宇宙遍布著(zhe)各種高能量的輻射粒子 ，這些粒子會對元器件帶來影響，如何進行抗輻射設計成爲瞭(le)工程師針對邏輯類數字電路、存儲器以及某些功率器件的一個必要考量。
宇宙空間中存在能量高而數量極低的輻射粒子，這些粒子會造成瞬态巨大的電離能量沉積。沉積的能量可以用線性能量沉積LET值來度量 。下面兩個圖引用瞭(le)國際空間站軌道ISS監測到的空間軌道粒子能譜，並(bìng)計算獲得瞭(le)相應的LET值。從圖中可以看出，LET值越高的粒子其豐度越低。
盡管這些大LET值的粒子存在較少，但它們對半導體元器件的影響極大，尤其是對邏輯器件和存儲(chǔ)器件 。幸運的是，高LET值粒子在空間中的分布極少，它們對器件的影響類似於(yú)一個個間斷的獨立事件 ，不會持續發生甚至出現粒子之間的重疊耦合。因此，我們将這種由高LET值粒子引發的器件異常行爲定義爲單粒子事件效應（Single Event Effect-SEE）。
來源;張戰剛(gāng)，SRAM單(dān)粒子效應地面加速器模拟試驗研究，中國科學院大學，博士學位論文 2013
高LET值離子穿透器件會在其入射軌迹上産生強電離效應。單位路徑上沉積的能量就是LET值 ， LET越高，電離産生的電子-空穴越多。如果離子軌迹穿過瞭(le)器件的耗盡區（強電場區），這些電離産生的電子-空穴在電場作用下發生遷移，並(bìng)被器件的高低電位點收集，從而産生脈沖電流。這種脈沖電流存在兩種作用：
其一，電流攜帶的電荷被收集，從(cóng)而改變(biàn)各端電極的電位 ，從(cóng)而引起邏輯狀态翻轉（高電位變(biàn)成低電位/低電位變(biàn)成高電位）。
其二 ，電流脈沖(chōng)作爲電流激勵會誘發某些寄生結構的開啓，如可控矽結構，從(cóng)而誘發闩鎖（Latch-up）事件，甚至是某些雪崩擊穿或燒毀 。
在工程上，對於(yú)邏輯類數字電路、存儲(chǔ)器以及某些功率器件，對單粒子效應的考核主要考慮單粒子翻轉和單粒子闩鎖。而對於(yú)某些功率器件，還需要考核單粒子燒毀。
圖片示例
試驗标準國内目前採用QJ 10005-2008《宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南》和GJB 7242-2011《單粒子效應試驗方法和程序》來指導航天用器件的單粒子試驗 。試驗程序如下圖所示，包含瞭(le)試驗過程中對闩鎖、燒毀和翻轉三種現象的監測。同時，還兼顧瞭(le)用於(yú)摸底LET阈值和飽和截面的程序。
試驗流程
不同結構 、工藝和功能的半導體元器件，在遭受相同LET值的粒子轟擊時 ，其發生單粒子翻轉的概率是不同的 。這主要是因爲器件對單粒子效應的敏感程度各不相同 。爲瞭(le)描述這種敏感程度，一般採(cǎi)用以下幾個度量标準 ：
1、翻轉截面 ：它描述瞭(le)單位粒子注量下産生翻轉的數量，單位爲cm2/device。翻轉截面的大小取決於(yú)器件的結構和粒子的LET值。換句話說 ，相同LET值下 ，翻轉截面越大，說明器件對單粒子翻轉的敏感度越高
2、飽和截面：随著(zhe)LET值的增加，器件的翻轉截面並(bìng)不會一直上升 ，而是會達到一個平台，這個平台對應的截面就是飽和截面 。
3、LET阈值：這是定義翻轉截面爲1%的飽(bǎo)和截面時對(duì)應的LET值 。也就是說，LET阈值就是能最小程度地引起器件翻轉的LET值。
這些度量标準的存在，使工程師們能夠更好地理解半導體元器件對於(yú)單粒子效應的敏感程度，從而爲器件的設計和制造提供參(cān)考。
