脉冲激光试验在宇航器件和电路系统抗单粒子效应设计中的初步应用

韩建伟，封国强，蔡明辉，马英起,，上官士鹏,，陈 睿，张玉靖

（1. 中国科学院 空间科学与应用研究中心，北京 100190；2. 中国科学院 研究生院，北京 100049）

0 引言

单粒子效应（SEE）是空间环境诱发卫星异常和故障的最主要的原因之一[1]。近年，随着半导体技术和工艺的快速进步，新一代的小特征工艺尺寸、低功耗、高速度的高性能芯片对单粒子效应的敏感性大大增强，使得单粒子效应对卫星系统的威胁更加严重[2-3]。因此，当前国际上大力发展针对卫星电路系统新型器件的抗单粒子效应设计技术，规定卫星用器件应当具有较高的单粒子效应LET阈值，对较易发生的单粒子翻转（SEU）要进行周密的系统防护设计和验证[4-5]。

无论是器件级还是电路系统级的抗单粒子效应设计，均需要有效的试验评估支持。为了适应规模日益扩大、要求多样化的单粒子效应试验需求，近些年已有美国的JPL、NRL、Boeing公司，俄罗斯的SPELS，欧洲的EDAS、IMS、INFN、MBDA、TU-Berlin，以及日本的JAERI等10家机构先后建立了10余套脉冲激光单粒子效应试验装置，开展了系列的研究和应用。2000年，美国海军研究实验室和洛克希德·马丁公司首次提出将脉冲激光试验引入到抗单粒子效应器件的设计研制流程，通过脉冲激光的扫描辐照甄别和定位器件样片的加固薄弱点，从而为后续的优化设计提供依据[6]。洛克希德·马丁公司将此技术应用于0.8 µm、0.5 µm和0.25 µm的抗辐射加固CMOS外延工艺研发，获得了“一次设计、一次流片、一次评估、一次改进、一次成功”的优异效果[6]。2002年，法国波尔多大学电子和信息实验室（IXL）的Darracq等人针对1 Mbit SRAM（0.8 µm CMOS工艺）和4 Mbit SRAM（0.5 µm CMOS工艺）两款器件，首次利用脉冲激光从器件背部进行了 SEU和单粒子锁定（SEL）效应的定量测试，其中两款器件SEU阈值与重离子试验数据的偏差分别为 32%和 60%，饱和截面则相差3.8倍和5倍，4 Mbit SRAM的SEL阈值与重离子试验结果的偏差为22%[7]。2008年，IXL利用脉冲激光针对Virtex-II系列FPGA，扫描测试到了其配置、存储、存储接口、时钟分配、I/O和I/O接口等 6类功能模块的 SEU和单粒子功能中断（SEFI）特性，动态测试了电路对激光脉冲触发的SEU的时间响应特性，测试了三模冗余和持续刷新技术应对SEU诱发错误的效果等[8]。

当前，国际上对脉冲激光试验用于单粒子效应研究的主要理论和技术基本成熟，并对其两类应用形成了共识：1）面向宇航元器件设计和研制，开展器件初样抗单粒子效应设计效果评估和薄弱点分析，以及为器件正样抗单粒子效应性能摸底试验；2）开展卫星用器件筛选的抗单粒子效应性能摸底评估，以及星载电路系统抗单粒子效应设计效果验证评估。

我国宇航元器件研发和卫星电路系统设计面临的抗单粒子效应压力尤为严峻。其中，能否提供充足试验机时的单粒子效应试验评估是“瓶颈”问题之一。为了在一定程度上缓解此“瓶颈”问题，近十年来中国科学院空间科学与应用研究中心（以下简称“空间中心”）和兰州空间技术物理研究所分别自主研发和从国外引进了脉冲激光单粒子效应试验装置，积极开展了相关试验技术和方法研究，取得了一系列显著应用成果。

1 空间中心脉冲激光单粒子效应试验装置简介

空间中心从2001年起，最早在国内应用脉冲激光模拟试验开展单粒子效应的机理、试验技术和试验方法研究[3,9-10]。用于单粒子效应试验的脉冲激光装置总体组成如图1所示，包括6个主要部分：1）脉冲激光器；2）脉冲激光能量调节部件；3）脉冲激光能量测量装置；4）脉冲激光聚焦定位单元；5）试验控制单元；6）单粒子效应检测设备。2006年，空间中心成功研制了国内首台自主的ns激光单粒子效应试验装置（NPLSEE-1）, 其主要性能指标是：激光波长1.064 µm，脉宽25 ns，光斑直径3～4 µm，脉冲重复频率1～5 kHz，最小扫描步距1 µm，等效LET 值0.1～200 MeV·cm2/mg。2009年，又研制了第二台ns激光单粒子效应试验装置（NPLSEE-2），主要改进在于脉宽＜9 ns、光斑直径2～3 µm。2010年，研制出国内首台自主的ps脉冲激光单粒子效应试验装置（PPLSEE-1），其主要技术指标是：激光波长1.064 µm，脉宽25 ps，脉冲重复频率1～10 kHz。同时，正在设计fs激光单粒子效应试验装置（FPLSEE-1），其主要性能指标是：激光波长0.58～2.6 µm可调，脉宽＜100 fs，光斑直径1～2 µm，三维扫描定位精度±0.1 µm。

