control and measurement systems. Understanding and studying the single
particle effects of heavy ion are essential to ensure the reliability and stability of space spacecraftponents. Through the heavy ion single particle effects test, it is possible to simulate the radiation environment in space, test the radiation resistance of semiconductor devices and provide an important reference for the design and selection of spacecraft in space. In order to determine the method of testing the single particle effects of heavy ion, applicable to semiconductorponents in space, consideration needs to be given to the conditions of theponents in special working environments, such as radiation environment and temperature changes in space. Test methods include selection of suitable heavy ion types and energy, determination of test parameters and measurement methods. The accuracy and reliability of the test results can be ensured by carefully designed test programmes.
重离子单粒子效应就是指在太空或者核辐射环境中,高能重离子对半导体器件造成的影响。

在太空航天器中,半导体器件扮演着非常重要的角色,比如控制和测量系统。

了解和研究重离子单粒子效应对于确保太空航天器件的可靠性和稳定性至关重要。

通过重离子单粒子效应试验,可以模拟太空的辐射环境,测试半导体器件的抗辐射能力,为太空航天器件的设计和选择提供重要参考。

为了确定适用于太空用半导体器件的重离子单粒子效应试验方法,需要考虑到器件在特殊工作
环境下的情况,比如宇宙空间的辐射环境和温度变化。

试验方法包括选择合适的重离子种类和能量,确定测试参数和测量方法等。

通过精心设计试验方案,可以确保试验结果的准确性和可靠性。

In conducting the heavy ion single particle effects test, attention needs to be paid to key experimental steps, including preparation of samples, calibration of test equipment and environmental control. Test programmes and evaluation criteria must be developed for the characteristics and uses of different devices. Drawing on lessons learned and case studies, the continuous refinement of the experimental guide on the effects of heavy ion particles onponents of the semiconductor in space will help to improve the radiation resistance and reliability of spacecraft.
在进行重离子单粒子效应试验时,需要注意关键的实验步骤,包括样品的准备、测试设备的校准和环境的控制等。

针对不同器件的特性和用途,必须制定相应的试验方案和评价标准。

借助经验总结和案例分析,不断完善宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南,将有助于提高宇航器件的抗辐射能力和可靠性。

相关文档
最新文档