爲進行單粒子試驗工程師需要獲得具有較大LET的粒子，一般都要採(cǎi)用能量達到GeV/nucleon的帶電粒子。這就需要用的加速器，GJB 7242-2011中主要推薦兩種加速器，即串列靜電加速器和回旋加速器 。兩者各有特點，适用於(yú)不同需求場景：
1、串列靜電加速器，高能粒子容易獲得 ，可連續變(biàn)換粒子種類和能量 ，适用於(yú)翻轉截面摸底試驗 ，但其對粒子加速能力有限，故隻能獲得能量較低的帶電粒子，這造成其穿透深度有限 ，故不适用於(yú)敏感區較深的器件，矽中射程一般在幾十微米。
2、回旋加速器，其加速能力強，可獲得較大能量的帶電粒子，穿透深度高 ，矽中射程在幾百微米，但其不易改變(biàn)粒子的種類和能量，适用於(yú)考核試驗 。
考核試驗時對(duì)試驗源參(cān)數的選擇單粒子效應較其他輻射效應而言，其不確(què)定性更大。因此對單粒子效應的考核需要充分考慮空間實際情況，來選擇考核粒子LET值範圍。如下圖所示爲GEO（其他軌道幾乎與GEO相同），随著(zhe)LET值的增大，粒子強度呈現九級“瀑布"式分布，且不同分布上 ，粒子種類也存在差異 。
由圖中可見，按照粒子的通量存在兩大闆塊 ，其一爲LET值在26 MeV cm2/mg以下的區域，這部分是高能粒子的主力，如果器件在LET阈值小於(yú)15-26這個區間 ，意味著(zhe)器件在空間應用時會頻繁發生軟錯誤。所以一般工程抗考核時，對翻轉阈值≤ 26 MeV cm2/mg不建議使用。
另外一個區域是達(dá)到105 MeV cm2/mg時，此時粒子通量極低，可基本忽略。所以對於(yú)器件翻轉阈值大於(yú)105 MeV cm2/mg時，可認爲該器件對單粒子效應免疫。
對於(yú)某些功率器件，其内部敏感區普遍處於(yú)較深的位置 ，粒子必須有足夠的能量穿透到器件，觸(chù)發其可控矽結構方能發生闩鎖。具有這種能力的粒子，基本上其粒子LET峰值在75 MeV cm2/mg以下 。所以當器件在75 MeV cm2/mg考核下，不發生闩鎖，可認爲對單粒子鎖定免疫。同時也不希望在更高通量的粒子下發生闩鎖 ，所以建議器件的闩鎖阈值下限要高於(yú)37 MeV cm2/mg。
綜合上述，對於(yú)單(dān)粒子翻轉的考核，粒子LET考核要考慮低於(yú)15-26 MeV cm2/mg，一旦低於(yú)15 MeV cm2/mg則爲不可用 。而單(dān)粒子闩鎖的考核範圍爲37-75 MeV cm2/mg。
對單粒子試驗的粒子通量（單位時間，單位面積的粒子數），注量（單位面積，累積粒子數）和累積錯(cuò)誤數的規定主要從(cóng)以下幾個方面考量：
1、對粒子通量，原則上應盡可能接近實際應用，不希望兩個粒子作用時間存在交疊 ，交疊可能産(chǎn)生嚴重的單粒子現象。同時要考慮加速器所能給定的z低通量，以及兼顧試驗成本（通量越低 ，試驗時間越長(zhǎng)，試驗成本越高）。
2、對(duì)注量的要求 ，主要是防止總劑量效應的發生 ，根據工程經驗，當(dāng)重離子累積注量不超過107 ions/cm2時，重離子輻射的累積總劑量效應可以忽略；
3、對累積錯(cuò)誤數的考慮 ，單粒子效應試驗本質上是一種統計試驗 ，是以小子樣評估爲基礎(chǔ)，實踐中 ，盡量獲得更多的錯(cuò)誤數據，以保證評估的置信度 ，标準中要求至少累積100個錯(cuò)誤。
4、爲保證試驗的置信度，盡量累積多的錯(cuò)誤，但同時不能超過總劑量效應發生的累積粒子數，所以以記錄到的錯(cuò)誤和達到的累積粒子數最先觸(chù)及的條件作爲試驗中止條件。
受試器件的準備在進行單粒子試驗時，受試器件的處置方法極爲重要。首先，工程師必須確(què)保器件的封裝不會阻礙試驗源重離子到達器件的敏感區，否則将無法觀察到任何單粒子現象的發生，從而導緻試驗失敗。因此，工程師需要參照标準給定能量的Si中射程，在試驗前充分評估並(bìng)保證粒子能夠到達敏感區的方法。
