辐照加固SRAM型FPGA总剂量辐射效应研究

刘士全，季振凯

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

在航天辐射环境中，电离辐射产生的辐射效应会对电子元器件性能产生影响，甚至出现功能失效，使得航天器工作的可靠性和安全性受到严重威胁，造成意想不到的损失，最终影响航天任务的顺利进行。因此，对元器件的辐射损伤效应进行研究，全面了解元器件的辐射损伤机理具有重要的现实意义和必要性。FPGA（现场可编程门阵列）由于其自身集成度高、面积小、功耗低、实现功能多等特点，在航天领域的应用前景广泛。国外在上世纪90年代就已对FPGA器件的辐射损伤及退火效应进行了深入的研究[1～6]。而目前国内对SRAM型FPGA的总剂量辐射损伤及辐照后退火效应的报道很少。为此，本文对自主研发的抗辐照SRAM型FPGA的总剂量辐射效应机理进行了研究，特别是探讨了FPGA电参数退化与功能失效的相关性，为抗辐照加固技术打下了基础。

2 器件选择及实验方法

在试验中一共用了同一型号且性能参数基本相同的两片国外样品FPGA芯片和两片我所自主研发的辐照加固FPGA芯片。辐照实验板系统由FPGA、CPLD、XCF32P配置芯片组成。实验系统从辐照室内引出两组内核、端口电源，一组外围电源，两根片选信号，DONE配置成功显示信号，输出时钟信号，同时对实验系统引入Program控制信号和输入时钟信号。用硬件描述语言VerilogHDL对FPGA芯片编写源程序，烧写至FPGA配置芯片XCF32P内。同时用VerilogHDL对CPLD芯片编写源程序，完成对配置芯片和FPGA的通道切换功能。总剂量辐照实验系统如图1所示，通过两根片选信号对FPGA片选，使对应的FPGA芯片配置信号通过CPLD与配置芯片相连，通过从CPLD连到辐照室外部的Program信号控制对应FPGA重配置，通过从CPLD连到辐照室外部的DONE信号和输出时钟信号观察对应FPGA的工作状态，完成对芯片功能的检测。

图1 总剂量辐照实验系统

输入时钟信号引入30MHz的标准时钟，FPGA芯片利用寄存器实现16分频电路功能，然后通过移位寄存器将信号输出，测量辐照过程中FPGA的内核和端口电源电流、记录电流变化与总剂量的关系。测量辐照过程中FPGA输出波形，检测FPGA在总剂量辐照过程中的功能失效情况。辐照前后对FPGA芯片用Teradyne公司J750 ATE测试系统进行测试，对比参数变化，得出器件随总剂量辐射的变化关系。

实验所用的辐射源是中科院上海应用物理研究所水储式4.9×1015 （Bq）60Co-γ辐射源。这是一个由24根ф150mm×452mm源棒构成的直径为20cm的圆形源盒。实验过程中选择15rad（Si）/s和10rad（Si）/s的剂量率。两只国外器件辐照到100krad（Si）或功能失效为止，两只辐照加固器件先辐照到100krad（Si）。观察并记录电路内核电流变化，并在30k和50k时进行启动实验，若能够完成上电重配置，进行下一步实验。100k的电路实验完成后，用干冰保存，2h内带回用J750进行测试，若电参数正常，则该组电路通过实验；若功能失效，器件被判定不合格；若100krad（Si）器件测试合格，再追加50krad（Si），实验完成后，用干冰保存，带回进行高温退火。高温退火条件为：温度100℃，时间168h，168h后测试参数，判断退火后是否通过，退火期间通过辐照实验板施加偏置。依据168h高温退火后测得的参数作为最终判据，判断该组器件是否合格。

