GB/T 43226-2023 宇航用半导体集成电路单粒子软错误时域测试方法

　　ICS 49 . 140 CCS V 25

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 43226—2023

　　宇航用半导体集成电路单粒子软错误

　　时域测试方法

　　Time-domain test methods for space single event soft errors of

　　semiconductor integrated circuit

　　2023-09-07 发布 2024-01-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 43226—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)提出并归口 。

　　本文件起草单位:北京微电子技术研究所 、中国航天电子技术研究院 。

　　本文件主要起草人:赵元富 、陈雷 、王亮 、岳素格 、郑宏超 、李哲 、林建京 、李永峰 、陈淼 、王汉宁 。

　　I

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　　宇航用半导体集成电路单粒子软错误

　　时域测试方法

　　1 范围

　　本文件规定了宇航用半导体集成电路单粒子软错误时域测试的原理 、环境条件 、仪器设备 、试验样品 、试验步骤 、试验报告 。

　　本文件适用于宇航用半导体集成电路单粒子软错误的测试 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB 18871—2002 电离辐射防护与辐射源安全基本标准

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　单粒子软错误 single event soft errors

　　对电路造成非破坏性影响的一系列单粒子效应的总称 。

　　注 : 如单粒子翻转 、单粒子瞬态 、单粒子功能中断 。

　　3.2

　　时域测试 time-domain test

　　测试被测对象的特征参数随时间的变化关系 。

　　3.3

　　单粒子效应 single event effect

　　单个粒子穿过集成电路敏感区域 , 电离产生的电子-空穴对被电场收集形成脉冲电流 , 导致集成电路辐射损伤的现象 。

　　3.4

　　单粒子翻转 single event upset

　　单粒子效应导致集成电路逻辑状态翻转的现象 。

　　3.5

　　单粒子瞬态 single event transient

　　单粒子效应导致集成电路输出异常脉冲信号的现象 。

　　3.6

　　单粒子功能中断 single event function interrupt

　　单粒子效应导致逻辑电路不能完成规定的逻辑功能的现象 。

　　3.7

　　注量 fluence

　　垂直入射方向单位面积粒子总数 。

　　注 : 单位为粒子数每平方厘米(ion/cm2 ) 。

　　1

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　　3.8

　　注量率 flux

　　单位时间内单位面积上垂直入射的粒子数 。

　　注 : 单位为粒子数每平方厘米秒[ion/(cm2 . 5)] 。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　BTC:时域基准周期(benchmark time cycle)

　　LET:线性能量传输(linear energy tran5fer)

　　SEE:单粒子效应(5ingle event effect5)

　　SEFI:单粒子功能中断(5ingle event function interrupt)

　　SESE:单粒子软错误(5ingle event 5oft error5)

　　SET:单粒子瞬态(5ingle event tran5ient)

　　SEU:单粒子翻转(5ingle event up5et)

　　5 原理

　　单粒子软错误时域测试的基本原理是针对试验样品测试需求开发可添加时间标记的测试系统 , 基于辐射源开展单粒子试验 , 得到含有时间标记信息的单粒子软错误总数 , 并绘制成随时间变化的时域特性曲线 。单粒子软错误总数发生变化即为发生了一次单粒子软错误事件 , 根据时域特性曲线获取每次单粒子软错误事件的详细信息 。

　　6 环境条件

　　除另有规定外 , 试验环境条件应满足:

　　— 温度: 15 ℃ ~35 ℃ ;

　　— 相对湿度:20%~80% 。

　　7 仪器设备

　　7 . 1 辐射源

　　选用辐射源的要求如下:

　　a) 辐射源应能够输出产生 SEE的高能粒子 , 可选用的辐射源有重离子加速器 、质子加速器等 , 根据试验样品的 SEE敏感性 、试验目的 、试验时间和费用等选择合适的辐射源 ;

　　b) 辐射源产生粒子的能量 、LET、射程 、注量率应满足试验要求 , 粒子在试验样品材料中的射程应大于 30 μm , 辐照到试验样品表面的束流非均匀性小于 10% ;

