SRAM單粒子效應(yīng)檢測(cè)方法研究

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1、第27卷第5期航天器環(huán)境工程2010年lO月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING585SRAM單粒子效應(yīng)檢測(cè)方法研究羅磊，張大宇，于慶奎(中國空間技術(shù)研究院電子元器件可靠性中心，北京100029)摘要：采用中國科學(xué)院近代物理研究所的回旋加速器HIRFL產(chǎn)生不同LET值的重離子，以模擬空間輻射環(huán)境，檢測(cè)了兩種國產(chǎn)SRAM器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的能力。試驗(yàn)中采用了兩套單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合試驗(yàn)檢測(cè)過程和最終結(jié)果，討論了兩套檢測(cè)系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了試驗(yàn)中需要注意的其他問題。本研究為今后

2、構(gòu)建其他器件的單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)提供了參考。關(guān)鍵詞：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器；檢測(cè)系統(tǒng)；輻射效應(yīng)；單粒子效應(yīng)；虛擬儀器中圖分類號(hào)：V416．8；TN406文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673—1379(2010)05—0585-05DOI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．05．008O引言運(yùn)行于軌道空間上的衛(wèi)星、飛船不可避免地會(huì)遭遇各種帶電粒子的輻射，空間帶電粒子通過與星上電子元器件相互作用產(chǎn)生輻射效應(yīng)，對(duì)衛(wèi)星造成不同程度的損傷，威脅衛(wèi)星安全運(yùn)行【1】。微電子器件受空間輻射引起的單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、單粒

3、子鎖定(SEL)或單粒子燒毀(SEB)等統(tǒng)稱為單粒子效應(yīng)，它是威脅衛(wèi)星及各種航天器在軌正常運(yùn)行和壽命的重要因素之一。單粒子效應(yīng)主要有以下兩種類型【2】：1)單粒子軟錯(cuò)誤效應(yīng)：?jiǎn)瘟Ｗ臃D(zhuǎn)、單粒子多位翻轉(zhuǎn)。單粒子翻轉(zhuǎn)是指高能質(zhì)子或重離子穿過電子器件時(shí)，沉淀在器件敏感區(qū)中的電荷部分被結(jié)電容或電極吸收，造成邏輯狀態(tài)改變。單粒子多位翻轉(zhuǎn)是指單粒子事件使得器件某一地址中的多個(gè)位發(fā)生邏輯狀態(tài)改變。這些效應(yīng)僅僅改變了內(nèi)部存儲(chǔ)單位的狀態(tài)，或者短時(shí)間內(nèi)對(duì)電路中的某些節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)干擾信號(hào)。可以采用定時(shí)刷新機(jī)制或三倍冗余等算法，減小其對(duì)系統(tǒng)的

4、影響。2)具有危險(xiǎn)性的效應(yīng)：?jiǎn)瘟Ｗ渔i定【3】、單粒子燒毀【41。當(dāng)重離子照射到體硅CMOS器件內(nèi)部寄生的PNPN結(jié)上，有可能產(chǎn)生CMOS器件本身所特有的“鎖定”現(xiàn)象，使得器件持續(xù)通過大電流。單粒子鎖定一般通過斷電、重新啟動(dòng)措施后可以恢復(fù)；但如果電路設(shè)計(jì)中無限流措施，器件中持續(xù)通過大電流，將會(huì)造成器件燒毀。元器件在用于衛(wèi)星型號(hào)之前，必須在地面用高能質(zhì)子或重離子加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子或重離子模擬空間輻射環(huán)境，測(cè)量其抗單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定、單粒子燒毀的能力和出現(xiàn)這些效應(yīng)的截面，以判斷其是否達(dá)到了所需的抗輻射性能指標(biāo)。器件單粒

5、子效應(yīng)評(píng)估結(jié)果與單粒子效應(yīng)測(cè)試方法有關(guān)。本文對(duì)兩種SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)單粒子效應(yīng)測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究。1兩種單粒子檢測(cè)方案SRAM器件抗單粒子輻射能力摸底試驗(yàn)中，考慮到同旋加速器產(chǎn)生的重離子對(duì)人體有較大傷害，需要構(gòu)建一套能遠(yuǎn)程控制的檢測(cè)系統(tǒng)，使得試驗(yàn)操作人員能在控制室對(duì)輻照試驗(yàn)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。1)檢測(cè)系統(tǒng)一：SRAM單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)一，由遠(yuǎn)程控制機(jī)(PC)、上位機(jī)(PC)、嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)、攝像頭、電源、電流表和待測(cè)器件板組成，系統(tǒng)原理框圖見圖1。遠(yuǎn)程控制機(jī)放置在控制室，其他儀器設(shè)備都放置在實(shí)驗(yàn)室里間。如試驗(yàn)需

6、在真空下進(jìn)行時(shí)，此時(shí)嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)和被測(cè)器件板被放置在真空罐內(nèi)，通過航空密封插頭實(shí)現(xiàn)真空罐內(nèi)外電連接。遠(yuǎn)程控制機(jī)通過長(zhǎng)網(wǎng)線與上位機(jī)連接，通過Windows收稿日期：2010．04．13；修回日期：2010-04．15作者簡(jiǎn)介：羅磊(1980一)，男，博士學(xué)位，工程師，主要研究方向?yàn)橛詈皆骷煽啃耘c質(zhì)量保證。E—mail：luo—lui@163．COIn．586航天器環(huán)境工程第27卷操作系統(tǒng)自帶的“遠(yuǎn)程桌面連接”獲得上位機(jī)的控制權(quán)，遠(yuǎn)程控制上位機(jī)；嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)以8051單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)器件的SEU檢測(cè)；在電源

7、和待測(cè)器件板之間串接一個(gè)電流表；通過攝像頭監(jiān)控電流表的讀數(shù)，并在遠(yuǎn)程控制機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示；通過電流表讀數(shù)變化判斷是否發(fā)生SEL；通過長(zhǎng)線插線板遠(yuǎn)程控制電源斷電。圖1檢測(cè)系統(tǒng)一的原理圖Fig．1SchemeofdetectionsystemI嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)以RS232串口方式和上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)軟件為一串口通信程序。嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。先向所有地址中寫入同一數(shù)據(jù)，再讀取所有地址中的數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生了變化；若數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，則輸出當(dāng)前地址和數(shù)據(jù)。檢測(cè)完所有地址后再從首地址開始下一輪循環(huán)檢測(cè)，試驗(yàn)過

8、程中不斷循環(huán)檢測(cè)。圖2檢測(cè)系統(tǒng)一的測(cè)試軟件流程圖Fig．2Flowchartofthetestprogramfordetectionsystem12)檢測(cè)系統(tǒng)二SRAM單粒子效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)二，由遠(yuǎn)程控制機(jī)(PC)、上位機(jī)(PC)、路由器、嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)、編程器、程控電源(AgilentN6705A直流電源分析儀)和待測(cè)器件板組成，系