图 1 脉冲激光单粒子效应试验装置总体组成示意Fig. 1 Schematic diagram of the general pulsed laser facility for single event effect study

利用NPLSEE-1、NPLSEE-2以及发展和掌握的芯片扫描辐照、芯片背部辐照、单粒子效应LET阈值与截面的测试等技术和方法，开展了系列的试验和应用研究，具体情况如下。

2 脉冲激光单粒子效应试验在宇航器件研发中的初步应用

2.1 扫描分析芯片单粒子效应敏感位置分布

脉冲激光很容易聚焦成µm级的微束，进一步利用亚µm精度的精密电动平移台，能够便捷地对芯片进行三维的扫描辐照，配以适当的单粒子效应检测手段，即可实现对芯片单粒子效应敏感部位的快速甄别和定位，这对宇航元器件试样抗单粒子效应性能的分析和设计反馈有积极意义。

以国产运算放大器SF3503为对象，采用脉冲激光正面辐照试验，其中包括敏感部位的单粒子瞬态脉冲（SET）效应试验。扫描测试发现，SF3503在等效LET值为1.2 MeV·cm2/mg的激光脉冲辐照下就产生了SET效应，证明其属于SET敏感器件。对工作在反向放大器模式下的SF3503进行x-y平面的扫描辐照分析，发现其SET效应主要发生在如图2(a)所示的4个部位。结合对该器件电路板图的分析，甄别出这4个SET效应敏感点部位所对应的具体的晶体管为——1（Q10）、2（Q16）、3（Q4）、4（Q3、Q1）；对电路结构和工作原理的深入分析能够很好地解释这5个晶体管对SET敏感的原因。可见，此测试结果对后续有针对性的抗单粒子效应设计有重要的指导作用。

图2(b)是将脉冲激光光斑定位在晶体管Q3、Q1所在位置，在z方向上移动芯片，测量到幅度不一的SET脉冲。其中，定义SET脉冲幅度最大的位置为z=0 µm，这是晶体管在纵向对SET最敏感的部位；随着偏离此深度分别向上（+）和向下（-）移动，产生的SET脉冲幅度逐步减小；在31.2 µm处SET已经变得很微弱，此时激光脉冲的焦平面位置已处于芯片表面了，由此可知此种晶体管对SET最敏感部位位于芯片表面以下31.2 µm处。

图 2 SF3503工作在反向放大器模式时的SET敏感部位的平面(a)和纵向(b)分布Fig. 2 Locations of SET sensitive nodes for SF3503 device used as inverted amplifier

2.2 快速摸底评估芯片抗单粒子效应设计效果

脉冲激光试验装置的辐照脉冲能量（对应为等效重离子LET值）可以在宽范围内便捷地连续可调，输出的激光脉冲有较高的重复频率，平移台有较快的精密移动能力。综合利用这些特点能够使用系列等效LET值的脉冲激光对整个芯片进行快速的全面扫描辐照，统计获得芯片抗单粒子效应性能的摸底试验效果。为了避开大规模集成电路芯片正面密集的金属布线层对辐照激光的遮挡，近年我们发展了芯片背部激光辐照的试验技术和相关数据处理方法。采用激光背部辐照，对某单位采用0.18 µm工艺设计的某逻辑电路加固设计前后的抗单粒子效应能力进行了试验，其中的SEU结果如图3所示。从图3中可以看到加固设计取得了显著效果，加固后的芯片的SEU阈值提高了1个数量级，截面降低了3个数量级。同时，试验还观测到未加固的逻辑电路的SEL阈值为2.6 MeV·cm2/mg，而加固后的电路在最大LET值62.6 MeV·cm2/mg辐照试验时仍未观测到锁定现象。

图 3 某逻辑电路加固前后的抗单粒子翻转能力试验结果Fig. 3 Pulsed laser test results before and after singleevent-upset hardening for a certain kind of logic device

3 脉冲激光单粒子效应试验在卫星电路系统设计中的初步应用

3.1 针对某款星用计算机系统的试验

某款星用计算机系统拟采用商用高性能CPU，需要试验评估该CPU自身的单粒子效应敏感性及其对计算机系统的影响，以及对采取了系统防护设计的电路系统进行验证评估试验。由于该CPU芯片具有数层金属布线，因此采用激光背部辐照的方式。