　　c) 辐射源应包括束流测量系统 , 能够对束流信息进行高精度的测量 , 具备优于 ±10%的测量精度 , 并提供准确的束流信息 。

　　7 . 2 测试系统

　　测试系统包括测试电路板和测试程序 , 具体要求如下 。

　　a) 测试电路板作为测试程序的载体 , 实现试验样品的各种硬件连接 , 测试电路板的供电接口 、信

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　　号接口 、通信接口 、布局 、安装孔等应满足单粒子试验现场要求,具备良好的抗电磁干扰能力 , 良好的机械稳定性 、可移动性以及抗震动特性 。

　　b) 测试程序能够根据预设的检测周期对不同类型 SESE进行检测,实现试验样品的典型功能,具有良好的资源覆盖率和模式覆盖率,且配置自动复位或手动复位 。

　　c) SESE 的检测周期应小于试验样品的实际工作周期,保证发生的 SESE都能被准确检测,需要时,测试系统应设置一定容量的缓存,缓存大小应能满足完全捕获和记录辐照过程中发生一次SESE事件所产生的所有数据的需求 。

　　d) 测试系统能够为 SESE数据周期性的添加时间标记信息,添加时间标记的周期即为 BTC, BTC应为 SESE检测周期的 10 倍以上,应设置在 10 — 3 5~10 — 5 5 。设置合理的 BTC进行单粒子时域测试试验,获得含有时间标记信息的 SESE总数 。

　　8 试验样品

　　试验样品及处理的要求如下 。

　　a) 同一批次产品中试验样品的数量应不少于 3 只,试验样品各项参数测试均应合格,功能正常,对试验样品进行单独编号,并按编号记录相关数据信息 。

　　b) 试验前应对试验样品进行去封装,确保样品敏感区表面全部暴露无覆盖,粒子能够入射至样品的有源区 。针对采用陶瓷(金属)封装的样品应进行开帽,针对采用塑料封装的样品应采用激光束或者化学试剂去除敏感区表面的塑封材料,针对采用倒封装的样品应进行衬底减薄,确保减薄后的衬底厚度在 25 μm~50 μm 。

　　c) 去封装后,应重新对试验样品进行测试,只有测试合格的样品才能进行后续试验 。

　　9 试验步骤

　　9 . 1 单粒子软错误时域测试流程

　　单粒子软错误时域测试流程如图 1 所示 。

　　图 1 单粒子软错误时域测试流程图

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　　9 . 2 连接测试系统

　　根据试验现场要求 , 连接测试系统并完成初始化配置 , 步骤如下:

　　a) 正确连接测试系统及有关仪器设备 , 借助于辐射源单位提供的激光对准装置 , 将试验样品对准粒子束流端口 , 调整入射粒子束斑大小 , 束斑面积应覆盖试验样品敏感区面积的 110% ;

　　b) 按要求施加电压 、信号 , 运行测试系统 , 保证试验样品与测试系统均工作正常 , 完成初始化配置 。

　　9 . 3 调整入射粒子注量率

　　入射粒子的注量率与试验样品敏感区面积 、测试系统的 BTC有关 , 按照公式(1)调整入射粒子的注量率 , 使得每个 BTC下最多发生一次 SESE事件 。粒子注量率调试完成后开始辐照 。

　　flux < 1/(S× BTC) …………………………( 1 )

　　式中:

　　flux — 单位时间内单位面积上垂直入射的粒子数 , 单位为粒子数每平方厘米秒[ion/(cm2 . 5)] ;

　　S — 试验样品的敏感区面积 , 单位为平方厘米(cm2 ) ;

　　BTC — 时域基准周期 , 单位为秒(5) 。

　　9 . 4 检测单粒子软错误

　　SESE的检测与时间标记添加的具体步骤如下 。

　　a) 开启粒子辐照后 , 利用测试系统对 SESE进行检测 。 针对 SEU , 当读取数据和写入数据不 一致时判别为发生 SESE;针对 SEFI , 当输出结果满足预设的功能中断判据时 , 判别为发生SESE。

　　b) 针对 SET, 应根据试验样品输出信号的类别进行检测 , 若试验样品的输出信号为数字量 , 按SEU或者 SEFI 的检测方式进行检测 。若试验样品的输出信号为模拟量 , 应根据 SESE测试需求将瞬态脉冲的极性 、幅值 、持续时间等特性作为判据 , 进而依照判据进行检测 。

　　c) 通过计算机的监控界面对试验结果进行监测 , 实时记录 SESE总数 , 基于 BTC为 SESE总数添加时间标记信息 , 并存储在后台文件中 , 供试验结束后进行时域特性分析 。

