2023電力設備大氣輻射試驗方法 第1部分：集成電路中子單粒子效應

TOC\o"1-3"\t"標準文件_章標題,1,標準文件_前言、引言標題,1,標準文件_參考文獻、索引標題,1,標準文件_附錄章標題,1,標準文件_一級條標題,2,標準文件_附錄一級條標題,2,標準文件_二級條標題,3,標準文件_附錄二級條標題,3"目次 I前言 III引言 IV1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14一般要求 24.1輻射源提供單位 24.2輻射安全和輻射防護 24.3試驗人員 24.4儀器與設備 24.5試驗環(huán)境 24.6位移效應的影響 24.7不確定性分析 25試驗方法 35.1試驗目的 35.2試驗原理 35.3輻射源 35.4束流測量系統(tǒng) 45.5單粒子效應測試系統(tǒng) 45.6試驗板、電纜和測試設備 45.7試驗程序 45.8錯誤率預計 66試驗報告 7附錄A（資料性）國內(nèi)外可用的中子源 8

電力設備大氣輻射試驗方法第1部分：集成電路中子單粒子效應范圍本文件確立了使用中子源對電力設備用集成電路進行大氣中子單粒子效應加速試驗的評價方法。本文件適用于電力設備用集成電路的中子單粒子效應敏感性檢測試驗。該環(huán)境下的中子來源于初始高能宇宙射線與大氣的相互作用，主要為能量高于1MeV的高能中子。本文件適用的單粒子效應包括大氣中子在電力設備用集成電路中引起的單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子功能中斷、單粒子鎖定等。本文件不適用于熱中子和α粒子引起的單粒子效應。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB3102.10核反應核電離輻射的量和單位GB4792-1984放射衛(wèi)生防護基本標準GB/T9178集成電路術(shù)語GB18871-2002電離輻射防護與輻射源安全基本標準GJB7242-2011單粒子效應試驗方法和程序QJ10005-2008宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南術(shù)語和定義GJB7242-2011界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。中子能量neutronenergy指中子的動能，通常使用單位eV或MeV。中子注量neutronfluence指給定時間內(nèi)輻照在單位面積芯片上的中子數(shù)，通常使用單位n/cm2。中子注量率neutronflux指單位時間輻照在單位面積芯片上的中子數(shù)，通常使用單位n/(cm2·s)。中子射程neutronrange指入射中子在集成電路中傳播，動能減小至零時穿過的距離。中子間接電離neutronindirectionization入射中子與集成電路材料（包括硅晶格、摻雜原子、金屬布線層等包含在集成電路中的材料）發(fā)生核反應產(chǎn)生次級粒子，這些次級粒子進一步在集成電路中傳播，通過電離過程產(chǎn)生電子-空穴對。多位翻轉(zhuǎn)multiple-bitupset(MBU)指單個具有能量的粒子在存儲結(jié)構(gòu)中引起多個存儲位邏輯狀態(tài)改變，這些存儲位處于同一個字節(jié)/字內(nèi)。多單元翻轉(zhuǎn)multiple-cellupset(MCU)指單個具有能量的粒子在存儲結(jié)構(gòu)中引起多個存儲位邏輯狀態(tài)改變。錯誤率errorrate指電子器件或系統(tǒng)在輻射環(huán)境中發(fā)生錯誤的速率，一般使用FIT值描述應用環(huán)境下的大氣中子錯誤率，1FIT指109個工作小時內(nèi)發(fā)生1個錯誤。一般要求輻射源提供單位輻射源提供單位應具有專業(yè)資質(zhì)，或獲得行業(yè)或上級主管部門的認可。輻射安全和輻射防護試驗人員在輻射源區(qū)的操作應符合GB18871-2002和GB4792-1984的規(guī)定。