大咖幹貨 | 集成電路的軟錯誤率（SER）的發生與評估 輻射檢測

我們的生活空間(jiān)充滿瞭(le)各種各樣的電離輻射，看不見也摸不著。

這些電離輻射可能來自於(yú)宇宙中的高能宇宙射線，也可能來自我們周邊(biān)各種物質元素同位素産生的電離粒子。當(dāng)我們攤開手掌時，每秒鍾大約有一個(gè)大氣中子穿過我們的手心。

其實電(diàn)離輻射並(bìng)不可怕，低劑量的輻射對人類健康並(bìng)不構成威脅，人體的自我修複功能足以應付。但是對於(yú)自我修複能力沒那麽強的電子元器件，這種低劑量的電離輻射就會産生較大的影響瞭(le)。

問題1   什麽是電(diàn)離輻射，他們會對電(diàn)子元器件産(chǎn)生哪些影響？

所謂的電離輻射，是指高能粒子，如電(diàn)子、質子、中子、α粒子，在穿越物質過程中與物質發(fā)生交互作用，高能粒子通過各種物理作用将能力耗散，這些耗散的一部分能量足以引發被作用物質發生電(diàn)離，産(chǎn)生電子-空穴對。

對(duì)於(yú)元器件而言，比如常見的MOS結構，MOS結構耗盡區的電(diàn)場(chǎng)會驅使電(diàn)子-空穴分離，形成一種電(diàn)荷收集的效應
，表象上在漏極形成一個電流脈沖，當收集過程超過“臨界電荷"，就會引發(fā)MOS高低電(diàn)平的轉換。

對於(yú)邏輯或存儲電路而言，這種電平轉換即表現爲“0"到“1"或“1"到“0"的變(biàn)化，稱這種現象爲“單粒子翻轉（SEU）"。

單粒子翻轉可以發生在一個電路單元，也可以由於(yú)電荷共享，造成臨近物理地址的單元同時發生翻轉，這種現象又稱(chēng)爲“多位翻轉（MBU）" 。

單粒子翻轉會引起電路的邏輯或存儲(chǔ)錯誤，但是這種錯誤往往可以通過電路的刷新而得到恢複，稱(chēng)這種現象爲軟(ruǎn)錯(cuò)誤（Soft Error），一定時間内産(chǎn)生多少這種軟錯誤稱(chēng)爲軟錯誤率（SER）。

但如果電離過程過於(yú)劇烈或者電荷收集電場過於(yú)強大，引發的收集過程的電流過大就會對電路單元産(chǎn)生不可挽回的損傷（過電損傷），這種現象爲硬錯(cuò)誤(wù)（Hard Error），包括闩鎖、栅穿、燒毀(huǐ)等，這些現象在宇航空間中偶發(fā)出現，而在地球大氣以下的空間，往往出現在特殊的功率器件中，比如IGBT。

問題2   爲什麽航空和汽車(chē)要做軟錯(cuò)誤率評估？

對於地面或近地空間，α粒子和大氣中子分别是半導(dǎo)體集成電(diàn)路面臨的主要輻射源，前者來自器件内部，後(hòu)者來自器件外部的大氣環(huán)境
。

半導(dǎo)體器件的各種制造和封裝材料(模塑料
、焊球、底部填充膠等)中含有少量的的同位素，這些同位素釋放出α粒子（氦核），具有較強的電(diàn)離能力，但是其穿透能力較弱，在Si中的穿透力有限約爲(wèi)幾(jǐ)十μm。

大氣中子是來自宇宙空間的高能粒子射線轟擊地球上空的中性大氣，誘發(fā)産(chǎn)生的中子，其特點(diǎn)具有非常寬的能量範(fàn)圍，而且中子的穿透能力強。

無論是哪種粒子，它們都是廣(guǎng)泛地存在於(yú)現實生活中的，因此不可避免地會造成具有邏輯或存儲(chǔ)功能的集成電路出現軟錯誤，而這種軟錯誤的随機性會造成器件功能錯誤，傳(chuán)遞給整個電子系統，進而可能引發電子系統故障，甚至電子系統失效。特别是對功能安全相關的電子系統而言，這種輻射帶(dài)來的集成電路軟錯(cuò)誤的影響尤爲明顯，會直接威脅到這個電子系統的安全運行。

。

大氣中子的産生

在高可靠性和強安全依賴性的電子設備應用領域，控制芯片，存儲芯片等複雜集成電路，受α粒子和大氣中子輻射産(chǎn)生的軟錯(cuò)誤及軟錯(cuò)誤率是必要的考核項目。

如在航空領域IEC 62396《航空電(diàn)子設備(bèi)過程管理-大氣輻射效應》詳細論述瞭(le)大氣中子誘發單粒子效應對元器件、設備、系統的影響和應對策略，並(bìng)且大氣中子單粒子效應也納入瞭(le)DO254的基礎程序與認證方法的重點考慮因素。

