輻照加固SRAM型FPGA總劑量輻射效應研究

劉士全，季振凱

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在航天輻射環境中，電離輻射產生的輻射效應會對電子元器件性能產生影響，甚至出現功能失效，使得航天器工作的可靠性和安全性受到嚴重威脅，造成意想不到的損失，最終影響航天任務的順利進行。因此，對元器件的輻射損傷效應進行研究，全面了解元器件的輻射損傷機理具有重要的現實意義和必要性。FPGA（現場可編程門陣列）由于其自身集成度高、面積小、功耗低、實現功能多等特點，在航天領域的應用前景廣泛。國外在上世紀90年代就已對FPGA器件的輻射損傷及退火效應進行了深入的研究[1～6]。而目前國內對SRAM型FPGA的總劑量輻射損傷及輻照后退火效應的報道很少。為此，本文對自主研發的抗輻照SRAM型FPGA的總劑量輻射效應機理進行了研究，特別是探討了FPGA電參數退化與功能失效的相關性，為抗輻照加固技術打下了基礎。

2 器件選擇及實驗方法

在試驗中一共用了同一型號且性能參數基本相同的兩片國外樣品FPGA芯片和兩片我所自主研發的輻照加固FPGA芯片。輻照實驗板系統由FPGA、CPLD、XCF32P配置芯片組成。實驗系統從輻照室內引出兩組內核、端口電源，一組外圍電源，兩根片選信號，DONE配置成功顯示信號，輸出時鐘信號，同時對實驗系統引入Program控制信號和輸入時鐘信號。用硬件描述語言VerilogHDL對FPGA芯片編寫源程序，燒寫至FPGA配置芯片XCF32P內。同時用VerilogHDL對CPLD芯片編寫源程序，完成對配置芯片和FPGA的通道切換功能。總劑量輻照實驗系統如圖1所示，通過兩根片選信號對FPGA片選，使對應的FPGA芯片配置信號通過CPLD與配置芯片相連，通過從CPLD連到輻照室外部的Program信號控制對應FPGA重配置，通過從CPLD連到輻照室外部的DONE信號和輸出時鐘信號觀察對應FPGA的工作狀態，完成對芯片功能的檢測。

圖1 總劑量輻照實驗系統

輸入時鐘信號引入30MHz的標準時鐘，FPGA芯片利用寄存器實現16分頻電路功能，然后通過移位寄存器將信號輸出，測量輻照過程中FPGA的內核和端口電源電流、記錄電流變化與總劑量的關系。測量輻照過程中FPGA輸出波形，檢測FPGA在總劑量輻照過程中的功能失效情況。輻照前后對FPGA芯片用Teradyne公司J750 ATE測試系統進行測試，對比參數變化，得出器件隨總劑量輻射的變化關系。

實驗所用的輻射源是中科院上海應用物理研究所水儲式4.9×1015 （Bq）60Co-γ輻射源。這是一個由24根ф150mm×452mm源棒構成的直徑為20cm的圓形源盒。實驗過程中選擇15rad（Si）/s和10rad（Si）/s的劑量率。兩只國外器件輻照到100krad（Si）或功能失效為止，兩只輻照加固器件先輻照到100krad（Si）。觀察并記錄電路內核電流變化，并在30k和50k時進行啟動實驗，若能夠完成上電重配置，進行下一步實驗。100k的電路實驗完成后，用干冰保存，2h內帶回用J750進行測試，若電參數正常，則該組電路通過實驗；若功能失效，器件被判定不合格；若100krad（Si）器件測試合格，再追加50krad（Si），實驗完成后，用干冰保存，帶回進行高溫退火。高溫退火條件為：溫度100℃，時間168h，168h后測試參數，判斷退火后是否通過，退火期間通過輻照實驗板施加偏置。依據168h高溫退火后測得的參數作為最終判據，判斷該組器件是否合格。

