韓建偉，封國強(qiáng)，蔡明輝，馬英起,，上官士鵬,，陳 睿，張玉靖

（1. 中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2. 中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

0 引言

單粒子效應(yīng)（SEE）是空間環(huán)境誘發(fā)衛(wèi)星異常和故障的最主要的原因之一[1]。近年，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和工藝的快速進(jìn)步，新一代的小特征工藝尺寸、低功耗、高速度的高性能芯片對單粒子效應(yīng)的敏感性大大增強(qiáng)，使得單粒子效應(yīng)對衛(wèi)星系統(tǒng)的威脅更加嚴(yán)重[2-3]。因此，當(dāng)前國際上大力發(fā)展針對衛(wèi)星電路系統(tǒng)新型器件的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計技術(shù)，規(guī)定衛(wèi)星用器件應(yīng)當(dāng)具有較高的單粒子效應(yīng)LET閾值，對較易發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）要進(jìn)行周密的系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計和驗證[4-5]。

無論是器件級還是電路系統(tǒng)級的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計，均需要有效的試驗評估支持。為了適應(yīng)規(guī)模日益擴(kuò)大、要求多樣化的單粒子效應(yīng)試驗需求，近些年已有美國的JPL、NRL、Boeing公司，俄羅斯的SPELS，歐洲的EDAS、IMS、INFN、MBDA、TU-Berlin，以及日本的JAERI等10家機(jī)構(gòu)先后建立了10余套脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置，開展了系列的研究和應(yīng)用。2000年，美國海軍研究實驗室和洛克希德·馬丁公司首次提出將脈沖激光試驗引入到抗單粒子效應(yīng)器件的設(shè)計研制流程，通過脈沖激光的掃描輻照甄別和定位器件樣片的加固薄弱點，從而為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[6]。洛克希德·馬丁公司將此技術(shù)應(yīng)用于0.8 μm、0.5 μm和0.25 μm的抗輻射加固CMOS外延工藝研發(fā)，獲得了“一次設(shè)計、一次流片、一次評估、一次改進(jìn)、一次成功”的優(yōu)異效果[6]。2002年，法國波爾多大學(xué)電子和信息實驗室（IXL）的Darracq等人針對1 Mbit SRAM（0.8 μm CMOS工藝）和4 Mbit SRAM（0.5 μm CMOS工藝）兩款器件，首次利用脈沖激光從器件背部進(jìn)行了 SEU和單粒子鎖定（SEL）效應(yīng)的定量測試，其中兩款器件SEU閾值與重離子試驗數(shù)據(jù)的偏差分別為 32%和 60%，飽和截面則相差3.8倍和5倍，4 Mbit SRAM的SEL閾值與重離子試驗結(jié)果的偏差為22%[7]。2008年，IXL利用脈沖激光針對Virtex-II系列FPGA，掃描測試到了其配置、存儲、存儲接口、時鐘分配、I/O和I/O接口等 6類功能模塊的 SEU和單粒子功能中斷（SEFI）特性，動態(tài)測試了電路對激光脈沖觸發(fā)的SEU的時間響應(yīng)特性，測試了三模冗余和持續(xù)刷新技術(shù)應(yīng)對SEU誘發(fā)錯誤的效果等[8]。

當(dāng)前，國際上對脈沖激光試驗用于單粒子效應(yīng)研究的主要理論和技術(shù)基本成熟，并對其兩類應(yīng)用形成了共識：1）面向宇航元器件設(shè)計和研制，開展器件初樣抗單粒子效應(yīng)設(shè)計效果評估和薄弱點分析，以及為器件正樣抗單粒子效應(yīng)性能摸底試驗；2）開展衛(wèi)星用器件篩選的抗單粒子效應(yīng)性能摸底評估，以及星載電路系統(tǒng)抗單粒子效應(yīng)設(shè)計效果驗證評估。

我國宇航元器件研發(fā)和衛(wèi)星電路系統(tǒng)設(shè)計面臨的抗單粒子效應(yīng)壓力尤為嚴(yán)峻。其中，能否提供充足試驗機(jī)時的單粒子效應(yīng)試驗評估是“瓶頸”問題之一。為了在一定程度上緩解此“瓶頸”問題，近十年來中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心（以下簡稱“空間中心”）和蘭州空間技術(shù)物理研究所分別自主研發(fā)和從國外引進(jìn)了脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置，積極開展了相關(guān)試驗技術(shù)和方法研究，取得了一系列顯著應(yīng)用成果。

