利用脉冲激光开展的卫星用器件和电路单粒子效应试验

利用脉冲激光进行单粒子效应试验具有操作方便、试验效率高,可对芯片单粒子效应响应的空间区域和时间特性进行测试等特点,可作为卫星用器件和电路单粒子效应测试的有力手段.利用自主建立的脉冲激光单粒子效应试验装置(plsee),针对某卫星用数字器件和电路进行了辐照试验,观测到了丰富的单粒子效应现象,首次测试了多次单粒子锁定对器件和电路的影响,对器件选用评价和电路系统抗单粒子效应设计具有参考价值.利用此装置,还首次在国内对有空间应用背景和前景的运算放大器、光电耦合器进行了单粒子瞬态脉冲效应的试验,表明这些器件像数字器件一样会发生严重的单粒子效应,而且更难捕捉和定位,对卫星系统的威胁不容忽视.     

激光模拟单粒子效应设备及试验研究进展综述

单粒子效应的脉冲激光模拟方法是单粒子效应地面模拟试验中近年来才发展起来的一种方法.文章主要介绍了脉冲激光模拟单粒子效应的基本原理、特点及国内外研究进展.研究表明脉冲激光模拟是一种有效、安全、经济、方便的地面模拟单粒子效应的方法,在器件单粒子效应危害评估及电路加固验证方面具有明显的优势.     

知识链接

《利用脉冲激光开展的卫星用器件和电路单粒子效应试验》一文中有关术语的解释如下:单粒子效应(Single Event Effects,SEE):单个的高能重离子或者质子和中子,通过与器件材料直接的电离作用或者核反应产生的次级离子的间接电离作用,在器件中形成额外的瞬间电荷,导致器件的逻辑状     

激光模拟单粒子效应试验研究

脉冲激光模拟单粒子效应是单粒子效应地面实验模拟中新近才发展起来的一种方法。本文主要介绍脉冲激光模拟单粒子效应的基本原理、实用性及特点,结合实验室从俄罗斯引进的激光模拟单粒子效应试验系统。选取了几种典型星用器件,在国内首次开展了激光模拟单粒子效应试验研究,研究表明脉冲激光模拟方法是一种有效、安全、经济、方便的地面模拟单粒子效应的方法,它可以很大程度上弥补了传统地面模拟单粒子效应方法的不足,是地面评估星用器件和集成电路抗辐射加固的另一重要方法。     

大容量抗辐射加固SRAM器件单粒子效应试验研究

针对宇航用大容量SRAM器件抗单粒子效应性能的试验评估需要,利用重离子加速器对抗辐射加固32 M Bulk CMOS工艺SRAM和16 M SOI CMOS工艺SRAM进行了单粒子效应模拟试验研究,获得SRAM器件单粒子效应特性并进行在轨翻转率预估;对单粒子翻转试验中重离子射程的影响,不同SEU类型的翻转截面差异,在轨翻转率预估的有关因素等进行了分析讨论。结果表明,这2款抗辐射加固SRAM器件都达到了较高的抗单粒子效应性能指标。试验结果可以为SRAM器件的单粒子效应试验评估提供参考。     

NAND Flash存储器单粒子效应试验研究

单粒子效应易诱发空间电子设备发生在轨故障。文章针对大容量NAND Flash存储器，利用皮秒脉冲激光和高能重离子开展了试验研究，明确了此类器件的单粒子效应特点，探索了新型集成电路单粒子效应试验评估方法，为工程设计及试验评估提供了技术基础与保障。经皮秒脉冲激光试验发现，NAND Flash存储器件的存储单元易发生单粒子多位翻转，控制电路单元则发生单粒子锁定和功能中断。 经高LET值Xe+离子辐照试验发现，重离子会诱发器件产生电流尖峰脉冲（或电流火花）现象；在NAND Flash存储器未加电状态下，仍可诱发单粒子翻转；重离子辐照后存储器坏块明显增加，试验获得的单粒子翻转截面高达1.18×10-7cm2/位。基于试验结果分析，认为发生多位翻转的原因是激光束覆盖多个存储单元所造成；重离子辐照引起的浮栅晶体管击穿是存储器坏块增多的原因。     