注意人身輻射安全和防護，束流打開狀態(tài)下，試驗人員應處于輻照間之外的安全區(qū)域；束流關(guān)閉狀態(tài)下，經(jīng)安全確認后方可進入輻照間。經(jīng)歷過中子輻射的部件具有一定的放射性，應按GB18871-2002及輻射源提供單位的相關(guān)文件要求進行處理和貯存。試驗人員試驗人員應掌握半導體器件的基礎知識，了解輻射效應原理，經(jīng)過放射防護知識培訓，熟悉相關(guān)儀器設備的操作要求。儀器與設備所使用的儀器和設備應進行校準和計量。試驗環(huán)境試驗環(huán)境要求如下：a)環(huán)境溫度：15℃～35℃（如有特殊溫度測試需求，則不受限于本條目）；b)相對濕度：20%～80%。位移效應的影響應評估入射中子產(chǎn)生位移損傷對單粒子效應試驗結(jié)果的影響。不確定性分析應按GJB3756-1999中第5章的規(guī)定進行試驗結(jié)果的不確定度分析。試驗方法試驗目的通過試驗，獲得集成電路在中子源輻照下的單粒子效應截面和在應用環(huán)境下的錯誤率，為評價集成電路的單粒子效應敏感性提供數(shù)據(jù)。試驗原理使用中子源可測量得到單粒子效應截面：或（1）式中：σ——單粒子效應截面，單位為平方厘米或平方厘米每比特（cm2或cm2/Mb）；Ne——單粒子效應數(shù)；F——中子注量，單位為中子數(shù)每平方厘米（n/cm2）；Nb——被測集成電路的總?cè)萘浚瑔挝粸楸忍兀╞it）。輻射源5.3.1散裂中子源散裂中子源的中子譜形狀應與大氣中子譜相近（參見資料性附錄A），適合用于大氣中子單粒子效應加速試驗。由于實際大氣中子能量可達到GeV量級，推薦使用最高能量接近實際大氣中子的散裂中子源。使用的散裂中子源應明確表明中子束流是否包含熱中子，如果包含，應給出熱中子的注量率信息及是否可調(diào)、是否可濾除。5.3.2單能中子源14MeV中子源一般通過T(d,n)4He反應,高壓倍增器加速氘束，轟擊氚靶產(chǎn)生中子。14MeV中子源中子呈4π場分布，可圍繞中子靶源布置大量被測對象，也是中子單粒子效應評估試驗常用的中子源之一。但由于14MeV中子源的中子能量與實際環(huán)境存在差異，故優(yōu)先推薦使用散裂中子源進行試驗。5.3.3中子注量率建議在104~107

n/(cm2·s)范圍內(nèi)選擇注量率；通常從最高的中子注量率開始試驗，若錯誤率高于1error/s，則降低中子注量率。5.3.4中子注量入射中子注量必須保證被測集成電路的靈敏區(qū)全部被輻照到，以產(chǎn)生高的統(tǒng)計可信度。滿足以下條件之一可停止輻照：a)單粒子翻轉(zhuǎn)/單粒子瞬態(tài)發(fā)生數(shù)達到100次，或總注量達到1×1010

n/cm2，以先到為準。b)單粒子功能中斷/單粒子鎖定發(fā)生數(shù)達到10次，或總注量達到1×1010

n/cm2，以先到為準。上述總注量也可以根據(jù)集成電路在實際大氣環(huán)境的錯誤率指標和實際大氣環(huán)境中子通量確定。5.3.5中子入射角度通常，中子束垂直入射至測試樣品表面。如有必要，應開展傾角入射試驗，評估中子束入射角度對測試結(jié)果的影響。例如，對于帶有ECC加固的被測集成電路，應開展多組傾角入射試驗，驗證角度對ECC有效性的影響。5.3.6中子射程中子可以穿透集成電路靈敏區(qū)表面的材料，包括封裝材料、鈍化層、金屬布線層等。試驗人員應掌握上述材料的厚度、成份、密度等信息，計算到達靈敏區(qū)的中子能量。5.3.7束斑面積輻照束斑面積應足夠大，能夠覆蓋被測集成電路，一般要求能覆蓋1cm×1cm～5cm×5cm范圍。束流測量系統(tǒng)束流測量系統(tǒng)包括束流注量測量系統(tǒng)、束流能量測量系統(tǒng)等。束流注量測量系統(tǒng)應具有優(yōu)于±10%的測量精度，能連續(xù)、實時監(jiān)測中子注量。單粒子效應測試系統(tǒng)單粒子效應試驗過程中，被測集成電路的測試是一項復雜的技術(shù)。