爲瞭(le)實現這個目标，工程師可以通過機械或化學開封的方式将裸芯片暴露出來。對於(yú)倒裝器件，應採用機械研磨或切削進行襯底減薄。如果使用環形加速器進行試驗，應盡可能保證器件襯底低於(yú)100μm。無論是通過機械開封還是襯底減薄的方式，我們都應確保器件能夠保持正常的加電和工作狀态。
對於(yú)功率器件，如果正面金屬層較厚，工程師應採用背面襯底減薄的方式進行評估和考核試驗。這樣可以確(què)保試驗的準確(què)性和可靠性，同時也能有效地保護器件不受損傷。總的來說，對受試器件的處置是一個需要綜合考慮多種因素的過程，旨在保證試驗的成功進行和結果的準確(què)性。
對測試系統的要求參(cān)考GB/T 39343-2020《宇航用處理器器件單粒子試驗設計與程序》，進行單粒子試驗的電路闆及測(cè)試系統應考慮如下：
1、能夠承載待測(cè)器件，可採(cǎi)用焊接，也可採(cǎi)用Socket裝夾；
2、能夠施加供電電壓，並(bìng)可根據需要改變(biàn)電壓；
3、能夠對器件進行讀(dú)/寫操作，能夠抓取讀(dú)寫單(dān)元的地址信息，包括物理地址；
4、上位機軟件能夠記錄讀操作的數據，並(bìng)可與預期值比較，並(bìng)根據錯(cuò)誤的物理地址信息區分SEU和MBU；
5、控制回路和待測(cè)器件承載闆盡量採(cǎi)取字母闆的方式，以避免輻射粒子對控制回路器件影響，導緻試驗噪聲；
6、線纜進(jìn)行必要屏蔽，避免電(diàn)噪聲；
7、ECC糾錯盡量關閉(bì)，否則單位翻轉監測(cè)不到，隻能監測(cè)多位翻轉；
8、軟錯(cuò)誤可能對供電(diàn)電(diàn)壓十分敏感，盡量将可能的供電(diàn)狀态都進行獨立的試驗，這是因爲很多用戶十分關注軟錯(cuò)誤率與供電(diàn)狀态之間的關系。
9、減少死時間：讀與寫間隔内，發生錯(cuò)誤是無法被監控到，會導(dǎo)緻錯(cuò)誤率的低估；
10、re-rewritten的向量寫補(bǔ)碼(mǎ)；
11、禁止整體寫、整體讀(dú)，如此會使死時間增加50%，錯(cuò)誤率低估一倍；
12、 建議即時讀寫，即一個地址進行兩個訪問循環，其中一個訪問位讀訪問，同時比較錯(cuò)誤和記錄錯(cuò)誤，另一個訪問循環寫入補(bǔ)碼；
13、 要進行地址碼和存儲(chǔ)數據一一核實，會存在地址譯碼電路翻轉造成的錯(cuò)誤寫入。
廣電計量半導體服務優勢● 牽頭工信部“面向集成電路、芯片産(chǎn)業的公共服務平台建設項目" ，參(cān)與工信部“面向制造業的傳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；
●牽頭建設江蘇省發改委“江蘇省第三代半導(dǎo)體器件性能測(cè)試與材料分析工程研究中心"
● 在集成電路及SiC領域是技術能力全面 、認可度高的第三方檢測(cè)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；並(bìng)支持完成多款型号芯片的工程化和量産。
● 在車(chē)規(guī)領域擁有AEC-Q及AQG324一站式能力，獲得瞭(le)近50家車廠的認可，出具近400份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車規元器件量産。
地址：廣州市番禺區石碁鎮創運路8号廣電計量科技産業園
電話：400-602-0999
郵箱：limx3@grgtest.com
傳真：
點擊交流