一种串并转换器件单粒子效应试验研究

针对型号用新型器件抗辐射能力评估的需要,研制了串并转换器件单粒子效应检测系统,并对卫星型号中准备使用的一款26位串并转换器件进行了单粒子效应评估试验,得到了器件抗单粒子锁定的阈值,并发现该器件在单粒子辐照下会出现连续位输出错误。结合器件版图、结构分析了单粒子效应造成连续位错误的原因,为器件厂家后续设计改进和卫星型号进行系统级抗辐射加固设计提供了依据。     

一款新研制ASIC器件的单粒子效应检测与故障定位

针对一款国产新研ASIC器件抗单粒子能力评估的需要,研制了ASIC器件单粒子效应检测系统。通过单粒子效应评估试验,得到了该器件在Kr离子辐照下的单粒子翻转数据。采用故障树分析和电路仿真技术,对ASIC器件内部单粒子翻转敏感模块进行定位。研究成果可为器件厂家后续设计改进和卫星型号系统级抗辐射加固设计提供依据。     

典型国产双极工艺宇航用稳压器单粒子闩锁 效应研究

通过对某国产双极工艺宇航用稳压器进行不同LET值重离子辐照试验，实时监测器件输出电压的变化幅度和器件供电管脚电流，准确评估了器件抗单粒子效应性能。研究结果表明器件发生单粒子瞬态效应阈值小于5 MeV·cm 2·mg -1 ，当辐照重离子LET值增加至37.37 MeV·cm 2·mg -1 时，诱发器件产生单粒子闩锁效应，器件供电管脚电流由6 mA陡增至24 mA。在分析重离子试验数据的基础上，借助脉冲激光获得了器件内部单粒子效应敏感区域位置和结构特征。分析认为由于芯片内部多个功能模块共用一个隔离岛，同一个隔离岛内的器件之间形成的寄生PNP管与隔离岛内NPN管形成了PNPN可控硅结构，当入射重离子LET值足够大时将诱发寄生PNPN结构导通，进入闩锁状态。采用模拟软件Spectre实现了电参数级的瞬态故障注入模拟，复现了该双极工艺结构下单粒子闩锁效应现象。     

TDC-GP1器件单粒子锁定效应的脉冲激光模拟试验研究

文章介绍了单粒子锁定效应脉冲激光模拟试验的工作原理。以时间测量芯片TDC-GP1为试验对象，利用单粒子锁定模拟试验设备开展了无限流保护电阻和有限流保护电阻的单粒子锁定效应脉冲激光模拟试验研究。结果发现：TCD-GP1芯片在20 nJ脉冲激光辐照下发生了单粒子锁定现象。在对照试验中发现，有限流保护电阻的情况下，在发生锁定时不仅能降低锁定大电流和供电电压，而且还能有效地避免器件的功能损伤。     

机载电子设备大气中子单粒子效应脉冲激光实验方法研究

大气中子诱发的单粒子效应（NSEE）危害机载电子设备的可靠性安全性，而其作用机理、传播机制与空间SEE有所不同，且缺乏系统级实验研究和具体分析技术。文章对比常规机载电子设备NSEE实验手段，鉴于激光技术具有可精确分辨SEE时空特性、能量连续可调、无放射性、无须抽真空、操作便捷、实验效率高、成本低等特点，探讨脉冲激光实验的阈值等效评估技术、器件敏感功能单元定位技术和故障注入技术；针对电源转换电路关键器件进行失效验证，快速获取了器件—电路—系统的故障特征，包括故障传递模式和阈值条件，为机载电子设备的系统级失效分析提供了有效输入，并期指导机载电子设备抗大气中子单粒子效应的研究、防护设计和验证评价。     