對同一集成電路，不同測試方法或測試程序，產(chǎn)生的測試結(jié)果不相同，甚至相差很大。單粒子效應測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由被測集成電路的類型和功能決定，基本要求如下：a)至少能夠?qū)呻娐穼嶋H使用的功能進行測試；b)能夠?qū)Ρ粶y集成電路進行初始化設置；c)具有電源電流測試功能，單粒子效應的診斷和記錄功能，具有限流功能；d)數(shù)據(jù)的實時處理、存儲和檢索；e)具有自動復位或手動復位的功能；f)具有良好的抗電磁干擾能力。試驗板、電纜和測試設備被測集成電路放在試驗板上，試驗板放置在試驗環(huán)境中。試驗板和電纜必須具備以下幾個要求：a)試驗板和電纜的尺寸、重量滿足試驗環(huán)境的要求；一般情況下，試驗板尺寸應不大于30cm×30cm；b)試驗板上的安裝孔位符合樣品臺的要求；c)試驗板上被測集成電路附近，不應有其它單粒子效應敏感集成電路，或者其它單粒子效應敏感集成電路距離被測集成電路足夠遠；也可采用主板-子板設計，子板承載被測集成電路，其它對單粒子效應敏感的控制集成電路焊接在主板上，主板和子板通過長線進行通訊。d)試驗板應具有良好的機械穩(wěn)定性、可移動性和抗振動性；e)試驗板和電纜應具有良好的抗電磁干擾能力；f)如果在輻照間內(nèi)使用外圍測試設備，應采取必要措施如使用屏蔽島，保證測試設備不受試驗環(huán)境的影響，并降低測試設備接受本底輻射環(huán)境的輻射劑量。如條件允許，推薦將外圍測試設備通過長線引出至輻照間外進行測試。試驗程序5.7.1制定試驗方案進行試驗前需要編制試驗方案，試驗方案應包括試驗目的、輻射源、粒子信息、試驗樣品信息、測試系統(tǒng)、試驗順序、試驗數(shù)據(jù)處理方法等。5.7.2樣品準備除非另有規(guī)定，同一批產(chǎn)品的被測集成電路數(shù)量應不少于3只。被試集成電路應測試合格。每一個被測集成電路應編號，試驗中應按編號記錄試驗數(shù)據(jù)。無需對樣品進行開帽或襯底減薄工作，但試驗人員必須掌握樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。5.7.3試驗流程測試現(xiàn)場布局示意圖如圖1所示。被測集成電路和電路板放置在輻照間。建議采取措施將電路板上的其它敏感電子元器件遠離中子束流，如采用主板-子板分離結(jié)構(gòu)。外圍設備用于為DUT和電路板供電、提供激勵和控制信號、監(jiān)視工作電流和輸出信號等。外圍測試設備應根據(jù)實際情況優(yōu)先放置在輻照間外，如需放置在輻照間內(nèi)，則需遠離中子束流，并評估輻照間內(nèi)射線對設備運行的影響。圖1測試現(xiàn)場布局示意圖（1）單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）測試以電力設備用典型集成電路（FPGA、存儲器）為例，進行說明。a)FPGA采用專用測試軟件進行單粒子翻轉(zhuǎn)的測試和數(shù)據(jù)記錄。具體地：對于CLB，將CLB配置為移位寄存器鏈條，寫入數(shù)據(jù)55A并循環(huán)讀比，檢測CLB輸出結(jié)果的邏輯狀態(tài)是否發(fā)生改變，記錄翻轉(zhuǎn)的數(shù)量、地址等信息，計算翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)；對于存儲模塊（BRAM、UltraRAM、配置存儲器、分布式RAM、OCM等）和內(nèi)置處理器（APU、RPU、GPU）緩存，寫入數(shù)據(jù)55A并循環(huán)讀比，檢測輸出結(jié)果的邏輯狀態(tài)是否發(fā)生改變，記錄翻轉(zhuǎn)的數(shù)量、地址等信息，計算翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)。b)存儲器采用專用測試軟件進行單粒子翻轉(zhuǎn)的測試和數(shù)據(jù)記錄。