1 空間中心脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置簡介

空間中心從2001年起，最早在國內(nèi)應(yīng)用脈沖激光模擬試驗開展單粒子效應(yīng)的機(jī)理、試驗技術(shù)和試驗方法研究[3,9-10]。用于單粒子效應(yīng)試驗的脈沖激光裝置總體組成如圖1所示，包括6個主要部分：1）脈沖激光器；2）脈沖激光能量調(diào)節(jié)部件；3）脈沖激光能量測量裝置；4）脈沖激光聚焦定位單元；5）試驗控制單元；6）單粒子效應(yīng)檢測設(shè)備。2006年，空間中心成功研制了國內(nèi)首臺自主的ns激光單粒子效應(yīng)試驗裝置（NPLSEE-1）, 其主要性能指標(biāo)是：激光波長1.064 μm，脈寬25 ns，光斑直徑3～4 μm，脈沖重復(fù)頻率1～5 kHz，最小掃描步距1 μm，等效LET 值0.1～200 MeV·cm2/mg。2009年，又研制了第二臺ns激光單粒子效應(yīng)試驗裝置（NPLSEE-2），主要改進(jìn)在于脈寬＜9 ns、光斑直徑2～3 μm。2010年，研制出國內(nèi)首臺自主的ps脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置（PPLSEE-1），其主要技術(shù)指標(biāo)是：激光波長1.064 μm，脈寬25 ps，脈沖重復(fù)頻率1～10 kHz。同時，正在設(shè)計fs激光單粒子效應(yīng)試驗裝置（FPLSEE-1），其主要性能指標(biāo)是：激光波長0.58～2.6 μm可調(diào)，脈寬＜100 fs，光斑直徑1～2 μm，三維掃描定位精度±0.1 μm。

圖 1 脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗裝置總體組成示意Fig. 1 Schematic diagram of the general pulsed laser facility for single event effect study

利用NPLSEE-1、NPLSEE-2以及發(fā)展和掌握的芯片掃描輻照、芯片背部輻照、單粒子效應(yīng)LET閾值與截面的測試等技術(shù)和方法，開展了系列的試驗和應(yīng)用研究，具體情況如下。

2 脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗在宇航器件研發(fā)中的初步應(yīng)用

2.1 掃描分析芯片單粒子效應(yīng)敏感位置分布

脈沖激光很容易聚焦成μm級的微束，進(jìn)一步利用亞μm精度的精密電動平移臺，能夠便捷地對芯片進(jìn)行三維的掃描輻照，配以適當(dāng)?shù)膯瘟Ｗ有?yīng)檢測手段，即可實現(xiàn)對芯片單粒子效應(yīng)敏感部位的快速甄別和定位，這對宇航元器件試樣抗單粒子效應(yīng)性能的分析和設(shè)計反饋有積極意義。

以國產(chǎn)運算放大器SF3503為對象，采用脈沖激光正面輻照試驗，其中包括敏感部位的單粒子瞬態(tài)脈沖（SET）效應(yīng)試驗。掃描測試發(fā)現(xiàn)，SF3503在等效LET值為1.2 MeV·cm2/mg的激光脈沖輻照下就產(chǎn)生了SET效應(yīng)，證明其屬于SET敏感器件。對工作在反向放大器模式下的SF3503進(jìn)行x-y平面的掃描輻照分析，發(fā)現(xiàn)其SET效應(yīng)主要發(fā)生在如圖2(a)所示的4個部位。結(jié)合對該器件電路板圖的分析，甄別出這4個SET效應(yīng)敏感點部位所對應(yīng)的具體的晶體管為——1（Q10）、2（Q16）、3（Q4）、4（Q3、Q1）；對電路結(jié)構(gòu)和工作原理的深入分析能夠很好地解釋這5個晶體管對SET敏感的原因?？梢?，此測試結(jié)果對后續(xù)有針對性的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計有重要的指導(dǎo)作用。

圖2(b)是將脈沖激光光斑定位在晶體管Q3、Q1所在位置，在z方向上移動芯片，測量到幅度不一的SET脈沖。其中，定義SET脈沖幅度最大的位置為z=0 μm，這是晶體管在縱向?qū)ET最敏感的部位；隨著偏離此深度分別向上（+）和向下（-）移動，產(chǎn)生的SET脈沖幅度逐步減?。辉?1.2 μm處SET已經(jīng)變得很微弱，此時激光脈沖的焦平面位置已處于芯片表面了，由此可知此種晶體管對SET最敏感部位位于芯片表面以下31.2 μm處。

