皮秒脈沖激光技術(shù)在AS32S601單粒子效應(yīng)評(píng)估中的應(yīng)用

在現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域，隨著集成電路的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性問(wèn)題愈發(fā)受到關(guān)注。單粒子效應(yīng)（Single Event Effect, SEE）是影響微電子器件在輻射環(huán)境中可靠性的重要因素之一。為了評(píng)估芯片在輻射環(huán)境中的抗單粒子效應(yīng)能力，皮秒脈沖激光技術(shù)作為一種先進(jìn)的模擬手段被廣泛應(yīng)用。本文將以 AS32S601 型 MCU 的單粒子效應(yīng)評(píng)估為例，詳細(xì)介紹皮秒脈沖激光技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

一、單粒子效應(yīng)概述

單粒子效應(yīng)是指高能粒子（如質(zhì)子、重離子等）在穿過(guò)半導(dǎo)體器件時(shí)，與器件內(nèi)部的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量電離電子-空穴對(duì)，從而引發(fā)器件性能異常的現(xiàn)象。根據(jù)效應(yīng)的類型和嚴(yán)重程度，單粒子效應(yīng)可以分為單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset, SEU）、單粒子鎖定（Single Event Latch-up, SEL）、單粒子燒毀（Single Event Burnout, SEB）等多種形式。其中，SEU 是指高能粒子撞擊導(dǎo)致器件內(nèi)部存儲(chǔ)單元或邏輯狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象，而 SEL 則是指高能粒子撞擊引發(fā)器件內(nèi)部寄生晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)致器件電流急劇增加，可能造成器件損壞的現(xiàn)象。

二、皮秒脈沖激光技術(shù)簡(jiǎn)介

皮秒脈沖激光技術(shù)是一種利用超短脈沖激光來(lái)模擬高能粒子與半導(dǎo)體器件相互作用的技術(shù)。皮秒脈沖激光具有脈沖寬度極短（通常在皮秒量級(jí)，1皮秒=10?12秒）、能量集中、可精確控制等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整激光的參數(shù)（如脈沖能量、脈沖寬度、光斑尺寸等），可以模擬不同能量和LET（Linear Energy Transfer，線性能量傳輸）的高能粒子對(duì)半導(dǎo)體器件的作用。與傳統(tǒng)的輻射試驗(yàn)方法相比，皮秒脈沖激光技術(shù)具有試驗(yàn)條件易于控制、重復(fù)性好、試驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地評(píng)估半導(dǎo)體器件在輻射環(huán)境下的抗單粒子效應(yīng)能力。

三、AS32S601型MCU簡(jiǎn)介

AS32S601是一款基于32位RISC-V指令集的MCU產(chǎn)品，具有豐富的Flash容量、支持ASIL-B等級(jí)的功能安全I(xiàn)SO26262，同時(shí)具備高安全、低失效、多IO、低成本等特點(diǎn)。其工作頻率高達(dá)180MHz，工作輸入電壓支持2.7V~5.5V，休眠電流低至200uA（可喚醒），典型工作電流為50mA。該芯片還符合AEC-Q100 grade1認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（汽車級(jí)），具備較強(qiáng)的抗輻射能力，適用于工業(yè)、汽車以及商業(yè)航天等領(lǐng)域。在單粒子效應(yīng)方面，AS32S601的設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到SEU≥75MeV·cm2/mg或10??次/器件·天（企業(yè)宇航級(jí)）、SEL≥75MeV·cm2/mg（企業(yè)宇航級(jí)）的水平。

四、皮秒脈沖激光試驗(yàn)裝置與方法

（一）試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在中關(guān)村B481的脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置包括皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)裝置、直流電源、電控平移臺(tái)等儀器設(shè)備。皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)裝置由皮秒脈沖激光器、光路調(diào)節(jié)和聚焦設(shè)備、三維移動(dòng)臺(tái)、CCD攝像機(jī)和控制計(jì)算機(jī)等組成。試驗(yàn)裝置原理如下：

焊接試驗(yàn)樣品的試驗(yàn)電路板固定于三維移動(dòng)臺(tái)上，三維移動(dòng)臺(tái)的位置和移動(dòng)方式由控制計(jì)算機(jī)編程控制；脈沖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過(guò)相應(yīng)光路調(diào)節(jié)和物鏡聚焦后輻照試驗(yàn)樣品；試驗(yàn)樣品表面和激光光斑可由CCD相機(jī)成像在控制計(jì)算機(jī)顯示；試驗(yàn)樣品由直流電源供電并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配套電路輸出變化。

（二）試驗(yàn)方法

1. 掃描方法

試驗(yàn)前將試驗(yàn)電路板固定于三維移動(dòng)臺(tái)上，一般使樣片的長(zhǎng) a 對(duì)應(yīng) CCD 成像的 Y 軸，寬 b 對(duì)應(yīng) CCD 成像的 X 軸，樣品 CCD 成像的左下角作為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，即掃描起點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)為使激光覆蓋掃描試驗(yàn)樣品，設(shè)定三維移動(dòng)臺(tái)按如下順序作周期移動(dòng)，共移動(dòng) b/10 個(gè)周期：（1）沿 -Y 軸移動(dòng)距離（a+50）μm；（2）沿 -X 軸移動(dòng) 5μm（X 軸步長(zhǎng)）；（3）沿 +Y 軸移動(dòng)距離（a+50）μm；（4）沿 -X 軸移動(dòng) 5μm。激光相對(duì)三維移動(dòng)臺(tái)作反方向運(yùn)動(dòng)，相對(duì)掃描方式如圖1所示。