3 實驗結果和討論

3.1 實驗結果

圖2為輻照實驗時電路輸出16分頻波形，測試示波器采樣點數設置為10 000。兩只輻照加固的FPGA在100krad（Si）輻照過程中FPGA功能正常，輸出波形穩定，未發生變化，干冰保存帶回用J750測試元件電參數均通過；兩只國外的FPGA在60krad（Si）時波形突然消失，功耗電流開始明顯增大，干冰保存帶回用J750測試元件多項電參數失效。在后面追加的50k試驗過程中，總計量累積到145krad（Si）時，兩顆電路輸出波形突然消失，功耗電流開始明顯增大。在總劑量30k和50k時進行啟動實驗，四片電路均能完成上電重配置，通過啟動實驗。兩組電路電流隨總劑量變化情況如圖3和圖4所示，輻照加固FPGA電路電流在100krad（Si）以內保持20mA不發生變化，在130krad（Si）時電流發生明顯增長，在150krad（Si）時電流變為90mA為原來的4.5倍。國外的FPGA電路電流在45krad（Si）以內保持不變，在60krad（Si）時電流發生明顯增長。此時對電路進行高溫退火，經過168h高溫退火后四只電路工作正常，通過所有測試，電流恢復到輻照前的數值。同時兩只輻照加固電路和兩只國外電路在150k和60k輻照結束后均無法完成上電配置，表現為內核電流過大。而在高溫退火后，四只電路均已能夠正常完成上電重配置。

3.2 實驗結果討論

帶電粒子、γ、X射線與MOS器件柵介質作用產生電離總劑量輻射效應。在電離輻射作用下，光子和帶電粒子將能量傳遞給原子，原子電離的同時產生電子空穴對。電子空穴對通過復合、漂移、擴散、積累在SiO2絕緣層中產生氧化物陷阱電荷，并且在Si/SiO2界面上產生輻射感生氧化物電荷，從而使集成電路性能參數發生顯著變化，甚至功能失效[7～8]。

圖2 輻照實驗電路輸出波形

圖3 60k總劑量實驗動態電流

圖4 150k總劑量實驗動態電流

從實驗結果可見，功耗電流隨總劑量積累到一定程度后呈逐漸增大趨勢，而與此同時器件功能卻仍舊正常，但無法進行重新配置。經分析可知，高劑量率輻射使得FPGA電路產生大量陷阱電荷，從而使電流增大。但此時功耗電流仍然在電路正常工作上限100mA之內，所以FPGA工作未受影響。但基于SRAM結構的FPGA的特點是配置過程會有大電流出現，在正常情況下該FPGA配置時對其內核電壓（Vccint）需要提供一個上電時間小于50ms、瞬間電流可達2A的電源。但該實驗過程中，隨著陷阱電荷的產生，使得上電過程中需要的瞬間電流增大，原實驗電源無法提供滿足配置需要的瞬間大電流，所以不能正常上電配置。同時從兩組試驗對比可知，輻照加固過的電路抗輻照能力明顯好于國外未進行輻照加固的電路，輻照加固技術是有效的。

在退火過程中，由于氧化物陷阱電荷迅速消失[7]，N溝道MOS管負漂移的閾值電壓出現回漂，使得其耗盡層的反型層恢復，導致截止漏電流隨退火時間的增加而降低。而寄生N溝道MOS管是以鋁柵或硅柵的場氧為柵氧化層，以N溝道MOS管的漏、源為漏、源端的，因此寄生N溝管的場氧漏電流隨退火時間的關系與N溝道MOS管截止漏電流隨退火時間的關系相似。因此在退火過程后FPGA電路基本恢復正常。

4 總結

由實驗結果分析可知，功耗電流隨總劑量逐漸變化，反映了FPGA器件輻射損傷的大小和過程，更直觀反映了器件隨總劑量的變化關系，可作為判斷器件失效的一個敏感參數。而分頻功能、輸出高低電平功能隨總劑量是突然變化的，只反映了器件輻射損傷從量變到質變的結果，不能用于分析器件輻射損傷的機理，但可直觀形象地反映器件的失效。

通過實驗，得到以下結論：

（1）功耗電流隨總劑量累積到一定程度后線性增大，雖然功耗電流變大，但只要在極限范圍內，FPGA仍然能正常工作；

（2）SRAM型FPGA在配置過程中需要瞬間大電流，故輻照后不能立即配置；

（3）總劑量輻照實驗時功耗電流能直觀反映器件隨總劑量的變化關系，可作為判斷器件失效的一個敏感參數；

（4）輻照加固技術對元器件的抗輻射能力提升是有效的。

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