脈沖激光試驗在宇航器件和電路系統抗單粒子效應設計中的初步應用

韓建偉，封國強，蔡明輝，馬英起,，上官士鵬,，陳 睿，張玉靖

（1. 中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190；2. 中國科學院 研究生院，北京 100049）

0 引言

單粒子效應（SEE）是空間環境誘發衛星異常和故障的最主要的原因之一[1]。近年，隨著半導體技術和工藝的快速進步，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的敏感性大大增強，使得單粒子效應對衛星系統的威脅更加嚴重[2-3]。因此，當前國際上大力發展針對衛星電路系統新型器件的抗單粒子效應設計技術，規定衛星用器件應當具有較高的單粒子效應LET閾值，對較易發生的單粒子翻轉（SEU）要進行周密的系統防護設計和驗證[4-5]。

無論是器件級還是電路系統級的抗單粒子效應設計，均需要有效的試驗評估支持。為了適應規模日益擴大、要求多樣化的單粒子效應試驗需求，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家機構先后建立了10余套脈沖激光單粒子效應試驗裝置，開展了系列的研究和應用。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器件的設計研制流程，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，從而為后續的優化設計提供依據[6]。洛克希德·馬丁公司將此技術應用于0.8 μm、0.5 μm和0.25 μm的抗輻射加固CMOS外延工藝研發，獲得了“一次設計、一次流片、一次評估、一次改進、一次成功”的優異效果[6]。2002年，法國波爾多大學電子和信息實驗室（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行了 SEU和單粒子鎖定（SEL）效應的定量測試，其中兩款器件SEU閾值與重離子試驗數據的偏差分別為 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，動態測試了電路對激光脈沖觸發的SEU的時間響應特性，測試了三模冗余和持續刷新技術應對SEU誘發錯誤的效果等[8]。

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

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

1 空間中心脈沖激光單粒子效應試驗裝置簡介

空間中心從2001年起，最早在國內應用脈沖激光模擬試驗開展單粒子效應的機理、試驗技術和試驗方法研究[3,9-10]。用于單粒子效應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）脈沖激光能量調節部件；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）單粒子效應檢測設備。2006年，空間中心成功研制了國內首臺自主的ns激光單粒子效應試驗裝置（NPLSEE-1）, 其主要性能指標是：激光波長1.064 μm，脈寬25 ns，光斑直徑3～4 μm，脈沖重復頻率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激光單粒子效應試驗裝置（NPLSEE-2），主要改進在于脈寬＜9 ns、光斑直徑2～3 μm。2010年，研制出國內首臺自主的ps脈沖激光單粒子效應試驗裝置（PPLSEE-1），其主要技術指標是：激光波長1.064 μm，脈寬25 ps，脈沖重復頻率1～10 kHz。同時，正在設計fs激光單粒子效應試驗裝置（FPLSEE-1），其主要性能指標是：激光波長0.58～2.6 μm可調，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以及發展和掌握的芯片掃描輻照、芯片背部輻照、單粒子效應LET閾值與截面的測試等技術和方法，開展了系列的試驗和應用研究，具體情況如下。

2 脈沖激光單粒子效應試驗在宇航器件研發中的初步應用

2.1 掃描分析芯片單粒子效應敏感位置分布

脈沖激光很容易聚焦成μm級的微束，進一步利用亞μm精度的精密電動平移臺，能夠便捷地對芯片進行三維的掃描輻照，配以適當的單粒子效應檢測手段，即可實現對芯片單粒子效應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性能的分析和設計反饋有積極意義。

以國產運算放大器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脈沖（SET）效應試驗。掃描測試發現，SF3503在等效LET值為1.2 MeV·cm2/mg的激光脈沖輻照下就產生了SET效應，證明其屬于SET敏感器件。對工作在反向放大器模式下的SF3503進行x-y平面的掃描輻照分析，發現其SET效應主要發生在如圖2(a)所示的4個部位。結合對該器件電路板圖的分析，甄別出這4個SET效應敏感點部位所對應的具體的晶體管為——1（Q10）、2（Q16）、3（Q4）、4（Q3、Q1）；對電路結構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。可見，此測試結果對后續有針對性的抗單粒子效應設計有重要的指導作用。

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，這是晶體管在縱向對SET最敏感的部位；隨著偏離此深度分別向上（+）和向下（-）移動，產生的SET脈沖幅度逐步減小；在31.2 μm處SET已經變得很微弱，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設計效果