2. 激光注量

激光注量若定為 1×10?cm2，即單個(gè)激光的 X 軸和 Y 軸步長(zhǎng)都為 3μm，其中 X 軸步長(zhǎng)為直接設(shè)定。三維移動(dòng)臺(tái)沿 Y 軸是勻速移動(dòng)，Y 軸步長(zhǎng)由激光頻率和三維移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度決定，設(shè)定激光頻率為 1000Hz，三維移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度為 10000μm/s，則Y軸步長(zhǎng)滿足3μm要求。其他注量與步長(zhǎng)按此算法推算。光注量相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3.激光能量

根據(jù)激光能量與重離子LET值對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算得到掃描初始激光能量設(shè)定為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg），最高采用的能量為1830pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（75±18.75）MeV·cm2/mg）。如采用激光有效能量為對(duì)應(yīng)LET值=5MeV·cm2/mg時(shí)芯片不發(fā)生鎖定，則增大激光能量（也即增大對(duì)應(yīng)的LET值）。

4.單粒子效應(yīng)判定及處理方法

當(dāng)試驗(yàn)樣品工作狀態(tài)出現(xiàn)異常（超過(guò)正常芯片工作電流的1.5倍），認(rèn)為發(fā)生單粒子鎖定效應(yīng)（SEL）。發(fā)生單粒子效應(yīng)時(shí)，試驗(yàn)人員手動(dòng)給測(cè)試電路斷電，同時(shí)關(guān)閉激光快門，停止三維移動(dòng)臺(tái)的掃描程序。

五、試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

（一）試驗(yàn)過(guò)程

以其中一款器件為例說(shuō)明試驗(yàn)步驟，其他芯片試驗(yàn)步驟仿照此過(guò)程進(jìn)行。具體步驟如下：

打開(kāi)皮秒脈沖激光器，設(shè)定激光脈沖頻率為1000Hz，激光器穩(wěn)定運(yùn)行。

將激光聚焦到器件正面，測(cè)得器件長(zhǎng)a寬b，通過(guò)移動(dòng)三維移動(dòng)臺(tái)使激光光斑定位到試驗(yàn)器件顯微成像的右下角，并作為掃描原點(diǎn)。

試驗(yàn)器件加電，記錄工作電壓。

設(shè)定初始激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg），設(shè)定三維移動(dòng)臺(tái)按照表1中所述周期移動(dòng)，使激光以1×10?cm2注量覆蓋掃描試驗(yàn)器件，如果未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，則按照初始設(shè)定能量繼續(xù)增大能量并掃描器件，直至出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

拆除電路板，更換測(cè)試芯片，重復(fù)（2）-（5）試驗(yàn)過(guò)程。

關(guān)閉激光器，試驗(yàn)結(jié)束。

（二）結(jié)果分析

AS32S601型MCU在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為5MeV·cm2/mg）開(kāi)始進(jìn)行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。當(dāng)激光能量提升至1585pJ（對(duì)應(yīng)LET值為75MeV·cm2/mg）時(shí)，監(jiān)測(cè)到芯片發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象。

六、皮秒脈沖激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限性

（一）優(yōu)勢(shì)

精確模擬 ：皮秒脈沖激光技術(shù)能夠精確模擬高能粒子與半導(dǎo)體器件相互作用的過(guò)程，通過(guò)調(diào)整激光參數(shù)，可以模擬不同能量和LET的高能粒子，為單粒子效應(yīng)的研究提供了有力的工具。

試驗(yàn)條件易于控制 ：與傳統(tǒng)的輻射試驗(yàn)方法相比，皮秒脈沖激光試驗(yàn)的條件易于控制，如激光能量、脈沖寬度、光斑尺寸等參數(shù)都可以通過(guò)儀器設(shè)備進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，從而保證試驗(yàn)的重復(fù)性和可靠性。

試驗(yàn)周期短 ：傳統(tǒng)的輻射試驗(yàn)通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成，而皮秒脈沖激光試驗(yàn)可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)芯片的單粒子效應(yīng)評(píng)估，大大提高了試驗(yàn)效率。

安全性高 ：在皮秒脈沖激光試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員可以通過(guò)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，避免了直接接觸高能粒子源，提高了試驗(yàn)的安全性。

（二）局限性

成本較高 ：皮秒脈沖激光設(shè)備價(jià)格昂貴，且需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作和維護(hù)，這在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。

模擬范圍有限 ：雖然皮秒脈沖激光技術(shù)能夠模擬多種高能粒子的作用，但對(duì)于一些特殊類型的單粒子效應(yīng)（如單粒子燒毀等）的模擬效果可能不夠理想，需要結(jié)合其他試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合評(píng)估。

對(duì)樣品要求高 ：試驗(yàn)樣品需要進(jìn)行特殊的處理，如開(kāi)封裝處理等，以使樣品正面金屬管芯表面完全暴露，這可能會(huì)對(duì)樣品造成一定的損傷，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

七、結(jié)論與展望

皮秒脈沖激光技術(shù)在AS32S601型MCU的單粒子效應(yīng)評(píng)估中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)精確控制激光參數(shù)，能夠有效地模擬高能粒子對(duì)芯片的作用，為芯片的抗單粒子效應(yīng)能力評(píng)估提供了有力的支持。試驗(yàn)結(jié)果表明，AS32S601型MCU具備較好的抗單粒子效應(yīng)能力，能夠滿足企業(yè)宇航級(jí)的要求。然而，皮秒脈沖激光技術(shù)也存在一定的局限性，如成本較高、模擬范圍有限等。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，皮秒脈沖激光技術(shù)有望在單粒子效應(yīng)評(píng)估領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為電子器件的可靠性研究提供更加準(zhǔn)確和高效的方法。

審核編輯 黃宇