国家空间科学中心 空间抗辐射平台
用户登录
航天日来临之际,激光试验公共平台倡议合作共赢
发布日期:2019-04-25 14:42:39

背景趋势

       当前,先进集成电路几乎全部采用100nm以下工艺实现,集成电路技术已经全面进入纳米时代,现代及未来电子系统将需要大量性能更高、功耗成本更低、数据处理能力更强大及抗辐射效果更好的深亚微米器件及纳米器件。然而,先进工艺器件将面临更为严重的抗单粒子效应挑战,如图1所示,辐射问题尤其是单粒子效应问题已成为影响集成电路在空间可靠应用的主要问题。如图2所示,65nm电路临界电荷已经低至1fC,未来纳米级集成电路在轨错误率将非常高。新的器件物理问题和新的辐射效应问题诸如互联层及通孔材料的变化、源漏穿通、电荷共享效应等随之出现,给纳米级集成电路抗辐射加固带来新挑战。同时,越来越多的工艺先进、性价比高的商用现货器件应用在卫星上,由此导致的各种故障层出不穷,且存在故障特征多样难以准确复现、故障机理分析困难、故障来源不清及难以定位的问题。


11.jpg

图1  由辐射引发的航天器在轨异常分类

 

22.jpg

图2  不同工艺节点下器件单粒子效应临界电荷


技术能力

       脉冲激光试验手段在快速预评估筛选敏感器件、获取单粒子效应敏感特性参数、敏感区域精准定位、防护加固效果验证过程中,获得国内外同行的普遍认可,并已发挥重大作用。小抗于2001年开展了脉冲激光模拟单粒子效应的理论和关键技术研究,给出了脉冲激光LET阈值的基本计算方法。在国内率先尝试了制约大规模集成电路测试的芯片背部辐照技术,陆续为国内多家单位提供的进口和自研的空间用多种工艺的各功能类型器件SRAM、Flash、FPGA、EEPROM、CPU、DSP、运放、ADC、DC-DC的多种单粒子效应故障类型开展了激光模拟研究,为载人航天、探月工程、“核高基”、空间科学先导专项等重大科技任务提供了应用服务。
       小抗已经形成了单粒子锁定及翻转多类型效应的敏感度快速摸底评估、0.13μm以上工艺器件扫描测绘分辨率达0.1µm的单粒子效应薄弱部位扫描测绘技术、圆片级器件单粒子效应电荷脉冲测量及多种模式的单粒子锁定和翻转故障注入技术等核心技术能力(参考小抗之前脉冲激光SEE评估相关公众号推文)。已建立的多台套、多波段宽等效LET值范围的快速摸底试验平台如图3所示,建立的器件单粒子效应敏感部位自动扫描测绘系统如图4所示,建立的单管器件单粒子电荷脉冲测量系统如图5所示,这些都为器件单粒子效应机理研究提供了新颖充分的实验条件。图4中的亚微米器件单粒子闩锁效应自动扫描测绘测试示例,将芯片移动、激光辐照和效应检测同步起来,可实现激光定点、定数辐照芯片,效应自动扫描测试和敏感区域实时显示。图5中的探针测量单粒子瞬态电荷收集系统为利用单管单粒子瞬态电荷脉冲波形捕获提供了很好的技术手段。

33.jpg

图3  中关村、怀柔两处实验室多台试验装置开放服务

 

44.jpg

图4  单粒子效应敏感部位自动扫描测绘系统及测试示例

 

55.jpg

图5  单粒子效应电荷脉冲测量系统及测试示例

 

发展倡议

       面向未来,在各种新型器件单粒子效应机理研究及抗辐射加固设计过程中,需要器件研制单位、系统应用单位、辐射效应机理研究及评估等单位多方加强合作。值此第四个航天日来临之际,在即将开幕的第二届“一带一路”国际合作顶级战略高峰论坛东风下,小抗也在咱们抗辐射领域学术研究及工程应用层面倡议如下:
(1)开展单粒子效应机理研究和器件研发方面高效率的精细化的试验评估应用合作
对新型元器件单粒子效应机理研究需要大量的、反复的摸索试验,激光提供便捷、高效的试验手段和技术支持。器件的抗单粒子效应设计和研发需要多个回合的设计、试制、试验、改进,在研发的初期阶段合作开发激光试验技术应用,较快地评估初步设计效果、有针对性地为后续研发提供反馈信息。同时,随着工艺技术的进步和特征尺寸的持续缩小,对单粒子效应的机理认识和加固设计需要在更精细的空间和时间尺度加以掌握和实现。需要发展技术手段对器件发生单粒子效应的空间分布进行扫描测试,甄别测绘其敏感区域,为器件级加固设计提供有针对性指导。
(2)开展电路系统级的单粒子效应敏感器件评估及加固设计验证应用合作
针对航天电子系统必须使用对单粒子锁定、烧毁等较敏感的器件,采取电路系统防护、工作电压降额等设计,开发利用脉冲激光试验验证防护设计有效性;针对单粒子翻转敏感器件,可综合应用故障软件仿真与脉冲激光试验相结合的方式,高效率地全面暴露单粒子翻转造成的故障影响及充分验证防护设计的有效性。同时可利用激光有效进行多位翻转及软件模拟无法仿真的寄存器区故障注入,更加真实反映单粒子效应的系统级传播危害程度。


