用試驗量化單粒子效應對敏感器件的影響

董玉花++陳佳

摘 要本文對敏感器件上的單粒子效應進行試驗的條件、試驗裝置和測試儀表要求、試驗程序、失效現象及判據、試驗過程中的監測及記錄要求進行了闡述。主要通過分析試驗結果，以得到大氣中子單粒子效應對敏感器件的危害程度，進而分析大氣中子單粒子效應在電路設計過程中對產品可靠性的影響，從而能夠對中子單粒子效應進行有效防護。

【關鍵詞】單粒子效應 應力分析 潛在故障

1 試驗目的

為了獲取大氣中子單粒子效應對敏感器件的危害程度，針對其敏感器件開展中子單粒子效應試驗，發現電路設計中的受單粒子效應影響設計薄弱環節，指出潛在故障發生的位置和原因，改進產品的電路設計措施，提高產品的可靠性水平。

2 試驗條件

2.1 輻射源

試驗采用的是中國原子能科學研究院中的14MeV中子加速器產生的快中子。

2.2 粒子束流

（1）離子束不均勻性：≤±10%；

（2）注量：使被試器件接受的中子注量達到109（n/cm2）或達到100個錯誤；

（3）中子注量率在103-5n/cm2-s范圍內可調。

2.3 環境溫度

輻照間內環境溫度為25±3℃。

2.4 屏蔽條件

輻照源與試驗件之間使用4mm鋁板進行屏蔽。

2.5 工作狀態

試驗件在輻射過程中執行正常的功能操作，即：

（1）功能單機板級試驗期間運行規定的飛行程序，同時監測輸入輸出狀態；

（2）器件級試驗期間執行讀寫操作，同時監測輸入輸出狀態。

3 試驗裝置

裝有敏感器件的模塊可通過串口與計算機調試軟件進行通信，模塊上的敏感器件可通過調試端口與計算機實現數據的輸入與回讀。如圖1所示。

4 試驗程序

輻照前，對被試器件進行配置并回讀，保存回讀數據作為參照數據，在輻照期間，被試器件保持靜態狀態，輻照后讀出被試單元的數據，與參照數據相比較，統計翻轉次數。試驗流程如圖2所示。

（1）寫入配置文件，對器件進行配置；

（2）回讀并保存回讀文件；

（3）記錄工作電壓和功耗電流；

（4）開始輻照；

（5）輻照至一定注量后，暫停；

（6）記錄工作電壓和功耗電流；

（7）回讀并與輻照前回讀文件比較統計發生錯誤數；

（8）當錯誤數達到100個時停止輻照，如果沒有100個錯誤，則重復d到g步驟直到注量達到1010n/（cm2）時停止輻照；

（9）通過加載、回讀，確定電流及回讀功能正常。

5 失效現象及判據

單粒子效應試驗過程中，當輻照前后兩次會讀的存儲位數據不一致時，則認為器件發生了單粒子翻轉效應，同時兩次回讀的存儲位數據對比結果中不一致的位數就記為單粒子翻轉發生的次數。

6 試驗過程中的監測及記錄要求

6.1 器件的檢測

在中子輻照后，通過適合該敏感器件的USB仿真器回讀該敏感器件的寄存器或配置單元，以DSP為例的測試系統原理圖如圖3所示，回讀數據與輻照前各配置單元的回讀數據數據相比較，統計錯誤的Bit數。

6.2 試驗過程中的記錄和處理

當試驗過程中出現的故障/錯誤時，首先應按照失效現象和判據確定故障/錯誤是否為中子單粒子效應所引起的。

對于中子單粒子效應導致的故障/錯誤，應詳細記錄故障/錯誤出現的時間、注量率、注量、故障/錯誤現象等信息。

7 試驗數據的處理

（1）截面：

式中：N為錯誤數；

FLUENCE為單位面積的中子注量。

（2）翻轉率/故障率：

式中：σ為截面值；

flux為“XX” 典型工作環境和首飛環境下的中子注量；

A為一加權系數，取1.5至2，步進值取0.1。

8 試驗的結束

當試驗件發生100個錯誤或接受的中子注量達到109（n/cm2）時可結束試驗。

9 小結

根據以上試驗步驟，可以量化分析大氣中子單粒子效應對微電子敏感器件的影響，進而通過分析試驗結果，在電路設計時對敏感器件進行中子單粒子效應防護設計，從而提高電路設計的可靠性。

參考文獻

[1]IEC/TC 62396-2航空電子設備過程管理—大氣輻射效應第二部分：航空電子系統單粒子效應試驗指南。

作者單位

四川九洲電器集團有限責任公司 四川省綿陽市 621000