在地面交通領域，ISO26262将α粒子和大氣中子誘發集成電路軟錯誤作爲系統安全的重要基礎(chǔ)數據來源。汽車(chē)電子認證标準AEC-Q100将集成電路（具有大於(yú)1MB SRAM或DRAM）在α粒子和大氣中子下的軟錯(cuò)誤率作爲單獨認證項目。

問題3   軟錯(cuò)誤率實驗如何實現的
，需要具備(bèi)哪些條件？

軟錯誤率實驗目前主要採(cǎi)用加速實驗輻射方式完成對集成電路地面單粒子軟錯(cuò)誤的實驗。

加速實驗即採用單位時間内粒子放射量（通量）高於(yú)真實情況(kuàng)數倍的放射源，對待測(cè)器件進行輻照實驗，得到累積軟錯(cuò)誤數據後，再通過與實際情況比例系數反推至真實情況(kuàng)下的軟錯(cuò)誤率。

目前α粒子輻(fú)射源主要採(cǎi)用同位素源，而大氣中子一般採(cǎi)用散列中子源進行加速實驗。

實驗過程中除瞭(le)要擁有必要的輻射源，還需要考慮其他因素對(duì)實驗的影響，原則上需充分暴露樣品的敏感區，並(bìng)減(jiǎn)少其他因素的影響：如針對α粒子實驗而言，其在Si中穿透深度有限，需要讓輻射源充分地貼近器件的輻射敏感區（存儲(chǔ)區），因此實際實驗時需要採(cǎi)用定點開封，以暴露出這些敏感區，而如果器件採(cǎi)用瞭(le)FLIP-CHIP方式的封裝，則可能無法進行α粒子實驗。

進行集成電(diàn)路軟錯(cuò)誤率實驗時，需要：

1.保證器件可以持續工作。

2.通過監測(cè)手段獲得器件存儲(chǔ)區的實時數據。

3.能夠與預期數據進行實時比對，確定錯誤數據。

4.需要能夠檢測(cè)到錯(cuò)誤數據的實際物理地址，這主要是爲瞭(le)統計實驗過(guò)程中出現的多位翻轉情況。

α粒子實驗過程

廣電計量的服務

廣電計量作爲專業第三方測(cè)試平台，在集成電路軟錯誤率評估方面具備(bèi)的技術開發團隊，爲集成電路産品提供包括AEC-Q100，ISO26262，IEC62396等的相關标準規定的集成電路軟錯誤率評估實驗提供技術咨詢和技術服務，包括測(cè)試方案設計與優化
，測(cè)試系統軟硬件開發，輻射實驗實施
，數據收集與分析。爲集成電路産品的檢測(cè)認證，功能安全評估提供技術支持和保障。

專家簡介

廣電計量的服務

廣電計量作爲專業第三方測(cè)試平台，在集成電路軟錯誤率評估方面具備(bèi)的技術開發團隊，爲集成電路産品提供包括AEC-Q100，ISO26262，IEC62396等的相關标準規定的集成電路軟錯誤率評估實驗提供技術咨詢和技術服務，包括測(cè)試方案設計與優化，測(cè)試系統軟硬件開發，輻射實驗實施，數據收集與分析
。爲集成電路産品的檢測(cè)認證，功能安全評估提供技術支持和保障。

專家簡介

嶽龍，博士學曆，高級工程師，電子元器件質量可靠性專業，從(cóng)事電子元器件篩選及可靠性測(cè)試與評價技術研究，電子元器件空間環境，輻射環境的服役行爲表征及實驗技術研究，電子元器件失效分析技術研究，電子元器件加速壽命實驗理論及測試技術研究，元器件裝聯工藝質量評價技術研究，元器件國産化驗證技術研究。

熟悉電子元器件性能及可靠性評價方法，在可靠性驗證方面具備(bèi)豐富經驗，作爲專家支撐國産化元器件驗證工程，元器件鑒定及質量歸零。主持或參(cān)與科研課題5項，省市級科研課題5項，發表SCI及核心期刊論文17篇，發明7項，譯著1本。

關於廣電計量半導體服務

廣電計量在全國設有元器件篩選及失效分析實驗室，形成瞭(le)以博士
、專家爲首的技術團隊，構建瞭(le)元器件國産化驗證與競品分析、集成電路測試與工藝評價
、半導體功率器件質量提升工程、車規級芯片與元器件AEC-Q認證、車規功率模塊AQG324認證等多個技術服務平台、滿足裝備(bèi)制造、航空航天、汽車、軌道交通、5G通信、光電器件與傳感器等領域的電子産品質量與可靠性的需求。

我們的服務優勢

●配合牽頭“面向集成電路、芯片産(chǎn)業的公共服務平台建設項目"“面向制造業的傳(chuán)感器等關鍵元器件創新成果産(chǎn)業化公共服務平台"等多個項目；

●在集成電(diàn)路及SiC領(lǐng)域是技術能力的第三方檢測機構之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型号的芯片驗證；

●在車(chē)規(guī)領域擁有AEC-Q及AQG324服務能力，獲得瞭近50家車廠的認可，出具近300份AEC-Q及AQG324報告，助力100多款車規元器件量産。