已有基础

    如图6所示,近十年来已有数十家国内外单位联合小抗开展相关单粒子效应激光试验评估工作,为鼓励国内外高校及科研院所面向新材料、新工艺、新结构等各种新型器件开展前沿抗辐射机理探索研究,小抗在此特别倡议大家,共同开发应用中科院国家空间中心的“脉冲激光试验公共平台”,合作开展高水平研究,并可减免部分试验费用。

66.jpg

图6  近十年SEELAB激光相关国内用户分布情况

 

       近十年来相关典型研究案例形成的论文如下表统计所示。希望更多的优秀团队利用好脉冲激光这把利剑,去触碰学术前沿,不断攻克抗辐射领域中的一个又一个难题,为科技发展做出贡献。

 

                                    

序号

论文

刊物或会议

单位

年份

1

Single Event Effects Test for CMOS Devices Using   1064nm Pulsed Laser

IEEEE 2011 International Conference on Quality,   Reliability, Risk, Maintenance, and Safety Engineering

广州电子五所 

2011

2

A single-event transient induced by a pulsed laser   in a silicon–germanium heterojunction bipolar transistor

Chin. Phys. B   

清华大学

2013

3

TDC-GP1 器件单粒子锁定效应的脉冲激光模拟试验研究

航天器环境工程

中科院上海技物所

2014

4

电流型 PWM 控制器单粒子脉冲瞬态效应的试验研究

核技术

中电24

2014

5

Single Event Effect Hardness for the Front-end ASICs   Applied in BGO Calorimeter of DAMPE Satellite

Chinese Physics C

中国科技大学 

2016

6

Single-Event Transient Characterization of a   Radiation-Tolerant Charge-Pump Phase-Locked Loop Fabricated in 130 nm PD-SOI   Technology

IEEE Transactions on Nuclear Science

中科院上海微系统所

2016

7

Experimental study of bias dependence of pulsed   laser-induced single-event transient in SiGe HBT

Microelectronics Reliability

清华大学

2016

8

Analysis of Single-Event Effects in a   Radiation-Hardened Low-Jitter PLL under Heavy Ion and Pulsed Laser   Irradiation

IEEE Transactions on Nuclear Science

中科院上海微系统所

2016

9

Primary single event effect studies on Xilinx 28-nm   System-on-Chip (SoC)

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research   A

西安交通大学

2016

10

Comparison of Radiation-Induced Charge Sharing   Generated by Heavy Ion and Pulsed Laser

2016 16th European Conference on Radiation and Its   Effects on Components and Systems (RADECS)

国防科技大学 

2016

11

Pulsed-Laser Testing for Single Event Effects in a   Stand-Alone Resistive Random Access Memory

2017 IEEE 24th IPFA

中科院微电子所 

2017

12

Testing of Single Event Effect on Several Commercial   Chips of Optical transceivers based on Heavy ions and Pulse laser Methods

2017 16th International Conference on Optical   Communications and Networks (ICOCN)

中科院空间应用中心 

2017

13

Primary investigation the impacts of the external   memory (DDR3) failures on the performance of Xilinx Zynq-7010 SoC based   system (MicroZed) using laser irradiation

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research   B

西安交通大学 

2017

14

Comparison of single-event upset generated by heavy   ion and pulsed laser

Science China(Information Sciences)

国防科技大学 

2017

15

The Threshold Voltage Degradation of MOSFET in   Heavy-ion Single Event Effect Test

European Conference on Radiation and Its Effects on   Components and Systems (RADECS) workshop

中科院空间应用中心 

2018

16

A SET-tolerant High-frequency Multi-biased   Multiphase Voltage-Controlled Oscillator for Phase Interpolator-based Clock   and Data Recovery

IEEE NSREC

国防科技大学 

2019

 

参考文献:

1.陈伟等,《空间辐射效应地面模拟等效的关键基础问题》;

2.陈伟等, 《纳米器件空间辐射效应机理和模拟试验技术研究进展》;

3.赵元富等, 《纳米级CMOS集成电路的单粒子效应及其加固技术》。