脈沖激光試驗裝置的輻照脈沖能量（對應為等效重離子LET值）可以在寬范圍內便捷地連續可調，輸出的激光脈沖有較高的重復頻率，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行快速的全面掃描輻照，統計獲得芯片抗單粒子效應性能的摸底試驗效果。為了避開大規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，近年我們發展了芯片背部激光輻照的試驗技術和相關數據處理方法。采用激光背部輻照，對某單位采用0.18 μm工藝設計的某邏輯電路加固設計前后的抗單粒子效應能力進行了試驗，其中的SEU結果如圖3所示。從圖3中可以看到加固設計取得了顯著效果，加固后的芯片的SEU閾值提高了1個數量級，截面降低了3個數量級。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象。

圖 3 某邏輯電路加固前后的抗單粒子翻轉能力試驗結果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試驗在衛星電路系統設計中的初步應用

3.1 針對某款星用計算機系統的試驗

某款星用計算機系統擬采用商用高性能CPU，需要試驗評估該CPU自身的單粒子效應敏感性及其對計算機系統的影響，以及對采取了系統防護設計的電路系統進行驗證評估試驗。由于該CPU芯片具有數層金屬布線，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芯片進行了全面的掃描測試，得到如圖4(a)的測試結果。在尺寸為10 mm×10 mm的芯片上，采用200 nJ能量的脈沖激光進行掃描輻照，在絕大部分區域均未檢測到單粒子效應，只有芯片下方中央部位約0.6 mm× 1.6 mm的區域對單粒子效應敏感。降低能量對該敏感區域進一步掃描輻照，發現其在能量4.1～11.4 nJ時均能夠發生不同類型的單粒子效應：1）輻照能量在4.1～6.1 nJ時，寄存器出現1位或2位的翻轉信息，系統檢測程序有時能夠繼續運行，有時會發生CPU自動復位重啟現象，但未出現CPU徹底死機的現象；2）輻照能量達到6.1～11.4 nJ時，不僅導致寄存器信息出錯，而且還導致CPU死機。圖4(a)所示的紅色“X”部位對單粒子翻轉最敏感，對應的等效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，發現在其下方中央的確有面積類似的結構；進一步的功能測試表明此部位對應于該CPU的通用寄存器，其對單粒子效應最敏感。依據上述試驗現象，某部門進行了有針對性的系統軟件設計，初步實現了對單粒子效應導致的系統功能中斷的自恢復，并開展了脈沖激光輻照試驗的驗證。

圖 4 某型號CPU的單粒子效應掃描試驗結果示意(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 針對某型號衛星設備用電路系統的試驗

某型號衛星多臺設備在軌發生故障，同時監測到設備電源電流有顯著的增加，初步判斷是設備內的器件發生了SEL。利用脈沖激光試驗裝置對設備中多個SEL敏感器件進行輻照排查，在48 h內就準確定位了發生故障的器件并完全復現了在軌故障現象。隨后進行了更細致的試驗和分析，完全查明了使用同一型號器件的多臺設備在軌所表現的不同故障模式，為故障的定位和應對提供了關鍵性支持。

試驗首次觀測到多次鎖定現象導致的衛星電路系統故障，如圖5所示為電路出現異常與鎖定電流和鎖定次數的關系，其中內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，在較短時間內有可能發生多次鎖定；絕大多數時候，單次鎖定導致的鎖定電流不足以引發電路系統死機；但是若繼續發生2～6次鎖定且鎖定電流一旦超過800 mA，則必然導致電路系統死機。進一步測量了電路系統中核心的CPU的工作電壓，發現隨著多次鎖定的發生和鎖定電流的持續增大，CPU工作電壓持續下降；當鎖定電流超過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，導致CPU中止工作和系統死機。利用這些數據，結合電路系統具體運行的應用程序，揭示了多種故障現象的深層次原因和對系統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致的衛星用電路系統故障Fig. 5 Anomalies of some kind of spaceborne circuit system due to multiple single event latchups observed in the pulsed laser test

4 結論

通過具體的試驗、研究和應用，以及結合國外的實踐，可以總結得到脈沖激光試驗在單粒子效應研究方面具有如下優點：

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

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

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

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

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。

因此，脈沖激光試驗裝置將繼續在以下兩方面產生重大應用效益：1）宇航元器件抗單粒子效應設計效果的掃描測試和摸底評估；2）衛星電路系統抗單粒子效應設計效果的快速、動態試驗評估。

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