MRAM的辐射效应分析及加固方法简述

回顾从首款商用磁随机存取存储器（MRAM）芯片面世以来国际上对MRAM芯片辐射效应的研究；总结MRAM总剂量电离效应和单粒子效应辐照试验研究结果，以及辐射效应导致MRAM读写错误的物理机制；分析辐射效应对磁性隧道结结构和性能的影响，并指出MRAM应当针对外围电路、存储单元晶体管和磁性隧道结等处不同类型辐射效应进行对应的抗辐射加固；最后从材料和工艺方面简要介绍MRAM加固方法。     

空间辐射环境单粒子效应研究

文章介绍了空间辐射环境对航天器电子元器件产生的单粒子效应的国内外研究情况,从环境模拟方法、模拟试验设备、单粒子效应及防护以及飞行试验等方面进行了分析比较.文章对国内研究发展提出了一些建设性的建议.     

SRAM型FPGA单粒子效应测试方法及试验验证

针对空间用SRAM型FPGA器件抗单粒子效应性能全面测试评估的要求，研究内部不同资源电路结构的单粒子效应敏感性及测试方法，利用重离子加速器开展抗辐射加固SRAM型FPGA单粒子效应模拟辐照试验，对配置存储器、块存储器、触发器等敏感单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子锁定特性进行研究。试验结果表明，所提出测试方法能有效地覆盖测试SRAM型FPGA单粒子效应敏感资源，所测试抗辐射加固SRAM型FPGA器件具有良好的抗单粒子锁定性能，但对单粒子翻转和单粒子功能中断非常敏感，静态测试模式下对单粒子翻转更为敏感。有关测试方法和结果可以为SRAM型FPGA的单粒子效应评估及防护提供参考。     

脉冲激光诱发65 nm体硅CMOS加固触发器链的单粒子翻转敏感度研究

针对65 nm体硅CMOS工艺触发器链，利用脉冲激光研究了敏感节点间距、加固结构和测试数据类型等因素对电路的单粒子翻转效应（SEU）敏感度的影响。研究表明:敏感节点间距增大可有效提高双互锁存（dual interlocked storage cell, DICE）结构触发器链的抗SEU性能，但当敏感节点间距较大（如＞4.0 μm）时，间距增大的器件加固效果减弱；触发器单元中NMOS管经保护漏结构加固、PMOS管经保护环结构加固后其SEU敏感度明显降低；不同数据测试模式下触发器链的SEU敏感度不同，这可能与不同模式下单元中的敏感晶体管类型不同有关。此外，脉冲激光作为一种地面模拟手段，可有效用于确定单粒子敏感器件设计的最佳间距和验证防护效果。     

COTS处理器单粒子效应检测系统设计

商用现货（COTS）处理器应用于星载计算机主控制器前须经过地面单粒子效应试验验证。与同等价位的宇航级处理器相比，COTS处理器具有集成度高、功能复杂、接口丰富的特点，需要为其定制化设计单粒子效应试验测试系统。文章针对COTS处理器的片内存储器、寄存器数量万倍于宇航级处理器以及接口功能更加丰富的特点，确定单粒子锁定（SEL）测试、存储器翻转测试、寄存器翻转测试、典型指令集测试和接口功能测试作为试验测试项；并提出一套单粒子效应试验测试系统方案，实现了对被测处理器的各路供电电流、存储器、寄存器和外部接口功能的有效测试和监控。     

空间质子直接和非直接电离引发单粒子效应的地面等效评估试验方法

以40 nm和65 nm CMOS工艺SRAM为样品,进行质子辐照单粒子效应试验研究,以建立空间质子引起单粒子效应的地面等效评估试验方法。分别进行低能质子直接电离、高能质子核反应和重离子直接电离引起的单粒子翻转试验;根据获得的试验数据,分析讨论给出空间质子引起半导体器件单粒子效应的地面等效评估试验方法:对低能质子直接电离引起的单粒子效应,基于LET等效采用重离子进行试验;对高能质子非直接电离引起的单粒子效应,采用高能质子进行试验;根据地面质子和重离子辐照试验数据,结合空间辐射环境模型,预计由空间质子辐射引起的器件在轨单粒子翻转率。