一款新研制ASIC器件的单粒子效应检测与故障定位

罗磊，张洪伟，董艺，梅博，于庆奎



一款新研制ASIC器件的单粒子效应检测与故障定位

罗磊1，张洪伟1，董艺2，梅博1，于庆奎1

（1. 中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 上海复旦微电子集团股份有限公司，上海200433）

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。

ASIC器件；辐射效应；单粒子效应；故障注入；故障树分析；仿真

0 引言

卫星运行在空间环境中，不可避免地受到空间带电粒子辐射。带电粒子通过与元器件材料的相互作用导致元器件性能退化或功能失效，即辐射效应损伤。这种损伤会进一步令卫星功能和性能下降，甚至影响卫星运行寿命[1]。

星用电子元器件受空间辐射产生单粒子效应，可分为单粒子瞬态（SET）、单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）[2]、单粒子烧毁（SEB）等[3]。为保证各种卫星、航天器在轨正常运行，必须利用地面高能质子或重离子辐射模拟设备对电子元器件进行抗单粒子能力评估，包括抗单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁能力以及它们的对应截面[4]，并尽可能对器件内部单粒子翻转敏感模块进行定位，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支持。

本文利用自主研发的单粒子效应检测系统，对一款国产新研ASIC器件进行了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，并采用故障树分析与电路仿真技术[5]，对器件内部单粒子翻转敏感模块进行定位。

1 试验样品

试验选用的ASIC器件为ARINC659总线收发器，是一种可提供3路LVTTL信号和GTLP信号双向转换的高驱动收发器，将接收的LVTTL信号转换为GTLP信号后驱动到ARINC659总线上输出，同时也能够从ARINC659总线上接收的GTLP信号转换为LVTTL信号输出。该器件为模拟器件，不包含时序单元，其逻辑框图如图1所示。

该ASIC器件的主要特点为：

1）具备3路双向转换的端口，其中GTLP信号端口定义为B端口（B1、B2、B3），LVTTL逻辑信号发送端口和接收端口相互独立，LVTTL信号发送端口（输入端口）定义为A端口（A1、A2、A3），LVTTL信号接收端口（输出端口）定义为Y端口（Y1、Y2、Y3）。

3）具备LVTTL信号向GTLP信号转换使能/禁止控制功能和控制管脚（），以及GTLP信号向LVTTL信号转换使能/禁止控制功能和控制管脚（）。

4）具备上电三态电路和BIAS VCC电路，用于支持器件的冷备份功能。

5）在上电过程中以及断电期间，上电三态电路用于将器件的输出置为高阻态。

图1 试验用ASIC器件逻辑框图

2 单粒子效应检测系统

单粒子效应检测系统的工作原理是：将待测器件和对比测试器件的输出管脚（3个Y口、3个B口）分别引入主控制器，对2只器件同步输入相同的激励，只对待测器件进行辐照，由主控制器采集、判断2只器件的输出信号是否一致，若不一致则判定待测器件发生了单粒子事件。

单粒子效应检测系统由远程控制机、上位机、测试板、程控电源（Agilent N6705A直流电源分析仪）组成[6-8]，系统原理见图2。试验时，采用重离子束流直接照射到开帽后的待测器件芯片表面，其他器件、设备均不受辐照束流影响。为保证试验人员的人身安全，将远程控制机单独设置在距辐照室30m外的监控室内，与上位机之间采用长网线连接。远程控制机通过Windows操作系统自带的“远程桌面连接”获得上位机的控制权，而上位机负责控制测试板和程控电源。

图2 单粒子效应检测系统组成

测试板采用子母板的结构，母板包括供电及电源管理电路，主控制器（采用基于MicroBlaze软核的FPGA实现）及其支持电路，RS232串行通信电路，以及转换芯片相关的外围电路；子板安放待测器件（DUT）及对比测试器件，通过接插件与母板连接，实现2只器件所有引脚与母板连接。

通过计算机控制程控电源实现试验样品及测试板的远程通断电，采集各路电流值；控制母板存储器完成对主控制器的码流下载；主控制器实现对子板上试验样品的写入、回读、数据对比及结果统计；串行通信电路负责接收并执行上位机的操作命令。

上位机是整个单粒子效应检测系统的人机交互平台，主要实现3个功能：试验参数设置、试验过程控制以及试验数据保存，其软件流程如图3所示。本检测系统的软件可以灵活地启动、暂停和中止试验，实时显示样品的电流状态、回读错误数及中断次数，并且能够保存数据、自动生成试验记录文件。

图3 ASIC器件单粒子效应检测系统上位机软件流程

3 单粒子效应评估试验

3.1 辐射源

试验采用中国科学院近代物理研究所HIRFL回旋加速器产生的Kr离子辐射源，离子能量为479.8MeV，表面LET（线性能量转移）值为37.6MeV·cm2/mg，垂直入射时在芯片中的射程可达58.5μm。

由于加速器产生的离子射程有限，因此需要在试验前将器件开帽以裸露出内部芯片。试验中重离子束流直接照射在开帽后的芯片表面，有效辐照面积约为4.9cm2。

3.2 试验结果

系统输入为30MHz的方波激励信号，以60MHz的频率对输出信号采样；比较2只器件的输出信号，以判断是否发生单粒子事件。辐照试验过程中，对2只待测器件进行测试，每只器件均辐照到107ion/cm2，尽管均未发生SEL现象，但共检测到132次SEU/SET，统计结果如表1所示。