首先，使用不同的脉冲能量对该CPU芯片进行了全面的扫描测试，得到如图4(a)的测试结果。在尺寸为10 mm×10 mm的芯片上，采用200 nJ能量的脉冲激光进行扫描辐照，在绝大部分区域均未检测到单粒子效应，只有芯片下方中央部位约0.6 mm× 1.6 mm的区域对单粒子效应敏感。降低能量对该敏感区域进一步扫描辐照，发现其在能量4.1～11.4 nJ时均能够发生不同类型的单粒子效应：1）辐照能量在4.1～6.1 nJ时，寄存器出现1位或2位的翻转信息，系统检测程序有时能够继续运行，有时会发生CPU自动复位重启现象，但未出现CPU彻底死机的现象；2）辐照能量达到6.1～11.4 nJ时，不仅导致寄存器信息出错，而且还导致CPU死机。图4(a)所示的红色“X”部位对单粒子翻转最敏感，对应的等效LET阈值为3.7 MeV·cm2/mg；国外重离子试验得到的此款CPU早期版本的LET阈值为2 MeV·cm2/mg。随后进行了系列的独立试验，对此CPU拍摄的X光透视照片如图4(b)所示，发现在其下方中央的确有面积类似的结构；进一步的功能测试表明此部位对应于该CPU的通用寄存器，其对单粒子效应最敏感。依据上述试验现象，某部门进行了有针对性的系统软件设计，初步实现了对单粒子效应导致的系统功能中断的自恢复，并开展了脉冲激光辐照试验的验证。

图 4 某型号CPU的单粒子效应扫描试验结果示意(a)和X光透视照片(b)Fig. 4 Scan test by pulsed laser irradiation (a) and X-ray photograph (b) for some kind of CPU

3.2 针对某型号卫星设备用电路系统的试验

某型号卫星多台设备在轨发生故障，同时监测到设备电源电流有显著的增加，初步判断是设备内的器件发生了SEL。利用脉冲激光试验装置对设备中多个SEL敏感器件进行辐照排查，在48 h内就准确定位了发生故障的器件并完全复现了在轨故障现象。随后进行了更细致的试验和分析，完全查明了使用同一型号器件的多台设备在轨所表现的不同故障模式，为故障的定位和应对提供了关键性支持。

试验首次观测到多次锁定现象导致的卫星电路系统故障，如图5所示为电路出现异常与锁定电流和锁定次数的关系，其中内嵌图是典型的锁定电流曲线。试验和分析表明，由于所用的器件对单粒子锁定极为敏感，在较短时间内有可能发生多次锁定；绝大多数时候，单次锁定导致的锁定电流不足以引发电路系统死机；但是若继续发生2～6次锁定且锁定电流一旦超过800 mA，则必然导致电路系统死机。进一步测量了电路系统中核心的CPU的工作电压，发现随着多次锁定的发生和锁定电流的持续增大，CPU工作电压持续下降；当锁定电流超过800 mA时，CPU工作电压必然降低至维持其正常工作的最低电压4.55 V以下，导致CPU中止工作和系统死机。利用这些数据，结合电路系统具体运行的应用程序，揭示了多种故障现象的深层次原因和对系统电路的具体影响方式。

图 5 试验观测到的多次单粒子锁定导致的卫星用电路系统故障Fig. 5 Anomalies of some kind of spaceborne circuit system due to multiple single event latchups observed in the pulsed laser test

4 结论

通过具体的试验、研究和应用，以及结合国外的实践，可以总结得到脉冲激光试验在单粒子效应研究方面具有如下优点：

1）可对芯片x、y、z方向分别定位辐照和扫描辐照，便于准确鉴别和定位芯片内部单粒子效应敏感节点和应用电路出错部位（定位精度可优于0.1 µm）；

2）辐照激光脉冲频率准确可控（如1～104s-1），便于精确测试芯片和电路对单粒子效应响应过程的细节以及进行快速摸底试验；

3）激光脉冲时间特性精准、延迟短（如优于20 ps），便于精确测试芯片和应用电路对单粒子效应的动态响应特性；

4）脉冲激光等效LET值高达120 MeV·cm2/mg且连续可调，并且激光在硅中的穿透深度达600 µm（强度衰减为原来的1/e），便于对芯片抗单粒子效应设计效果进行摸底试验；

5）无放射性，无须抽真空，操作便捷，试验效率高、成本低、可推广性强。

因此，脉冲激光试验装置将继续在以下两方面产生重大应用效益：1）宇航元器件抗单粒子效应设计效果的扫描测试和摸底评估；2）卫星电路系统抗单粒子效应设计效果的快速、动态试验评估。

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