圖 2 SF3503工作在反向放大器模式時的SET敏感部位的平面(a)和縱向(b)分布Fig. 2 Locations of SET sensitive nodes for SF3503 device used as inverted amplifier

2.2 快速摸底評估芯片抗單粒子效應(yīng)設(shè)計效果

脈沖激光試驗裝置的輻照脈沖能量（對應(yīng)為等效重離子LET值）可以在寬范圍內(nèi)便捷地連續(xù)可調(diào)，輸出的激光脈沖有較高的重復(fù)頻率，平移臺有較快的精密移動能力。綜合利用這些特點能夠使用系列等效LET值的脈沖激光對整個芯片進(jìn)行快速的全面掃描輻照，統(tǒng)計獲得芯片抗單粒子效應(yīng)性能的摸底試驗效果。為了避開大規(guī)模集成電路芯片正面密集的金屬布線層對輻照激光的遮擋，近年我們發(fā)展了芯片背部激光輻照的試驗技術(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法。采用激光背部輻照，對某單位采用0.18 μm工藝設(shè)計的某邏輯電路加固設(shè)計前后的抗單粒子效應(yīng)能力進(jìn)行了試驗，其中的SEU結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到加固設(shè)計取得了顯著效果，加固后的芯片的SEU閾值提高了1個數(shù)量級，截面降低了3個數(shù)量級。同時，試驗還觀測到未加固的邏輯電路的SEL閾值為2.6 MeV·cm2/mg，而加固后的電路在最大LET值62.6 MeV·cm2/mg輻照試驗時仍未觀測到鎖定現(xiàn)象。

圖 3 某邏輯電路加固前后的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力試驗結(jié)果Fig. 3 Pulsed laser test results before and after singleevent-upset hardening for a certain kind of logic device

3 脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗在衛(wèi)星電路系統(tǒng)設(shè)計中的初步應(yīng)用

3.1 針對某款星用計算機(jī)系統(tǒng)的試驗

某款星用計算機(jī)系統(tǒng)擬采用商用高性能CPU，需要試驗評估該CPU自身的單粒子效應(yīng)敏感性及其對計算機(jī)系統(tǒng)的影響，以及對采取了系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計的電路系統(tǒng)進(jìn)行驗證評估試驗。由于該CPU芯片具有數(shù)層金屬布線，因此采用激光背部輻照的方式。

首先，使用不同的脈沖能量對該CPU芯片進(jìn)行了全面的掃描測試，得到如圖4(a)的測試結(jié)果。在尺寸為10 mm×10 mm的芯片上，采用200 nJ能量的脈沖激光進(jìn)行掃描輻照，在絕大部分區(qū)域均未檢測到單粒子效應(yīng)，只有芯片下方中央部位約0.6 mm× 1.6 mm的區(qū)域?qū)瘟Ｗ有?yīng)敏感。降低能量對該敏感區(qū)域進(jìn)一步掃描輻照，發(fā)現(xiàn)其在能量4.1～11.4 nJ時均能夠發(fā)生不同類型的單粒子效應(yīng)：1）輻照能量在4.1～6.1 nJ時，寄存器出現(xiàn)1位或2位的翻轉(zhuǎn)信息，系統(tǒng)檢測程序有時能夠繼續(xù)運行，有時會發(fā)生CPU自動復(fù)位重啟現(xiàn)象，但未出現(xiàn)CPU徹底死機(jī)的現(xiàn)象；2）輻照能量達(dá)到6.1～11.4 nJ時，不僅導(dǎo)致寄存器信息出錯，而且還導(dǎo)致CPU死機(jī)。圖4(a)所示的紅色“X”部位對單粒子翻轉(zhuǎn)最敏感，對應(yīng)的等效LET閾值為3.7 MeV·cm2/mg；國外重離子試驗得到的此款CPU早期版本的LET閾值為2 MeV·cm2/mg。隨后進(jìn)行了系列的獨立試驗，對此CPU拍攝的X光透視照片如圖4(b)所示，發(fā)現(xiàn)在其下方中央的確有面積類似的結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步的功能測試表明此部位對應(yīng)于該CPU的通用寄存器，其對單粒子效應(yīng)最敏感。依據(jù)上述試驗現(xiàn)象，某部門進(jìn)行了有針對性的系統(tǒng)軟件設(shè)計，初步實現(xiàn)了對單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的系統(tǒng)功能中斷的自恢復(fù)，并開展了脈沖激光輻照試驗的驗證。