3 实验结果和讨论

3.1 实验结果

图2为辐照实验时电路输出16分频波形，测试示波器采样点数设置为10 000。两只辐照加固的FPGA在100krad（Si）辐照过程中FPGA功能正常，输出波形稳定，未发生变化，干冰保存带回用J750测试元件电参数均通过；两只国外的FPGA在60krad（Si）时波形突然消失，功耗电流开始明显增大，干冰保存带回用J750测试元件多项电参数失效。在后面追加的50k试验过程中，总计量累积到145krad（Si）时，两颗电路输出波形突然消失，功耗电流开始明显增大。在总剂量30k和50k时进行启动实验，四片电路均能完成上电重配置，通过启动实验。两组电路电流随总剂量变化情况如图3和图4所示，辐照加固FPGA电路电流在100krad（Si）以内保持20mA不发生变化，在130krad（Si）时电流发生明显增长，在150krad（Si）时电流变为90mA为原来的4.5倍。国外的FPGA电路电流在45krad（Si）以内保持不变，在60krad（Si）时电流发生明显增长。此时对电路进行高温退火，经过168h高温退火后四只电路工作正常，通过所有测试，电流恢复到辐照前的数值。同时两只辐照加固电路和两只国外电路在150k和60k辐照结束后均无法完成上电配置，表现为内核电流过大。而在高温退火后，四只电路均已能够正常完成上电重配置。

3.2 实验结果讨论

带电粒子、γ、X射线与MOS器件栅介质作用产生电离总剂量辐射效应。在电离辐射作用下，光子和带电粒子将能量传递给原子，原子电离的同时产生电子空穴对。电子空穴对通过复合、漂移、扩散、积累在SiO2绝缘层中产生氧化物陷阱电荷，并且在Si/SiO2界面上产生辐射感生氧化物电荷，从而使集成电路性能参数发生显著变化，甚至功能失效[7～8]。

图2 辐照实验电路输出波形

图3 60k总剂量实验动态电流

图4 150k总剂量实验动态电流

从实验结果可见，功耗电流随总剂量积累到一定程度后呈逐渐增大趋势，而与此同时器件功能却仍旧正常，但无法进行重新配置。经分析可知，高剂量率辐射使得FPGA电路产生大量陷阱电荷，从而使电流增大。但此时功耗电流仍然在电路正常工作上限100mA之内，所以FPGA工作未受影响。但基于SRAM结构的FPGA的特点是配置过程会有大电流出现，在正常情况下该FPGA配置时对其内核电压（Vccint）需要提供一个上电时间小于50ms、瞬间电流可达2A的电源。但该实验过程中，随着陷阱电荷的产生，使得上电过程中需要的瞬间电流增大，原实验电源无法提供满足配置需要的瞬间大电流，所以不能正常上电配置。同时从两组试验对比可知，辐照加固过的电路抗辐照能力明显好于国外未进行辐照加固的电路，辐照加固技术是有效的。

在退火过程中，由于氧化物陷阱电荷迅速消失[7]，N沟道MOS管负漂移的阈值电压出现回漂，使得其耗尽层的反型层恢复，导致截止漏电流随退火时间的增加而降低。而寄生N沟道MOS管是以铝栅或硅栅的场氧为栅氧化层，以N沟道MOS管的漏、源为漏、源端的，因此寄生N沟管的场氧漏电流随退火时间的关系与N沟道MOS管截止漏电流随退火时间的关系相似。因此在退火过程后FPGA电路基本恢复正常。

4 总结

由实验结果分析可知，功耗电流随总剂量逐渐变化，反映了FPGA器件辐射损伤的大小和过程，更直观反映了器件随总剂量的变化关系，可作为判断器件失效的一个敏感参数。而分频功能、输出高低电平功能随总剂量是突然变化的，只反映了器件辐射损伤从量变到质变的结果，不能用于分析器件辐射损伤的机理，但可直观形象地反映器件的失效。

通过实验，得到以下结论：

（1）功耗电流随总剂量累积到一定程度后线性增大，虽然功耗电流变大，但只要在极限范围内，FPGA仍然能正常工作；

（2）SRAM型FPGA在配置过程中需要瞬间大电流，故辐照后不能立即配置；

（3）总剂量辐照实验时功耗电流能直观反映器件随总剂量的变化关系，可作为判断器件失效的一个敏感参数；

（4）辐照加固技术对元器件的抗辐射能力提升是有效的。

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