具體地，輻照試驗前，將數(shù)據(jù)55A寫入待測存儲器；輻照過程中或輻照結(jié)束后，檢測存儲器內(nèi)部存儲單元的邏輯狀態(tài)是否發(fā)生改變，記錄翻轉(zhuǎn)的數(shù)量、地址等信息，計算翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)。（2）單粒子功能中斷（SEFI）測試以電力設備用典型集成電路（FPGA、存儲器）為例，進行說明。a)FPGA試驗過程中，實時監(jiān)控FPGA的工作狀態(tài)，若集成電路功能發(fā)生異常中斷如配置失敗、輸出數(shù)據(jù)異常、大面積錯誤、工作電流異常減小/增大時，對集成電路進行軟復位操作，若可恢復正常，則記為1次SEFI?？山Y(jié)合失效現(xiàn)象如配置失敗信息、報錯結(jié)果等，探究SEFI發(fā)生的位置和原因。對于內(nèi)置處理器（APU、RPU、DSP等），循環(huán)運行典型應用程序（如浮點運算等），判斷輸出結(jié)果是否正確；外設接口等資源：采用遍歷回環(huán)測試（golden數(shù)據(jù)遍歷各個接口），判斷輸出結(jié)果是否正確。b)存儲器試驗過程中，實時監(jiān)控存儲器的工作狀態(tài)，若集成電路功能發(fā)生異常中斷如無法寫入/讀出、出現(xiàn)大面積錯誤、工作電流異常減小/增大時，對集成電路進行軟復位操作，若可恢復正常，則記為1次SEFI。（3）多位翻轉(zhuǎn)（MBU）測試當SEU測試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)單個字內(nèi)多個錯誤，同時滿足以下條件時，判定發(fā)生MBU：a)中子注量率較低，產(chǎn)生的錯誤率低于1error/s；b)采用動態(tài)測試，效應測試系統(tǒng)檢測速度較快；c)效應測試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)SEU時，能夠及時糾正。（4）單粒子鎖定（SEL)測試用監(jiān)測電源電流突然增加的方法測試SEL現(xiàn)象。用計算機控制的可編程電源進行被測集成電路的單獨供電和電流實時監(jiān)測和記錄，并進行實時數(shù)據(jù)的圖形化顯示。也可通過測量采樣電阻的壓降來監(jiān)視電流實現(xiàn)SEL的測試，當電流超過規(guī)定值時，電壓比較器通過與參考電壓比較，發(fā)出信號，切斷電源開關(guān)，保護被測集成電路。SEL測試系統(tǒng)應能夠檢測和記錄閂鎖狀態(tài)，并根據(jù)需要采取保護措施，確保被測集成電路不出現(xiàn)損傷。集成電路偏置電壓選用最大工作電壓或根據(jù)實際情況確定。5.7.4樣品處置被輻照后的試驗樣品可能具有一定的放射性，應對輻照后樣品進行放射性測量，若超出規(guī)定值，則應存放于專用空間至放射性符合規(guī)定。5.7.5輻照試驗工序單編制試驗工序單，并進行原始數(shù)據(jù)記錄，格式如下：試驗板號：；集成電路編號：；中子能量：MeV；注量率：n/(cm2·s)表1輻照試驗工序單開始時間結(jié)束時間總注量（n/cm2）工作電流（mA）SEU數(shù)SEFI數(shù)SEL數(shù)數(shù)據(jù)記錄文件名備注錯誤率預計（1）散裂中子源試驗對于E>1MeV的大氣中子，散裂中子源中子能譜與實際大氣中子能譜十分相近，僅相差一個系數(shù)。被測集成電路在實際大氣環(huán)境中的中子錯誤率（SER，單位為FIT或FIT/Mb）等于試驗獲得的單粒子效應截面（σ，單位為cm2/Mb)）乘以實際大氣環(huán)境中的中子通量（f，單位為n/(cm2·hr)）：SER=σ×f×109（2）（2）14MeV中子試驗被測集成電路在實際大氣環(huán)境中的中子錯誤率等于14MeV中子試驗獲得的單粒子效應截面乘以實際大氣環(huán)境中的中子通量和能量修正因子：SER=σ×f×R×109