圖 4 某型號CPU的單粒子效應(yīng)掃描試驗結(jié)果示意(a)和X光透視照片(b)Fig. 4 Scan test by pulsed laser irradiation (a) and X-ray photograph (b) for some kind of CPU

3.2 針對某型號衛(wèi)星設(shè)備用電路系統(tǒng)的試驗

某型號衛(wèi)星多臺設(shè)備在軌發(fā)生故障，同時監(jiān)測到設(shè)備電源電流有顯著的增加，初步判斷是設(shè)備內(nèi)的器件發(fā)生了SEL。利用脈沖激光試驗裝置對設(shè)備中多個SEL敏感器件進(jìn)行輻照排查，在48 h內(nèi)就準(zhǔn)確定位了發(fā)生故障的器件并完全復(fù)現(xiàn)了在軌故障現(xiàn)象。隨后進(jìn)行了更細(xì)致的試驗和分析，完全查明了使用同一型號器件的多臺設(shè)備在軌所表現(xiàn)的不同故障模式，為故障的定位和應(yīng)對提供了關(guān)鍵性支持。

試驗首次觀測到多次鎖定現(xiàn)象導(dǎo)致的衛(wèi)星電路系統(tǒng)故障，如圖5所示為電路出現(xiàn)異常與鎖定電流和鎖定次數(shù)的關(guān)系，其中內(nèi)嵌圖是典型的鎖定電流曲線。試驗和分析表明，由于所用的器件對單粒子鎖定極為敏感，在較短時間內(nèi)有可能發(fā)生多次鎖定；絕大多數(shù)時候，單次鎖定導(dǎo)致的鎖定電流不足以引發(fā)電路系統(tǒng)死機(jī)；但是若繼續(xù)發(fā)生2～6次鎖定且鎖定電流一旦超過800 mA，則必然導(dǎo)致電路系統(tǒng)死機(jī)。進(jìn)一步測量了電路系統(tǒng)中核心的CPU的工作電壓，發(fā)現(xiàn)隨著多次鎖定的發(fā)生和鎖定電流的持續(xù)增大，CPU工作電壓持續(xù)下降；當(dāng)鎖定電流超過800 mA時，CPU工作電壓必然降低至維持其正常工作的最低電壓4.55 V以下，導(dǎo)致CPU中止工作和系統(tǒng)死機(jī)。利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合電路系統(tǒng)具體運行的應(yīng)用程序，揭示了多種故障現(xiàn)象的深層次原因和對系統(tǒng)電路的具體影響方式。

圖 5 試驗觀測到的多次單粒子鎖定導(dǎo)致的衛(wèi)星用電路系統(tǒng)故障Fig. 5 Anomalies of some kind of spaceborne circuit system due to multiple single event latchups observed in the pulsed laser test

4 結(jié)論

通過具體的試驗、研究和應(yīng)用，以及結(jié)合國外的實踐，可以總結(jié)得到脈沖激光試驗在單粒子效應(yīng)研究方面具有如下優(yōu)點：

1）可對芯片x、y、z方向分別定位輻照和掃描輻照，便于準(zhǔn)確鑒別和定位芯片內(nèi)部單粒子效應(yīng)敏感節(jié)點和應(yīng)用電路出錯部位（定位精度可優(yōu)于0.1 μm）；

2）輻照激光脈沖頻率準(zhǔn)確可控（如1～104s-1），便于精確測試芯片和電路對單粒子效應(yīng)響應(yīng)過程的細(xì)節(jié)以及進(jìn)行快速摸底試驗；

3）激光脈沖時間特性精準(zhǔn)、延遲短（如優(yōu)于20 ps），便于精確測試芯片和應(yīng)用電路對單粒子效應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)特性；

4）脈沖激光等效LET值高達(dá)120 MeV·cm2/mg且連續(xù)可調(diào)，并且激光在硅中的穿透深度達(dá)600 μm（強(qiáng)度衰減為原來的1/e），便于對芯片抗單粒子效應(yīng)設(shè)計效果進(jìn)行摸底試驗；

5）無放射性，無須抽真空，操作便捷，試驗效率高、成本低、可推廣性強(qiáng)。

因此，脈沖激光試驗裝置將繼續(xù)在以下兩方面產(chǎn)生重大應(yīng)用效益：1）宇航元器件抗單粒子效應(yīng)設(shè)計效果的掃描測試和摸底評估；2）衛(wèi)星電路系統(tǒng)抗單粒子效應(yīng)設(shè)計效果的快速、動態(tài)試驗評估。

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