用试验量化单粒子效应对敏感器件的影响

董玉花++陈佳

摘 要本文对敏感器件上的单粒子效应进行试验的条件、试验装置和测试仪表要求、试验程序、失效现象及判据、试验过程中的监测及记录要求进行了阐述。主要通过分析试验结果，以得到大气中子单粒子效应对敏感器件的危害程度，进而分析大气中子单粒子效应在电路设计过程中对产品可靠性的影响，从而能够对中子单粒子效应进行有效防护。

【关键词】单粒子效应 应力分析 潜在故障

1 试验目的

为了获取大气中子单粒子效应对敏感器件的危害程度，针对其敏感器件开展中子单粒子效应试验，发现电路设计中的受单粒子效应影响设计薄弱环节，指出潜在故障发生的位置和原因，改进产品的电路设计措施，提高产品的可靠性水平。

2 试验条件

2.1 辐射源

试验采用的是中国原子能科学研究院中的14MeV中子加速器产生的快中子。

2.2 粒子束流

（1）离子束不均匀性：≤±10%；

（2）注量：使被试器件接受的中子注量达到109（n/cm2）或达到100个错误；

（3）中子注量率在103-5n/cm2-s范围内可调。

2.3 环境温度

辐照间内环境温度为25±3℃。

2.4 屏蔽条件

辐照源与试验件之间使用4mm铝板进行屏蔽。

2.5 工作状态

试验件在辐射过程中执行正常的功能操作，即：

（1）功能单机板级试验期间运行规定的飞行程序，同时监测输入输出状态；

（2）器件级试验期间执行读写操作，同时监测输入输出状态。

3 试验装置

装有敏感器件的模块可通过串口与计算机调试软件进行通信，模块上的敏感器件可通过调试端口与计算机实现数据的输入与回读。如图1所示。

4 试验程序

辐照前，对被试器件进行配置并回读，保存回读数据作为参照数据，在辐照期间，被试器件保持静态状态，辐照后读出被试单元的数据，与参照数据相比较，统计翻转次数。试验流程如图2所示。

（1）写入配置文件，对器件进行配置；

（2）回读并保存回读文件；

（3）记录工作电压和功耗电流；

（4）开始辐照；

（5）辐照至一定注量后，暂停；

（6）记录工作电压和功耗电流；

（7）回读并与辐照前回读文件比较统计发生错误数；

（8）当错误数达到100个时停止辐照，如果没有100个错误，则重复d到g步骤直到注量达到1010n/（cm2）时停止辐照；

（9）通过加载、回读，确定电流及回读功能正常。

5 失效现象及判据

单粒子效应试验过程中，当辐照前后两次会读的存储位数据不一致时，则认为器件发生了单粒子翻转效应，同时两次回读的存储位数据对比结果中不一致的位数就记为单粒子翻转发生的次数。

6 试验过程中的监测及记录要求

6.1 器件的检测

在中子辐照后，通过适合该敏感器件的USB仿真器回读该敏感器件的寄存器或配置单元，以DSP为例的测试系统原理图如图3所示，回读数据与辐照前各配置单元的回读数据数据相比较，统计错误的Bit数。

6.2 试验过程中的记录和处理

当试验过程中出现的故障/错误时，首先应按照失效现象和判据确定故障/错误是否为中子单粒子效应所引起的。

对于中子单粒子效应导致的故障/错误，应详细记录故障/错误出现的时间、注量率、注量、故障/错误现象等信息。

7 试验数据的处理

（1）截面：

式中：N为错误数；

FLUENCE为单位面积的中子注量。

（2）翻轉率/故障率：

式中：σ为截面值；

flux为“XX” 典型工作环境和首飞环境下的中子注量；

A为一加权系数，取1.5至2，步进值取0.1。

8 试验的结束

当试验件发生100个错误或接受的中子注量达到109（n/cm2）时可结束试验。

9 小结

根据以上试验步骤，可以量化分析大气中子单粒子效应对微电子敏感器件的影响，进而通过分析试验结果，在电路设计时对敏感器件进行中子单粒子效应防护设计，从而提高电路设计的可靠性。

参考文献

[1]IEC/TC 62396-2航空电子设备过程管理—大气辐射效应第二部分：航空电子系统单粒子效应试验指南。

作者单位

四川九洲电器集团有限责任公司 四川省绵阳市 621000