　　9 . 5 试验数据处理

　　试验数据处理及时域特性分析的具体步骤如下:

　　a) 当入射粒子总注量达到每平方厘米 107 粒子数时停止辐照 , 记录在当前入射粒子下 SESE数据 、辐照时长 、辐照总注量 , 保存测试系统传输回来的包含时间标记信息 Ti 的 SESE 总数SESEi , 其中: i 为 BTC的序号 , Ti 为第 i 个 BTC时刻 , SESEi 为 Ti 时刻的 SESE总数 ;

　　b) 获得试验数据后 , 以 BTC时刻 Ti 为横坐标 , SESE总数 SESEi 为纵坐标 , 绘制成 SESEi 随时间的变化关系曲线 , 如图 2 所示 , 基于曲线和试验数据 , 按公式(2)计算得到每次 SESE总数变化的数值 Ei ;

　　Ei = {SESEi SESEi

　　式中:

　　Ei — 第 i 个 BTC时刻 SESE总数变化的数值 , 单位为个 ;

　　SESEi — 第 i 个 BTC时刻 SESE总数 , 单位为个 。

　　c) 将每次 SESE总数的变化当成一次 SESE事件 , 进一步可获得当前辐照条件下发生的 SESE事件次数 。根据测试需求对 SESE总数 、每次变化的 SESE数值以及 SESE事件次数进行统

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　　计分析,便可预示试验样品 SESE的敏感性,并验证设计加固措施的有效性 。

　　图 2 SESE总数随时间的变化关系曲线

　　9 . 6 试验中断与处理

　　试验中断与处理的要求如下 。

　　a) 在辐射试验现场搭建测试平台时,若出现试验样品或测试系统不能正常工作的情况,需要重新确认测试系统的连接方式,是否准确无误 。若重新连接后仍然无法恢复正常,需要更换试验样品 、测试电路板 。

　　b) 当辐射源单位因设备故障所提供的入射粒子参数发生变化或者不能提供预先选定的粒子类型时,应评估选用的粒子是否能够满足试验需求 。若不满足,应更改试验计划;若满足,则继续进行试验 。

　　c) 在 SESE检测的过程中,若发生断电 、测试系统通信异常 、输出结果与正常输出或预期错误输出不符等突发情况,应暂停辐照,待系统恢复正常后继续辐照,若无法恢复,应将测试系统复位,完成初始化配置后重新辐照,若评估无影响,粒子注量可累积中断前已进行的注量,总注量达到要求即可 。

　　9 . 7 试验安全

　　试验人员在辐照源区的操作应符合 GB 18871—2002 的要求,采取保护措施,防止辐射伤害 。

　　10 试验报告

　　试验报告至少包含以下内容 :

　　a) 试验名称及试验报告编号 ;

　　b) 试验样品描述:类别 、名称 、型号 、规格 、批次 、封装 、数量 、生产单位 、质量等级 、工艺 、有源区深度 ;

　　c) 样品处置:样品敏感区面积 、若衬底减薄还需提供衬底厚度 、外观照片 、版本标识照片 ;

　　d) 辐射源地点 、辐射源的种类 ;

　　e) 试验类别: SEU、SET、SEFI ;

　　f) 粒子信息:种类 、能量(Mev) 、入射角度 、表面 LET值 、有效 LET值 、粒子射程 ;

　　g) 测试方法:测试系统 、测试条件 、测试判据 、测试流程 ;

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　　h) 试验工序单:试验过程中的时间 、SESE数据 、注量率 、总注量 ;

　　i) 数据处理方法:对试验数据进行统计 、绘图 、拟合 、计算 ;

　　j) 试验结果: SESE总数 、SESE事件次数 、每次 SESE事件变化的数值以及进一步处理获得的时域特性曲线 。

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