表1 器件单粒子效应检测试验结果

4 试验结果分析

试验检测的ASIC器件是一个采用0.35μm CMOS工艺的模拟器件，由于不包含对单粒子翻转敏感的时序单元，故不会发生单粒子翻转；但一些控制信号（比如输出使能信号等）由一些简单组合电路构成，而这些组合电路在入射粒子的作用下会出现SET（即毛刺）。若SET的脉宽足够大，则可以传递到下一级电路；若脉宽小，则可能会由于电学特性被下级电路消除毛刺。若外部采样沿正好在产品最终输出口出现SET时进行采样，就会将SET转变为一个影响系统功能的SEU或SEFI（单粒子功能中断）[9-12]。

检测数据显示该款ASIC器件测得的SET均为多个端口同时出错，没有单个端口单独报错的情况，因此判断为芯片全局控制信号电路发生SET，而不是某个端口内的独立电路发生SET。建立器件多端口同时出错的故障树，如图4所示。

图4 多端口同时出错故障树

在HSPICE软件中，采用双指数电流源模型来模拟入射的单粒子，格式为：“I电流名称0 X模块名.X子模块.线网名 EXP 0 电流大小故障时间 10p 故障时间 200p”。

取电流大小为6mA，经过电路仿真（结果见表2）将多端口同时出错的故障定位为上电三态电路发生翻转。

表2 针对故障树的仿真结果

上电三态电路的逻辑框图如图5所示。通过仿真发现，OEAB和OEBY节点的内部驱动很大，空间单粒子不会打翻这2个节点；但上电三态电路中存在驱动较小的敏感节点，其受单粒子影响产生SET后，会在A点产生毛刺翻转信号，进而传输到B口和Y口，使得所有口的输出都受影响。正常工作时OEAB和OEBY的逻辑是“1”，A点逻辑也是“1”；当单粒子将上电三态电路打翻成“0”后，会使得B口和Y口都从输出使能变成输出禁止，从而影响6个口的输出信号。

图5 上电三态电路逻辑

上电三态电路单粒子效应仿真图（图6）中显示了采样点位置和毛刺的关系：在1点采样将显示为3个B口错误；在2点采样将显示为3个B口和3个Y口都错误；在3点采样将显示为3个Y口错误。

图6 上电三态电路单粒子效应仿真图

针对上述仿真结果进行了验证试验：正常工作的硬件板上芯片管脚和是低电平信号，通过短路条给和脚上同时施加一个高电平信号，使得芯片内部的OEAB和OEBY都变低电平，能观测到所有口的输出报错。

5 结束语

利用自研的ASIC器件单粒子效应检测系统，检测一款国产新研ASIC器件的单粒子试验数据。对器件单粒子敏感模块进行了故障树分析，并利用HSPICE软件和波形观测软件SX对该器件进行了单粒子效应仿真和故障定位，找出了器件的单粒子效应敏感模块。

本文采用的单粒子效应检测系统，以及试验和仿真分析方法，均可推广用于各种ASIC器件的单粒子效应检测及故障注入仿真分析。

（References）

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LUO L, ZHANG L, ZHU M, et al. Test study of single event effect of a serial-input/parallel-output shift device[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(5): 509-511

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[9] HANSEN D L, MILLER E J, KLEINOSOWSKI A, et al. Clock, flip-flop, and combinatorial logic contributions to the SEU cross section in 90 nm ASIC technology[J]. IEEE Transactions onNuclear Science, 2009, 56(6): 3542-3550

[10] USLENGHI M, FIORINI M, FIORINI C, et al. Study of single event transients on the VELA ASIC, x-ray detectors FEE for new generation astronomical instruments[C]//Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). New York, 2011: 2119-2123

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（编辑：张艳艳）

Single event effect detection and fault location for an ASIC device

LUO Lei1, ZHANG Hongwei1, DONG Yi2, MEI Bo1, YU Qingkui1

(1. China Aerospace Components Engineering Center, Beijing 100094, China;2. Shanghai Fudan Microelectronics Group Co., Ltd., Shanghai 200433, China)

The single event effect (SEE) test system is developed for the SEE evaluation for a domestic ASIC (application specific integrated circuit) used on the space satellite. The single event upset (SEU) data under irradiation of the Kr ion are obtained for the SEE evaluation test. The fault tree analysis and circuit emulation technique is adopted in the simulation for the SEU, and the SEU sensitive module is located inside the ASIC, which providesa basis for the system-level radiation hardening design of satellites and the follow-up design for the IC designer.

ASIC device; radiation effect; single event effect; fault injection; fault tree analysis; simulation

TN406; V416.5

A

1673-1379(2017)02-0202-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.016

2016-09-13；

2017-03-08

“十三五”装备预先研究共用技术课题（编号：41424010303；41424050605）

罗磊（1980—），男，博士学位，主要研究方向为宇航元器件抗辐射保证。E-mail: luoleicast@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544